专利名称：音频放大器电路和使用该电路的音频设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一音频信号放大器电路和使用这样的电路的一音频设备，特别是，涉及用在一个便携式音频设备比如一个便携式磁带播放机中的，将数字音频信号转换为模拟音频信号和放大该信号的一放大器电路中的改进，一个便携式CD播放机和一个音频播放机使用一IC存储器(IC存储器音频播放机)，它可降低该电路中功率消耗，高效率的运行和延长一节电池电量的播放时间。
一个常规的音频设备包括一个双耳式立体声耳机，一个便携式磁带播放机比如DCC(数字小型盒式录音机)和DAT(数字音频磁带录音机)，一便携式光盘播放机比如MD(小型激光唱盘)和CD(激光唱盘)以及IC(集成电路)存储器音频播放机等现在正在开发的由电池驱动的设备，电池数通常是一或二个。因此，用于这样的音频电路的电源电压只有1.2V或者2.4V左右。而且，在大多数情况下这样的设备提供有一个立体声功能，因此该输出放大器电路是以两个系列构成的。
对于这些便携式类型音频设备，需要将驱动功率电源的电池数减少为单个电池和用于使用单个电池实现一种比较长的播放。更进一步，在这样的新近的电路中，提供了一个低通提升放大器，它倾向增加该功率消耗。
在这些电路里或者设备中消耗大电力的那些部分是音频输出电路和马达设备电路。例如，日本专利JP-A-4-111506(1992)和JP-A-7-50637(1995)披露出在一音频电路中减少工作电流和抑制功率消耗。在从前，输入信号是被馈送到不同于信号放大器串的一个分开的电源和是被全波整流，并且该音频输出电路的工作电流受该全波整流信号控制，从而，依赖于该输入信号的幅度的电能提供给该音频输出电路。在此后，当放大立体声信号时，中心放大器部分的一虚构的地被用一个开关稳压器替代以产生一虚构的接地电平电压，从而，实现了电能消耗的降低。
在这些种常规的音频放大器电路，特别是，比如一个CD或者MD便携式光盘播放机和IC存储器音频播放机中，数字信号是被转换成模拟信号，该转换模拟信号被放大并由该放大模拟输出信号驱动电动扬声器。更进一步，比如在一个便携式磁带播放机中，播放的模拟信号是以模拟形式被放大并且该扬声器由该放大模拟输出信号驱动。
为了放大这些模拟信号和用这些模拟输出信号驱动电动扬声器，需要一个前置放大器和一声音音量调整电路，他们是工作于从微观的输出信号到功率输出，因此音频信号的放大不得不重复几次。相应地，电容器和电阻器电路的数量增加，以及晶体管数量也增加，声音生成的功率转换效率达到最多约60％-70％。目前期待更多地增加该效率是不可能的。
相应地，一个电池功率消耗降低被限制为某一级别，以及即使通过使用集成电路使相关电路的尺寸减少，该器件的薄型化和小型化是有限的。
本发明的目的是解决常规技术的问题，以及提供一音频设备，它允许降低在该电路中的功率消耗，高效率运行，以及延长电池的播放时间。
根据本发明的获得上面的所述目的的一音频信号放大器电路和一音频设备，其中包括一运算电路，它接收该数字音频信号，并响应用于声音音量调节的数字控制信号产生与声音音量调整相对应的计算出的数字值；一个数字/模拟转换器电路，它将数字-模拟变换来自所述运算电路的计算的数字值，并产生模拟值；一个脉冲产生电路，它产生有一个预定频率的脉冲，脉冲的产生周期是响应于所述数字/模拟转换器电路的输出模拟值被PWM(脉宽)调制的；一个驱动电流产生电路，它接收所述脉冲产生电路的脉冲和产生与该PWM调制相对应的电流值，并且其中响应于所述驱动电流产生电路的输出驱动一扬声器。
