专利名称：一种电源电压自适应连续可变的线性音频放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型属音频放大器领域，具体涉及一种电源电压自适应连续可变的线性音 频放大器，可应用于手机、个人数字助理、MP3播放器、笔记本等便携式电子设备。
背景技术：
随着便携式电子设备体积和重量不断减小，应用于便携式电子设备的音频放大器 的设计趋势主要朝着高集成度，高效率和高保真度的方向发展。为了提高传统AB类音频放 大器的效率，出现了很多新型结构的放大器，比如开关型D类放大器，但这种非线性功放存 在大的片外电感，电磁干扰(EMI)和低保真度等问题。 市场及消费者需要新型的便携式高效率高品质音频放大器问世。
发明内容本实用新型的目的是为针对便携式电子设备对高效率高品质音频放大器的要求， 提供了一种电源电压自适应连续可变的线性音频放大器。 本实用新型由音频信号幅度检测器(1)、产生正电源的开关型电源转换器(2)、产 生负电源的电荷泵(3)、桥式放大器输出级(4)、扬声器或阻性耳机(5)制成电源电压自适 应连续可变的线性音频放大器。 本实用新型线性音频放大器根据输入信号幅度预测放大器输出电压大小，差分音 频信号输入VIN通过音频信号幅度检测器(1)检测信号幅度，产生一个连续可变的参考电 压VREF作为正电源的参考电压输入；VREF在音频信号较小时保持一个较低的固定值，当 音频信号较大时，VREF跟随桥式放大器输出级(4)两路输出的正半周信号，并留有一定的 裕量；开关型电源转换器(2)以外部提供的单电源VDD作为输入，产生与参考电压VREF幅 度、极性相同的正电源电压SUP—VDD，电荷泵(3)以正电源SUP—VDD作为输入产生与其幅度 相近、极性相反的负电源电压SUP_VSS ;SUP_VDD和SUP_VSS分别作为正负电源轨给线性放 大器输出级供电，线性放大器输出级的正负信号输入端连接差分音频信号输入，两路输出 0UT1和0UT2连接阻性扬声器或阻性耳机(5)。 本实用新型的开关型电源转换器(2)和电荷泵(3)根据输入音频信号大小提供正 负连续可变的电源电压给桥式放大器输出级(4)供电，能提高放大小信号效率的同时保证 大信号放大不失真。 本实用新型中，所述的音频信号幅度检测器(1)根据检测到的输入音频信号大 小，产生一个连续可变的电压VREF，当音频信号幅度检测器(1)检测到输入信号低于某个 阈值VTH时，检测器输出一个较低固定值的参考电压；当输入信号高于阈值VTH时，检测器 将两路差分输入信号的正半周信号放大一定倍数并抬高一个固定电平Vheadroom以产生 跟随线性放大器输出正半周信号的电压，并留有一定的裕量保证输出信号不失真。 本实用新型中，所述的开关型电源转换器(2)以外部提供的单电源VDD作为输入， 参考电压输入连接音频信号幅度检测器(1)输出VREF ;开关型电源转换器(2)产生与输入参考电压幅度、极性相同的输出电压SUP_VDD， SUP_VDD跟随两个线性放大器输出的正半周 信号，并留有一定裕量。 本实用新型中，所述的电荷泵(3)的电源输入连接开关型电源转换器(2)产生的 正电源SUP—VDD，电荷泵(3)的输出电压SUP—VSS与输入正电源幅度相近、极性相反，产生了 跟随两个放大器输出信号的连续可变的正负电源电压。 本实用新型中，采用开关型电源转换器(2)产生正的自适应连续可变电源电压， 电荷泵(3)产生负的连续可变电源电压；在放大小信号时，用低的电源电压给桥式放大器 输出级(4)供电，在放大大信号时，电源电压跟随正负半周输出信号变化并留有一定裕量。 由于一般音频信号的峰值是均方根值电压的6倍左右，本实用新型的自适应连续可变电源 电压的放大器效率比传统AB类放大器提高了一倍以上。 本实用新型的有益效果在于，本实用新型的带连续可变自适应电源的线性音频放 大器结合了传统放大器和开关型放大器的优点，还具有如下优点 能提高效率，延长使用时间，减小片外元件的尺寸，节省成本，同时维持高的保真
度，减小电磁干扰问题，能适应现代便携式电子设备中高品质音频放大器的要求。 为了便于理解，以下将通过具体的附图和实施例对本实用新型的进行详细地描
述。需要特别指出的是，具体实例和附图仅是为了说明，显然本领域的普通技术人员可以根
