功率放大装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种功率放大装置，其包含一前置放大级，该前置放大级内设有一前置放大器以及一以回授方式与该前置放大器连接的低音加强控制电路；一功率放大级，该功率放大级内设有一音频功率输出级以及一动态电源电压切换开关，该音频功率输出级与前置放大级电性连接，该动态电源电压切换开关的其中一个输入端连接一较小的固定电源电压；一电源供应电路，连接动态电源电压切换开关的另一个输入端，用以在当前置放大级增强低音音频信号时，对该功率放大级提供一大于该固定电源电压的动态电源电压；藉此，本实用新型即可实现重低音强化效果并缩小电路尺寸，同时保持输出的余量与动态范围，进而达到大幅提高产品实用性与可靠度的功效。
【专利说明】
功率放大装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种功率放大器，尤指一种具有低音增强及动态电源控制(boomer and dynamic power range control)功能的音频功率放大器。
【背景技术】
[0002]在音频功率放大器(Aud1 Power Amplifier)技术领域，迄今已发展出多种电路拓扑架构(topology)，包括:A类、B类、AB类、D类、G类等，以D类音频放大器为例，如图1所示，其具有一比较电路11，该比较电路11的两个输入端分别接收一模拟的音频信号111以及一三角波信号112，从而可在比较电路11的输出端得到一脉宽调变信号，该脉宽调变信号传送至一驱动与输出级12，用以驱动并控制该驱动与输出级12中的功率晶体，以得到一放大后的脉宽调变信号，最后，该放大后的脉宽调变信号再经过一低通滤波器13滤除高频载波，SP可还原并得到该放大后的音频信号并由一扬声器2输出。
[0003]现有的音频功率放大器，虽可实现放大音频信号的功能，但仍面临以下技术问题:首先，对于目前颇为流行的小型化音响产品，例如可携式蓝牙喇叭，由于其喇叭单体在体积上的限制，使用者往往只能在携带的便利性与听觉的震撼效果之间做出取舍，因此，有必要发展一种小型化且可同时具备重低音强化功能的音频放大器;其次，伴随着前述低音强化的音频放大器而来的问题为:当低音音频的位准被动态地提高，以致于超出功率输出级的供电电压时，将导致放大后的音频输出信号被截波(clipping)，形成饱和失真现象，造成喇叭出现破音或爆音，严重影响聆听体验。所以，如何使音频功率放大器在加强低音位准时，可同时动态地调整供电电压令其保持足够的余量(headroom)，以维持足够的输出动态范围(dynamic range)，即成为一极具迫切性与实用性的技术课题。
【实用新型内容】
[0004]有鉴于现有的音频功率放大器难以同时兼顾小型化与加强重低音效果的设计目标，因此本实用新型的目的在于发展一种可让整体电路保持集成化且可同时实现低音增强效果的功率放大装置。
[0005]本实用新型的另一目的在于发展一种强化低音时可同时实现动态电源控制(dynamic power range control)功能的功率放大装置。
[0006]为了达到以上目的，本实用新型提供了一种功率放大装置，其包含:一前置放大级，该前置放大级内设有一前置放大器以及一以回授方式与该前置放大器连接的低音加强控制电路，该低音加强控制电路设有一第一回授电阻以及一与该第一回授电阻并联的主动式电容倍增电路;一功率放大级，该功率放大级内设有一音频功率输出级以及一动态电源电压切换开关，该音频功率输出级与前置放大级电性连接，该动态电源电压切换开关具有一第一电源电压输入端、一第二电源电压输入端以及一电源电压输出端，该第一电源电压输入端连接一较小的固定电源电压，该电源电压输出端与该音频功率输出级相连接;一电源供应电路，该电源供应电路内设有振幅与相位侦测电路、驱动电路以及电源功率输出级，该驱动电路包含有参考电压控制电路、误差放大器带宽控制电路以及分压电路，该误差放大器带宽控制电路具有第一输入端、第二输入端以及输出端，该振幅与相位侦测电路分别与前置放大级、参考电压控制电路及误差放大器带宽控制电路的第二输入端电性连接，该参考电压控制电路也与误差放大器带宽控制电路的第一输入端电性连接，又该误差放大器带宽控制电路的输出端与电源功率输出级的输入端电性连接，该分压电路以回授方式分别连接该电源功率输出级的输出端与误差放大器带宽控制电路的第二输入端，又该电源功率输出级的输出端也与动态电源电压切换开关的第二电源电压输入端电性连接，用以产生一比固定电源电压大的动态电源电压。
[0007]在本实用新型的一实施例中，该前置放大器为全差动放大器。