根据上面所述的本发明，从声音音量调整到音频输出的电路是由运算电路、数字/模拟转换器电路、脉冲产生电路和驱动电流产生电路构成的，因此，对于驱动信号的生成，不需要在电路中设置许多电容器和电阻器电路。特别是，因为输出放大器作为脉冲产生电路和用于驱动扬声器的输出是由驱动电流产生电路产生的，该驱动电路接收脉冲产生电路的输出，不必放大模拟信号和输出该信号，因此用于该电路的晶体管数目被减低。而且，这种声音音量调节能够直接地用数字信号进行，与模拟信号相比较声音音量调节电路被简化。
结果，与模拟信号输出相比其对声音的电能转换效率被提高并且可以实现薄和小尺寸的器件。特别是，可以实现适合用于IC存储器音频播放机的音频器件。
图1是一方块图，主要是其中采用本发明的音频信号放大器电路的一个实施例的电池驱动音频输出电路；图2是一个用于说明在PWM开关功率放大器中的工作波形图。
在图1，数字1是在一个双耳式耳机放大器中用于R(右)声道的一音频信号输出电路。既然用于L(左)声道的电路与用于R声道的电路实质上相同，所以只对用于R声道的电路被加以说明，那么，该用于L声道的音频信号输出电路只是通过一方块2表示，在此后只对该R声道音频信号输出电路1作说明，而对L声道音频信号输出电路2的说明被省略。
更进一步，数字10是一个控制器，即一个电路用于产生数字形式的控制信号以便调整比如音频信号输出电路1和2的声音音量，以及产生时钟信号CLK。在图中，作为电源的电池被省略。
该用于R声道的音频信号输出电路1是由一个位移位器3、一个数字/模拟转换电路(D/A)4、一个PWM开关功率放大器5和作为驱动电流产生电路的一个L型滤波电路6构成，并且驱动一个双耳式耳机的一扬声器(右侧)7。
该位移位器3也被称作移位寄存器，即一个幂为2的乘法器电路。该位移位器3对应于在模拟信号放大器电路中用于控制比如声音音量的一个电路，即对应于声音量调整的一音量调整电路，并且在输入端3a直接接收储存在IC存储器中的音频数字信号(主信号S)。这个主信号S(音频数字信号)是由有效的8位、一个表示分别于基准电平对应的正的和负的标志位以及N个表示“0”的虚拟位构成，其中n是超过2的一整数。在目前的实施例中，n＝7和这个七个虚拟位与该主信号的8位相对应的被加在高位数字，并形成一个16位信号，其由15位和一个表示正的或者负的标志位组成。这个信号通过该控制器10自该IC存储器9被读出。
该位移位器3的一输入端3b接收根据声音音量调整操作来自从该控制器10的3位的声音音量控制信号Vd。该位移位器3通过对应于在该输入端3b接收的3位声音音量控制信号Vd，将在该输入端3b的8位主信号S位移到高端。这个位移是通过在低端增加“0”位进行的，且在输出端3c生成被移位的信号。更进一步，当声音音量调整是“0”时，即在不需要音量调整的情况下，不进行移位。
更具体地说，位移位器3是由一个15位的移位寄存器31、一个双稳触发器(F/F)32、一个寄存器33和一个移位时钟产生电路34构成。该控制器10为该IC存储器9产生一个读出信号R，并将一16位的读出信号提供给该位移位器3的输入端3a。在该位移位器3中的移位时钟产生电路34从该控制器10接收作为定时信号的读出信号R和产生一个控制信号CT，且在读出信号中的包括8位主信号和虚拟位的15位被设置在移位寄存器31中，而表示正的或者负的标志的在最高位的一位被设置在触发器32中。通过来自控制器10的对应于时钟脉冲CLK的控制信号CK，该移位时钟产生电路33使设置在移位寄存器中的主信号的8位和虚拟位按照音量控制信号Vd的数字值向高位数字移位。