据本文说明，在本实用新型的范围内对本实用新型做出各种各样的修正和改变，这些修正
和改变也纳入本实用新型的范围内。
图1是本实用新型中的电源电压自适应连续可变的线性音频放大器的整体结构 框图， 其中，1是音频信号幅度检测器，2是开关型电源转换器，3是电荷泵，4是桥式放大 器输出级，5是扬声器或阻性耳机。 图2是图1中音频信号幅度检测器的一种实现方法。 图3是图2中各点信号波形图。 图4是连续可变正电源的一种实现方法——降压型脉冲宽度调制转换器。 图5是连续可变负电源的一种实现方法——电荷泵。 图6是图1中输出音频信号和正负电源电压的波形。 图7是AB类、G类和I类放大器效率曲线图。
具体实施方式实施例1 如图1所示，本实用新型的电源电压自适应连续可变的线性音频放大器，其包括 音频信号幅度检测器(l)，产生正电源的开关型电源转换器(2)，产生负电源的电荷泵(3) 和桥式放大器输出级(4)四部分。差分音频信号输入VIN通过音频信号幅度检测器(1)检 测信号幅度，产生一个连续可变的参考电压VREF，开关型电源转换器(2)以外部电源VDD作 为输入产生与参考电压VREF幅度、极性相同的正电源电压SUP_VDD，电荷泵(3)以正电源 SUP_VDD作为输入产生与其幅度相近、极性相反的负电源电压SUP_VSS。 SUP_VDD和SUP_VSS分别作为正负电源轨给桥式放大器输出级(4)供电。桥式结构中一个放大器的正负信号输 入端连接差分音频信号输入VIN+、 VIN-，另一个放大器的正负输入端连接VIN-、 VIN+，两路 输出0UT1和0UT2连接扬声器或阻性耳机(5)。 上述方案中，电荷泵(3)的电源输入采用的开关型电源转换器(2)产生的正电源 信号，它与电荷泵(3)的输出电压幅度相近、极性相反。 电荷泵的效率7 = ，这里K = -1
K 由于V。ut = -V,理想情况下此时电荷泵效率为1。开关型电源在理想情况下是没 有损耗的，所以这种结构保证了正负供电电源都能达到很高的效率。 如图2所示，给出了图1中音频信号幅度检测器的一种实现方法。输入差分信号中 的VIN+和设定的阈值电压VTH分别接比较器正负端，比较器输出控制信号Sl ;差分信号中 的VIN-和设定的阈值电压VTH分别接另一个比较器正负端，比较器输出控制信号S2 ;S1， S2通过一个或非门产生控制信号S3。 VIN+、VIN-和VTH通过三个开关连接在一起输出VI， 这三个开关分别由S1， S2和S3控制。V1通过电阻R1接放大器A1的正输入端，裕量电压 Vheadroom通过电阻R2接Al的正端。音频输入信号的共模电平Vcom， in通过电阻Rl接 Al的负端，放大器A1的输出VREF通过电阻R2反馈到Al的负端。 如果放大器A1增益足够大， M￡F = ^。&画+ 4f H ，保持比例系数4^等于输出级放大器放大倍数，VREF
就能跟随两路输出的正半周信号，并留有VhMdr。。m的裕量。 如图3所示，为图2中各点信号波形图。(3.a)为差分输入信号和VI的波形图。 (3.b)为参考电压VREF和桥式放大器输出信号波形图。 如图4所示，为本实用新型中提到的开关型电源转换器可以由降压型转化器实 现。音频信号幅度检测器产生的参考电压VREF接到脉冲宽度调制控制器的一个输入端。输 出电压Vo接到脉冲宽度调制控制器的另一个输入端。脉冲宽度调制控制器产生一个占空 比和参考电压VREF大小相关的方波信号P丽。死区控制模块将方波信号P丽处理得到两相 控制信号，经过驱动电路后，控制功率开关PM和NM的开启和关闭。输入电压连接在功率开 关PM的源极，而功率开关NM的源极接地。功率开关PM和NM的漏极连接到功率电感的一 端。功率电感的另一端和输出电压滤波电容相连，构成LC低通滤波器，将功率开关的高频 输出电压进行滤波，最后得到跟随线性放大器音频信号输出的低频电压，为放大器输出级 和产生负电源的电荷泵提供连续变化的电源电压。 如图5所示，在本实用新型中所述的负端电源可以由电荷泵实现。电荷泵的输入 电压SUP_VDD连接开关Sl的一端，Sl的另一端连接飞电容CF的上极板和开关S2的一端， S2的另一端接地。飞电容CF的下极板分别连接开关S3和S4的一端。S3的另一端接地。 S4的另一端连接负载电容CL。电荷泵的输出是负载电容CL上的电压SUP—VSS。在电荷泵 工作的一个时钟周期中，前半个周期Sl和S3导通，S2和S4断开，输入电压SUP_VDD对飞电 容充电。后半个周期S2和S4导通，S1和S3断开，负载电容上的电压SUP_VSS与输入SUP_ VDD大小相同，极性相反。输出电压SUP_VSS连接线性放大器输出级的负电源输入。 如图6所示，为图1中输出音频信号0UT1和0UT2以及正负电源电压SUP_VDD和SUP_VSS的波形。当放大信号较小时，正负电源保持固定值，信号较大时，正负电源分别跟随
