CN101989836B - 高效率音频放大器及其相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高效率音频放大器及其相关方法。高效率音频放大器，包含有一输入端，用来接收一输入音频信号；一信号产生器，耦接于该输入端，用来根据该输入音频信号的分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的该振荡信号；一波形转换器，耦接于该输入端与该信号产生器，用来比较该输入音频信号与该振荡信号，以产生一脉冲调制信号；一预驱动电路，用来根据该脉冲调制信号，产生一预驱动信号；一输出级，耦接于该预驱动电路，用来根据该预驱动信号，产生一输出信号；以及一滤波器，用来对该输出信号进行滤波，以产生该输出音频信号至一输出端。本发明的音频放大器将可有效改善在低输出功率时放大效率不佳的情况。

Description

高效率音频放大器及其相关方法

技术领域

本发明涉及一种高效率音频放大器及其相关方法，尤其涉及一种藉由调整振荡频率提升效率的音频放大器及其相关方法。

背景技术

功率放大器主要用来放大信号的功率，一般来说，依据所使用的输出级可分为A、B、AB、C及D类。其中，使用开关输出级的D类音频功率放大器(class-D audio power amplifier)由于体积小、效率高及省电等优点，因此已被广泛运用于各种消费电子产品中，例如笔记本型计算机、液晶屏幕、移动电话、多媒体播放装置等。

请参考图1A，图1A为公知的一D类音频放大器10的示意图。D类音频放大器10包含有一输入端102、一参考信号端104、一比较器106、一栅驱动电路108、一输出级110、一滤波器112及一扬声器114。输入端102用来接收一音频输入信号S_IN。参考信号端104用来接收一三角波参考信号S_T。比较器106用来将音频输入信号S_IN与固定频率的三角波参考信号S_T做比较运算，以产生一脉冲宽度调制信号S_P，并将脉冲宽度调制信号S_P传送至栅驱动电路108。栅驱动电路108根据脉冲宽度调制信号S_P，产生一栅驱动信号S_G，以驱动输出级110的开关，进而使输出级110输出一输出信号S_AP。再经由滤波器112对输出信号S_AP滤波后产生一音频输出信号S_O，并将之传送至扬声器114输出。

然而，在实际运用上，请参考图1B，图1B为D类音频放大器10的工作效率示意图。D类音频放大器10相比较于其他类型的音频放大器，在较高输出功率时放大效率可达90％以上，具有相当好的放大效率表现。但是，在低输出功率的情况下，D类音频放大器10却无法有效获得较佳的效率表现。因此，针对低输出功率时，如何提升音频放大器的放大效率表现，实为有待解决的问题。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种高效率音频放大器及其相关方法。

本发明公开一种高效率音频放大器，包含有：一输入端，用来接收一输入音频信号；一输出端，用来输出一输出音频信号；一信号产生器，耦接于该输入端，用来根据该输入音频信号的分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的该振荡信号；一波形转换器，耦接于该输入端与该信号产生器，用来比较该输入音频信号与该振荡信号，以产生一脉冲调制信号(PWM signal)；一预驱动电路，耦接于该波形转换器，用来根据该脉冲调制信号，产生一预驱动信号；一输出级，耦接于该预驱动电路，用来根据该预驱动信号，产生一输出信号；以及一滤波器，耦接于该输出级，用来对该输出信号进行滤波，以产生该输出音频信号至该输出端。

本发明还公开一种提升一音频放大器效率的方法，包含有根据一输入音频信号的分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的该振荡信号；比较该输入音频信号与该振荡信号，以产生一脉冲调制信号；根据该脉冲调制信号，产生一预驱动信号；根据该预驱动信号，产生一输出信号；以及对该输出信号进行滤波，以产生该输出音频信号。

本发明是根据输入音频信号的信号特性，弹性地调整振荡信号的频率，以减少音频放大器的损耗功率，进而提升音频放大器的放大效率。如此一来，本发明实施例的音频放大器将可有效改善在低输出功率时放大效率不佳的情况。

