专利名称：在d类放大器中控制音频音量的设备和方法
技术领域：
本发明总的发明构思涉及一种D类放大器，更具体地讲，涉及一种通过在D类放大器中调整载波电平来控制音频音量的设备和方法。
背景技术：
通常，A、B、AB和D类放大器用作音频系统的功率放大器。在这些功率放大器之中，D类放大器能够减小在A、B和AB类放大器中发生的放大效率降低的程度。D类放大器在将音频信号转换成脉宽调制(PWM)信号之后使用开关方法。因此，如果D类放大器没有数据转换损失并且在从开关电路开始的模拟部分中发生的非线性分量问题被解决，则D类放大器能够在理论上具有100％的放大效率。通常，采用这种D类放大器的音频系统包括微型计算机，用于控制整个系统；数字信号处理器，用于执行数字信号处理；PWM单元，用于通过将音频信号与载波信号比较来产生PWM信号；和功率放大器，用于放大PWM信号的功率和电流。
如果数字信号处理器从微型计算机接收到音量水平控制信号的输入，则数字信号处理器改变音频数据的增益以适合音量水平。此时，如果音量水平被调整为等于或者大于预定水平，则音频数据的最低有效位(LSB)部分通过诸如移位操作的操作被损坏。例如，如果8位输入音频数据“1111 1111”通过数字增益调整变为“0111 1111”，则丢失LSB部分。另一示例为，当音频数据的增益值为-12dB时，假设音频数据A为“0010 1111”并且音频数据B为“0010 1100”。此时，如果音频数据的增益值降低12dB，则音频数据A变为0000 1011”并且音频数据B变为0000 1011”，音频数据A和音频数据B都具有相同的值。换句话说，在音频数据增益调整之前，音频数据A和音频数据B是不同的信号，但是在音频数据增益调整之后，音频数据A和音频数据B具有相同的采样值，原始的音频信息丢失。
因此，由于传统D类放大器的数字增益调整方法频繁地导致音频数据的LSB部分大量损失，所以来自音频数据的声音的准确度降低，相应地，声音的自然度降低。
发明内容
本发明总的发明构思提供了一种在使用D类数字放大器的音频系统中通过在PWM转换器中调整载波信号的电平来调整音量从而能够防止声音质量的降低的音频音量控制设备和方法。
本发明总的发明构思还提供了一种在使用D类数字放大器的音频系统中通过链接数字信号处理器中的数字音量和PWM转换器中的载波信号电平来调整音频音量从而能够防止声音质量的降低的音频音量控制设备和方法。
在下面的描述中将部分地阐明本发明总的发明构思另外的方面和/或优点，通过描述，其会变得更加清楚，或者通过实施本发明可以了解。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面和效用通过提供一种数字音频放大器来实现，所述数字音频放大器包括控制单元，用于产生音量控制信号；脉宽调制单元，用于根据由控制单元产生的音量控制信号调整载波信号的电平，并通过将调整的载波信号电平与输入音频信号的电平比较来产生脉宽调制信号；和功率放大单元，用于放大由脉宽调制单元产生的脉宽调制信号的功率。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面和效用还通过提供一种数字音频放大系统来实现，所述数字音频放大系统包括信号处理单元，用于根据音量控制信号调整输入音频信号的电平；脉宽调制单元，用于根据音量控制信号调整载波信号的电平，并通过将调整的载波信号电平与在信号处理单元中调整的音频信号的电平比较来产生脉宽调制信号；控制单元，用于产生音量控制信号以便通过根据音量水平范围链接音频信号的增益和载波信号的电平来调整音频音量；和功率放大单元，用于放大由脉宽调制单元产生的脉宽调制信号的功率。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面和效用还通过提供一种控制数字音频放大器的音量的方法来实现，所述数字音频放大器具有信号处理器和脉宽调制单元，其中，所述信号处理器用于调整音频信号的增益，所述脉宽调制单元用于通过比较载波信号和音频信号来产生脉宽调制信号，该方法包括接收任意音频音量水平的输入；和根据输入的音频音量水平，通过链接音频信号的增益和载波信号的电平来调整音频音量。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面和效用还通过提供一种将音频音量控制应用于音频再现系统的方法来实现，该方法包括当音量水平低于预定参考值时，调整音频信号的增益；和当音量水平等于或大于所述预定参考水平时，调整载波信号的电平。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面和效用还通过提供一种包含控制数字音频放大器的音量的方法的计算机可读介质来实现，所述数字音频放大器具有信号处理器和脉宽调制单元，其中，所述信号处理器用于调整音频信号的增益，所述脉宽调制单元用于通过比较载波信号和音频信号来产生脉宽调制信号，该方法包括接收音频信号的任意音量水平的输入；和根据输入的音频音量水平，通过链接音频信号的增益和载波信号的电平来调整音频音量。
