积分器电路、d类放大器电路以及音频装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及积分器电路、D类放大器电路以及音频装置，其中D类放大器，包括输入单元，用于接收和放大差分模拟信号；两个积分器，用于对放大的模拟信号积分；两个脉宽调制器，用于产生相应于积分后的模拟信号的脉冲信号；两个功率单元，用于提升脉冲信号的功率，每个功率单元的输出端均通过电阻反馈网络耦合至积分器的输入端；模拟输出单元，用于将脉冲信号转换为模拟信号。工作时，积分器由模式选择信号控制，实施静音与非静音之间的软切换，在静音模式下，积分器的输出被限制为固定的电压。在软切换中，PMW的输出将从50％的占空比缓慢地切换至最终的值，BTL输出将缓慢地从0转换至最终值，听者不会听到POP噪声。
【专利说明】积分器电路、D类放大器电路以及音频装置
【技术领域】
[0001]本实用新型通常涉及电路，更特别地，涉及积分器电路、D类放大器电路以及音频
>J-U ρ?α装直。
【背景技术】
[0002]由于AB类放大器有着良好的音频性能，它们被广泛地应用在音频设备中。但是AB类放大器的功耗很高，因此它们不能应用在利用电池供电的随身携带的设备中。
[0003]D类放大器是另外一种放大器，其具有良好的音频特性，并消耗较少的功耗。在操作中，D类放大器将模拟信号转换为数字信号(譬如，脉冲)，然后D类放大器将数字信号转换为放大的模拟信号。在信号转换的过程中，很多种扰动可能影响D类放大器的输出，这将使听者感觉不舒服。
[0004]D类放大器工作时，可听到的POP噪声往往由瞬态事件产生。如果很大的声音信号突然产生/结束或是含有D类放大器的音频设备突然停止/启动，这些事件中产生的POP噪声容易被听者听到。
[0005]由于制造过程的步骤越来越多，D类放大器输入级的失调和反馈网络中电阻的失配可能有助于输出的失调。不使用任何的抑制方法，这种失调(特别是当失调大于20mV时)在输出级启动或关闭的瞬态事件中容易引起可听到的POP噪声。如果大的音频信号开始于安静的环境，或是大的音频信号突`然停止，听者可能会感觉不舒服。这个结果也是一种POP噪声。
【发明内容】
[0006]因此，亟需一种D类放大器能够减少由失调或大的声音信号突然启动或停止而引起的POP噪声。
[0007]根据本实用新型的第一方面，提出了一种D类放大器电路，包括:模拟信号输入单元，配置为接收并放大差分模拟信号，并以差分的形式输出所述经放大的模拟信号；至少两个积分单元，分别耦合至所述模拟信号输入单元的输出端，配置为对所述的放大的模拟信号进行积分；至少两个脉宽调制单元，分别耦合至一个相应的所述积分单元的输出端，配置为基于来自相应积分单元的积分模拟信号产生具有相应脉宽的脉冲信号；其中，每个所述积分单兀包括第一放大器，具有正向输入端、负向输入端和输出端，其中，所述第一放大器的所述负向输入端通过电容耦合至所述第一放大器的所述输出端，并配置为接收所述放大的模拟信号，并且所述正向输入端配置为接收第一参考信号；稳压器，所述稳压器的输出端耦合至所述第一放大器的输出端，配置为限制所述积分单元的输出至所述第一参考信号；控制模块，分别耦合至所述第一放大器和所述稳压器，配置为基于模式选择信号控制所述第一放大器和所述稳压器的工作；其中，当所述模式选择信号从非静音状态切换至静音状态时，所述控制模块配置为逐步关闭所述第一放大器，并逐步启动所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一参考信号，当所述模式选择信号从静音状态切换至非静音状态时，所述控制模块配置为逐步启动所述第一放大器，并逐步关闭所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一放大器的输出。
[0008]在依据本实用新型的一个实施例中，所述稳压器为第二放大器，其具有耦合至所述第一参考信号的正向输入端、耦合至所述第一放大器输出端的负向输入端和耦合至所述第一放大器输出端的输出端。
