专利名称：高效率音频放大器及其相关方法
技术领域：
本发明涉及一种高效率音频放大器及其相关方法，尤其涉及一种藉由调整振荡频 率提升效率的音频放大器及其相关方法。
背景技术：
功率放大器主要用来放大信号的功率，一般来说，依据所使用的输出级可分为A、 B、AB、C及D类。其中，使用开关输出级的D类音频功率放大器(class-D audio power amplifier)由于体积小、效率高及省电等优点，因此已被广泛运用于各种消费电子产品中， 例如笔记本型计算机、液晶屏幕、移动电话、多媒体播放装置等。请参考图1A，图IA为公知的一 D类音频放大器10的示意图。D类音频放大器10 包含有一输入端102、一参考信号端104、一比较器106、一栅驱动电路108、一输出级110、 一滤波器112及一扬声器114。输入端102用来接收一音频输入信号SIN。参考信号端104 用来接收一三角波参考信号ST。比较器106用来将音频输入信号Sin与固定频率的三角波 参考信号St做比较运算，以产生一脉冲宽度调制信号SP，并将脉冲宽度调制信号Sp传送至 栅驱动电路108。栅驱动电路108根据脉冲宽度调制信号SP，产生一栅驱动信号Sg,以驱动 输出级110的开关，进而使输出级110输出一输出信号SAP。再经由滤波器112对输出信号 Sap滤波后产生一音频输出信号Stj，并将之传送至扬声器114输出。然而，在实际运用上，请参考图1B，图IB为D类音频放大器10的工作效率示意图。 D类音频放大器10相比较于其他类型的音频放大器，在较高输出功率时放大效率可达90% 以上，具有相当好的放大效率表现。但是，在低输出功率的情况下，D类音频放大器10却无 法有效获得较佳的效率表现。因此，针对低输出功率时，如何提升音频放大器的放大效率表 现，实为有待解决的问题。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种高效率音频放大器及其相关方法。本发明公开一种高效率音频放大器，包含有一输入端，用来接收一输入音频信 号；一输出端，用来输出一输出音频信号；一信号产生器，耦接于该输入端，用来根据该输 入音频信号的分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的 该振荡信号；一波形转换器，耦接于该输入端与该信号产生器，用来比较该输入音频信号与 该振荡信号，以产生一脉冲调制信号(PWM signal)；一预驱动电路，耦接于该波形转换器， 用来根据该脉冲调制信号，产生一预驱动信号；一输出级，耦接于该预驱动电路，用来根据 该预驱动信号，产生一输出信号；以及一滤波器，耦接于该输出级，用来对该输出信号进行 滤波，以产生该输出音频信号至该输出端。本发明还公开一种提升一音频放大器效率的方法，包含有根据一输入音频信号的 分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的该振荡信号；比 较该输入音频信号与该振荡信号，以产生一脉冲调制信号；根据该脉冲调制信号，产生一预驱动信号；根据该预驱动信号，产生一输出信号；以及对该输出信号进行滤波，以产生该输 出音频信号。 本发明是根据输入音频信号的信号特性，弹性地调整振荡信号的频率，以减少音 频放大器的损耗功率，进而提升音频放大器的放大效率。如此一来，本发明实施例的音频放 大器将可有效改善在低输出功率时放大效率不佳的情况。
图IA为公知的一 D类音频放大器的示意图。
图IB为公知的一 D类音频放大器的工作效率示意图。
图2为本发明实施例的一音频放大器的示意图。
图3为图2中信号产生器的示意图。图4为本发明实施例的具双声道输出的一音频放大器的示意图,
图5为本发明实施例一流程的示意图。
主要组件符号说明 10D类音频放大器102、202、402输入端
104参考信号端
106比较器
108栅驱动电路
110、210、414、416输出级
112、212、418、420滤波器
114、216、424扬声器
20、40音频放大器
204,404信号产生器
206,406,408波形转换器
208、410、412预驱动电路
214,422输出端
302,426判断电路
304,428波形产生器
306,430检测电路
308,432选择电路
434第一比较器
436第二比较器
438或门
50流程
500、502、504、506、
508、510、512步骤
L1、L2电感
C1、 C2电容
SAP＼SAPl1SAP2输出信号
S。1S。11S。，栅驱动信号
SIN音频输入信号
S。1S。11S。，输出音频信号
S，1SPl＼SP2脉沖宽度调制信号／脉沖调制信号
S。振荡信号
S1三角波参考信号
VTPf参考电压
S．控制信号
S真检测信号具体实施方式
请参考图2，图2为本发明实施例的一音频放大器20的示意图。音频放大器20包含一输入端2021一信号产生器2041一波形转换器2061一预驱动电路2081一输出级2lo1一滤波器2121一输出端214及一扬声器216。输入端202用来接收一输入音频信号SIN0信号产生器204耦接于输入端202，用来根据输入音频信号SIN的分布状况及一参考电压VrCf，决定一振荡信号S。的频率，并据以产生相对应频率的振荡信号S。。波形转换器206耦接于输入端202与信号产生器204，用来比较输入音频信号S．与振荡信号S。，以产生一脉沖调制信号S，。预驱动电路208耦接于波形转换器206，用来根据脉沖调制信号S，，产生一预驱动信号S．。输出级20l耦接于预驱动电路208，用来根据预驱动信号S．，产生一输出信号SAP0滤波器212耦接于输出级2lo，用来对输出信号S+，进行滤波，以产生一输出音频信号S．，并通过输出端214将输出音频信号S．传送至扬声器216输出。换句话说，信号产生器204可根据输入音频信号SIN的大小，调整振荡信号S。的频率，进而提升音频放大器20的放大效率表现。