例如当假设该8位主信号S是“10010010”和声音音量控制信号Vd的数字值是“011”(＝3)时，该主信号S向高位方向移动3位。这是以这样一种方式进行的，即该移位时钟产生电路34在该输入端3b接收声音音量控制信号Vd的值“011”，并将与来自该控制器10的三个时钟脉冲CLK的量值相对应的控制信号CK馈送到移位寄存器31，并且3位“0”被加到该设置的数据“10010010”的低端，以向高位数字移位数据。从而，在高位数字的3个虚拟位″0″溢出和消失。结果，主信号S的数字值假定为11位的“10010010000″和在该移位寄存器31中的数据值假定为15位的″000010010010000″。当该移位时钟产生电路34的移位结束时，从该移位时钟产生电路34产生一个锁存的脉冲Lp如图1中所示，并且响应锁存脉冲Lp的前沿，包括来自移位寄存器31的15位和来自该双稳触发器的一位(作为最高位)的总供16位被并行设置到寄存器33内。然后，响应16位的锁存脉冲Lp数据(由设置在双稳触发器32中的表示正或者负号一位和在移位寄存器31里的15位组成)的后沿并行的从该寄存器33输出到数/模转换器4。在这个时候，当数据被输入时，表示正或者负的标志的一位以同样的方式被输出作为最高位(＝MSB)。
在此例中，由于移位主信号S的值的一个位被加倍，因此，对应于三位量的移位主信号S的值被乘八倍。在本实施例中，因为声音音量控制信号Vd的位数是三位和该最大值数是“111”(＝7)，因此，主信号S的值可以被乘到128倍。现在，当假设在该输出端3c的输出是16位，其中一个位是指定表示正的或者负的标志，15位能被用作有效位，因此，最大有7位可以移位。更进一步，当在输入端增加表示与基准电平相对应的正的和负的标志的一个位作为对于主信号S的输入信号，该主信号S的位数设定为9位。相应地，该主信号S的最大倍增数达到128倍，因此，可以获得最大值为128倍的输出信号。然而，这蕴含着与信号幅度有关且声音音量本身是通过分贝测量的，因此它决不意味着输出声音被倍增128倍。
该数字/模拟转换器4接收来自输出端3c的位移位器3的数字值和把该数字值转变为一模拟信号。相应地，通过该位移位器3的移位，该输出信号能以2为幂调整，且在输出时声音音量可以简单地按该数字值调整。
该数字/模拟器4的模拟输出信号被输入给PWM开关功率放大器5。PWM开关功率放大器5是由一个PWM脉冲产生电路5a和作为一个开关电源电路以500kHz脉冲振荡的一个脉冲振荡器5b构成，并且是一个推挽式的输出脉冲产生电路，其能产生有一个预定频率的脉冲，在此处为500kHz，它的产生周期是根据数字/模拟转换器4的输出值，在对应于基准电压的正的和负的方向被PWM调制的。此外，作为预定频率，100kHz-1MHz的频率是较好的。
例如，该PWM脉冲产生电路5a是由分别地提供正的和负的两三角形波产生电路和各自的比较器构成的(比较器将三角波产生电路各自的输出与其输入比较)，并接收数字/模拟转换器(见图2(a)的数字/模拟输出)4的输出信号作为输入信号，并将它们的正的和负的幅度电平与在各自的比较器中的相应的正的和负的信号电平相比较，在响应于该比较关系，当在各自的正的和负的方向信号电平是较大时，产生脉冲宽度被增加的脉冲。
更进一步，在上面的这种情况中，三角波产生电路的频率约50kHz，这对于音频信号是足够高的。此外，在正的方面，该比较器在(+)输入侧接收该输入信号和在基准侧的(-)输入端接收三角形波输出，而在负的方面，比较器在(-)输入端接收输入信号和在(+)输入端接收三角形波输出。
