用于具有低ic功耗和高动态范围的电路的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种装置，其包括检测选定的输出音量的选定音量检测器(223)；模拟输出信号放大器(255)；数字音量放大器(225)；耦合到选定音量检测器、模拟输出信号放大器和数字音量放大器的升压增益控制元件(235)。升压增益控制元件经配置保持数字音量放大器和所述模拟输出信号放大器的路径的增益基本恒定。增益控制元件可以调整数字音量控制的增益和模拟输出信号放大器的增益；保持数字音量放大器和模拟输出信号的路径的增益基本恒定并等于选定的输出音量。
【专利说明】用于具有低IC功耗和高动态范围的电路的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及具有以任何数字压缩(例如MP3)或不压缩(例如PCM)格式编码的回放音频信号的音频通道的集成电路(1C)，具体地涉及同时希望具有低IC功耗和高动态范围(DR)的音频通道。
【背景技术】
[0002]通常，如本发明人所理解的，用于音频回放的现有的音频IC的状态会具有若干限制，即在工程上用户需要在功耗和信噪比(SNR)以及动态范围(DR)之间取舍。在一个实例中，已经报告最佳的便携式音频编解码器(即，能够编码或解码数字数据流或信号)在MPEG-1或MPEG-2音频层III (MP3)的静态功耗在4毫瓦，并且最好的SNR是101 dB (幅值)。不过，这些参数不能同时实现。
[0003]例如，转向图1，其示出现有技术中数字-模拟(DAC)耳机回放通道的电路100。在电路100中，脉冲编码调制(PCM)编解码器110耦合到数字信号处理器(DSP) 120。接着，DSP 230在解调器(DMOD) 130处过采样，解调器130的输出端耦合到数模转换器(DAC) 140的输入端。接着，DAC 140的模拟信号被输送到驱动器150，驱动器150由“G”类电荷泵160供电。电荷泵160进而用于向一对耳机170供电。
[0004]不过，如本发明人所认识到的，这种现有技术电路100存在问题。通常，用于耳机(HP)的音频回放的便携式IC的现有技术电路100以及其他电路在DMOD 120、DAC140和HP170内会遇到噪声问题，该噪声是白噪声或其他噪声，该噪声迫使在电路100的功耗、芯片大小等相对于动态范围之间进行取舍。
[0005]一些专利通常不解决用于耳机(HP)的音频回放的便携式IC的现有技术电路100的省电问题。例如，请参照Woodford等人的美国专利7，808, 324,“Operating environmentand process position selected charge—pump operating mode in an audio poweramplifier integrated circuit”主要涉及G类效率,但不涉及SNR或DAC、HP放大器的功率。Tucker 等人的美国专利申请 11/610496, “Energy-Efficient Consumer Device AudioPower Output Stage”主要涉及专注于CP模式控制的低功率音频回放路径,但是没有描述同时发生的动态范围改善或功耗降低。Lesso等人的美国专利7，622，984, “Charge pumpcircuit and methods of operation thereof”描述利用单个CFLY生成多个正和负输出的电荷泵电路，但是没有解决同时的DR改善和功耗降低。Lesso等人题为“Amplifier circuitand methods of operation thereof ”的美国专利7714660主要涉及电荷泵和耳机放大器电路，该专利涉及改善“效率”，但是不解决动态范围，相反660用于控制操作的CP模式，以跟踪信号的幅值。其他可以参考Wang等人的美国专利申请N0.2011/0123048 “Class GAudio Amplifiers and Associated Methods of Operation”以及Guo等人的美国专利申请2011.0084760A1，但是这两个专利申请不解决同时发生的动态范围改善或功耗降低。
[0006]因此，现有技术需要解决与同时发生的动态范围改善或功耗降低关联的至少某些问题。
【发明内容】