[0008]在本实用新型的一实施例中，该低音加强控制电路设有一与该主动式电容倍增电路相串联的第二回授电阻，且该第二回授电阻的电阻值小于第一回授电阻的电阻值。
[0009]在本实用新型的一实施例中，功率放大装置进一步包含有一驱动输出级，该驱动输出级设置于前置放大级与功率放大级之间，且该驱动输出级分别与前置放大级和功率放大级相连接。
[0010]在本实用新型的一实施例中，该驱动输出级内设有一停滞时间控制电路以及一与该停滞时间控制电路电性连接的电压位准移位电路，该停滞时间控制电路和电压位准移位电路分别与前置放大级中的前置放大器及功率放大级中的音信功率输出级电性连接。
[0011]通过上述结构，本实用新型即可实现重低音强化效果并缩小电路尺寸，同时保持输出的余量与动态范围，进而达到大幅提高产品实用性与可靠度。
【附图说明】
[0012]图1为现有的D类放大器的架构方块示意图；
[0013]图2为本实用新型的架构方块示意图；
[0014]图3为本实用新型中的前置放大级的一种较具体实施例的示意图；
[0015]图4为本实用新型的动作示意图。
[0016]附图标记说明:11-比较电路；111-音频信号；112-三角波信号；12-驱动与输出级；13-低通滤波器;2-扬声器;3-前置放大级；31-前置放大器;32-低音加强控制电路;321-主动式电容倍增电路;4-功率放大级;41-音频功率输出级;42-动态电源电压切换开关;421-第一电源电压输出端;422-第二电源电压输入端;423-电源电压输出端;5-驱动输出级;51-停滞时间控制电路;52-电压位准移位电路;6-电源供应电路;61-振幅与相位侦测电路;62-驱动电路;63-电源功率输出级;631-输入端;632-输出端;64-参考电压控制电路;65-误差放大器带宽控制电路;651-第一输入端;652-第二输入端;653-输出端;66-分压电路;7-扬声器;Rh-第一回授电阻;Rf2-第二回授电阻;R1N-输入电阻。
【具体实施方式】
[0017]以下实施例具体可应用于A类、B类、AB类、D类等各种现有的功率放大器，本实用新型对此并不加以限定。
[0018]如图2所示，本实用新型提供了一种功率放大装置，其包含:
[0019]—前置放大级3，该前置放大级3内设有一前置放大器31以及一以回授方式与该前置放大器31连接的低音加强控制电路32，如图3所示，其公开了该前置放大级3，特别是其中的低音加强控制电路32的一种较具体的实施例，在该实施例中，该前置放大器31优选地采用具有双输出端的全差动放大器(fully differential amplifier)，此种放大器具有较佳的抗噪声干扰效能，适用于对音质有较高要求的应用场合，也因为此处采用了全差动放大器，所以该低音加强控制电路32的数量为2个，更具体地，该低音加强控制电路32设有一第一回授电阻Rfl以及一与该第一回授电阻Rh并联的主动式电容倍增电路321，此种配置可产生类似低通滤波器的效果，如此，只要适当地设置第一回授电阻Rh与前置放大器31的输入电阻R1n之间的比值，即可使该前置放大器31对于低频的音频信号具有较大的增益，从而实现低音强化(bass boost)的目的，此外，该低音加强控制电路32也可进一步设有一与该主动式电容倍增电路321相串联的第二回授电阻Rf2，且该第二回授电阻Rf2的电阻值小于第一回授电阻Rh，如此也可达到相同的低音强化效果，另外，在其他可行的实施例中，该前置放大器31也可采用其他种类的放大器，例如单端输出(single ended output)的差动放大器，此时只需要用到一个低音加强控制电路32即可；
[0020]值得注意的是，在为该前置放大器31选择回授电容时，为了使前置放大器31具有较佳的低频响应特性，以实现真正的重低音强化效果(以人耳能接收到的音频信号的频率范围约20?20kHz而言，一般在50?250Hz范围左右的音频信号才能被视为是重低音)，通常必须采用足够大的电容，例如nF等级的电容，但如此大的电容很难与前置放大器31集成在单一个IC芯片中，只能以离散元件的形式来设置，因而将大幅增加电路板的尺寸，无法满足可携式音响产品的小型化需求，对此，本实用新型采用主动式电容倍增电路321作为该前置放大器31的回授电容，该主动式电容倍增电路321实际上即为一种含有主动元件(如放大器或晶体管)的主动式电容倍增器(active capacitance multiplier)，其在电路中配置一较小的电容，同时调整、控制电路中不同电阻的比值，从而可将整个电路等效成一较大的电容，该主动式电容倍增电路321的具体电路结构为现有技术，故在此不予详述，藉此，本实用新型在该主动式电容倍增电路321中只需采用实际值仅达pF等级的电容，即可等效出nF等级电容的效果，从而使本实用新型可将主动式电容倍增电路321与前置放大器31整合、集成在同一个IC芯片中，以大幅缩小电路的体积，进而使本实用新型可同时达到低音强化及缩小电路尺寸的功效；