本发明总的发明构思的上述和/或其他方面和效用还通过提供一种包含将音频音量控制应用于音频再现系统的方法的计算机可读介质来实现，该方法包括当音量水平低于预定参考值时，调整音频信号的增益；和当音量水平等于或大于所述预定参考水平时，调整载波信号的电平。
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明总的发明构思的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中图1是根据本发明总的发明构思的实施例的控制D类放大器的音频音量的设备的方框图；图2是根据本发明总的发明构思的图1的PWM单元的实施例；图3是根据本发明总的发明构思的实施例的图1的功率放大单元；图4示出显示根据本发明总的发明构思的实施例的图1的PWM单元的音量控制的波形；图5示出将根据本发明总的发明构思的实施例的音频音量控制应用于音频再现系统的示例；和图6是根据本发明总的发明构思的实施例的在D类放大器中控制音频音量的方法的流程图。
具体实施例方式
现在将参照附图对本发明进行更充分的描述，其中，本发明的示例性实施例表示在附图中。
现在将对本发明总的发明构思的实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同的部件。以下将参照附图来描述这些实施例以解释本发明总的发明构思。
图1是根据本发明总的发明构思的实施例的控制D类放大器的音频音量的设备的方框图。
图1中用于控制D类放大器的音频音量的设备包括微型计算机单元110、数字信号处理器(DSP)单元120、数字模拟转换器(DAC)单元130、脉宽调制(PWM)单元140、功率放大单元150和扬声器160。
如果音量水平通过遥控器等被输入至图1中的设备，则微型计算机单元110将该音量水平转换成相应的音量控制信号。此时，微型计算机单元110根据音量水平值将音量控制信号选择性地输出给DSP单元120或PWM单元140。例如，如果音量水平值等于或大于参考值(例如，“10”)，则使PWM单元140调整载波信号电平。相反，如果音量水平值小于该参考值，则通过在PWM单元140中调整载波信号电平来使音频信号电平降低至参考音量水平，然后，在与通过将参考音量水平减去输入音量水平获得的幅度对应的范围内在DSP单元120中控制音量水平。
DSP单元120根据由微型计算机单元110提供的音量控制信号来执行输入音频信号的信号处理，诸如解码算法处理、均衡和增强。特别地，DSP单元120根据在微型计算机单元110中产生的音量控制信号来调整输入的数字音频信号的增益。
DAC单元130将已在DSP单元120中调整了增益的数字音频信号转换成模拟音频信号。
PWM单元140根据在微型计算机单元110中产生的音量控制信号来调整载波信号的电平，并通过将载波信号电平与从DAC单元130输出的音频信号的电平比较来产生低功率PWM信号。
功率放大单元150通过开关电路来放大在PWM单元140中产生的PWM信号的功率。在通过低通滤波器去除了功率放大的PWM信号中的噪声之后，PWM信号被输入至扬声器160。
扬声器160用在功率放大单元150中放大的PWM信号来再现声音。
图2是根据本发明总的发明构思的实施例的图1的PWM单元140的示例性实施例。
在图2的PWM单元中，载波产生器210产生载波信号，并且载波信号的电平根据从微型计算机单元110输入的音量控制信号被调整。在示例性实施例中，可通过使用运算(OP)放大器来调整载波信号的电平。
比较器220将在载波产生单元210中产生的载波信号的电平与从DAC单元130输入的模拟音频信号的电平比较，并基于该比较来产生PWM信号。此时，比较器220将所述模拟音频信号与载波信号比较，如果模拟音频信号电平大于载波信号电平，则比较器220输出高逻辑电平，如果模拟音频信号电平小于载波信号电平，则比较器220输出低逻辑电平。
图3是根据本发明总的发明构思的实施例的图1的功率放大单元150的示例性实施例。
图3中的功率放大单元150包括功率开关单元20和低通滤波器30。
功率开关单元20包括PMOS晶体管P1和NMOS晶体管N1。PMOS晶体管P1根据PWM单元140的第一输出信号Q1来开关，并且实际电压Vcc2被施加于PMOS晶体管P1的源极。NMOS晶体管N1根据PWM单元140的第二输出信号Q2来开关，NMOS晶体管N1的漏极连接至PMOS晶体管P1的漏极，并且NMOS晶体管N1的源极连接至地电压Vss2。这里，Vcc1和Vss1是从电源施加的理想电压，Vcc2和Vss2是经过连接电源和功率开关单元20的线中的电阻R1和R2之后下降预定电平的实际电压，并被施加于功率开关单元20。此外，R1和R2是在连接电源和功率开关单元20的导线中产生的电阻。