[0009]在依据本实用新型的一个实施例中，所述第一放大器包括第一负载级和耦合至所述控制模块以为所述第一放大器提供第一工作电流的第一电流源；所述第二放大器包括第二负载级和耦合至所述控制模块以为所述第二放大器提供第二工作电流的第二电流源。
[0010]在依据本实用新型的一个实施例中，所述第一电流源包含栅极耦合至所述控制模块的第一 PMOS晶体管(Ml);所述第二电流源包含栅极耦合至所述控制模块的第二 PMOS晶体管(M2);其中，所述第一和第二电流源的电流值由所述控制模块决定。
[0011]在依据本实用新型的一个实施例中，所述控制模块为第三放大器并且包含:模式选择信号输入级，包含差分对，配置为接收所述模式选择信号；第一输出级，包含第三PMOS晶体管(M3)，所述第三PMOS晶体管(M3)的栅极和漏极均耦合至所述第一 PMOS晶体管(Ml)的栅极；第二输出级，包含第四PMOS晶体管(M4)，所述第四PMOS晶体管(M4)的栅极和漏极均耦合至所述第二 PMOS晶体管(M2)的栅极。
[0012]在依据本实用新型的一个实施例中，所述控制模块进一步包括:第五PMOS晶体管(M5)，所述第五PMOS晶体管(M5)的栅极耦合至所述第三PMOS晶体管(M3)的栅极，并且所述第五PMOS晶体管(M5)的漏极耦合至所述第四PMOS晶体管(M4);和第六PMOS晶体管(M6)，所述第六PMOS晶体管(M6)的栅极耦合至所述第四PMOS晶体管(M4)的栅极，并且所述第六PMOS晶体管(M6)的漏极耦合至所述第三PMOS晶体管(M3)。
[0013]在依据本实用新型的一个实施例中，所述D类放大器进一步包括:至少一个模式选择信号发生器，耦合至所述积分单元，配置为将阶跃的使能信号转换为具有逐步变化率的所述模式选择信号。
[0014]在依据本实用新型的一个实施例中，所述第一放大器的输出级包括第七PMOS晶体管(M7)和NMOS晶体管(M9)，所述第七PMOS晶体管(M7)的漏极耦合至第一 NMOS晶体管(M9)的漏极；所述第二放大器的输出级包括第八PMOS晶体管(M8)和第一 NMOS晶体管(M9)，所述第八PMOS晶体管(M8)的漏极耦合至所述第一 NMOS晶体管(M9)的漏极和所述第二放大器的负向输入端。
[0015]在依据本实用新型的一个实施例中，所述D类放大器进一步包括:至少两个功率单元，分别耦合至一个相应的脉宽调制单元的输出端，并配置为提升所述脉冲信号的功率，其中所述功率单元的输出端通过电阻反馈网络耦合至所述积分器的输入端，其中，所述电阻反馈网络包含至少一个电阻。
[0016]在依据本实用新型的一个实施例中，D类放大器电路进一步包括:输出单元，分别耦合至所述功率单元的输出端，配置为将所述脉冲信号转换为模拟信号。
[0017]在依据本实用新型的一个实施例中，每个所述脉宽调制单元包括:比较器包括:耦合至所述积分单元输出端的正向输入端，耦合至三角波信号的负向输入端，以及配置为输出脉冲信号的输出端；其中，所述三角波信号的中间电平等于所述第一参考电压。
[0018]在依据本实用新型的一个实施例中，每个功率单元包括:逻辑单元，耦合至所述比较器的输出端；功率放大器，耦合至所述逻辑单元的输出端，配置为提升所述脉冲信号的功率；功率放大器，耦合至所述逻辑单元的输出端，配置为提升所述脉冲信号的功率。
[0019]根据本实用新型的另一方面，还提出了一种积分器电路，包括:第一放大器，具有正向输入端、负向输入端和输出端，其中，所述第一放大器的所述负向输入端配置为接收模拟信号，并通过电容耦合至所述第一放大器的所述输出端，所述第一放大器的所述正向输入端配置为接收第一参考信号；稳压器，所述稳压器的输出端耦合至所述第一放大器的输出端，配置为限制所述积分单元的输出至所述第一参考信号；控制模块，分别耦合至所述第一放大器和所述稳压器，配置为基于模式选择信号控制所述第一放大器和稳压器的工作；其中，当所述模式选择信号从非静音状态切换至静音状态时，所述控制模块配置为逐步关闭所述第一放大器，并逐步启动所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一参考信号，当所述模式选择信号从静音状态切换至非静音状态时，所述控制模块配置为逐步启动所述第一放大器，并逐步关闭所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一放大器的输出。
