具有功率限制功能的d类功放芯片和音频播放设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了具有功率限制功能的D类功放芯片和音频播放设备，其D类功放芯片包括：PWM调制模块，PWM调制模块包括用于放大差分音频信号的差分运算放大器，所述D类功放芯片还包括用于限制差分运算放大器的输出功率的功率限制模块；差分运算放大器的正相输入端连接D类功放芯片的第一输入端，差分运算放大器的反相输入端连接D类功放芯片的第二输入端，功率限制模块的正输出端连接差分运算放大器的正相输出端，功率限制模块的负输出端连接差分运算放大器的反相输出端。本实用新型通过功率限制模块限制内部差分运算放大器的最低电平，从而限制了D类功放芯片的输出功率，抑制瞬间大的输入信号对扬声器的损坏。
【专利说明】具有功率限制功能的D类功放芯片和音频播放设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电子产品，特别涉及具有功率限制功能的D类功放芯片和音频播放设备。
【背景技术】
[0002]D类功放称D类音频功率放大器，有时也称为数字功放，它是一种开关型的功放，与传统的线性功放相比，D类功放具有效率高、发热少的特点，被广泛应用于智能电视、智能手机等消费电子领域。
[0003]D类功放基于PWM (Pulse Width Modulation,脉宽调制)模式，将音频信号与采样的三角波比较，输出脉冲宽度与音频信号幅度成正比例的PWM波形，然后经过驱动器将该PWM波形的幅度放大，再由滤波器还原为放大后的音频信号驱动扬声器发出声音。
[0004]请参阅图1，在使用时需要由输入电容Cl、C2提供偏置电压，在D类功放10放大信号后，通过滤波器20将信号还原驱动扬声器发出声音。现有的D类功放10包括:差分运算放大器AMP1、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第一驱动器和第二驱动器，音频信号经过差分运算放大器AMPl放大后输出给第一比较器CMPl和第二比较器CMP2,由第一比较器CMPl和第二比较器CMP2将其与功放内部的三角波发生器产生的三角波信号比较输出PWM波形，且该PWM波形的脉冲宽度与音频信号幅度成正比例，所述PWM波形经过第一驱动器和第二驱动器放大后输出给滤波器，再由滤波器还原为音频信号驱动扬声器振动发出声音。
[0005]上述D类功放一般能正常驱动扬声器发出声音,但是当输入的音频信号的幅度过大时，经滤波器还原后的音频信号的幅度如果超过了扬声器的额定值；或者因输入音频信号的电流过大使输入电容Cl、C2被短路，而导致还原后的音频信号为一直流分量等异常情况发生时，扬声器很可能被烧坏。因此有必要限制D类功放内部运算放大器的输出功率。
【发明内容】
[0006]鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种具有功率限制功能的D类功放芯片和音频播放设备，能限制D类功放芯片的输出功率，从而防止扬声器被损坏。
[0007]为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案:
[0008]一种具有功率限制功能的D类功放芯片，包括:
[0009]用于将输入D类功放芯片的差分音频信号放大，并与D类功放芯片内部产生的三角波信号比较输出PWM信号的PWM调制模块；
[0010]所述PWM调制模块包括用于放大所述差分音频信号的差分运算放大器；
[0011]所述D类功放芯片还包括:
[0012]用于限制差分运算放大器的输出功率的功率限制模块；
[0013]所述差分运算放大器的正相输入端连接D类功放芯片的第一输入端，差分运算放大器的反相输入端连接D类功放芯片的第二输入端，所述功率限制模块的正输出端连接所述差分运算放大器的正相输出端，功率限制模块的负输出端连接所述差分运算放大器的反相输出端。
[0014]所述的具有功率限制功能的D类功放芯片中，所述功率限制模块包括:
[0015]用于产生一反比例电压的反比电压生成单元，所述反比例电压与功率限制模块的输入电压成反比；
[0016]用于限制差分运算放大器输出的最低电平的箝位单元；
[0017]用于为所述箝位单元提供偏置电压和生成箝位单元的栅极电压的控制电压生成单元；
[0018]所述反比电压生成单元的输入端连接D类功放芯片的第三输入端、反比电压生成单元的输出端通过所述控制电压生成单元连接所述箝位单元。
[0019]所述的具有功率限制功能的D类功放芯片中，所述反比电压生成单元包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；
[0020]所述第一运算放大器的正相输入端连接D类功放芯片的第三输入端，第一运算放大器的反相输入端连接第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端通过第三电阻连接第二运算放大器的反相输入端；
