G类音频放大系统及方法

专利名称：G类音频放大系统及方法
技术领域：
本发明涉及音频放大系统，更具体地说，本发明涉及G类音频放大系统及方法。
背景技术：
AB类放大器具有良好的输出特征，但是效率太低。为了保持输出音质并提高效率， 出现了 G类放大器。G类放大器的工作原理类似于AB类放大器，区别在于G类放大器的供电电源是可 变电压，而非固定电压。随着输入信号幅度的变化，G类放大器自动调节电源电压，使输出 晶体管上的压降最低，大大提高效率。如图1所示为传统单电源供电的AB类音频放大器10，其中11、12是放大级，Vdd为 放大级11、12提供正电源供电；13、14是扬声器，15、16是隔直电容，用以阻隔直流偏置(该 直流偏置通常为0. 5Vdd)。传统单电源供电的AB类音频放大器需要两个隔直电容15、16，而 这两个隔直电容15、16的容值一般非常大，典型值为几百微法，从而使外围电路变复杂、尺 寸变大、成本变高。图2所示为现有技术用电荷泵给音频放大级提供负电源供电的电路20。与图 1所示电路10不同的是，电路20包括一提供负电源Vss的电荷泵，来给放大级11和放 大级12提供两路供电电源。其中负电源Vss的幅值与正电源Vdd的幅值相等、极性相反。 因此，电路20不需要大容值的隔直电容，而仅需要小容值负电压电容21和飞电容(fly capacitor) 22 (电容21和22的典型容值为IuF)。然而，虽然图2所示电路20解决了大容 值电容的问题，但是当输入信号很小时，电路20的功率损耗很大，仍存在低效率的问题。图3所示电路为现有技术采用两路供电电压的电路30。其中正电源电压HPVdd通 过由开关管38、开关管39、电感40和电容41组成的buck电路提供，使得当电路30的输入 信号INL变化时，通过由输入电平检测模块31、优化模块32、误差放大器33、补偿网络34、 锯齿波产生器35、PWM比较器36构成的反馈网络调整PWM比较器36的输出，进而通过驱动 电路37调整开关管38和开关管39的导通状态，而产生相应的正电源电压HPVdd。同时电 荷泵43接收正电源电压HPVdd以产生幅值相同、极性相反的负电源电压HPVss。也即，电路 30的放大级42的供电电压随着输入信号INL变化而变化，从而降低了功率损耗，提高了效 率。然而电路30存在以下缺点buck电路占用很大的版图布局面积，使电路30的电路板 面积增大；buck电路轻载状态下效率很低；需要额外的电感40，增加了成本，并产生电磁干 扰问题。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种G类音频放大系统，该G类音频放大系统可根据 音频输入信号，调整其供电电压，从而高效率地输出高保真音频放大信号，同时该G类音频 放大系统成本低，空间占用小。为实现上述目的，本发明公开了一种G类音频放大系统，包括输入端，接收音频输
7入信号；音频放大级，耦接至输入端，输出音频放大信号；输入电平检测单元，耦接至输入 端，检测音频输入信号的大小，输出电平检测信号；电荷泵，耦接至输入电平检测单元的输 出端，接收电平检测信号，输出正电源信号和负电源信号；其特征在于，所述正电源信号和 所述负电源信号为所述音频放大级的供电信号。为实现上述目的，本发明还公开了一种G类音频放大方法，包括检测音频输入信 号，得到电平检测信号；响应所述电平检测信号提供相应电压级别的正电源信号和负电源 信号；接收所述音频输入信号、所述正电源信号和所述负电源信号，提供音频放大信号。本发明的优点在于所提供的G类音频放大系统保持高效率的同时，可以以更低的 成本、更小的空间占用而高保真地输出音频信号。