[0020]在依据本实用新型的一个实施例中，所述稳压器是第二放大器，其具有耦合至所述第一参考信号的正向输入端、耦合至所述第一放大器输出端的负向输入端和耦合至所述第一放大器输出端的输出端；所述控制模块为第三放大器，并配置为接收所述模式选择信号，以根据所述模式选择信号，改变所述稳压器和所述第一放大器的工作电流。
[0021]根据本实用新型的另一方面，还提出了一种采用D类放大器的音频装置，其中，所述D类放大器包括:至少两个积分器，其中，每个所述积分器包括第一放大器，具有正向输入端、负向输入端和输出端，其中，所述第一放大器的所述负向输入端配置为接收模拟信号，并通过电容耦合至所述第一放大器的所述输出端，所述第一放大器的所述正向输入端配置为接收第一参考信号；稳压器，所述稳压器的输出端耦合至所述第一放大器的输出端，配置为限制所述积分单元的输出至所述第一参考信号；控制模块，耦合至所述第一放大器和所述稳压器，配置为基于模式选择信号控制所述第一放大器和所述稳压器的工作；其中，当所述模式选择信号从非静音状态切换至静音状态时，所述控制模块配置为逐步关闭所述第一放大器，并逐步启动所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一参考信号，当所述模式选择信号从静音状态切换至非静音状态时，所述控制模块配置为逐步启动所述第一放大器，并逐步关闭所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一放大器的输出。
[0022]相较于传统的电路，本实用新型中的D类放大器能够明显地去除下列POP噪声:
[0023](I)由反馈电阻和预放大器的失调导致的POP噪声；
[0024](2)由大的音频信号突然开始或结束所导致的POP噪声。
[0025]上述内容广泛地列出了实用新型的特点。本实用新型的其它特点将在下文中描述，这些构成了本实用新型要求的主题。本领域的技术人员能够知道，为了执行与本实用新型同样的目的，这些公开的概念和特殊的例子可以容易地作为修改或设计其他结构或过程的基础。本领域的技术人员能够认识到等同的结构并没有背离如附加的权利要求的本实用新型思想和保护范围。
【专利附图】
【附图说明】[0026]通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
[0027]图1示出一种桥接负载式(Bridge tied-load, BTL)的D类放大器的架构；
[0028]图2是图1中BTL输出的D类放大器原理图；
[0029]图3是依照本实用新型一个实施例的积分器的模块图；
[0030]图4(a)显示了用于控制积分器的信号发生器的详细原理图；
[0031]图4(b)显示了依据本实用新型一个实施例的积分器的详细的原理图；
[0032]图4(c)显示了依据本实用新型一个实施例的积分器的工作电流示意图；
[0033]图5(a)显示了依据本实用新型另外一个实施例的D类放大器的电路；
[0034]图5(b)显示了依据图5(a)中本实用新型另外一个实施例的D类放大器的输出图；
[0035]图6显不了另外一个场景下的音频信号图；
[0036]图7显示了音频设备的方块图。
[0037]在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置(模块)或步骤。
【具体实施方式】
[0038]尽管下面描述了示例的架构与电路，应该知道的是，这些示例仅仅是用来说明的，不能作为限制。因此，尽管下面描述了示例的架构与电路，本领域的普通技术人员可以容易地得知提供的示例并不是实施这些架构与电路的唯一途径。