[0021]所述第二运算放大器的正相输入端通过第一电阻连接D类功放芯片的电源端、还通过第二电阻接地，所述第二运算放大器的反相输入端通过第四电阻连接所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端为反比电压生成单元的输出端、连接控制电压生成单元。
[0022]所述的具有功率限制功能的D类功放芯片中，所述第一运算放大器和第二运算放大器为箝位运算放大器。
[0023]所述的具有功率限制功能的D类功放芯片中，所述控制电压生成单元包括第一MOS管、第二 MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第一电容和第五电阻；
[0024]所述第一 MOS管的漏极连接偏置电压供电端，第一 MOS管的栅极连接第二 MOS管的栅极和第三MOS管的栅极，第一 MOS管的源极、第二 MOS管的源极和第三MOS管的源极均接地；
[0025]所述第二 MOS管的漏极连接第五MOS管的漏极和栅极、第六MOS管的栅极、第七MOS管的栅极和第八MOS管的栅极，所述第三MOS管的漏极连接反比电压生成单元的输出端和第四MOS管的源极；
[0026]所述第四MOS管的栅极连接第六MOS管的漏极，第四MOS管的漏极通过第五电阻连接第六MOS管的漏极、也通过第一电容接地、还连接所述箝位单元的栅极端；
[0027]所述第五MOS管的源极连接第六MOS管的源极、第七MOS管的源极和第八MOS管的源极；所述第七MOS管的漏极和第八MOS管的漏极连接所述箝位单元的漏极端。
[0028]所述的具有功率限制功能的D类功放芯片中，所述箝位单元包括第九MOS管和第十MOS管，所述第九MOS管的栅极为箝位单元栅极端、连接所述第四MOS管的漏极和第十MOS管的栅极，所述第九MOS管的漏极连接第七MOS管的漏极，第九MOS管的源极连接所述差分运算放大器的正相输出端，所述第十MOS管的漏极连接第八MOS管的漏极，第十MOS管的源极连接所述差分运算放大器的反相输出端。[0029]所述的具有功率限制功能的D类功放芯片中，所述第一 MOS管、第二 MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第九MOS管和第十MOS管为N沟道MOS管，第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管为P沟道MOS管。
[0030]所述的具有功率限制功能的D类功放芯片中，所述PWM调制模块还包括:第一比较器、第二比较器、第一驱动模块、第二驱动模块、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻；
[0031]所述第一比较器的反相输入端连接差分运算放大器的正相输出端和功率限制模块的正输出端，所述第二比较器的反相输入端连接差分运算放大器的反相输出端和功率限制模块的负输出端，所述第一比较器的正相输入端和第二比较器的正相输入端连接D类功放芯片内部的三角波产生模块；所述第一比较器的输出端通过第一驱动模块连接D类功放芯片的第一输出端，所述第二比较器的输出端通过第二驱动模块连接D类功放芯片的第二输出端；
[0032]所述第六电阻串联在D类功放芯片的第一输入端和差分运算放大器的正相输入端之间，所述第七电阻串联在D类功放芯片的第二输入端和差分运算放大器的反相输入端之间，所述第八电阻串接在差分运算放大器的正相输入端和D类功放芯片的第一输出端之间，所述第九电阻串接在差分运算放大器的反相输入端和D类功放芯片的第二输出端之间。
[0033]一种音频播放设备，其包括扬声器、如上述的D类功放芯片，及用于将D类功放芯片输出的PWM信号还原为音频信号驱动扬声器发出声音的桥式滤波器。
[0034]所述的音频播放设备中，所述桥式滤波器包括第一电感、第二电感、第二电容和第三电容，所述第一电感的一端连接D类功放芯片的第一输出端，第一电感的另一端通过第二电容接地、还连接扬声器；所述第二电感的一端连接D类功放芯片的第二输出端，第二电感的另一端通过第三电容接地、还连接扬声器。
[0035]相较于现有技术，本实用新型提供的具有功率限制功能的D类功放芯片和音频播放设备，所述D类功放芯片通过功率限制模块限制内部差分运算放大器的最低电平，从而限制了 D类功放芯片的输出功率，抑制瞬间大的输入信号对扬声器的损坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为现有D类功放芯片的电路原理图；
[0037]图2为本实用新型D类功放芯片的结构框图；
[0038]图3为本实用新型D类功放芯片中功率限制模块的电路图；
[0039]图4为现有D类功放芯片的输出电压波形示意图；
[0040]图5为本实用新型D类功放芯片的输出电压波形示意图；
[0041]图6为本实用新型音频播放设备的电路图。
【具体实施方式】
