CN101087126A - 输入增益控制设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种音频放大器的输入增益控制设备和方法。在包括声放大器和开关放大器的音频设备中，如果声信号没有在动态范围内输入，那么基于预先设置的限制电平自动削减声信号的增益以将由于声信号的削波引起的声信号的失真最小化，从而限制声信号的过量输入并输入动态范围内的声信号。因而，在保持过量输入信号的原始形式的同时可仅削减特定电平(或更大)的过量输入信号的增益，以将由于输出波形的削波引起的输出波形的失真最小化。此外，可同时去除谐音失真和在削波期间发生的阶梯形高频噪声。

Description

输入增益控制设备和方法

技术领域

本发明涉及一种音频放大器的输入增益控制设备和方法。更具体地讲，本发明涉及这样一种音频放大器的输入增益控制设备和方法，在包括声放大器和开关放大器的音频设备中，如果声信号没有在动态范围内输入，那么该设备和方法基于预先设置的限制电平自动削减声信号的增益以将由于声信号的削波引起的声信号的失真最小化，并限制声信号的过量输入以输入动态范围内的声信号。

背景技术

通常，模数(A-D)D类放大器电路对声信号执行脉冲宽度调制(PWM)以将声信号变换为数字信号类型，放大数字信号，并使放大的数字信号通过低通滤波器(LPF)以恢复原始模拟信号。

图1是示出现有技术的D类放大器电路的结构的示意图。参照图1，传统的D类放大器电路包括放大器110、比较器120、栅极驱动器130、低通滤波器(LPF)140、三角波发生器150和限幅器160。

如图1所示，放大器110以积分器的形式实现，其将输入信号与输出信号进行比较以产生信号Vea。

比较器120将信号Vea与三角波信号进行比较以产生PWM信号。栅极驱动器130放大PWM信号以驱动金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关。LPF 140对从根据栅极信号执行开关操作的MOSFET开关输出的信号进行低通滤波，然后将该信号作为声信号提供给扬声器SP。这里，可将限幅器160设置在输入端口，以提高当电源将传统D类放大器电路的输出信号Vo削波时所产生的高频失真分量。如图2A和图2B所示，一般的限幅器可包括一般的齐纳二极管ZD1和ZD2或者一般的小信号二极管DD1和DD2。

如果音频信号Vin输入到传统的D类放大器电路，那么积分器形式的放大器110将音频信号Vin与从输出信号Vo反馈回的信号进行比较以产生对应于音频信号Vin和输出信号Vo之间的差的信号Vea。比较器120将信号Vea与三角波信号进行比较以产生PWM信号，比较器120的输出通过PWM信号进行PWM切换。PWM信号通过电感-电容(LC)LPF以再现音频信号Vin。这里，如等式1所示，输出信号Vo和音频信号Vin具有由于反馈电阻引起的增益：

$\frac{V_o}{V_{\mathrm{in}}}=1+\frac{R_b}{R_a}---\left(1\right)$

如等式1所示，输出信号Vo随着音频信号Vin的增大而增大。如果由于音频信号Vin的进一步增大而导致输出信号Vo的峰值顶点Vp超过电源电压VCC，那么如图3A或图3B所示，输出信号Vo在对应于电源电压VCC的输出电平被削波。如果传统的D类放大器电路是模拟放大器电路而非数字放大器电路，那么如图3A所示，输出信号Vo被简单地削波。这里，输出信号Vo具有定义为D1的失真分量。然而，如果传统的D类放大器电路是主要用作数字放大器电路的PWM开关放大器，那么当被削波时输出信号Vo具有如图3B所示的波形。在这样的输出信号Vo中，在其削波部分的边缘，在失真分量D1旁边，存在另外的阶梯形高频失真分量D2。

可参照图4所示的数字放大器电路的内部操作波形来理解图3B所示的另外的阶梯形高频失真分量D2的产生。如图4所示，放大器110的信号Vea逐渐增大并与三角波信号进行比较直到输出信号Vo被削波。因而，PWM信号的占空比逐渐增大并近似达到100％。应该注意到，占空比达到100％的时刻是放大器110的输出信号Vo增大到电源电压VCC的时刻。因而，尽管在该时刻之后音频信号Vin被进一步放大，但是输出信号Vo被削波，其不超过电源电压VCC。这里，从放大器110输出的信号Vea超过三角波信号的范围并进入饱和状态。如果音频信号Vin通过峰值顶点Vp被减弱并且音频信号Vin的值变得小于削波的输出信号Vo的反馈值，那么从放大器110输出的信号Vea通过饱和状态并进入三角波信号的范围。由于积分器的特性，所以必然发生时间延迟。信号Vea被延迟以通过饱和状态并进入三角波信号的范围。由于积分器的特性导致输出信号Vo在延迟时间内被持续削波，从放大器110输出的信号Vea进入三角波信号的范围然后进入正常的PWM操作。此后，输出信号Vo以陡峭的梯度变化以快速跟随对应于音频信号Vin的输出。因而，发生阶梯形失真。