[0021 ] 一功率放大级4，该功率放大级4内设有一音频功率输出级41，该音频功率输出级41与前置放大级3电性连接，用以对经由前置放大级3放大输出的音频信号进行功率放大，从而使该功率放大级4可将功率放大后的音频信号传送至一扬声器7进行音频输出，如同一般的功率输出级，该音频功率输出级41内通常设有功率晶体，以作为能量的传递元件(passelement)，又该音频功率输出级41内的其余具体结构均为本领域技术人员所熟知，于此不再赘述，此外，该功率放大级4内还可设有一动态电源电压切换开关42，该动态电源电压切换开关42具有一第一电源电压输入端421、一第二电源电压输入端422以及一电源电压输出端423，其中，该第一电源电压输入端421连接一较小的固定电源电压，例如Vdd，该电源电压输出端423与该音频功率输出级41相连接，用以传送该音频功率输出级41所需的电源电压；
[0022]前述在前置放大级3后面直接连接功率放大级4的设置方式可适用于A类、B类、AB类等线性功率放大器，然而，本实用新型也可进一步包含有一驱动输出级5，该驱动输出级5设置在前置放大级3与功率放大级4之间，且该驱动输出级5分别与前置放大级3及功率放大级4相连接，该驱动输出级5内设有一停滞时间控制(dead time control)电路51以及一与该停滞时间控制电路51电性连接的电压位准移位(level shift)电路52，该停滞时间控制电路51及电压位准移位电路52分别与前置放大级3中的前置放大器31及功率放大级4中的音频功率输出级41电性连接，又该动态电源电压切换开关42中的电源电压输出端423也与该电压位准移位电路52相连接，用以传送该电压位准移位电路52所需的电源电压，其中，该停滞时间控制电路51用以避免音频功率输出级41内的高侧(high side)及低侧(low side)的功率晶体同时导通造成电源短路，从而该电压位准移位电路52用以提升音频信号的电压位准，以顺利地驱动高侧的功率晶体，藉此，本实用新型也可适用于D类放大器这种开关切换型的功率放大器，进一步的，若再配置一用来切换该驱动输出级5的使能(enabled)状态的控制电路，则本实用新型可进一步应用于混合了线性功率放大器及开关切换型功率放大器的功率放大器电路架构中，进而可大幅提高本实用新型的应用范围与泛用性；
[0023]—电源供应电路6，该电源供应电路6具体为一种自适应升压型电源转换器(adaptive boost power converter)，用以在当前置放大级3增强低音音频信号时，对该功率放大级4提供一大于该固定电源电压的动态电源电压，从而使功率放大级4的电源电压能够保持一定的余量(headroom)，以维持足够的输出动态范围，在本实施例中，该电源供应电路6内设有振幅与相位侦测电路61、驱动电路62以及电源功率输出级63，其中，该驱动电路62包含有参考电压控制电路64、误差放大器带宽控制电路65以及分压电路66，该误差放大器带宽控制电路65通常由误差放大器(Error Amplifier)以及必要的回授补偿电路构成，该回授补偿电路一般由电容、电阻等元件组成，用以调控该误差放大器的带宽(Bandwidth)、瞬时响应(transient response)与稳定性等特性，以使误差放大器可在对负载变化的反应速度和系统的稳定性之间取得较佳的平衡，该误差放大器带宽控制电路65具有第一输入端651、第二输入端652以及输出端653，该振幅与相位侦测电路61分别与前置放大级3中的低音加强控制电路32、参考电压控制电路64及误差放大器带宽控制电路65的第二输入端652电性连接，该参考电压控制电路64也与误差放大器带宽控制电路65的第一输入端651电性连接，又该误差放大器带宽控制电路65的输出端653与电源功率输出级63的输入端631电性连接，该分压电路66以回授方式分别连接该电源功率输出级63的输出端632与误差放大器带宽控制电路65的第二输入端652，又该电源功率输出级63的输出端632也与动态电源电压切换开关42的第二电源电压输入端422电性连接；