附图说明

图1A为公知的一D类音频放大器的示意图。

图1B为公知的一D类音频放大器的工作效率示意图。

图2为本发明实施例的一音频放大器的示意图。

图3为图2中信号产生器的示意图。

图4为本发明实施例的具双声道输出的一音频放大器的示意图。

图5为本发明实施例一流程的示意图。

主要组件符号说明：

10D                 类音频放大器

102、202、402       输入端

104                 参考信号端

106                 比较器

108                 栅驱动电路

110、210、414、416  输出级

112、212、418、420  滤波器

114、216、424       扬声器

20、40              音频放大器

204、404            信号产生器

206、406、408       波形转换器

208、410、412       预驱动电路

214、422            输出端

302、426            判断电路

304、428            波形产生器

306、430            检测电路

308、432            选择电路

434                 第一比较器

436                 第二比较器

438                 或门

50                  流程

500、502、504、506、

508、510、512       步骤

L₁、L₂              电感

C₁、C₂              电容

S_AP、S_AP1、S_AP2     输出信号

S_G、S_G1、S_G2        栅驱动信号

S_IN                 音频输入信号

S_O、S_O1、S_O2        输出音频信号

S_P、S_P1、S_P2        脉冲宽度调制信号/脉冲调制信号

S_R                  振荡信号

S_T                  三角波参考信号

V_ref                参考电压

S_C                  控制信号

S_D                  检测信号

具体实施方式

请参考图2，图2为本发明实施例的一音频放大器20的示意图。音频放大器20包含一输入端202、一信号产生器204、一波形转换器206、一预驱动电路208、一输出级210、一滤波器212、一输出端214及一扬声器216。输入端202用来接收一输入音频信号S_IN。信号产生器204耦接于输入端202，用来根据输入音频信号S_IN的分布状况及一参考电压V_ref，决定一振荡信号S_R的频率，并据以产生相对应频率的振荡信号S_R。波形转换器206耦接于输入端202与信号产生器204，用来比较输入音频信号S_IN与振荡信号S_R，以产生一脉冲调制信号S_P。预驱动电路208耦接于波形转换器206，用来根据脉冲调制信号S_P，产生一预驱动信号S_G。输出级201耦接于预驱动电路208，用来根据预驱动信号S_G，产生一输出信号S_AP。滤波器212耦接于输出级210，用来对输出信号S_AP进行滤波，以产生一输出音频信号S_O，并通过输出端214将输出音频信号S_O传送至扬声器216输出。换句话说，信号产生器204可根据输入音频信号S_IN的大小，调整振荡信号S_R的频率，进而提升音频放大器20的放大效率表现。

一般来说，放大器的效率表现与损耗功率P_loss成反比，损耗功率P_loss通常包含3个部分，分别为放大器中的晶体管的切换损失P_sw、晶体管的导通损失P_cond及寄生电容的损耗P_gd，其中损耗功率P_loss为：

$P_{\mathrm{loss}}=P_{\mathrm{sw}}+P_{\mathrm{cond}}+P_{\mathrm{gd}}$

$={(C_{\mathrm{oss}}*V_{\mathrm{BUS}}^2*f_{\mathrm{pwm}}+I_D*t_f*f_{\mathrm{pwm}})}_{P_{\mathrm{sw}}}+{(\frac{R_{\mathrm{DS}}}{R_L}*P_o)}_{P_{\mathrm{cond}}}+{(2*Q_g*V_{\mathrm{gs}}*f_{\mathrm{pwm}})}_{p_{\mathrm{gd}}}---\left(1\right)$

其中C_oss为晶体管的输出电容值，V_BUS为晶体管的供应电压，I_D为导通电流，t_f为脉冲信号的上升与下降时间，f_pwm为脉冲调制信号S_P的脉冲调制频率，R_L负载阻抗，R_DS为晶体管的导通阻抗，P_O为输出功率，Q_g为晶体管的栅极电容量，Vgs为晶体管的导通电压。由式(1)来看，在实际运用时，上述的参数皆为固定值，在此情况下，可藉由改变脉冲调制频率f_pwm来改变放大器的损耗功率。再者，脉冲调制频率f_pwm主要是依据振荡信号S_R的频率而变。因此，在音频放大器20中，通过调整振荡信号S_R的频率(进而改变脉冲调制频率f_pwm)，将可改变音频放大器20损耗功率P_loss，进而控制音频放大器20的效率表现。举例来说，在低输出功率时，可藉由降低振荡信号S_R的频率，来减少损耗功率P_loss，如此一来，将可提升音频放大器20的放大效率表现。