图1示出传统单电源供电的AB类音频放大器。图2示出现有技术用电荷泵模块给音频放大级提供负电源供电的电路20。图3示出现有技术采用两路供电电压的电路30。图4示出根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100。图5示出根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100 ？。图6(a)示出图4所示G类音频放大系统100的工作模式示意图。图6(b)示出图4所示G类音频放大系统100的另一工作模式示意图。图7示出根据本发明一个实施例的用于G类音频放大系统的电荷泵202。图8示出当图7所示电荷泵202工作在士0. 5X模式时的开关控制波形。图9示出当图7所示电荷泵202工作在士 IX模式时的开关控制波形。图10示出根据本发明另一个实施例的用于G类音频放大系统的电荷泵302。图11示出当图10所示电荷泵302工作在士0. 5X模式时的开关控制波形。图12示出当图10所示电荷泵302工作在士 IX模式时的开关控制波形。图13示出根据本发明的一个示例性G类音频放大系统100的输出波形图。图14示出实现图13波形的用于G类音频放大系统的电荷泵402。图15示出当图14所示电荷泵402工作在士 1/3X模式时的开关控制波形。图16示出当图14所示电荷泵402工作在士 1/2X模式时的开关控制波形。图17示出当图14所示电荷泵402工作在士2/3X模式时的开关控制波形。图18示出当图14所示电荷泵402工作在士 IX模式时的开关控制波形。
具体实施例方式图4为根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100。其中G类音频放大系 统100包括输入端，接收音频输入信号INL ；AB类音频放大级103，耦接至输入端以接收音 频输入信号INL，并输出音频放大信号OUTL至扬声器107 ；输入电平检测单元101，耦接至 输入端以检测音频输入信号INL的大小，输出电平检测信号INdet ；电荷泵102，耦接至输入 电平检测单元101的输出端，接收电平检测信号INdet，输出正电源信号HPVdd和负电源信号 HPVss。其中AB类音频放大级103的正电源HPVdd和负电源HPVss由电荷泵102提供，电容104和电容105为提供该正负电源所需电容，即电容104为正电压电容，耦接在电荷泵102 的正电源输出端和地之间；电容105为负电压电容，耦接在电荷泵102的负电源输出端和地 之间。飞电容106为从电荷泵102的内部电压源可控地连接至该正或负电源输出端的连接 电容。在此实施例中，电容104、105、106均耦接在电荷泵102的外部，这是因为电容104、 105,106的容值一般比较大，不容易集成。但是本领域的技术人员应该认识到，电容104、 105、106也可集成在电荷泵102内部，如图5所示的G类音频放大系统100 。G类音频放 大系统100 将电容104、105、106均集成进电荷泵102内部。由于图5所示G类音频放大 系统100 ？的其他连接关系及工作原理与图4所示G类音频放大系统100相同，为了叙述 简明，下文仅结合图4所示G类音频放大系统100做相应说明。当G类音频放大系统100运行时，输入电平检测单元101检测音频输入信号INL 的大小，并输出检测值(即电平检测信号)至电荷泵102。电荷泵102接收输入电平检测单 元101输出的电平检测信号，输出相应的正电源信号HPVdd和负电源信号HPVss,使得AB类 音频放大级103的供电电源随音频输入信号INL的改变而改变。图6(a)为根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100的工作模式示意图。当 G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值小于一预设值V1时，电荷泵102工作 在士0. 5X(正/负0. 5倍)模式，使电荷泵102提供的HPVdd = 0. 5VDD、HPVss = -0. 5VDD，从 而使AB类音频放大级103的晶体管上的压降相应减小；当G类音频放大系统100的音频输 入信号INL的瞬时值大于预设值V1时，电荷泵102工作在士 IX模式，使电荷泵102提供的 HPVdd = VDD、HPVss = -Vdd,从而使AB类音频放大级103输出的音频放大信号不产生失真。 