[0007]本发明第一方面提供装置，该装置包括:检测选定的输出音量的选定音量检测器；模拟输出信号放大器；数字音量放大器；耦合到该选定的音量检测器的数字增益控制元件；模拟输出信号放大器；以及数字音量放大器；其中该增益控制元件经配置:保持数字音量放大器和模拟输出信号放大器的路径的通道增益基本恒定，其中该数字增益控制元件可以调整以下两个:a)数字音量放大器的增益；以及b)模拟输出信号放大器的增益；从而保持数字音量放大器和模拟输出信号放大器的路径的增益基本恒定并等于针对合适收听电平所指定的选定的输出音量。
[0008]本发明第二方面提供装置，该装置包括:检测选定的输出音量的选定的音量检测器；模拟输出信号放大器；数字音量放大器；增益控制元件，其耦合到a)选定音量检测器；
b)模拟输出信号放大器；以及数字音量放大器；其中该增益控制元件经配置:保持数字音量放大器和模拟输出信号放大器的路径的增益基本恒定，其中该升压增益控制元件可以调整以下两者:a)数字音量控制的增益；以及b)模拟输出信号放大器的增益；从而保持数字音量放大器和模拟输出信号的路径的增益基本恒定并等于选定的输出音量，其中该升压增益控制元件经进一步配置:比较选定的输出音量和阈值。如果选定的输入音量低于阈值，那么该增益控制元件可以:a)向上调整数字音量放大器的数字音量；以及b)向下调整放大器的音量，从而保持数字音量放大器和模拟输出信号的路径的增益基本恒定并等于选定的输出音量。
[0009]根据本发明第三方面，在所描述的装置中的数字增益控制元件适合以可编程幅值的离散步骤将a)和b)调整的更高或更低，使得总数保持基本恒定。这意味着a)和b)的调整在方向或极性上是互补的，以实现基本恒定增益的要求。步骤的数量在该装置中也是可编程的。可以在工厂设计可编程性或制成现场可调整的可编程性。该装置对增益的分辨率或范围没有明确的限制。
[0010]本发明第四方面提供一种方法，该方法确定选定的输出音量是否大于音量阈值；如果该选定输出音量不大于阈值，增加数字放大器的增益；如果该选定输出音量不大于阈值，减少放大器的增益；并且其中该数字音量放大器和模拟输出信号的路径的增益基本恒定并尽量等于选定的输出音量。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1示出现有技术的DAC-耳机回放通道；
[0012]图2A示出DAC通道的数字/模拟增益划分的动态分配的第一分析；
[0013]图2B示出DAC通道的数字/模拟增益划分的动态分配的第二分析；
[0014]图3示出具有多个输出的图2A和2B的动态分配电路的使用说明；
[0015]图4示出使用图2A和2B的动态分配电路的方法示例；
[0016]图5A示出当进入升压模式时，DAC通道电路的动态数字/模拟增益划分的曲线图；
[0017]图5B示出当退出升压模式时，DAC通道电路的动态数字/模拟增益划分的曲线图；
[0018]图6A和6B示出DAC通道电路的动态数字/模拟增益划分的示例硅实施例的结果;
[0019]图7A和图7B示出当应用快速傅里叶变换(FFT)时，DAC通道电路的动态数字/模拟增益划分的示例硅实施例的结果；
[0020]图8示出使用和没有使用所描述装置的动态范围测量的曲线图。在-60dBFS(读作低于满刻度60分贝)的输出幅值处执行动态范围的行业标准测量；以及
[0021]图9示出大于和低于-1SdBFS (读作低于满刻度18分贝)的选定音量电平如何变换的曲线图，该变换产生电源电平的变化，从而促进较低的IC功耗。
【具体实施方式】
[0022]转向图2A，其示出根据本申请的原理构造的示例动态范围升压电路200的一种结构。在电路200中，其示出具有动态范围增强的DAC耳机回放通道的框图。
[0023]通常，电路200针对动态升压的方案，其用于具有较低功耗同时在单个IC上发生DAC耳机回放的高动态范围。该耳机可以由任何其他负载例如扬声器，没有改变所述装置的行为的外置音频放大装置替换。
[0024]电路200使用音频信号的数字/模拟增益划分的动态分配，并且在某些优选实施例中使用音频信号的数字/模拟增益划分的优化。换句话说，电路200可以对数字音量放大器225与模拟放大器255之间的增益进行划分,但仍然向耳机或听众输送选定的输出音量。换句话说，绝对路径的增益是不变的，而数字/模拟增益划分被改变。
[0025]对增益进行划分使得数字增益最大化，并且使得模拟增益最小化，以便降低DM0D、DAC和放大器电路的噪声，从而有益于电路200的动态范围。此外，根据本申请的原理，关于数模转换，只要元件DMOD、DAC和模拟放大器被维持在其线性运行区域，都可以进行划分而不引入不良的失真。使用上述原理的增强动态范围可以被采用在本申请内。