[0024]其中，该振幅与相位侦测电路61用以侦测经由前置放大级3放大后的音频信号的振幅(amplitude)与相位(phase)，并将侦测到的振幅信号以及相位信号分别传送给参考电压控制电路64以及误差放大器带宽控制电路65，该参考电压控制电路64即可根据该振幅信号产生一对应的参考电压(Reference Voltage，Vref)信号，再将该参考电压信号传送到该误差放大器带宽控制电路65的第一输入端651，该误差放大器带宽控制电路65内部的回授补偿电路可依据该相位信号，产生并决定该误差放大器的带宽与瞬时响应特性，该误差放大器带宽控制电路65的输出端653会根据输入端的信号产生一对应的脉宽控制信号并传送至电源功率输出级63，从而可于该电源功率输出级63的输出端632产生该动态电源电压并传送给动态电源电压切换开关42;
[0025]下面说明本实用新型的工作原理与有益效果:如图3与图4所示，当音频信号属于中音或高音范围时，该前置放大级3产生的增益较小，因而功率放大级4中的音信功率输出级41可无需较大的电源电压，故此时动态电源电压切换开关42会切换其开关状态，利用与第一电源电压输入端421相连的固定电源电压对音频功率输出级41与电压位准移位电路52供电；当音频信号属于低音或重低音范围时，该低音加强控制电路32可使前置放大级3产生较大的增益，此时该电源供应电路6中的振幅与相位侦测电路61会侦测到较大的振幅信号，从而该参考电压控制电路64可产生一较大的参考电压信号，从而可动态地令电源功率输出级63产生较固定电源电压大的动态电源电压，此时，该动态电源电压切换开关42可再切换其开关状态，使与第二电源电压输入端422相连的动态电源电压对音频功率输出级41与电压位准移位电路52供电，如此一来，当前置放大级3加强了低音的音频信号而提高其位准时，该电源供应电路6即可同步且动态地将音频功率输出级41的电源电压提升到较高的位准，从而令此时的电源位准可保持大于低音的音频信号位准，避免音频输出信号被截波所导致的饱和失真，从而实现动态电源控制功能，进而使本实用新型可达到大幅提升产品性能与可靠度的功效。
【主权项】
1.一种功率放大装置，其特征在于，包含: 一前置放大级，该前置放大级内设有一前置放大器以及一以回授方式与该前置放大器连接的低音加强控制电路，该低音加强控制电路设有一第一回授电阻以及一与该第一回授电阻并联的主动式电容倍增电路； 一功率放大级，该功率放大级内设有一音频功率输出级以及一动态电源电压切换开关，该音频功率输出级与前置放大级电性连接，该动态电源电压切换开关具有一第一电源电压输入端、一第二电源电压输入端以及一电源电压输出端，该第一电源电压输入端连接一较小的固定电源电压，该电源电压输出端与该音频功率输出级相连接； 一电源供应电路，该电源供应电路内设有振幅与相位侦测电路、驱动电路以及电源功率输出级，该驱动电路包含有参考电压控制电路、误差放大器带宽控制电路以及分压电路，该误差放大器带宽控制电路具有第一输入端、第二输入端以及输出端，该振幅与相位侦测电路分别与前置放大级、参考电压控制电路及误差放大器带宽控制电路的第二输入端电性连接，该参考电压控制电路也与误差放大器带宽控制电路的第一输入端电性连接，又该误差放大器带宽控制电路的输出端与电源功率输出级的输入端电性连接，该分压电路以回授方式分别连接该电源功率输出级的输出端与误差放大器带宽控制电路的第二输入端，又该电源功率输出级的输出端也与动态电源电压切换开关的第二电源电压输入端电性连接，用以产生一比固定电源电压大的动态电源电压。2.根据权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，该前置放大器为全差动放大器。3.根据权利要求1所述的功率放大装置，其特征在于，该低音加强控制电路设有一与该主动式电容倍增电路相串联的第二回授电阻，且该第二回授电阻的电阻值小于第一回授电阻的电阻值。4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率放大装置，其特征在于，进一步包含有一驱动输出级，该驱动输出级设置于前置放大级与功率放大级之间，且该驱动输出级分别与前置放大级和功率放大级相连接。5.根据权利要求4所述的功率放大装置，其特征在于，该驱动输出级内设有一停滞时间控制电路以及一与该停滞时间控制电路电性连接的电压位准移位电路，该停滞时间控制电路和电压位准移位电路分别与前置放大级中的前置放大器及功率放大级中的音频功率输出级电性连接。
【文档编号】H03F3/20GK205490435SQ201620011488
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月6日
【发明人】林源聪, 吴国宏, 陈文彦
【申请人】昱盛电子股份有限公司, 林源聪, 吴国宏, 陈文彦