因此，产生对于一个预定基准电平的正的和负的PWM脉冲(见在图2(b)中的PWM脉冲)。当该PWM脉冲存在和对应于该正模拟值产生一个正脉冲和对应于该负模拟值产生一负脉冲时，脉冲振荡器5b接收这些来自PWM脉冲产生电路5a的正的和负的PWM脉冲，而且脉冲振荡器5b在此期间产生500kHz的开关脉冲。结果，从该脉冲振荡器5b中可以获得脉冲周期是根据来自数字/模拟转换器4的正模拟输出信号被PWM调制的500kHz的输出脉冲(见图2(C))。这些输出脉冲被发送到L型滤波电路6。此外，输出脉冲的实际数量是多于图2(C)中示出的数量，然而，为了解释方便起见，在图2(C)中是以简化的方式进行描述。
该L类型滤波电路6是一个L型滤波器，其中线圈L的后部通过一个电容器C接地，特别是，通过该线圈L，PWM信号被转换成具有与模拟信号幅度相对应的电流值的驱动电流。该被转换成驱动电流的信号被施加到扬声器7，在扬声器7中该电流信号被转换成声音和输出到外部。
此外，因为该L型滤波电路6的工作频率将500kHz的脉冲转换为声音频率，所以该电路能由具有一个小线圈和小电容器的无源电路构成。此外，在此例中，该在扬声器7中的线圈部件也有助于该电流数值的转换。
在上面引用的电路中，不包括输出放大器电路，而且声音音量能够通过数字值调整，因此，由声音音量调整电路到音频输出放大器的整个电路结构被简化。
现在，在上面说明的实施例中，该正的和负的标志位是设置在该最高位(＝MSB)和该最高位是储存在该位移位器的双稳触发器中，因此该主信号S的位根据声音音量由单移位寄存器移位，然而，作为一种变化，该双稳触发器可以去掉，并且可改设为用于不同的正的和负的方面的移位寄存器，并且根据相关的正的和负的标志被选择。在这样的改动中，被选择的一个移位寄存器的最高位总是“1”，而另一个的最高位总是“0”。
更进一步，在上面说明的实施例中，该位移位器被用于声音音量调整，其使用了简单的电路结构，然而，代替这样的位移位器可以采用任何这样的装置，即其能够通过声音音量调整电路计算主信号的值，比如一个数字乘法器和一运算电路，在其中一个预定的数值被按照该控制值相乘或相加。更进一步，具有一个线圈的一个电路被用作L型无源滤波电路，因此，其他具有一个线圈元件的电路能够用作L型滤波电路。当一个扬声器的线圈部件有一个大的电感分量时，这个扬声器实际上能被用作滤波电路。
此外，根据上面的说明实施例，作为音量调整，通过增加一个位的正的和负的标志位到3位的声音音量控制信号Vd中，和通过将该位向低位方向移位，可以按乘幂降低主信号S的值。从而，声音音量能被减少到“0”或者被限制。这些声音音量控制信号Vd可以是两位信号以及可以是超过三位的信号。
权利要求
1.一个音频放大器电路，它把数字音频信号转化成模拟音频信号和放大该信号，其特征在于包含一运算电路，它接收该数字音频信号，并响应用于声音音量调节的数字控制信号产生与声音音量调整相对应的计算出的数字值；一个数字/模拟转换器电路，它将数字-模拟变换来自所述运算电路的计算的数字值，并产生模拟值；一个脉冲产生电路，它产生有一个预定频率的脉冲，脉冲的产生周期是响应于所述数字/模拟转换器电路的输出模拟值被PWM调制的；一个驱动电流产生电路，它接收所述脉冲产生电路的脉冲和产生与该PWM调制相对应的电流值，并且其中响应于所述驱动电流产生电路的输出驱动一扬声器。
2.根据权利要求1所述的一音频放大器电路，其特征在于所述的运算电路是一个乘法器电路，所述的驱动电流产生电路是有一个线圈的无源滤波电路，所述的脉冲产生电路是一个开关电源电路，它切换依赖于来自所述的数字/模拟转换器电路的输出模拟值的幅度延长的周期。