[0026]通常，动态范围是在指定输出端的信号幅值对在相同输出端的噪声总和的比率。因此，具有较低噪声的恒定的信号幅值在效果上增强动态范围。增强的动态范围提供较高的非常理想的高保真音频聆听体验。
[0027]电路200与现有技术的耳机驱动器相比具有若干优点。电路200有助于减少或消除可听的伪迹(artifact)。这类伪迹中的一种是，如果噪声在音频系统中被产生的较早，那么该噪声也被后面的放大器放大。但是存在其它的考虑，例如各种电子元件的相对功耗。
[0028]不过，耳机驱动器的较早级会更加耗电。因此，电路200在数字音量放大器225与模拟放大器255之间分配并优化。电路200具有两个主要运行模式:“升压”模式，和“反向动态升压”(“正常”)模式。
[0029]在升压模式中，当在驱动器输出端例如耳机(HP)处的幅值小于指定数字阈值例如-18dBFS时，DAC之前的数字增益被增加Λ⑶的值(例如，高达+12dB)，但是模拟放大器/耳机驱动器的增益减少低至-12dB的相同的音量。同样，绝对路径的增益是不变的，而数字/模拟增益的划分被改变。在电路200中，DSP的噪声很少是线性爬升的，因此，虽然系统的增益可以是恒定的，但噪声本身不是恒定的。
[0030]这样降低DMOD、DAC和放大器的噪声，因此有益于电路200的动态范围。
[0031]在正常模式下，当信号维持大于阈值时，DAC之前的数字增益向下坡行，并且模拟放大器/耳机驱动器的增益爬升到寄存器的设定。
[0032]在电路200中，PCM编解码器210耦合到数字信号处理器(DSP) 120。在电路200的一个示例中，PCM以每秒48千比特的速率输出比特。接着，DSP 230在DMOD 220处被过采样，其中DMOD 220为数字滤波器，该过采样可以是八倍过采样，DMOD 220的输出端耦合到数模转换器(DAC) 140的输入端。接着，DAC 140的模拟信号被输送到驱动器150，接着驱动器150由“G”类电荷泵160供电。这进而用于向示例的一对耳机170供电。
[0033]在电路200中，DFILT 220的输出接着被输送到数字放大器225。数字放大器225可以数字地放大或去放大所接收的数字信号。在一个示例中，放大或去放大的范围可以是从-63dB 到 +16dB。
[0034]图2B更详细地示出电路200。在电路2500中，PCM编解码器210耦合到DSP 220。在电路250的一个示例中，PCM 210以每秒48千比特的速率输出比特。DSP 220还具有耦合到该DSP的信号电平检测器235。该信号电平检测器检测数字信号的实际等效音量放大。
[0035]信号电平检测器223还耦合到动态范围升压增益控制器(DRBGC) 235。DRBGC 235耦合到数字音量放大器225和驱动器255。DRBDCC 235根据信号电平检测器223的输出分配数字音量放大器225与驱动器225之间的相对的放大。
[0036]在升压模式中，当驱动器例如在耳机(HP)的输出端的幅值小于数字阈值例如-18dBFS时，增加DAC之前的数字增益(例如，高达+12dB)，但是模拟放大器/耳机驱动器的增益减少到多达_12dB。同样，绝对路径的增益是不变的，而数字/模拟增益的划分被改变。在电路200中，DSP的噪声很少是线性爬升的，因此,虽然系统的增益可以是恒定时，但是噪声本身不是恒定的。在正常模式中，当信号维持大于阈值时，该数字增益向下坡行，并且驱动器的增益爬升到寄存器的设定。
[0037]图3示出在多个终端用户放大器355-337的背景下采用电路200的结构的集成电路300的一部分。确定如何控制数字音量放大器225或放大器的增益的算法可以被嵌入在DR升压增益控制器335内。
[0038]作为示例，该DR升压增益控制器335可用于增强包括单独左右声道的立体声音频通道的动态范围。另一个示例可以是用于增强环绕声通道的动态范围，该环绕声通道包括左、右和通常被称为超低音声道的低频第三通道。这些说明性示例的目的是示出DR升压控制器335的原理适用于并行或单独的多个通道。
[0039]如以上关于图2A-图3所述，通常可以采用多个不同数目的阈值，其中输出音量可以与其比较并随后可以进行增益调整。因此，上述带有单个阈值的装置300可以作为具有多个阈值的实施方式的子集被对待。
[0040]图4示出用于确定数字放大器例如数字放大器225的增益和驱动器例如驱动器255的增益的动态划分的示例方法400，其中数字放大器和驱动器可以被分开。
[0041]在开始步骤401后，在步骤410中，数字放大器的增益被设定为“O”。