[0039]图1示出一种桥接负载式的D类放大器的架构，包括音频信号输入单元11、积分单元12和13、脉宽调制(PWM)单元14和15、功率单元16和17、电阻反馈网络18和19，以及音频信号输出单元20。音频信号输入单元11、积分单元12和13、以及脉宽调制(PWM)单元14和15都工作在电源VDD (3.3V)下，功率单元16和17、输出单元20均工作在高压电源VCC (5V 至 36V)下。
[0040]输入单元11分别耦合至积分单元12和13，并且被配置为接收模拟音频信号。一般地，输入单元11发送差分形式的模拟音频信号至积分单元12和13。音频信号在积分单元12和13中积分后，将被PWM单元14和15接收，PWM单元14和15将积分后的音频信号与三角波信号Vtri比较，以产生用于驱动功率单元16和17的具有不同脉宽的脉冲信号。因此，功率单元16和17的工作单元由脉冲信号决定。功率单元16和17通过电阻反馈网络18和19分别耦合至积分单元12和13，因此该D类放大器以闭环形式工作，这将提升D类放大器的性能，譬如谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD),电源抑制比(PowerSupply Reiection Ratio7PSRR)以及稳定性。D类放大器还包括了输出单元20,可以将脉冲信号转换为模拟输出信号，并将其输出至扬声器。
[0041]工作时，D类放大器有两种工作模式,譬如静音和非静音模式。静音模式时，输出单元20不输出任何音频信号，因为由PWM单元14和15产生的脉冲信号的占空比被设置为50%。在非静音模式下，PWM单元14和15输出两个具有不同脉宽的脉冲信号至功率单元16和17，功率单元16和17提升脉冲信号的功率。当功率提升后，输出单元20接收功率提升的脉冲信号，并输出音频信号。[0042]图2是图1中BTL输出的D类放大器原理图。BTL输出的D类放大器具有两个相同的支路。全差分预放大器101被作为图2中的输入单元11，其包括4个增益调节电阻1011至1014，两个直流隔断电容1015和1016。积分器102和103分别耦合至预放大器101，并且配置为对预放大器101输出的预放大模拟音频信号积分。比较器104和105分别耦合至积分器102和103，并被配置为接收积分后的音频信号。全差分预放大器、积分器以及比较器的电源均是低压电源VDD(例如，2.7V至5V)。相较于VDD，包含逻辑单元1061和功率放大器1062的功率单元16包括功率DMOS晶体管，其工作在较高的电压下VCC(例如，5V至36V)。输出单元20包括均耦合至扬声器203的LC低通滤波器201和202。低通滤波器201和202被配置为将接收到的脉冲信号转换至模拟信号。
[0043]在工作中，全差分预放大器101接收到模拟音频信号，并将由预放大器101放大的差分模拟信号传送至积分器102和103。然后，积分器102和103对放大的差分模拟信号进行积分，并传送积分后的模拟信号至比较器104和105，比较器104和105将积分后的模拟信号与共同的三角波信号进行比较，从而将积分后的模拟信号调制为具有不同脉宽的脉冲信号。逻辑单元1601和1071用于提升比较器104和105的输出电压，从而功率放大器1062和1072能够被调制的脉冲信号驱动。当低通滤波器201和202接收到由功率放大器1062和1072产生的脉冲信号后，它们将把接收到的脉冲信号转换为能够驱动扬声器203的模拟信号。
[0044]同样，功率放大器1062和1072的输出端通过电阻反馈网络108和109分别耦合至积分器102和103，从而可以使得D类放大器工作在闭环中。图2中，R2的电阻值是R3的η倍。
[0045]为了在静音模 式下将两个支路的PWM输出设置为50%的占空比，内部生成两个参考电压(VRl和VCMFB)。VRl等于VDD的一半，作为积分器102和103的参考电压。三角波信号由VRl偏置，也就是说三角波的中间电平由VRl决定。在本实施例中，三角波的中间电平等于VR1。VCMFB是预放大器101的参考电压。当没有模拟信号输入进预放大器101时，PWM输出被偏置在VCC / 2，这是DC平衡的要求。
