专利名称：利用可调供电电压的d类放大器中的音量控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及D类音频放大器，特别涉及其中通过改变用于D类输出级的供电(总线)电压来实现音量控制功能的D类音频放大器。
背景技术：
D类放大器也称为开关放大器，它的特征在于其输出级采用了一对晶体管的形式，这对晶体管通常为MOSFETS(金属氧化物半导体场效应晶体管)，它们串连于供电电源的正负极之间，其公共节点被连接用于通过低通滤波器来驱动扬声器。在工作状态下，两个输出晶体管工作于开关模式，即，它们在基本全导通和非导通状态之间被交替地驱动，因此公共输出节点上的电压在正供电电压和负供电电压之间交替地切换。
音频信号的放大通过对用于功率晶体管的门驱动信号的脉宽调制(PMW)来实现，并被低通滤波器以放大的形式恢复。为方便起见，选择相对于音频信号而言非常高的开关频率(例如，250-300KHz)。
由于除了开关转换过程中，输出晶体管不是基本全导通就是完全截止，因此D类放大器具有低的功率使用率和高效率。通过好的电路设计，很容易实现75％甚至高达90％的效率。此外，新型的D类放大器具有可与其他类型的优秀设计的音频放大器相比的优异的音频响应以及低的失真值。D类放大器已经具有近50年的历史，但其在某些应用上的用途正在增加，包括避免高热耗散(由于使用高电流引起)的应用，例如平板电视，以及由于经济和使用便利的原因必须最大化电池寿命的应用，例如手机和其它便携式音频设备。
图1示出了带有两个MOSFET输出晶体管12和14以通过LC滤波器18来驱动扬声器16的具有半桥拓扑结构的传统D类放大器10。音频输入信号被提供于20，并随来自于反馈电路22的负反馈信号一起通过误差信号放大器24耦合至比较器26的一个输入。比较器26的另一个输入由三角波发生器28提供，以为用于控制MOSFET 12和14工作的门控制电路30提供脉宽调制输入信号。
图2示出了全桥或H桥拓扑结构形式的D类放大器40的输出级。在此，两个MOSFET输出晶体管对42a-42b和44a-44b通过各自的LC滤波器48a-48b驱动扬声器46。其利用相同的电源供电电压提供了附加的音频输出功率，并且仍然允许开环工作，但明显的以更为复杂和昂贵的电路作为代价。
D类放大器设计中的一个问题是如何实现音量控制。传统上是如图1中的50所示通过在D类放大器级前放置一个衰减器来实现。通过反馈环来调节总体增益。可选地，或者是，由于D类放大器级本身的增益固有地与其总线电压成比例，因此总体增益可通过调节电源来控制。
上述传统的方法是令人满意的，但是由于D类放大器的增益固有地与其总线电压成比例，因此有可能通过改变总线电压来控制输出音量。这样具有的优点在于，减小总线电压从而相应使输出最大，如此可减少进出音频范围产生的噪声，结果使得EMI(电磁干扰)减少以及使信噪比性能得到改善。
不幸的是，将改变总线电压作为音量控制的手段存在一个重大的限制。使用半桥拓扑结构的D类放大器结构如图1所示，在反馈环中具有功率晶体管，并且，虽然在全桥拓扑结构中反馈环不是必须的，但在这种情况下它最好经常被提供。这一问题在图3中被示出，其中以功能结构的形式示出了输入误差放大器52、具有增益K的D类放大器级54以及具有有效增益β的反馈电路56。利用反馈环中的D类放大器级，音频调制器将补偿放大器的总增益使其保持不变，即使D类放大器级的增益K随着总线电压的改变而改变。因此通过改变总线电压来进行音量控制是不可能的。
因此，存在着在不考虑拓扑结构的情况下对通过改变输出级的总线电压以方便地提供音量控制的方法的需求。
发明内容
本发明通过提供可调节总线电压的实现来为D类放大器进行音量控制，其中功率晶体管被包含在增益稳定反馈环中。
按照本发明，D类放大器的音量控制是在这样一种电路结构中实现的，其包括耦合到可调节增益反馈电路的可调节总线电压电源。该电路以下述方式构建和连接，即当总线电压改变时，反馈路径增益以互补的方式变化，使得总的环路增益保持不变。这使得输出级的增益进而是输出到扬声器的音频的音量能独立于环路增益进行控制。
也可提供采用末端衰减器的前置放大级来可增加单独利用可调节总线电压来实现的音量控制的范围。
因此本发明的目的是提供一种D类放大器，它采用其中音量控制通过改变输出级的总线电压来实现的反馈环。
本发明的另一目的是提供这样一种D类放大器，它包括可调增益反馈路径，其能够以使总环路增益保持不变的方式来补偿因改变总线电压而产生的增益变化，从而使输出级的增益可独立于环路增益而得到控制。
本发明的另一目的是提供为增益稳定采用反馈环的具有半桥或全桥拓扑结构的D类放大器，其中音量控制通过改变功率输出晶体管的总线电压而实现。