从放大器110输出的信号Vea必须在三角波范围内以改善当输出信号Vea被削波时所产生的阶梯形高频失真分量D2。为了实现该目的，使用输入限幅器将音频信号Vin限制在适当的电平或更小。所述输入限幅器通常可具有如图2A或图2B所示的结构。这种结构构造简单，但是要限制的电平被限定为齐纳电压或二极管电压。因而，难以自由地改变电平。结果，难以精确地应对放大器增益或电源电压的变化。此外，在限制期间过量输入的上部和下部被削波。因而，输出失真。

发明内容

本发明的示例性实施例克服以上缺点和以上没有描述的其它缺点。此外，本发明不需要克服上述缺点，本发明的示例性实施例可以不克服上述任何问题。

本发明提供了这样一种音频放大器的输入增益控制设备和方法，在包括声放大器和开关放大器的音频设备中，如果声信号没有在动态范围内输入，那么该设备和方法基于预先设置的限制电平自动削减声信号的增益以将由于声信号的削波引起的声信号的失真最小化，从而限制声信号的过量输入以输入动态范围内的声信号。

根据本发明的一方面，提供了一种音频放大器的输入增益控制设备，该输入增益控制设备包括：电压检测器，检测音频放大器的输出信号的电压是否超过电源电压与裕量电压之间的差值电压；和输入限幅器，根据电压检测器的检测结果限制输入信号的增益，以使输出信号的电压不超过所述差值电压。

电压检测器可包括：恒压单元，确定对电源电压为恒量的裕量电压；分压器，确定所述差值电压的上电平和下电平；和第一开关单元，如果存在超过所述上电平和下电平的电压，那么执行开关操作。

恒压单元可以是齐纳二极管。分压器可包括：第一电阻R1和第二电阻R2，用于确定所述上电平；和第三电阻R3和第四电阻R4，用于确定所述下电平。

第一开关单元可以是开关元件。所述开关元件可包括负-正-负(NPN)型晶体管或正-负-正(PNP)型晶体管。

输入限幅器可包括：第二开关单元，根据开关信号执行开关操作；和输出阻抗，根据开关操作削减输入信号的增益。输出阻抗可以是电阻。

可使用等式 $V_{\mathrm{UL}}=(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{DZ}1})\·\frac{R2}{R1+R2}$ 来计算所述上电平的电压V_UL，其中，V_DZ1指示第一齐纳二极管DZ1的反向电压。

可使用等式 $V_{\mathrm{LL}}=(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{DZ}2})\·\frac{R4}{R3+R4}$ 来计算所述下电平的电压V_LL，其中，V_DZ2指示第二齐纳二极管DZ2的反向电压。

分压器的电阻比可以是“R1∶R2＝R3∶R4”。

根据本发明的另一方面，提供了一种音频放大器的输入增益控制方法，该方法包括：检测音频放大器的输出信号的电压是否超过电源电压与裕量电压之间的差值电压；和根据检测结果限制输入信号的增益，以使输出信号的电压不超过所述差值电压。

检测音频放大器的输出信号的电压是否超过电源电压与裕量电压之间的差值电压的步骤可包括：确定对电源电压为恒量的裕量电压；确定所述差值电压的上电平和下电平；如果存在超过所述上电平和下电平的电压，那么执行开关操作。

可使用恒压元件确定裕量电压。

可使用第一和第二电阻来确定所述上电平，可使用第三和第四电阻来确定所述下电平。

第一和第二电阻之间的电阻比可等于第三和第四电阻之间的电阻比。

可使用等式 $V_{\mathrm{UL}}=(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{DZ}1})\·\frac{R2}{R1+R2}$ 来计算所述上电平的电压V_UL，其中，V_DZ1指示第一齐纳二极管DZ1的反向电压。