另一方面，D类音频放大器输入的音频信号通常正比于输出的音频信号，因此，为了解决在低输出功率时不佳的放大效率，本发明的实施例依据输入音频信号S_IN的信号强度，来调整振荡信号S_R的频率。请继续参考图3。图3为图2中信号产生器204的示意图。信号产生器204包含有一判断电路302及一波形产生器304。判断电路302耦接于输入端202，用来根据输入音频信号S_IN的分布状况及参考电压V_ref，决定振荡信号S_R的频率。当输入音频信号S_IN小(大)于参考电压V_ref时，判断电路302会调降(提高)振荡信号的频率，并据以产生控制信号S_C。举例来说，当具连续弦波形式的输入音频信号S_IN的信号强度超过参考电压V_ref的时间比例小(大)于一第一预设值时，判断电路302可调降(调高)振荡信号S_R的频率。此外，判断电路302亦可在输入音频信号S_IN的平均大小小(大)于参考电压V_ref时，调降(调高)振荡信号S_R的频率，但不以此为限。简言之，本发明实施例根据输入音频信号S_IN的信号特性来调整振荡信号的频率，进而改善低输出功率时放大效率不佳的情况。

进一步说明判断电路302，请继续参考图3。判断电路302包含有一检测电路306及一选择电路308。检测电路306耦接于输入端202，主要用来依据输入音频信号S_IN与参考电压V_ref，判断出输入音频信号S_IN的分布状况，以产生一检测信号S_D。选择电路308耦接于检测电路306与波形产生器304，用来根据检测信号S_D，选择出振荡信号S_R的频率，并据以产生控制信号S_C。例如，选择电路308可以一多路选择器来实现，当接收到检测信号S_D后，便根据检测信号S_D，由表示不同振荡信号频率的多个候选控制信号中切换选择出控制信号S_C，以提供至波形产生器304。因此，波形产生器304便依据控制信号S_C，产生具有相对应频率的振荡信号S_R。

要注意的是，音频放大器20仅为本发明的一举例说明，本领域普通技术人员应当可据以作不同的修改，而不限于此。举例来说，请参考图4，图4为本发明实施例的具双声道输出的一音频放大器40的示意图。值得注意的是，由于图2的音频放大器20与图4的音频放大器40中具有相同名称的组件具有类似的工作方式与功能，因此为求说明书内容简洁起见，详细说明便在此省略，这些组件的连结关系如图4所示，在此不再赘述。音频放大器40包含一输入端402、一信号产生器404、波形转换器406，408、预驱动电路410，412、输出级414，416、滤波器418，420、输出端422及一扬声器424。其中信号产生器404包含有一判断电路426及一波形产生器428。而判断电路426包含有检测电路430及一选择电路432。检测电路430分别利用第一比较器434及第二比较器436产生一第一比较结果与一第二比较结果，再由一或门438执行或逻辑运算后，产生检测信号S_D至波形产生器428。如图4所示，第一比较器434的正、负输入端分别接收参考电压V_ref及输入音频信号S_IN，以由输出端输出参考电压V_ref及输入音频信号S_IN的(第一)比较结果。第二比较器436的正、负输入端分别接收输入音频信号S_IN及参考电压V_ref，以由输出端输出输入音频信号S_IN及参考电压V_ref的(第二)比较结果。换句话说，检测电路430可估测输入音频信号S_IN的信号强度的绝对值大小是否超出参考电压V_ref的电平，以作为选择振荡信号S_R的频率的基准。当然，检测电路430可以各种方式或电路来实现，本领域普通技术人员应当可据以作不同的修改。此外，在图4中，选择电路432可以一多路选择器实现。输出级414，416为由两个金属氧化物半导体晶体管串接而成的一图腾柱式输出。滤波器418，420为分别由电感L₁与电容C₁、电感L₂与电容C₂所组成的低通滤波器。