附图简要说明本发明的其它目的和特征通过下面的详细描述和结合附图而明确，其中图1是具有传统半桥拓扑结构的D类放大器的电路图；图2是具有传统H桥或全桥拓扑结构的D类放大器的输出级的电路图；图3是图1所示的具有反馈稳定的传统D类放大器的功能方框图，它说明了为什么不能在这种结构中采用可调节总线电压音量控制；图4是根据本发明所述的D类放大器的简化电路图，其具有反馈稳定和可调节总线电压音量控制；图5是图4所示电路的功能方框图，其说明如何实现可调节总线电压音量控制；以及图6示出了根据本发明的可调节总线电压音量控制如何与提供数字衰减的预处理级结合使用以扩展音量控制范围。
具体实施例方式
现在参照图4，D类放大器60包括为扬声器64(图示为经过滤波器66的负载RL)馈电的放大器模块62，以及具有增益补偿元件68的反馈环，该增益补偿元件68具有可变增益β’。与图1中的20处相对应的音频信号由信号源70提供。通过观察，可见图1和图4的拓扑结构是相同的，放大器模块62包括图1中除了滤波器18、负载16和输入20以外的所有元件。
如图4进一步所示，其提供了包括有高端馈电电路74和低端馈电电路76的可调节总线电源子系统72，并且与馈电电路74和76合作的总线电压控制电路78在大小相等、符号相反的最小和最大值之间改变总线电压，以便为输出MOSFETS提供可变的+和-总线电压VCC。本领域技术人员可采用任何公知的装置来实现可调节电源子系统72以及总线电压控制器78。
如同在80处所示，总线电压控制器78也被接入以控制增益补偿元件68的增益。通过控制器78引入的总线电压变化所引起的放大器模块62中的输出晶体管的有效的增益变化与补偿元件68中实现的增益变化被协调以使总的环路增益保持不变，从而使传递到扬声器的音频信号的音量可通过改变放大器总线电压而独立于环路增益进行调整。
具体地，参照图5，假设放大器A中的D类输出级的最大增益等于KVCC，并且到达扬声器(LS)的音频信号的音量通过引入衰减因子α进行调节，则K’＝αKVCC。对了对这进行补偿，并使环路增益独立于α保持不变，控制器78同时以因子1/α改变补偿元件68的增益。因此，通过D类级总线电压的变化进行的音量控制可以在闭环系统中实现。
虽然可通过上面描述的总线电压的变化来得到对宽波段增益的调节，但这在某些情况下，可能不足以提供实际的音量控制。在这些情况下，可在D类放大器前面的预处理级中使用数字衰减器。这种方式的效果在图6中表示，其中位于衰减值α1左边的曲线部分代表数字衰减的效果。
虽然对本发明的描述是参考其具体实施方案进行的，但对本领域的普通技术人员而言，但是许多其它的变化和修改都是显而易见的。本发明不应该局限于本文的特定公开，而应仅由所附权利要求书来限定。
权利要求
1.一种音频放大器，包括两个具有各自的电流通路和控制终端的输出晶体管，所述电流通路串联在正、负电源终端之间，并且所述晶体管之间的公共输出节点被耦合连接以驱动扬声器；用于所述控制终端的驱动电路；产生脉冲串的脉宽调制电路，所述脉冲串的占空比表征出输入音频信号，所述驱动电路响应于所述脉冲串以产生控制终端驱动信号，用以驱动处于基本全导通状态和完全截止状态之间的所述输出晶体管，以使其中一个晶体管基本全导通而另一个晶体管基本全截止；电源，其工作用于分别为所述输出晶体管提供相等并相反的电源电压；控制电路，其可被调节以在相等并相反的最小和最大绝对值之间改变电源电压；以及增益稳定反馈环，其包括所述脉宽调制电路、所述输出晶体管以及可调增益补偿元件，所述控制电路还能够与所述电源电压中的变化相配合地进行操作以改变所述补偿元件的增益，从而使总环路增益不受所述电源电压的变化的影响，由此使所述电源电压中的所述变化能被用于控制提供给所述扬声器的所述音频信号的音量。
2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于还包括位于所述反馈环之前的数字衰减器，其用于引入所述音频信号。
3.如权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述控制电路能够操作以通过总线电压的调整在所述放大器级的增益中引入衰减因子α，并且在所述补偿元件的增益中引入倒数因子1/α。
全文摘要
一种D类音频放大器，其包括一增益稳定反馈环，其中通过改变总线电压来实现音量控制。该总线电压的变化通过反馈环中的校正元件的增益的互补改变而被补偿，使得该D类级的输出的信号电平可独立于反馈而进行调节。可在所述放大器的前面使用一数字衰减器来改变该放大器的有效增益以提供附加的音量控制范围。
文档编号H03F3/217GK1638266SQ20041010202
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月16日 优先权日2003年12月16日
发明者本田润 申请人:国际整流器公司