可使用等式 $V_{\mathrm{LL}}=(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{DZ}2})\·\frac{R4}{R3+R4}$ 来计算所述下电平的电压V_LL，其中，V_DZ2指示第二齐纳二极管DZ2的反向电压。

根据检测结果限制输入信号的增益的步骤以使输出信号的电压不超过所述差值电压的步骤可包括：根据开关信号执行开关操作；和根据开关操作削减输入信号的增益。

附图说明

通过下面结合附图所进行的描述，本发明的特定示例性实施例的上述和/或其它方面将会变得更加清楚，其中：

图1是示出现有技术的D类放大器电路的结构的示意图；

图2A和图2B是示出现有技术的限幅器电路的电路图；

图3A和图3B是示出当输出电压的峰值顶点Vp超过电源电压VCC时发生的输出电压的削波的曲线图；

图4是示出音频放大器电路的内部操作波形的曲线图；

图5是示出根据本发明示例性实施例的音频放大器的输入增益控制设备的电路图；和

图6是示出根据本发明示例性实施例的在裕量电压内输出的输出电压的波形的曲线图。

具体实施方式

将参照附图来更加详细地描述本发明的特定示例性实施例。贯穿附图，相同的标号将被理解为表示相同的元件、特征和结构。

描述中定义的诸如详细的构造和元件的内容只是被提供以帮助全面理解本发明的内容。因此，本领域普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这里描述的示例性实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简明，从描述中略掉了公知的功能或结构。

本发明的一方面在于减弱过量的输入信号以防止由于过量的输入引起的削波失真D1、过量输出和由于音频放大器的内部块的饱和引起的阶梯形的高频失真D2，从而不论增益和音频放大器的电源电压VCC的变化如何，输出信号都不接近音频放大器的电源电压VCC而是在裕量电压dV内。此外，可削减整个增益而不是简单地切掉过量输入分量以限制输入电平，以保持输入信号的原始形式，从而将输入信号的失真最小化。此外，可参照电源电压VCC调整裕量电压dV来改变输出限制的电平，以设计取决于产品的具有改变的输出功率的放大器。因而，可将放大器设计为具有与先前设计的放大器相同的扬声器阻抗和电源电压以共享扬声器和电源块。

图5是示出根据本发明示例性实施例的音频放大器的输入增益控制设备的电路图。参照图5，根据本发明示例性实施例的音频放大器的输入增益控制设备包括输入单元510、电压检测器520和输入限幅器530。

所述输入增益控制设备还包括如图1所示的比较器120、栅极驱动器130、低通滤波器(LPF)140和三角波发生器150。以上已经描述了比较器120、栅极驱动器130、LPF 140和三角波发生器150的结构，因而这里将略掉它们的详细描述。

在输入单元510中，电容C1与输入电阻Rin串联在输入端口INPUT和输入电源Vin之间。

电压检测器520检测从音频放大器输出的输出信号的电压是否超过电源电压VCC和裕量电压dV之间的差值电压。

输入限幅器530根据电压检测器520的检测结果来限制输入信号的增益，以使输出信号的电压不超过所述差值电压。

这里，电压检测器520包括恒压单元522、分压器524和第一开关单元526。恒压单元522确定对电源电压VCC为恒量的裕量电压dV。分压器524确定不同电压的上电平和下电平。第一开关单元526根据超过上电平和下电平的电压执行开关操作。

这里，恒压单元522包括第一齐纳二极管DZ1和第二齐纳二极管DZ2，分压器524包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。此外，第一开关单元526包括负-正-负(NPN)型(第二)晶体管Q2和正-负-正(PNP)型(第四)晶体管Q4。

换句话说，如图5所示，在电压检测器520中，第一齐纳二极管DZ1、第一电阻R1、第二电阻R2、第四电阻R4、第三电阻R3和第二齐纳二极管DZ2串联在正电源电压+VCC和负电源电压-VCC之间。这里，第二晶体管Q2的基极连接至第一电阻R1和第二电阻R2之间的连接点，第二晶体管Q2的集电极连接至正电源电压+VCC和第一齐纳二极管DZ1之间的连接点。第二晶体管Q2的发射级通过电阻R连接至负电源电压-VCC和输入限幅器530。

此外，第四晶体管Q4的基极连接至第三电阻R3和第四电阻R4之间的连接点，第四晶体管Q4的发射机通过电阻R连接至正电源电压+VCC。此外，第四晶体管Q4的集电极连接至负电源电压-VCC和第二齐纳二极管DZ2之间的连接点。