一般来说，放大器的效率表现与损耗功率P10S，成反比，损耗功率P10S，通常包含3个部分，分别为放大器中的晶体管的切换损失P，Yy1晶体管的导通损失P。。．d及寄生电容的损耗Pgd，其中损耗功率P1。，，为
Ooss’PJw+PCond+Pzd
权利要求
一种高效率音频放大器，包括一输入端，用来接收一输入音频信号；一输出端，用来输出一输出音频信号；一信号产生器，耦接于所述输入端，用来根据所述输入音频信号的分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的所述振荡信号；一波形转换器，耦接于所述输入端与所述信号产生器，用来比较所述输入音频信号与所述振荡信号，以产生一脉冲调制信号；一预驱动电路，耦接于所述波形转换器，用来根据所述脉冲调制信号，产生一预驱动信号；一输出级，耦接于所述预驱动电路，用来根据所述预驱动信号，产生一输出信号；以及一滤波器，耦接于所述输出级，用来对所述输出信号进行滤波，以产生所述输出音频信号至所述输出端。
2.如权利要求1的音频放大器，其中所述信号产生器包括一判断电路，耦接于所述输入端，用来根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考 电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生一控制信号；以及一波形产生器，耦接于所述判断电路及所述波形转换器，用来根据所述控制信号，产生 所述振荡信号。
3.如权利要求2的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号大于所述参 考电压时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。
4.如权利要求3的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号超过所述参 考电压的时间比例大于一第一预设值时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。
5.如权利要求3的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号的平均大小 大于所述参考电压时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。
6.如权利要求2的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号小于所述参 考电压时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。
7.如权利要求6的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号低于所述参 考电压的时间比例大于一第二预设值时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制 信号。
8.如权利要求6的音频放大器，其中所述判断电路是在所述输入音频信号的平均大小 小于所述参考电压时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。
9.如权利要求2的音频放大器，其中所述判断电路包括一检测电路，耦接于所述输入端，用来依据所述输入音频信号与所述参考电压，判断出 所述输入音频信号的分布状况，以产生一检测信号；以及一选择电路，耦接于所述检测电路与所述波形产生器，用来根据所述检测信号，选择出 所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。
10.如权利要求9的音频放大器，其中所述检测电路包括一第一比较器，包括一正输入端，用来接收所述参考电压，一负输入端，耦接于所述输 入端，用来接收所述输入音频信号，及一输出端，用来输出所述正输入端与所述负输入端的一第一比较结果；一第二比较器，包括一正输入端，耦接于所述输入端，用来接收所述输入音频信号，一 负输入端，用来接收所述参考电压，及一输出端，用来输出所述正输入端与所述负输入端的 一第二比较结果；以及一或门，耦接于所述第一比较器的所述输出端、所述第二比较器的所述输出端与所述 选择电路，用来将所述第一比较结果与所述第二比较结果进行逻辑或运算，以产生所述检 测信号。
11.如权利要求9的音频放大器，其中所述选择电路包括一多路选择器，耦接于所述检测电路与所述波形产生器，用来根据所述检测信号，由表 示不同振荡信号频率的多个候选控制信号中切换选择出所述控制信号，以提供至所述波形 产生器。
12.如权利要求1的音频放大器，其中所述输出级包括一第一晶体管，包括一第一端，耦接于所述预驱动电路，用来接收所述预驱动信号，一 第二端，及一第三端，耦接于一电源端，用来根据所述第一端的信号控制所述第二端至所述 第三端之间的导通状态；以及一第二晶体管，包括一第一端，耦接于所述预驱动电路，用来接收所述预驱动信号，一 第二端，接于所述接地端，及一第三端，耦接于所述第一晶体管的第二端，用来根据所述第 一端的信号控制所述第二端至所述第三端之间的导通状态；其中所述滤波器耦接于所述第一晶体管的所述第二端及所述第二晶体管的所述第三 端，以输出所述输出信号。
13.如权利要求12所述的音频放大器，其中所述第一晶体管为一n型金属氧化物半导 体晶体管，所述第一端为栅极，所述第二端为源极，以及所述第三端为漏极。
14.如权利要求12所述的音频放大器，其中所述第二晶体管为一n型金属氧化物半导 体晶体管，所述第一端为栅极，所述第二端为源极，以及所述第三端为漏极。
15.如权利要求1的音频放大器，其中所述滤波器为一低通滤波器。
16.如权利要求1的音频放大器，其中所述参考电压为一直流电压。
17.如权利要求1的音频放大器，其中所述振荡信号为一三角波信号或一锯齿波信号。