当从士 IX模式转换成士0. 5X模式时，如果HPVdd > 0. 5VDD、HPVss > -0. 5VDD，电荷泵可以 不工作，处于休眠状态。即，G类音频放大系统100的电平检测单元101检测音频输入信号 INL的瞬时值大小，输出相应的电平检测信号INdet。图6(b)为根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100的另一工作模式示意 图。当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的幅值小于一预设值V1时，电荷泵102 工作在士0. 5X模式，使电荷泵102提供的HPVdd = 0. 5VDD、HPVSS = -0. 5VDD，从而使AB类音 频放大级103的晶体管的压降相应减小；当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的 幅值大于预设值V1时，电荷泵102工作在士 IX模式，使电荷泵102提供的HPVdd = VDD、HPVSS =-Vdd,从而使AB类音频放大级103输出的音频放大信号不产生失真。当从士 IX模式转 换成士0. 5X模式时，如果HPVdd > 0. 5Vdd、HPVss > -0. 5VDD，电荷泵可以不工作，处于休眠状 态。即，G类音频放大系统100的电平检测单元101也可以检测音频输入信号INL的幅值， 输出相应的电平检测信号INdet。图7为根据本发明一个实施例的用于G类音频放大系统的电荷泵202。如图7所 示，电荷泵202包括开关S1 S7、飞电容C1、负电压电容C2、正电压电容C3、内部电压源VDD、 节点1 5。其中正电压电容C3耦接在电荷泵202的正电源输出端和地之间；负电压电容 C2耦接在电荷泵202的负电源输出端和地之间；飞电容C1的一端耦接至内部电压源VDD，其 另一端耦接至开关可控地连接于电荷泵202的正电源输出端或电荷泵202的负电源输出 端。开关S1 &可以是任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。具体来说，开关S1耦接在节点3和节点4之间； 开关&耦接在节点3和地之间；开关S3耦接在节点1和节点4之间；开关、耦接在节点1和节点3之间；开关&耦接在节点1和节点5之间；开关&耦接在节点5和地之间；开关 S7耦接在节点2和节点5之间；飞电容C1耦接在节点3和节点5之间；负电压电容C2耦接 在节点2和地之间；正电压电容C3耦接在节点2和地之间；内部电压源Vdd耦接在节点4和 地之间。可以看到，节点1为电荷泵202的正电源输出端，节点2为电荷泵202的负电源输 出端。当采用不同的控制方式控制开关S1 S7闭合与断开，可在节点1与节点2得到不同 的电压HPVdd和HPVss。如图8所示为当电荷泵202工作在士0. 5X模式时各开关的控制波形。如图8所示，各开关的控制时序如下第一步，控制开关S1和开关&闭合，控制其他开关断开，则内部电压源VDD、开关S” 飞电容C1、开关S5、正电压电容C3形成串联闭合回路，飞电容C1两端电压被充至电压Vei，正 电压电容C3两端电压被充电至Vra，并且Va+Vra = VDD，飞电容Cl和正电压电容C3两端电压 均为上正下负，即HPVdd = Vc3 ；第二步，控制开关&和开关S7闭合，控制其他开关断开，则开关&、飞电容C1、开关 s7、负电压电容C2构成闭合回路，飞电容C1与负电压电容C2并联，飞电容C1向负电压电容 C2放电，使负电压电容C2两端电压Ve2 = Vci,并且负电压电容C2两端电压极性为上负下正， 即 HPVss = -Vci ；第三步，控制开关、和开关&闭合，控制其他开关断开，则开关S6、飞电容C1、开 关S4、正电压电容C3构成闭合回路，飞电容C1与正电压电容C3并联，使得飞电容C1与正电 压电容 C3 两端电压相等，即 Vci = Vc3,而 VC1+VC3 = Vdd,则 Vci = Vc3 = 0. 