输入限幅器530包括：第二开关单元532，根据开关信号执行开关操作；和输出阻抗534，根据开关操作削减输入信号的增益。

这里，第二开关单元532包括PNP型(第一)晶体管Q1和NPN型(第三)晶体管Q3，输出阻抗534包括输出电阻Ro。

换句话说，在输入限幅器530中，第一晶体管Q1的基极连接至电压检测器520的第二晶体管Q2的发射极，第一晶体管Q1的集电极连接至负电源电压-VCC，第一晶体管Q1的发射极连接至输出电阻Ro。此外，第三晶体管Q3的基极连接至第四晶体管Q4的发射极，第三晶体管Q3的集电极连接至正电源电压+VCC，第三晶体管Q3的发射极连接至输出电阻Ro。输出电阻Ro连接至输入端口INPUT和输入电阻Rin之间的连接点。

这里，输出电阻Ro可以是可变电阻元件，其可改变电阻值以调整增益的削减。

第一电阻R1和第二电阻R2之间的电阻比等于第三电阻R3和第四电阻R4之间的电阻比，裕量电压dV是指不允许输出信号的电压接近电源电压VCC的电压。

现在描述根据本示例性实施例的音频放大器的输入增益控制设备的操作。

为了描述输入增益控制设备的操作，假设图5所示的输入增益控制设备被构造为图1所示的音频放大器的输入部分。

这里，当输出信号的电压超过电源电压VCC与裕量电压dV之间的差值电压时，输入增益控制设备操作。如果输出信号的电压超过从电源电压VCC减去裕量电压dV(即，第一齐纳二极管DZ1的齐纳电压)获得的差值电压，那么由于第一电阻R1和第二电阻R2导致电压降低。这里，第一电阻R1产生的电流被提供给第二晶体管Q2的基极以操作第二晶体管Q2。

如果输出信号的电压超过从电源电压-VCC减去裕量电压dV(即，第二齐纳二极管DZ2的齐纳电压)获得的差值电压，那么由于第三电阻R3导致电压降低。这里，根据第三电阻R3产生的电流，第四晶体管Q4的基极变为低电平以操作第四晶体管Q4。

输入限幅器530的第一晶体管Q1和第三晶体管Q3随着电压检测器520的第二晶体管Q2和第四晶体管Q4的操作而操作。

这里，如果第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的基极的导通电压等于第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的发射极的导通电压，那么获得如等式2所示的输入限制的上电平(上电平电压V_UL)，获得如等式3所示的输入限制的下电平(下电平电压V_LL)：

$V_{\mathrm{UL}}=(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{DZ}1})\·\frac{R2}{R1+R2}---\left(2\right)$

其中，V_DZ1指示第一齐纳二极管DZ1的反向电压。

$V_{\mathrm{LL}}=(\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{DZ}2})\·\frac{R4}{R3+R4}---\left(3\right)$

其中，V_DZ2指示第二齐纳二极管DZ2的反向电压。

第一齐纳二极管DZ1和第二齐纳二极管DZ2的电压被设置为具有相同的值。

通过第一晶体管Q1和第三晶体管Q3的操作产生的电流被提供给输出电阻Ro，输出电阻Ro将输入信号的电平调整为在裕量电压dV内。

如果由于如等式1所示的反馈电阻而获得增益并且分压器的电阻比为“R1∶R2＝R3∶R4＝Ra∶Rb”，那么可获得如等式4所示的输出信号在削波电平的电压Vclip：

$V_{\mathrm{clip}}=V_{\mathrm{UL}}\·(1+\frac{R_b}{R_a})=\mathrm{VCC}-V_{\mathrm{DZ}1}---\left(4\right)$

由于等式4给出了输出信号的削波电平，所以不论电源电压VCC的变化如何，裕量电压dV对于电源电压VCC为恒量。换句话说，通过从电源电压VCC减去齐纳二极管电压V_DZ1获得裕量电压dV，从而通过齐纳二极管的电压确定裕量电压dV。

此外，如果将输出阻抗Ro调整为适当的值，那么可简单地去除超过限制电平的分量。此外，如图6中右边的图所示，当输出阻抗Ro不为零时，可在削波电平上添加适当的量。因而，可相当大地减小由简单削波引起的失真分量D1。

如上所述，在根据本发明示例性实施例的音频放大器的输入增益控制设备和方法中，如果声信号超过动态范围，那么可基于预先设置的限制电平来自动削减声信号的增益，以将动态范围内的声信号输入到包括声放大器和开关放大器的音频设备中。因而，可将由于声信号的削波引起的声信号的失真最小化并可限制过量输入。