低通滤波器30可包括电感器32和电容器34，并用于去除功率开关单元20的输出信号中的高频分量。
图4示出显示根据本发明总的发明构思的实施例的图1的PWM单元140的音量控制的波形。
把在载波产生单元210中产生的载波信号电平410-1或410-2与从DAC单元130输入的模拟音频信号的电平比较，然后根据该比较产生PWM信号。此时，当把所述音频信号与所述载波信号比较时，如果确定音频信号电平大于载波信号电平，则输出高逻辑电平，如果确定音频信号电平小于载波信号电平，则输出低逻辑电平。此外，载波信号的周期与音频信号的采样频率(fs)相同。当音频信号的音量从音量A增加至音量B时，载波信号根据由微型计算机单元110施加的音量控制信号从A电平410-1降低至B电平410-2。相应地，(音频信号的)音量B的脉冲宽度变为比(音频信号的)音量A的脉冲宽度宽，从而音频音量增加。此时，载波信号的幅度不应小于输入音频信号的幅度，以便防止饱和。因此，由于本发明总的发明构思仅调整载波信号的电平而不改变音频信号电平，所以不损坏原始音频信号。
图5示出根据本发明总的发明构思的示例性实施例将音频音量控制应用于音频再现系统。
参照图5，当确定音量水平小于参考值(例如，10)时，在图5中通过调整音频信号的增益来控制音量。也就是说，当音量水平小于参考值10时，音频信号的幅度应降至等于或小于大约-35dB的值。然而，当在PWM单元140中控制音量时，与等于或小于-35dB的音频信号的值对应的载波信号的幅度太大。因此，由于在增加载波信号的幅度方面存在限制，所以微型计算机单元110向DSP单元120提供音量控制信号以便能够通过调整音频信号的增益来控制音量。此外，当音量水平等于或大于示例性参考值10时，在PWM单元140中控制音量会更为有效。因此，当音量水平等于或大于示例性参考值10时，微型计算机单元110向PWM单元140提供音量控制信号以便能够通过调整载波信号的电平来控制音量。此时，仅考虑载波信号的幅度大于音频信号的幅度的情况。此外，当用户最频繁使用的音量水平大约在10-20之间时，微型计算机单元110向PWM单元140输出音量控制信号。
图6是根据本发明总的发明构思的实施例的在D类放大器中控制音频音量的方法的流程图。
首先，在操作步骤610，输入来自用户的音量水平命令。
然后，在操作步骤620，将输入音量水平与预设的参考音量水平比较。这里，所述参考音量水平指的是能够通过载波电平调整方法控制的音量水平的最大值，该最大值可根据应用该方法的音频系统而不同。
此时，如果输入音量水平等于或大于参考音量水平，则在操作步骤630中执行通过载波电平调整进行的音量水平控制。
然而，如果输入音量水平小于参考音量水平，则在操作步骤640中通过使用载波电平调整来将音频信号电平降至参考音量水平。
然后，在操作步骤650中，在与通过将参考音量水平减去输入音量水平获得的幅度对应的范围内通过数字音量调整(音频信号的增益调整)来控制音量水平。例如，如果输入音量水平是“5”并且参考音量水平是“10”，则通过使用载波电平调整，音量水平降至参考音量水平“10”。然后，相对于“5”通过数字音量调整来控制音量水平，该“5”对应于通过将上述参考音量水平减去上述输入音量水平所获得的幅度。
本发明总的发明构思也可实现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。所述计算机可读记录介质为可存储其后能由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。所述计算机可读记录介质的例子包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置、和载波(诸如通过互联网的数据传输)。所述计算机可读记录介质也可分布于网络连接的计算机系统上，以便所述计算机可读代码以分布式方式被存储并被执行。
根据如上所述的本发明总的发明构思，在使用D类放大器的音频系统(诸如TV和家庭影院系统)中，通过在PWM转换器中调整载波信号的电平而不改变音频信号的电平来执行音量调整，从而能够防止声音质量的降低。
根据如上所述的本发明总的发明构思，通过当音量水平低于预定参考值时调整音频信号的增益以及当音量水平等于或大于所述预定参考水平时调整载波信号的电平，能够将音频音量控制应用于音频再现系统。