正负半周输出信号并保留一定裕量。 如图7所示，为AB类、G类和I类三种线性音频放大器的效率与输出信号功率关 系的曲线图。假定此时电源电压VDD = 3. 3V，正负电源与输出信号之间的裕量Vheadroom 都是O. 2V，放大器输出峰值电压Vm^ = (3. 3-0. 2) = 3. IV，负载为8 Q阻性扬声器。输入 音频信号峰值对均方根的比值(PAR)为15dB。
权利要求一种电源电压自适应连续可变的线性音频放大器，其特征是由音频信号幅度检测器(1)，开关型转换器(2)，电荷泵(3)，桥式放大器输出级(4)和扬声器或阻性耳机(5)制成；其中，差分音频信号输入VIN通过音频信号幅度检测器(1)检测信号幅度，产生一个连续可变的参考电压VREF作为正电源的参考电压输入，开关型电源转换器(2)以外部电源VDD作为输入产生与参考电压VREF幅度、极性相同的正电源电压SUP_VDD，电荷泵(3)以正电源SUP_VDD作为输入产生与其幅度接近、极性相反的负电源电压SUP_VSS，SUP_VDD和SUP_VSS分别作为正负电源轨给桥式放大器输出级(4)供电，桥式结构中一个放大器的正负信号输入端连接差分音频信号输入VIN+、VIN-，另一个放大器的正负输入端连接VIN-、VIN+，两路输出OUT1和OUT2连接阻性扬声器(5)或阻性耳机。
2. 根据权利要求1所述的电源电压自适应连续可变的线性音频放大器，其特征在于， 所述的音频信号幅度检测器(1)根据检测到的输入音频信号大小，产生一个连续可变的电 压VREF ;当检测到输入信号低于某个阈值VTH时，检测器输出一个较低固定值的参考电压； 当输入信号高于阈值VTH时，检测器将两路差分输入信号的正半周信号放大一定倍数并抬 高一个固定电平Vheadroom以产生跟随线性放大器输出正半周信号的电压，并留有一定的 裕量保证输出信号不失真。
3. 根据权利要求1所述的电源电压自适应连续可变的线性音频放大器，其特征在于， 所述的开关型转换器(2)以外部提供的单电源VDD作为输入，参考电压输入连接音频信号 幅度检测器(1)输出VREF ;开关型电源转换器(2)产生与输入参考电压幅度、极性相同的 输出电压SUP_VDD， SUP_VDD跟随两个线性放大器的输出的正半周信号，并留有一定裕量。
4. 根据权利要求1所述的电源电压自适应连续可变的线性音频放大器，其特征在于， 所述的电荷泵(3)的电源输入连接开关型转换器(2)产生的正电源SUP—VDD，电荷泵(3)的 输出电压SUP_VSS与输入正电源幅度相近、极性相反，产生跟随两个放大器输出信号的连 续可变的正负电源电压。
专利摘要本实用新型属音频放大器领域，具体涉及一种电源电压自适应连续可变的线性音频放大器。本实用新型由音频信号幅度检测器、产生正电源的开关型转换器、产生负电源的电荷泵、桥式放大器输出级和扬声器或阻性耳机制成；其中，开关型电源转换器和电荷泵根据输入音频信号大小提供正负连续可变的电源电压给桥式放大器输出级供电，提高放大小信号效率的同时保证大信号放大不失真。本实用新型的平均效率能比传统AB类放大器提高一倍以上，并且由于输出级是线性放大器，不需要复杂的片外低通滤波器，减小了片外元件尺寸，节省了成本并降低了电磁干扰，可应用于手机、个人数字助理、MP3播放器、笔记本等便携式电子设备。
文档编号H03F1/32GK201550079SQ20092021261
公开日2010年8月11日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者冯勇, 杨姗姗, 洪志良 申请人:复旦大学