除此之外，较佳地，音频放大器20中的预驱动电路、输出级或滤波器等组件可随音频放大器的运用状况，而作不同的修改设计。参考电压V_ref可为一直流电压。振荡信号S_R则依据系统设计的不同，可为一三角波信号、一锯齿波信号或其他形式的振荡信号。此外，在音频放大器20中，根据系统的声道数的不同，本领域普通技术人员应当可据以作相对应的修改。

关于音频放大器20的工作方式，请参考图5，图5为本发明实施例一流程50的示意图。流程50包含下列步骤：

步骤500：开始。

步骤502：信号产生器204根据输入音频信号S_IN的分布状况及参考电压V_ref，决定振荡信号S_R的频率，并据以产生相对应频率的振荡信号S_R。

步骤504：波形转换器206比较输入音频信号S_IN与振荡信号S_R，以产生脉冲调制信号S_P。

步骤506：预驱动电路208根据脉冲调制信号S_P，产生预驱动信号S_G。

步骤508：输出级201根据预驱动信号S_G，产生输出信号S_AP。

步骤510：滤波器212对输出信号S_AP进行滤波，以产生输出音频信号S_O。

步骤512：结束。

流程50用以说明音频放大器20的工作方式，详细说明及相关变化可参考前述说明，在此不赘述。

综上所述，本发明是根据输入音频信号的信号特性，弹性地调整振荡信号的频率，以减少音频放大器的损耗功率，进而提升音频放大器的放大效率。如此一来，本发明实施例的音频放大器将可有效改善在低输出功率时放大效率不佳的情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是依本发明权利要求书范围所作的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (31)

1.一种高效率音频放大器，包括：

一输入端，用来接收一输入音频信号；

一输出端，用来输出一输出音频信号；

一信号产生器，耦接于所述输入端，用来根据所述输入音频信号的分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的所述振荡信号；

一波形转换器，耦接于所述输入端与所述信号产生器，用来比较所述输入音频信号与所述振荡信号，以产生一脉冲调制信号；

一预驱动电路，耦接于所述波形转换器，用来根据所述脉冲调制信号，产生一预驱动信号；

一输出级，耦接于所述预驱动电路，用来根据所述预驱动信号，产生一输出信号；以及

一滤波器，耦接于所述输出级，用来对所述输出信号进行滤波，以产生所述输出音频信号至所述输出端。

2.如权利要求1的音频放大器，其中所述信号产生器包括：

一判断电路，耦接于所述输入端，用来根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生一控制信号；以及

一波形产生器，耦接于所述判断电路及所述波形转换器，用来根据所述控制信号，产生所述振荡信号。

3.如权利要求2的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号大于所述参考电压时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

4.如权利要求3的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号超过所述参考电压的时间比例大于一第一预设值时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

5.如权利要求3的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号的平均大小大于所述参考电压时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

6.如权利要求2的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号小于所述参考电压时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

7.如权利要求6的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号低于所述参考电压的时间比例大于一第二预设值时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。 

8.如权利要求6的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号的平均大小小于所述参考电压时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

9.如权利要求2的音频放大器，其中所述判断电路包括：

一检测电路，耦接于所述输入端，用来依据所述输入音频信号与所述参考电压，判断出所述输入音频信号的分布状况，以产生一检测信号；以及

一选择电路，耦接于所述检测电路与所述波形产生器，用来根据所述检测信号，选择出所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

10.如权利要求9的音频放大器，其中所述检测电路包括：

一第一比较器，包括一正输入端，用来接收所述参考电压，一负输入端，耦接于所述输入端，用来接收所述输入音频信号，及一输出端，用来输出所述正输入端与所述负输入端的一第一比较结果；

一第二比较器，包括一正输入端，耦接于所述输入端，用来接收所述输入音频信号，一负输入端，用来接收所述参考电压，及一输出端，用来输出所述正输入端与所述负输入端的一第二比较结果；以及