5Vdd, HPVdd = Vc3 = +0. 5Vdd，HPVss = -Vci = -O. 5Vdd。上述过程循环进行，以得到稳定的 HPVdd = +0. 5VDD、HPVss =-0. 5VDD，从而实现士0. 5X工作模式。如图9所示为当电荷泵202工作在士 IX模式时各开关的控制波形。如图9所示，各开关的控制时序如下第一步，控制开关S1和开关&闭合，控制开关&保持长时间闭合，控制其他开关断 开，则内部电压源VDD、开关S1、飞电容C1、开关&形成串联闭合回路，同时内部电压源VDD、开 关S3、正电压电容C3也形成串联闭合回路，飞电容C1和正电压电容C3被充电至VDD，并且飞 电容Cl两端电压极性为上正下负，正电压电容C3两端电压极性也为上正下负，即HPVdd = +Vdd;第二步，控制开关&和开关S7闭合，开关&继续保持闭合，其他开关断开，则开关 S2、飞电容C1、开关S7、负电压电容C2构成闭合回路，飞电容C1与负电压电容C2并联，飞电 容C1向负电压电容C2放电，使负电压电容C2两端电压达到VDD，并且负电压电容C2两端电 压极性为上负下正，即HPVss = -VDD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPVdd = +VDD, HPVss =-Vdd,从而实现士 IX工作模式。图10所示为根据本发明另一个实施例的用于G类音频放大系统的电荷泵302。与 图7所示电荷泵202不同的是，电荷泵302用二极管D5取代原开关&，用二极管D7取代原 开关S7，而电荷泵302的其他部分与电荷泵202相同，并采用相同的附图标记。这里为了叙 述简明，不再描述其连接方式。如图11所示为当电荷泵302工作在士0. 5X模式时各开关的控制波形。如图11所示，各开关的控制时序如下
第一步，控制开关S1闭合，控制其他开关断开，则内部电压源VDD、开关S1、飞电容 C1、二极管D5、正电压电容C3形成串联闭合回路，飞电容C1两端电压被充至电压να，正电压 电容C3两端电压各被充电至Vra，并且Va+Vra = VDD，飞电容Cl和正电压电容C3两端电压均 为上正下负，即HPVdd = Vc3 ；第二步，控制开关&闭合，控制其他开关断开，则开关S2、飞电容C1、二极管D7、负 电压电容C2构成闭合回路，飞电容C1与负电压电容C2并联，飞电容C1向负电压电容C2放 电，使负电压电容C2两端电压Ve2 = Vci,并且负电压电容C2两端电压极性为上负下正，即 HPVss = -Vci ；第三步，控制开关、和开关&闭合，控制其他开关断开，则开关S6、飞电容C1、开 关S4、正电压电容C3构成闭合回路，飞电容C1与正电压电容C3并联，使得飞电容C1与正电 压电容 C3 两端电压相等，即 Vci = Vc3,而 VC1+VC3 = Vdd,则 Vci = Vc3 = 0. 5Vdd, HPVdd = Vc3 = +0. 5Vdd，HPVss = -Vci = -O. 5Vdd。上述过程循环进行，以得到稳定的 HPVdd = +0. 5VDD、HPVss =-0. 5VDD，从而实现士0. 5X工作模式。如图12所示为当电荷泵302工作在士 IX模式时各开关的控制波形。如图12所示，各开关的控制时序如下第一步，控制开关S1和开关&闭合，控制开关&保持长时间闭合，其他开关断开， 则内部电压源VDD、开关S1、飞电容C1、开关&形成串联闭合回路，同时内部电压源VDD、开关 &、正电压电容C3也形成串联闭合回路，飞电容C1和正电压电容C3被充电至VDD，并且飞电 容C1和正电压电容C3两端电压极性均为上正下负，即HPVdd = +Vdd ；第二步，控制开关&闭合，控制开关&继续保持闭合，控制其他开关断开，则开关 S2、飞电容C1、二极管D7、负电压电容C2构成闭合回路，飞电容(^与负电压电容C2并联，飞电 容C1向负电压电容C2放电，使负电压电容C2两端电压达到VDD，并且负电压电容C2两端电 压极性为上负下正，即HPVss = -VDD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPVdd = +VDD, HPVss =-Vdd,从而实现士 IX工作模式。