[0042]在步骤420中,接收到播放音频的命令。这个命令可以被接收在例如图2B的PCM210处。接着，方法400前进到步骤430。
[0043]在步骤430中，确定期望的整个音量电平Vwt是否大于例如-18dBFS的Vthresh()ld。如果整个音量电平Vtjut大于Vtoeshtjld，方法400前进到正常模式403中的步骤455。如果整个音量电平Vwt不大于Vttoestold,方法400在步骤440中前进到升压模式407中的步骤440中。
[0044]在升压模式407中的步骤440中，接着可以确定放大器例如放大器255的增益是否大于最小增益例如_12dB。如果放大器的增益不大于最小增益，那么步骤440循环回到步骤420。然而，如果放大器的增益大于放大器的最小增益，则步骤440前进到步骤450。
[0045]在步骤450中，可以确定选定的Vwt是否小于Vtjut的阈值达小于一定时间量例如21.2毫秒。如果未达到该时间量，那么步骤450循环回到步骤420。然而，如果选定的Vwt小于Vrat的阈值持续小于一定时间量，那么该方法前进到步骤460。通常，选择以毫秒为单位的延迟时间量，使得方法400不会将任何实质的可听伪迹引入音频信号中。
[0046]在步骤460中，可以确定最后的数字增益放大器更新是否发生在第二时间段以前，例如发生在41.66μ s以前。如果不是发生在第二时间段以前，那么步骤450循环回到步骤420。然而，如果最后的数字增益放大器更新发生在第二时间段以前，那么数字放大器的放大增加以dB为单位的步进增益，例如2dB，并且放大器增益减少2db。接着，步骤470循环回到步骤420。通常，增益爬升的时间量被选择以μ s为单位，使得方法400不会将任何实质的可听伪迹引入音频信号中。
[0047]在一方面，如果未超出整个阈值音量电平，则动态升压407增加数字放大器的增益并减小模拟放大器的输出增益，从而保持相同的整体音量。当阈值音量未大于特定电平时，通过改变较早的数字放大器的放大并允许该模拟放大器从较低的电源电压运行，方法400节省了模拟放大器上的电力；而且，由于该放大低于所述阈值，这意味着聆听者处不会有大量来自放大电路200中的较早级的任何以前的砰砰、卡搭等的放大。
[0048]在正常模式403中，可以确定数字放大器的增益是否大于OdB。如果数字放大器的增益不大于OdB，那么，步骤445循环回到步骤420。然而，如果数字放大器的增益大于OdB，那么步骤445前进到步骤455。
[0049]步骤455确定在第三时间段例如1ys内是否已发生对数字放大器的最后的更新。如果在第三时间段内未发生最后的更新，那么，步骤445循环回到步骤420。不过，如果已在第三时间段内发生对该数字放大器的最后更新，步骤445前进到步骤465。
[0050]在步骤465中，数字放大器的增益减少给定的量，例如2分贝，并且模拟放大器的增益增加相同的给定量，例如2分贝。接着，步骤465循环回到步骤420。根据本申请的原理，步骤465通常被设计为具有与相应的放大器基本相等的增加或减少的量。
[0051]在一个方面，如果超出整个阈值音量电平，则正常407减小数字放大器的增益并增加模拟放大器的输出增益，从而保持相同的整体音量。当阈值音量大于特定电平时，通过改变较早的数字放大器的放大，方法400节省模拟放大器上的电力；而且，由于该放大大于所述阈值，这意味着聆听者对来自放大电路200中的较早级上的任何以前的砰砰、卡搭等的噪声幅值具有更大的容忍。
[0052]下列表格用于结合图5A和5B的时序图。HSLDRV和HSRDRV指的是组合HS-头戴式耳机或耳机L/R-左/右DRV-驱动器的立体声放大器驱动器:
[0053]
【权利要求】
1.一种装置，其包括: 检测选定的输出音量的选定音量检测器； 模拟输出信号放大器； 数字音量放大器；以及 耦合到所述选定音量检测器、所述模拟输出信号放大器和所述数字音量放大器的升压增益控制元件； 其中所述升压增益控制元件经配置: 保持所述数字音量放大器和所述模拟输出信号放大器的路径的增益基本恒定，其中所述升压增益控制元件能够调整下面两个: a)所述数字音量控制的增益；以及 b)所述模拟输出信号放大器的增益； 从而保持所述数字音量放大器和所述模拟输出信号的路径的增益基本恒定并等于所述选定的输出音量。