[0046]根据基尔霍夫定律，功率放大器的输出Vtot的平均输出由下式给出:
【权利要求】
1.一种D类放大器电路，其特征在于，包括: 模拟信号输入单元，配置为接收并放大差分模拟信号，并以差分的形式输出所述经放大的模拟信号； 至少两个积分单元，分别耦合至所述模拟信号输入单元的输出端，配置为对所述放大的模拟信号进行积分； 至少两个脉宽调制单元，分别耦合至相应的一个所述积分单元的输出端，配置为基于来自相应所述积分单元的积分模拟信号产生具有相应脉宽的脉冲信号； 其中，每个所述积分单元包括 第一放大器，具有正向输入端、负向输入端和输出端，其中，所述第一放大器的所述负向输入端通过电容耦合至所述第一放大器的所述输出端，并配置为接收所述放大的模拟信号，并且所述第一放大器的所述正向输入端配置为接收第一参考信号； 稳压器，所述稳压器的输出端耦合至所述第一放大器的输出端，配置为限制所述积分单元的输出至所述第一参考信号； 控制模块，分别耦合至所述第一放大器和所述稳压器，配置为基于模式选择信号控制所述第一放大器和所述稳压器的工作；其中， 当所述模式选择信号从非静音状态切换至静音状态时，所述控制模块配置为逐步关闭所述第一放大器，并逐步启动所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一参考信号，当所述模 式选择信号从静音状态切换至非静音状态时，所述控制模块配置为逐步启动所述第一放大器，并逐步关闭所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一放大器的输出。
2.根据权利要求1所述的D类放大器电路，其特征在于，所述稳压器为第二放大器，其具有耦合至所述第一参考信号的正向输入端、耦合至所述第一放大器输出端的负向输入端，以及耦合至所述第一放大器输出端的输出端。
3.根据权利要求2所述的D类放大器电路，其特征在于， 所述第一放大器包括第一负载级，以及耦合至所述控制模块为所述第一放大器提供第一工作电流的第一电流源； 所述第二放大器包括第二负载级，以及耦合至所述控制模块为所述第二放大器提供第二工作电流的第二电流源。
4.根据权利要求3所述的D类放大器电路，其特征在于， 所述第一电流源包含栅极耦合至所述控制模块的第一 PMOS晶体管(Ml)； 所述第二电流源包含栅极耦合至所述控制模块的第二 PMOS晶体管(M2)； 其中，所述第一和第二电流源的电流值由所述控制模块决定。
5.根据权利要求4所述的D类放大器电路，其特征在于，所述控制模块为第三放大器并且包含: 模式选择信号输入级，包含差分对，配置为接收所述模式选择信号； 第一输出级，包含第三PMOS晶体管(M3)，所述第三PMOS晶体管(M3)的栅极和漏极均耦合至所述第一 PMOS晶体管(Ml)的栅极； 第二输出级，包含第四PMOS晶体管(M4)，所述第四PMOS晶体管(M4)的栅极和漏极均耦合至所述第二 PMOS晶体管(M2)的栅极。
6.根据权利要求5所述的D类放大器电路，其特征在于，所述控制模块进一步包括:第五PMOS晶体管(M5)，所述第五PMOS晶体管(M5)的栅极耦合至所述第三PMOS晶体管(M3)的栅极，并且所述第五PMOS晶体管(M5)的漏极耦合至所述第四PMOS晶体管(M4)；和第六PMOS晶体管(M6)，所述第六PMOS晶体管(M6)的栅极耦合至所述第四PMOS晶体管(M4)的栅极，并且所述第六PMOS晶体管(M6)的漏极耦合至所述第三PMOS晶体管(M3)。
7.根据权利要求1所述的D类放大器电路，其特征在于，所述D类放大器进一步包括:至少一个模式选择信号发生器，耦合至所述积分单元，配置为将阶跃的使能信号转换为具有逐步变化率的所述模式选择信号。
8.根据权利要求2所述的D类放大器电路，其特征在于，所述第一放大器的输出级包括第七PMOS晶体管(M7)和第一 NMOS晶体管(M9)，所述第七PMOS晶体管(M7)的漏极耦合至第一 NMOS晶体管(M9)的漏极； 所述第二放大器的输出级包括第八PMOS晶体管(M8)和第一 NMOS晶体管(M9)，所述第八PMOS晶体管(M8)的漏极耦合至所述第一 NMOS晶体管(M9)的漏极和所述第二放大器的负向输入端。