[0042]本实用新型提供一种具有功率限制功能的D类功放芯片和音频播放设备，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0043]请参阅图2，本实用新型提供的具有功率限制功能的D类功放芯片可集成在一块芯片上，其包括:PWM调制模块200和功率限制模块100，所述PWM调制模块200用于将输入D类功放芯片的差分音频信号放大，并与D类功放芯片内部产生的三角波信号比较输出PWM信号。
[0044]其中，所述PWM调制模块200包括用于放大所述差分音频信号的差分运算放大器AMPl，所述差分运算放大器AMPl的正相输入端连接D类功放芯片的第一输入端a，差分运算放大器AMPl的反相输入端连接D类功放芯片的第二输入端b，所述功率限制模块100的正输出端sp连接所述差分运算放大器AMPl的正相输出端,功率限制模块100的负输出端sn连接所述差分运算放大器AMPl的反相输出端，所述功率限制模块100用于限制差分运算放大器AMPl的输出功率，即限制所述差分运算放大器AMPl输出信号的最低电平。
[0045]由于差分运算放大器AMPl的输出功率与输出电压的幅度成正比，因此只要限制了差分运算放大器AMPl的输出电压的最低电平，就可以限制差分运算放大器AMPl的功率。请一并参阅图3，所述功率限制模块100包括:反比电压生成单元101、最低电平的箝位单元102和控制电压生成单元103，所述反比电压生成单元101的输入端连接D类功放芯片的第三输入端plim、反比电压生成单元101的输出端通过所述控制电压生成单元103连接所述箝位单元102。
[0046]所述比电压生成单元用于产生与功率限制模块100的输入电压成反比的反比例电压，即产生一个与D类功放芯片的第三输入端plim的电压成反正例的电压,该电压输出给控制电压生成单元103。所述控制电压生成单元103用于为所述箝位单元102提供偏置电压和生成箝位单元102的栅极电压，使所述栅极电压稳定，所述箝位单元102用于限制差分运算放大器AMPl的正相输出端和反相输出端输出电压的最低电平，从而限制D类功放芯片的输出功率。
[0047]具体实施时，所述反比电压生成单元101包括第一运算放大器AMP2、第二运算放大器AMP3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。其中，所述第一电阻Rl和第二电阻R2分压电阻为第二运算放大器AMP3提供输入电压，并且第三电阻R3与第四电阻R4的阻值比可确定第二运算放大器AMP3放大倍数。
[0048]所述第一运算放大器AMP2的正相输入端连接D类功放芯片的第三输入端piim，第一运算放大器AMP2的反相输入端连接第一运算放大器AMP2的输出端，所述第一运算放大器AMP2的输出端通过第三电阻R3连接第二运算放大器AMP3的反相输入端。所述第二运算放大器AMP3的正相输入端通过第一电阻Rl连接D类功放芯片的电源端VREF、还通过第二电阻R2接地，所述第二运算放大器AMP3的反相输入端通过第四电阻R4连接所述第二运算放大器AMP3的输出端，所述第二运算放大器AMP3的输出端为反比电压生成单元101的输出端、连接控制电压生成单元103。
[0049]本实施例中，所述第一运算放大器AMP2和第二运算放大器AMP3为箝位运算放大器，在功率限制模块100中均起箝位电压的作用，D类功放芯片的第三输入端plim的电压Vplim经第一运算放大器AMP2缓冲以后，使其输出端电压Vl=Vplim。对于第二运算放大器AMP3需使第二运算放大器AMP3的两个输入端的电压相等，即V2=V3，并使Yl - V3 ￥3 - τ/4
————=————-从而使第二运算放大器AMP3的输出电压与功率限制模块100的输入 R3R4
电压成反比。其中，V3为第二运算放大器AMP3的反相输入端的电压，V4为第二运算放大器AMP3的输出端的电压，R3为第三电阻R3的阻值，R4为第四电阻R4的阻值。
[0050]请继续参阅图3，所述的控制电压生成单元103包括第一 MOS管Ml、第二 MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第一电容Cl和第五电阻R5。其中，所述第一 MOS管Ml、第二 MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4，第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8为P沟道MOS管。当然，在其它实施例中，所述，所述第一 MOS管Ml、第二 MOS管M2、第三MOS管M3和第四MOS管M4，第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管还可以采用其它相应功能的电子元件代替，如N沟道MOS管结合反相器的方式代替PMOS管，只要能实现本实用新型的技术方案即可。 [0051]所述第一 MOS管Ml的漏极连接偏置电压供电端，第一 MOS管Ml的栅极连接第二MOS管M2的栅极和第三MOS管M3的栅极，第一 MOS管Ml的源极、第二 MOS管M2的源极和第三MOS管M3的源极均接地。所述第二 MOS管M2的漏极连接第五MOS管M5的漏极和栅极、第六MOS管M6的栅极、第七MOS管M7的栅极和第八MOS管M8的栅极，所述第三MOS管M3的漏极连接反比电压生成单元101的输出端(即第二运算放大器AMP3的输出端)和第四MOS管M4的源极。