2.根据权利 要求1所述的装置，其中所述升压增益控制元件经进一步配置: 比较所述选定的输出音量和阈值； 如果所述选定的输出音量低于所述阈值，那么所述升压增益控制元件能够: a)向上调整所述数字音量放大器的数字音量；以及 b)向下调整所述放大器的音量， 从而保持所述数字音量放大器和所述模拟输出信号的路径的增益基本恒定并等于所述选定的输出音量。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述升压增益控制元件经进一步配置: 比较所述选定音量和阈值； 如果给定的幅值音量大于所述阈值，那么所述升压增益控制元件能够: a)向下调整所述数字音量放大器的数字音量；以及 b)向上调整所述放大器的音量， 从而保持所述数字音量放大器和所述模拟输出信号的路径的增益基本恒定并等于所述选定的输出音量。
4.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括数字信号处理器，其中所述数字信号处理器的输出端耦合到所述数字音量放大器的输入端。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述输出信号放大器是“G类”电荷泵。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述选定音量检测器被耦合到接收选定的音量信号的数字信号处理器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中 a)所述升压放大器的阈值基本是18分贝的放大；以及 所述数字音量放大器的动态范围基本是12分贝的增加；以及 被所述升压增益控制调整的所述模拟输出信号放大器的动态范围基本是负12分贝。
8.根据权利要求7所述的装置，其中数字放大器的整体放大与12分贝值之间存在变换期，其中所述驱动器两者的变换基本以I分贝改变。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述升压增益控制元件经进一步配置:比较所述选定的输出音量和阈值； 如果所述选定的输出音量低于所述阈值，那么所述升压增益控制元件能够: a)向上调整所述数字音量放大器的数字音量；并且 b)向下调整所述放大器的音量， 从而保持所述数字音量放大器和所述模拟输出信号的路径的增益基本恒定并等于所述选定的输出音量。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述升压增益控制元件经进一步配置: 比较所述选定的输出音量和阈值； 如果所述选定的输出音量低于所述阈值，那么所述升压增益控制元件能够: a)向上调整所述数字音量放大器的数字音量；以及 b)向下调整所述放大器的音量， 从而保持所述数字音量放大器和所述模拟输出信号的路径的增益基本恒定并等于所述选定的输出音量。
11.根据权利要求 10所述的装置，其中所述升压增益控制元件经进一步配置: 比较所述选定的音量和阈值； 如果给定的幅值音量大于所述阈值，那么所述升压增益控制元件能够: a)向下调整所述数字音量放大器的数字音量；并且 b)向上调整所述放大器的音量， 从而保持所述数字音量放大器和所述模拟输出信号的路径的增益基本恒定并等于所述选定的输出音量。
12.—种方法，其包括: 确定选定的输出音量是否大于音量阈值； 如果所述选定的输出音量不大于所述阈值音量，增加数字放大器的增益； 如果所述选定的输出音量不大于所述阈值音量，减小放大器的增益；以及其中所述数字音量放大器和所述模拟输出信号的路径的增益基本恒定并尽量等于所述选定的输出音量。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括: 以所述选定的输出音量播放音频流。
14.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括: 如果所述选定的输出音量不大于所述音量阈值，确定放大器的增益是否大于所述放大器的容许增益。
15.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括: 确定所述输出音量是否小于所述音量阈值达第一时段；以及 确定所述数字放大器和所述模拟放大器中的至少一个的放大器值的更新是否发生在第二时段以前。
【文档编号】H03G9/00GK104081664SQ201380006724
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年1月25日 优先权日:2012年1月25日
【发明者】A·W·佩雷拉, P·A·方丹, M·韦赛尔, C·特瑞翰, S·赛维, B·N·查拉帕 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司