如上所述，在根据本发明示例性实施例的音频放大器的输入增益控制设备和方法中，可仅削减特定电平(或更大)的过量输入信号的增益而不是简单切掉过量输入信号。因而，可将由于输出波形的削波引起的输出波形的失真最小化。具体地讲，开关放大器可防止内部块的饱和以同时去除谐音失真和在削波期间发生的阶梯形高频噪声。此外，线性模拟放大器可在保持过量输入信号的原始形式的同时仅削减增益而不是简单切掉过量输入信号，以将输出信号的失真最小化。

具有音频功能的电器可使用同样的电源电压来任意地调整操作为用于限制输出电平的增益削减电路的输出比较器电路的基准电压。因而，不用改变电源或扬声器阻抗，就可获得当电源或扬声器阻抗改变时所显示出的效果。因此，可将具有各种输出规格的产品的电源电压和扬声器阻抗标准化。

所描述的本发明的实施例只是示例性的，不应该将其解释为限制本发明。可将本发明的示例性教导容易地应用于其它类型的设备。此外，本发明示例性实施例的描述是示例性的，不是限制权利要求的范围，在不脱离权利要求及其等同物的全部范围所限定的本发明的精神和范围的情况下，许多替换、修改和变化对于本领域技术人员将会是清楚的。

Claims (16)

1、一种音频放大器的输入增益控制设备，该输入增益控制设备包括：

电压检测器，检测音频放大器的输出信号的电压是否超过作为电源电压与裕量电压之间的电压差的差值电压；和

输入限幅器，根据电压检测器的检测结果限制输入信号的增益，以防止输出信号的电压超过所述差值电压。

2、如权利要求1所述的输入增益控制设备，其中，电压检测器包括：

恒压单元，确定对电源电压为恒量的裕量电压；

分压器，确定所述差值电压的上电平和下电平；和

第一开关单元，如果输出信号的电压超过所述差值电压的上电平并降低到低于所述差值电压的下电平，那么执行开关操作。

3、如权利要求2所述的输入增益控制设备，其中，恒压单元包括齐纳二极管。

4、如权利要求2所述的输入增益控制设备，其中，分压器包括：

第一电阻R1和第二电阻R2，确定所述差值电压的上电平；和

第三电阻R3和第四电阻R4，确定所述差值电压的下电平。

5、如权利要求2所述的输入增益控制设备，其中，第一开关单元是开关元件。

6、如权利要求5所述的输入增益控制设备，其中，所述开关元件包括NPN型晶体管和PNP型晶体管之一。

7、如权利要求1所述的输入增益控制设备，其中，输入限幅器包括：

第二开关单元，根据开关信号执行开关操作；和

输出阻抗，根据开关操作削减输入信号的增益。

8、如权利要求7所述的输入增益控制设备，其中，输出阻抗是电阻。

9、如权利要求7所述的输入增益控制设备，其中，输出阻抗是可变电阻。

10、如权利要求4所述的输入增益控制设备，其中，分压器的电阻比是R1∶R2＝R3∶R4。

11、一种音频放大器的输入增益控制方法，该方法包括：

检测音频放大器的输出信号的电压是否超过作为电源电压与裕量电压之间的电压差的差值电压；和

根据检测结果限制输入信号的增益，以防止输出信号的电压超过所述差值电压。

12、如权利要求11所述的输入增益控制方法，其中，检测音频放大器的输出信号的电压是否超过所述差值电压的步骤包括：

确定对电源电压为恒量的裕量电压；

确定所述差值电压的上电平和下电平；和

如果输出信号的电压超过所述差值电压的上电平并降低到低于所述差值电压的下电平，那么执行开关操作。

13、如权利要求12所述的输入增益控制方法，其中，使用恒压元件确定裕量电压。

14、如权利要求12所述的输入增益控制方法，其中，使用第一和第二电阻来确定所述差值电压的上电平，使用第三和第四电阻来确定所述差值电压的下电平。

15、如权利要求14所述的输入增益控制方法，其中，第一和第二电阻之间的电阻比等于第三和第四电阻之间的电阻比。

16、如权利要求11所述的输入增益控制方法，其中，根据检测结果限制输入信号的增益的步骤包括：

根据开关信号执行开关操作；和

根据开关操作削减输入信号的增益。

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