如上所述的电荷泵202和电荷泵302，其中开关S1和开关&工作在开关状态。但 本领域的技术人员应该认识到，开关S1和开关&也可以工作为可控电流源模式。即，当开 关S1被控制导通时，内部电压源Vdd和开关S1等效为一可控电流源，使得飞电容C1两端电 压以一定速率上升而不会突变；当开关S1被控制断开时，内部电压源Vdd和飞电容C1的耦 接被断开。同理，当开关&被控制导通时，内部电压源Vdd和开关&等效为一可控电流源， 使得正电压电容C3两端电压以一定速率上升而不会突变；当开关&被控制断开时，内部电 压源Vdd和正电压电容C3的耦接被断开。因此，如图4所示的G类放大系统100，当其音频输入信号INL小于V1时，可使电 荷泵102工作在士0. 5X模式，以得到HPVdd = +0. 5VDD、HPVSS = -0. 5VDD的放大级供电电压； 当G类放大系统100的音频输入信号INL大于V1时，可使电荷泵102工作在士 IX模式，以 得到HPVdd = +Vdd、HPVss = -Vdd的放大级供电电压。当G类放大系统100从士 IX模式转换 成士0. 5X模式时，如果HPVdd > 0. 5Vdd、HPVss > -0. 5VDD，电荷泵可以不工作，处于休眠状态。 因此，针对G类放大系统的不同输入，本发明可提供不同的供电电压，从而使得G类放大系 统降低了功率损耗，提高了效率。当然，本发明可为G类放大系统的放大级提供任意电压等级的供电电压，如士 Vdd/N，士2Vdd/N，士3Vdd/N，……，士(N-2)Vdd/N，士(N_1)Vdd/N，士Vdd/2，士Vdd 等，其中 N 为任意 需要的电压等级数，只要把飞电容C1替换为相应N-I个串联电容。图13为根据本发明上述要求的其中一个示例性G类音频放大系统100的输出波 形图，此时N为3。当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值小于预设值V2时， 电荷泵102工作在士 1/3X模式，从而使电荷泵102提供的HPVdd = 1/3VDD、HPVSS = -1/3VDD ； 当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值大于预设值V2小于预设值V3时，电 荷泵102工作在士 1/2X模式，从而使电荷泵102提供的HPVdd = 1/2VDD、HPVss = -1/2VDD ； 当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值大于预设值V3小于预设值V4时，电 荷泵102工作在士2/3X模式，从而使电荷泵102提供的HPVdd = 2/3VDD、HPVss = -2/3VDD ； 当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值大于预设值V4时，电荷泵102工 作在士 IX模式，从而使电荷泵102提供的HPVdd = VDD, HPVss = _VDD。当G类音频放大系统 100从高倍模式转换至低倍模式时，如果输出高于预设数值，则G类音频放大系统可以处于 休眠状态，电荷泵不开关。图13描述的是判断音频输入信号INL的瞬时值大小，以使电荷 泵102工作在相应模式，然而本领域的技术人员应该认识到，也可以判断音频输入信号INL 的幅值，以使电荷泵102工作在相应模式。图14为根据图13波形图要求的用于G类音频放大系统的电荷泵402。其中N为 3，则飞电容C1被替换为2个串联电容(第一飞电容C1和第二飞电容C4)。即第一飞电容C1 的一端耦接至内部电压源VDD，其另一端耦接在电荷泵402的正电源输出端和电荷泵的负电 源输出端；第二飞电容C4与第一飞电容C1并联耦接。