一或门，耦接于所述第一比较器的所述输出端、所述第二比较器的所述输出端与所述选择电路，用来将所述第一比较结果与所述第二比较结果进行逻辑或运算，以产生所述检测信号。

11.如权利要求9的音频放大器，其中所述选择电路包括：

一多路选择器，耦接于所述检测电路与所述波形产生器，用来根据所述检测信号，由表示不同振荡信号频率的多个候选控制信号中切换选择出所述控制信号，以提供至所述波形产生器。

12.如权利要求1的音频放大器，其中所述输出级包括：

一第一晶体管，包括一第一端，耦接于所述预驱动电路，用来接收所述预驱动信号，一第二端，及一第三端，耦接于一电源端，用来根据所述第一端的信号控制所述第二端至所述第三端之间的导通状态；以及

一第二晶体管，包括一第一端，耦接于所述预驱动电路，用来接收所述预驱动信号，一第二端，接于接地端，及一第三端，耦接于所述第一晶体管的第二端，用来根据所述第一端的信号控制所述第二端至所述第三端之间的导通状态；

其中所述滤波器耦接于所述第一晶体管的所述第二端及所述第二晶体管的所述第三端，以输出所述输出信号。

13.如权利要求12所述的音频放大器，其中所述第一晶体管为一n型金属氧化物半导体晶体管，所述第一端为栅极，所述第二端为源极，以及所述第三端为漏极。

14.如权利要求12所述的音频放大器，其中所述第二晶体管为一n型金属氧化物半导体晶体管，所述第一端为栅极，所述第二端为源极，以及所述第三端为漏极。

15.如权利要求1的音频放大器，其中所述滤波器为一低通滤波器。

16.如权利要求1的音频放大器，其中所述参考电压为一直流电压。

17.如权利要求1的音频放大器，其中所述振荡信号为一三角波信号或一锯齿波信号。

18.如权利要求1的音频放大器，还包括一扬声器，耦接于所述输出端，用来播放所述输出音频信号。

19.一种提升一音频放大器效率的方法，包括：

根据一输入音频信号的分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的所述振荡信号；

比较所述输入音频信号与所述振荡信号，以产生一脉冲调制信号；

根据所述脉冲调制信号，产生一预驱动信号；

根据所述预驱动信号，产生一输出信号；以及

对所述输出信号进行滤波，以产生所述输出音频信号。

20.如权利要求19的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的所述振荡信号的步骤包括：

根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生一控制信号；以及

根据所述控制信号，产生所述振荡信号。

21.如权利要求20的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括：

在所述输入音频信号大于所述参考电压时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

22.如权利要求21的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括：

在所述输入音频信号超过所述参考电压的时间比例大于一第一预设值时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

23.如权利要求21的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括：

在所述输入音频信号的平均大小大于所述参考电压时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。 

24.如权利要求20的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括：

在所述输入音频信号小于所述参考电压时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

25.如权利要求24的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括：

在所述输入音频信号超过所述参考电压的时间比例小于一第一预设值时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

26.如权利要求24的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括：

在所述输入音频信号的平均大小小于所述参考电压时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

27.如权利要求20的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括：

根据所述输入音频信号与所述参考电压，判断出所述输入音频信号的分布状况，以产生一检测信号；以及

根据所述检测信号，选择出所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。

28.如权利要求27的方法，根据所述输入音频信号与所述参考电压，判断出所述输入音频信号的分布状况，以产生所述检测信号的步骤包括：

分别比较所述输入音频信号的正缘及负缘的振幅是否大于所述参考电压，以产生一第一比较结果及一第二比较结果；以及

将所述第一比较结果与所述第二比较器所输出的比较结果进行逻辑或运算，以产生所述检测信号。

29.如权利要求19的方法，其中根据所述检测信号，选择出所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括：

根据所述检测信号，由表示不同振荡信号频率的多个候选控制信号中切换选择出所述控制信号。

30.如权利要求19的方法，其中所述参考电压为一直流电压。

31.如权利要求19的方法，其中所述振荡信号为一三角波信号或一锯齿波信号。 

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