虽然已表示和描述了本发明总的发明构思的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明总的发明构思的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。
权利要求
1.一种数字音频放大器，包括控制单元，用于从音频信号的输入音量水平产生音量控制信号；脉宽调制单元，用于根据由控制单元产生的音量控制信号调整载波信号的电平，并通过将调整的载波信号电平与输入音频信号的电平比较来产生脉宽调制信号；和功率放大单元，用于放大由脉宽调制单元产生的脉宽调制信号的功率。
2.如权利要求1所述的放大器，其中，所述脉宽调制单元包括载波产生单元，用于产生其电平根据音量控制信号被调整的载波信号；和比较单元，用于通过将在载波产生单元中产生的载波信号的电平与输入音频信号的电平比较来产生脉宽调制信号。
3.如权利要求1所述的放大器，其中，所述功率放大单元通过开关电路来放大脉宽调制单元的脉宽调制信号的功率。
4.如权利要求2所述的放大器，其中，所述载波信号通过运算放大器来调整。
5.如权利要求1所述的放大器，其中，所述功率放大单元包括功率开关单元和低通滤波器。
6.如权利要求5所述的放大器，其中，所述功率开关单元包括PMOS晶体管和NMOS晶体管。
7.一种数字音频放大系统，包括信号处理单元，用于根据音量控制信号调整输入音频信号的电平；脉宽调制单元，用于根据音量控制信号调整载波信号的电平，并通过将调整的载波信号电平与在信号处理单元中调整的音频信号的电平比较来产生脉宽调制信号；控制单元，用于产生音量控制信号以便通过根据音量水平范围链接音频信号的增益和载波信号的电平来调整音频音量；和功率放大单元，用于放大由脉宽调制单元产生的脉宽调制信号的功率。
8.如权利要求7所述的系统，其中，如果输入音量水平值等于或大于参考值，则控制单元调整脉宽调制单元的载波信号电平，如果输入音量水平值小于所述参考值，则控制单元通过链接脉宽调制单元的载波信号电平调整和信号处理单元的音频信号的增益调整来调整音频音量。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述参考值是通过载波信号的电平调整来控制音量的最大音量水平。
10.如权利要求7所述的系统，其中，所述功率放大单元包括功率开关单元，用于放大在脉宽调制单元中产生的脉宽调制信号的功率；和低通滤波器，用于去除从功率开关单元输出的信号中的高频分量。
11.一种控制数字音频放大器的音量的方法，所述数字音频放大器具有信号处理器和脉宽调制单元，其中，所述信号处理器用于调整音频信号的增益，所述脉宽调制单元用于通过比较载波信号和音频信号来产生脉宽调制信号，该方法包括接收音频信号的任意音量水平的输入；和根据输入的音频音量水平，通过链接音频信号的增益和载波信号的电平来调整音频音量。
12.如权利要求11所述的方法，其中，在调整音频信号音量的步骤中，如果输入音量水平等于或大于参考值，则调整载波信号的电平，如果输入音量水平小于所述参考值，则相对于通过将参考音量水平减去输入音量水平得到的幅度来调整音频信号的增益。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述参考值是通过载波信号的电平调整来控制音量的最大音量水平。
14.一种将音频音量控制应用于音频再现系统的方法，该方法包括当音量水平低于预定参考值时，调整音频信号的增益；和当音量水平等于或大于所述预定参考水平时，调整载波信号的电平。
15.如权利要求14所述的方法，其中，调整载波信号的电平的步骤包括向调整载波信号的电平的脉宽调制单元提供音量控制信号。
16.一种包含控制数字音频放大器的音量的方法的计算机可读介质，所述数字音频放大器具有信号处理器和脉宽调制单元，其中，所述信号处理器用于调整音频信号的增益，所述脉宽调制单元用于通过比较载波信号和音频信号来产生脉宽调制信号，该方法包括接收音频信号的任意音量水平的输入；和根据输入的音频音量水平，通过链接音频信号的增益和载波信号的电平来调整音频音量。
17.一种包含将音频音量控制应用于音频再现系统的方法的计算机可读介质，该方法包括当音量水平低于预定参考值时，调整音频信号的增益；和当音量水平等于或大于所述预定参考水平时，调整载波信号的电平。
全文摘要
一种通过在D类放大器中调整载波电平来控制音频音量的设备和方法。所述设备包括控制单元，用于产生音量控制信号；PWM单元，用于根据由控制单元产生的音量控制信号调整载波信号的电平，并通过将调整的载波信号电平与输入音频信号的电平比较来产生脉宽调制信号；和功率放大单元，用于放大由PWM单元产生的脉宽调制信号的功率。
文档编号H03F3/217GK1929300SQ20061012893
公开日2007年3月14日 申请日期2006年9月4日 优先权日2005年9月6日
发明者宋永锡 申请人:三星电子株式会社