3.根据权利要求2所述的一音频放大器电路，其特征在于所述乘法电路是一个位移位器。
4.根据权利要求3所述的一音频放大器电路，其特征在于该数字音频信号是从IC存储器中读出的数字音频信号，在从该IC存储器读出的数据中，n段虚拟位被加在高位数字一侧，其中n是等于2或大于2的整数，并且该位移位器包含一个移位寄存器，将被加有这个n段虚拟位的该数字音频信号设置到该移位寄存器中，并响应于数字控制信号将在移位寄存器中的信号朝高位数字方向移位。
5.根据权利要求4所述的音频放大器电路，其特征在于数字音频信号的最高位是相当表示一个值的正的和负的标志的一位，且该正的和负的标志位是作为最高位没有被移位的输出到所述的数字/模拟转换器，所述的数字/模拟转换器响应于所述的正的标志产生正的模拟值和响应于所述负的标志产生负的模拟值，且所述的开关电源电路响应于所述的正的模拟值产生一个正脉冲和响应于所述的负的模拟值产生一个负脉冲。
6.一个音频设备，它把数字音频信号变换为模拟音频信号并放大该信号，其特征在于包括一个音频放大器电路，它包括一运算电路，它接收该数字音频信号，并响应用于声音音量调节的数字控制信号产生与声音音量调整相对应的计算出的数字值；一个数字/模拟转换器电路，它将数字-模拟变换来自所述运算电路的计算的数字值，并产生模拟值；一个脉冲产生电路，它产生有一个预定频率的脉冲，脉冲的产生周期是响应于所述数字/模拟转换器电路的输出模拟值被PWM调制的；一个驱动电流产生电路，它接收脉冲产生电路的脉冲和产生与该PWM调制相对应的电流值；一个控制器，它产生与声音音量调节操作相关的控制信号；一个扬声器，它是响应于该驱动电流产生电路的输出被驱动的。
7.根据权利要求6所述的一音频设备，其特征在于所述的运算电路是一个乘法器电路，所述的电流值产生电路是一个具有线圈的无源式的滤波电路，所述的脉冲产生电路是一个开关电源电路，其切换周期是依赖数字/模拟转换器电路输出的模拟值的幅度延长的。
8.根据权利要求7所述的一音频设备，其特征在于所述的乘法器电路是一个位移位器。
9.根据权利要求8所述的一音频设备，其特征在于该数字音频信号是从IC存储器中读出的数字音频信号，在从该IC存储器读出的数据中，n段虚拟位被加在高位数字一侧，其中n是等于2或大于2的整数，并且该位移位器包含一个移位寄存器，将被加有这个n段虚拟位的该数字音频信号设置到该移位寄存器中，并响应于数字控制信号将在移位寄存器中的信号朝高位数字方向移位。
10.根据权利要求9所述的音频设备，其特征在于数字音频信号的最高位是相当表示一个值的正的和负的标志的一位，且该正的和负的标志位是作为最高位没有被移位的输出到所述的数字/模拟转换器，所述的数字/模拟转换器响应于所述的正的标志产生正的模拟值和响应于所述负的标志产生负的模拟值，且所述的开关电源电路响应于所述的正的模拟值产生一个正脉冲和响应于所述的负的模拟值产生一个负脉冲。
全文摘要
一音频放大电路和音频设备,包含:运算电路,它接收数字音频信号,响应音量调节的数字控制信号产生与音量调节相对应的计算数字值;数字/模拟转换器电路,它变换运算电路计算的数字值并产生模拟值;脉冲产生电路,产生预定频率的脉冲,其产生周期是响应于数字/模拟转换器电路的输出模拟值被PWM调制;驱动电流产生电路,接收脉冲产生电路的脉冲和产生与PWM调制相对应的电流值,和响应于驱动电流产生电路的输出驱动一扬声器。
文档编号H03F3/217GK1253413SQ9912235
公开日2000年5月17日 申请日期1999年11月3日 优先权日1998年11月4日
发明者藤沢雅宪, 色川健美 申请人:罗姆股份有限公司