[0052]所述第四MOS管M4的栅极连接第六MOS管M6的漏极，第四MOS管M4的漏极通过第五电阻R5连接第六MOS管M6的漏极、也通过第一电容Cl接地、还连接所述箝位单元102的栅极端。所述第五MOS管M5的源极连接第六MOS管M6的源极、第七MOS管M7的源极和第八MOS管M8的源极；所述第七MOS管M7的漏极和第八MOS管M8的漏极连接所述箝位单元102的漏极端。
[0053]本实施例中，偏置电压供电端Vbias输出的偏置电流Ibias经第一 MOS管Ml镜像到第二 MOS管M2和第三MOS管M3，流过第二 MOS管M2的电流经第五MOS管M5镜像到第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8。所述第六MOS管M6为第四MOS管M4的漏极提供电压、第七MOS管M7和第八MOS管M8为箝位单元102的漏极端提供电压。
[0054]请继续参阅图3，所述箝位单元102包括第九MOS管M9和第十MOS管M10，所述第九MOS管M9的栅极为箝位单元102栅极端、第九MOS管M9和第十MOS管MlO的漏极为箝位单元102漏极端，所述第五电容C5主要用于稳定第九MOS管M9的栅极电压。所述第九MOS管M9的栅极连接所述第四MOS管M4的漏极和第十MOS管MlO的栅极，所述第九MOS管M9的漏极连接第七MOS管M7的漏极，第九MOS管M9的源极连接所述差分运算放大器AMPl的正相输出端，所述第十MOS管MlO的漏极连接第八MOS管M8的漏极，第十MOS管MlO的源极连接所述差分运算放大器AMPl的反相输出端。本实施例中，所述第九MOS管M9和第十MOS管MlO均为N沟道MOS管，其作用在于限制差分运算放大器AMPl的正相输出端和反相输出端的最低电平，从而来限制D类功放芯片的输出功率。当然，在其它实施例中，所述第九MOS管M9和第十MOS管MlO还可以采用其它相应功能的电子元件代替，如P沟道MOS管结合反相器的方式代替NMOS管，只要能实现本实用新型的技术方案即可。
[0055]请再次参阅图2，所述PWM调制模块200还包括第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第一驱动模块201、第二驱动模块202、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9。所述第一比较器CMPl和第二比较器CMP2用于将音频信号与三角形信号比较产生PWM信号。所述第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9用于设置增益参数，
SC 3 5.为D类功放芯片设置合适的增益，且该D类功放芯片的增益为
【权利要求】
1.一种具有功率限制功能的D类功放芯片，包括: 用于将输入D类功放芯片的差分音频信号放大，并与D类功放芯片内部产生的三角波信号比较输出PWM信号的PWM调制模块； 所述PWM调制模块包括用于放大所述差分音频信号的差分运算放大器； 其特征在于，所述D类功放芯片还包括: 用于限制差分运算放大器的输出功率的功率限制模块； 所述差分运算放大器的正相输入端连接D类功放芯片的第一输入端，差分运算放大器的反相输入端连接D类功放芯片的第二输入端，所述功率限制模块的正输出端连接所述差分运算放大器的正相输出端，功率限制模块的负输出端连接所述差分运算放大器的反相输出端。
2.根据权利要求1所述的具有功率限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述功率限制模块包括: 用于产生一反比例电压的反比电压生成单元，所述反比例电压与功率限制模块的输入电压成反比； 用于限制差分运算放大器输出的最低电平的箝位单元； 用于为所述箝位单元提供偏置电压和生成箝位单元的栅极电压的控制电压生成单元; 所述反比电压生成单元的输入端连接D类功放芯片的第三输入端、反比电压生成单元的输出端通过所述控制电压生成单元连接所述箝位单元。