9.根据权利要求1至8任一项所述的D类放大器电路，其特征在于，所述D类放大器进一步包括 至少两个功率单元，分别耦合至相应的一个所述脉宽调制单元的输出端，并配置为提升所述脉冲信号的功率，其中，所述功率单元的输出端通过电阻反馈网络耦合至所述积分单元的输入端，其中，所述电阻反馈网络包含至少一个电阻。
10.根据权利要求9所述的D类放大器电路，其特征在于，进一步包括: 输出单元，分别耦合至所述功率单元的输出端，配置为将所述脉冲信号转换为模拟信号。
11.根据权利要求10所述的D类放大器电路，其特征在于，每个所述脉宽调制单元包括: 比较器，包括耦合至所述积分单元输出端的正向输入端，耦合至三角波信号的负向输入端，以及配置为输出脉冲信号的输出端； 其中，所述三角波信号的中间电平等于所述第一参考电压。
12.根据权利要求11所述的D类放大器电路，其特征在于，每个所述功率单元包括: 逻辑单元，耦合至所述比较器的输出端； 功率放大器，耦合至所述逻辑单元的输出端，配置为提升所述脉冲信号的功率； 其中，所述逻辑单元配置为提升由所述脉宽调制单元输出的脉冲信号的电压电平，从而能够驱动所述功率放大器。
13.一种积分器电路，其特征在于，包括: 第一放大器，具有正向输入端、负向输入端和输出端，其中，所述第一放大器的所述负向输入端配置为接收模拟信号，并通过电容耦合至所述第一放大器的所述输出端，所述第一放大器的所述正向输入端配置为接收第一参考信号； 稳压器，所述稳压器的输出端耦合至所述第一放大器的输出端，配置为限制积分单元的输出至所述第一参考信号；控制模块，分别耦合至所述第一放大器和所述稳压器，配置为基于模式选择信号控制所述第一放大器和所述稳压器的工作；其中， 当所述模式选择信号从非静音状态切换至静音状态时，所述控制模块配置为逐步关闭所述第一放大器，并逐步启动所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一参考信号，当所述模式选择信号从静音状态切换至非静音状态时，所述控制模块配置为逐步启动所述第一放大器，并逐步关闭所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一放大器的输出。
14.根据权利要求13所述的积分器电路，其特征在于， 所述稳压器是第二放大器，其具有耦合至所述第一参考信号的正向输入端、耦合至所述第一放大器输出端的负向输入端和I禹合至所述第一放大器输出端的输出端； 所述控制模块为第三放大器，并配置为接收所述模式选择信号，以根据所述模式选择信号，改变所述稳压器和所述第一放大器的工作电流。
15.一种采用如权利要求9所述的D类放大器的音频装置，其特征在于，所述D类放大器包括: 至少两个积分器，其中，每个所述积分器包括: 第一放大器，具有正向输入端、负向输入端和输出端，其中，所述第一放大器的所述负向输入端配置为接收模拟信号，并通过电容耦合至所述第一放大器的所述输出端，所述第一放大器的所述正向输入端配置为接收第一参考信号； 稳压器，所述稳压器的输出端耦合至所述第一放大器的输出端，配置为限制所述积分单元的输出至所述第一参考信号； 控制模块，耦合至所述第一放 大器和所述稳压器，配置为基于模式选择信号控制所述第一放大器和所述稳压器的工作；其中， 当所述模式选择信号从非静音状态切换至静音状态时，所述控制模块配置为逐步关闭所述第一放大器，并逐步启动所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一参考信号，当所述模式选择信号从静音状态切换至非静音状态时，所述控制模块配置为逐步启动所述第一放大器，并逐步关闭所述稳压器，以逐步地将所述积分单元的输出转换至所述第一放大器的输出。
【文档编号】H04R3/00GK203590423SQ201320573022
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】杜如峰, 刘启宇 申请人:意法半导体研发(深圳)有限公司