18.如权利要求1的音频放大器，还包括一扬声器，耦接于所述输出端，用来播放所述 输出音频信号。
19.一种提升一音频放大器效率的方法，包括根据一输入音频信号的分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生 相对应频率的所述振荡信号；比较所述输入音频信号与所述振荡信号，以产生一脉冲调制信号； 根据所述脉冲调制信号，产生一预驱动信号； 根据所述预驱动信号，产生一输出信号；以及 对所述输出信号进行滤波，以产生所述输出音频信号。
20.如权利要求19的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压， 决定所述振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的所述振荡信号的步骤包括根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生一控制信号；以及根据所述控制信号，产生所述振荡信号。
21.如权利要求20的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压， 决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括在所述输入音频信号大于所述参考电压时，调高所述振荡信号的频率，并据以产生所 述控制信号。
22.如权利要求21的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压， 决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括在所述输入音频信号超过所述参考电压的时间比例大于一第一预设值时，调高所述振 荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。
23.如权利要求21的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压， 决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括在所述输入音频信号的平均大小大于所述参考电压时，调高所述振荡信号的频率，并 据以产生所述控制信号。
24.如权利要求20的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压， 决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括在所述输入音频信号小于所述参考电压时，调降所述振荡信号的频率，并据以产生所 述控制信号。
25.如权利要求24的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压， 决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括在所述输入音频信号超过所述参考电压的时间比例小于一第一预设值时，调降所述振 荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。
26.如权利要求24的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压， 决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括在所述输入音频信号的平均大小小于所述参考电压时，调降所述振荡信号的频率，并 据以产生所述控制信号。
27.如权利要求20的方法，其中根据所述输入音频信号的分布状况及所述参考电压，决定所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括根据所述输入音频信号与所述参考电压，判断出所述输入音频信号的分布状况，以产生一检测信号；以及根据所述检测信号，选择出所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号。
28.如权利要求27的方法，根据所述输入音频信号与所述参考电压，判断出所述输入音频信号的分布状况，以产生所述检测信号的步骤包括分别比较所述输入音频信号的正缘及负缘的振幅是否大于所述参考电压，以产生一第 一比较结果及一第二比较结果；以及将所述第一比较结果与所述第二比较器所输出的比较结果进行逻辑或运算，以产生所述检测信号。
29.如权利要求19的方法，其中根据所述检测信号，选择出所述振荡信号的频率，并据以产生所述控制信号的步骤包括根据所述检测信号，由表示不同振荡信号频率的多个候选控制信号中切换选择出所述 控制信号。
30.如权利要求19的方法，其中所述参考电压为一直流电压。
31.如权利要求19的方法，其中所述振荡信号为一三角波信号或一锯齿波信号。
全文摘要
本发明涉及高效率音频放大器及其相关方法。高效率音频放大器，包含有一输入端，用来接收一输入音频信号；一信号产生器，耦接于该输入端，用来根据该输入音频信号的分布状况及一参考电压，决定一振荡信号的频率，并据以产生相对应频率的该振荡信号；一波形转换器，耦接于该输入端与该信号产生器，用来比较该输入音频信号与该振荡信号，以产生一脉冲调制信号；一预驱动电路，用来根据该脉冲调制信号，产生一预驱动信号；一输出级，耦接于该预驱动电路，用来根据该预驱动信号，产生一输出信号；以及一滤波器，用来对该输出信号进行滤波，以产生该输出音频信号至一输出端。本发明的音频放大器将可有效改善在低输出功率时放大效率不佳的情况。
文档编号H04R3/00GK101989836SQ20091016242
公开日2011年3月23日 申请日期2009年8月4日 优先权日2009年8月4日
发明者许君豪, 陈以尚 申请人:纬创资通股份有限公司