3.根据权利要求2所述的具有功率限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述反比电压生成单元包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻； 所述第一运算放大器的正相输入端连接D类功放芯片的第三输入端，第一运算放大器的反相输入端连接第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端通过第三电阻连接第二运算放大器的反相输入端； 所述第二运算放大器的正相输入端通过第一电阻连接D类功放芯片的电源端、还通过第二电阻接地，所述第二运算放大器的反相输入端通过第四电阻连接所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端为反比电压生成单元的输出端、连接控制电压生成单元。
4.根据权利要求3所述的具有功率限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述第一运算放大器和第二运算放大器为箝位运算放大器。
5.根据权利要求2所述的具有功率限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述控制电压生成单元包括第一 MOS管、第二 MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第一电容和第五电阻； 所述第一 MOS管的漏极连接偏置电压供电端，第一 MOS管的栅极连接第二 MOS管的栅极和第三MOS管的栅极，第一 MOS管的源极、第二 MOS管的源极和第三MOS管的源极均接地； 所述第二 MOS管的漏极连接第五MOS管的漏极和栅极、第六MOS管的栅极、第七MOS管的栅极和第八MOS管的栅极，所述第三MOS管的漏极连接反比电压生成单元的输出端和第四MOS管的源极； 所述第四MOS管的栅极连接第六MOS管的漏极，第四MOS管的漏极通过第五电阻连接第六MOS管的漏极、也通过第一电容接地、还连接所述箝位单元的栅极端； 所述第五MOS管的源极连接第六MOS管的源极、第七MOS管的源极和第八MOS管的源极；所述第七MOS管的漏极和第八MOS管的漏极连接所述箝位单元的漏极端。
6.根据权利要求5所述的具有功率限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述箝位单元包括第九MOS管和第十MOS管，所述第九MOS管的栅极为箝位单元栅极端、连接所述第四MOS管的漏极和第十MOS管的栅极，所述第九MOS管的漏极连接第七MOS管的漏极，第九MOS管的源极连接所述差分运算放大器的正相输出端，所述第十MOS管的漏极连接第八MOS管的漏极，第十MOS管的源极连接所述差分运算放大器的反相输出端。
7.根据权利要求6所述的具有功率限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述第一MOS管、第二 MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第九MOS管和第十MOS管为N沟道MOS管，第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管为P沟道MOS管。
8.根据权利要求1所述的具有功率限制功能的D类功放芯片，其特征在于，所述PWM调制模块还包括:第一比较器、第二比较器、第一驱动模块、第二驱动模块、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻； 所述第一比较器的反相输入端连接差分运算放大器的正相输出端和功率限制模块的正输出端，所述第二比 较器的反相输入端连接差分运算放大器的反相输出端和功率限制模块的负输出端，所述第一比较器的正相输入端和第二比较器的正相输入端连接D类功放芯片内部的三角波产生模块；所述第一比较器的输出端通过第一驱动模块连接D类功放芯片的第一输出端，所述第二比较器的输出端通过第二驱动模块连接D类功放芯片的第二输出端; 所述第六电阻串联在D类功放芯片的第一输入端和差分运算放大器的正相输入端之间，所述第七电阻串联在D类功放芯片的第二输入端和差分运算放大器的反相输入端之间，所述第八电阻串接在差分运算放大器的正相输入端和D类功放芯片的第一输出端之间，所述第九电阻串接在差分运算放大器的反相输入端和D类功放芯片的第二输出端之间。
9.一种音频播放设备，其特征在于，包括扬声器、如权利要求1-8任意一项所述的D类功放芯片，及用于将D类功放芯片输出的PWM信号还原为音频信号驱动扬声器发出声音的桥式滤波器。
10.根据权利要求9所述的音频播放设备，其特征在于，所述桥式滤波器包括第一电感、第二电感、第二电容和第三电容，所述第一电感的一端连接D类功放芯片的第一输出端，第一电感的另一端通过第二电容接地、还连接扬声器；所述第二电感的一端连接D类功放芯片的第二输出端，第二电感的另一端通过第三电容接地、还连接扬声器。
【文档编号】H03F3/217GK203775149SQ201420146333
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】左事君 申请人:深圳创维－Rgb电子有限公司