如图14所示，电荷泵402包括开关 S1 Sltl、第一飞电容C1、负电压电容C2、正电压电容C3、第二飞电容C4、内部电压源VDD、节点 1 7。与图7所示电荷泵202不同的是，电荷泵402在节点3和节点5之间还包括节点6 和节点7。其中节点3和节点6之间耦接第一飞电容C1，节点5和节点7之间耦接第二飞电 容C4，节点3和节点7之间耦接开关S8，节点5和节点6之间耦接开关\ ；节点6和节点7 之间耦接开关S1(l。电荷泵402的其他部分与图7所示电荷泵202相同，并采用相同的附图 标记。通过采用不同的控制方式控制开关S1 S7闭合与断开，可在节点1与节点2得到不 同的电压HPVdd和HPVss。如图15所示为当G类放大系统的输入小于预设值V2时，电荷泵402工作在士 1/3X 模式时各开关的控制波形。如图15所示，各开关的控制时序如下第一步，控制开关S1、开关&和开关Sltl闭合，控制其他开关断开，则内部电压源 VDD、开关S1、第一飞电容C1、开关Sltl、第二飞电容C4、开关S5、正电压电容C3形成串联闭合回 路，第一飞电容Cl两端电压被充至电压Vei，负电压电容C2两端电压被充至电压Ve2，正电压 电容C3两端电压被充电至VC3，并且Va+VC2+VC3 = VDD，第一飞电容C1、第二飞电容c4、正电压 电容C3两端电压均为上正下负，即HPVdd = +Vc3 ；第二步，控制开关S2、开关S7、开关S8和开关&闭合，控制其他开关断开，则开关 S2、开关&、第二飞电容C4、开关S7、负电压电容C2构成闭合回路，同时开关&、第一飞电容 C1、开关S9、开关S7、负电压电容C2构成闭合回路，第一飞电容C1、负电压电容C2、第二飞电容 C4彼此并联耦接，第一飞电容C1和第二飞电容C4向负电压电容C2放电，使负电压电容C2两 端电压\2 = Vci = Vc4,并且负电压电容C2两端电压极性为上负下正，即HPVss = -Vci ；
第三步，控制开关S4、开关S6、开关&和开关&闭合，其他开关断开，则开关S6、开 关&、第一飞电容C1、开关S4、正电压电容C3构成闭合回路，同时开关&、第二飞电容C4、开 关S8、开关S4、正电压电容C3构成闭合回路，第一飞电容C1、正电压电容C3、第二飞电容(；彼 此并联耦接，使得第一飞电容C1、第二飞电容C4、正电压电容C3两端电压相等，即Va = Vc3 =Vc4,而 VC1+VC3+VC4 = Vdd,则 Vci = Vc3 = Vc4 = 1/3Vdd, HPVdd = Vc3 = +1/3VDD, HPVss = -Vci =_1/3Vdd。上述过程循环进行，以得到稳定的HPVdd = +1/3Vdd、HPVss = _1/3VDD，从而实现 士 1/3X工作模式。如图16所示为当G类放大系统的输入大于预设值V2小于预设值V3，电荷泵402工 作在士 1/2X模式时各开关的控制波形。如图16所示，各开关的控制时序如下第一步，控制开关S1和开关&闭合，控制开关S8和开关&持续闭合，控制其他开 关断开，则内部电压源VDD、开关S1、第一飞电容C1、开关S9、开关S5、正电压电容C3形成串联 闭合回路，同时内部电压源VDD、开关S1、开关&、第二飞电容C4、开关S5、正电压电容C3形成 串联闭合回路，即第一飞电容(^和第二飞电容C4并联耦接后与正电压电容C3串联耦接在内 部电压源Vdd和地之间，第一飞电容C1两端电压被充电至Va，第二飞电容C4两端电压被充 电至Vc4，正电压电容C3两端电压被充电至Vc3，并且Va = VC4,VC1+VC3 = VDD，第一飞电容Cl、 正电压电容C3、第二飞电容C4两端电压极性均上正下负，即HPVdd = +Vc3 ；第二步，控制开关&、开关S7闭合，继续控制开关S8和开关&持续闭合，控制其他 开关断开，则开关S2、开关&、第二飞电容C4、开关S7、负电压电容C2构成闭合回路，同时开 关&、第一飞电容C1、开关S9、开关S7、负电压电容C2构成闭合回路，第一飞电容C1、负电压 电容C2、第二飞电容C4彼此并联，第一飞电容C1和第二飞电容C4向负电压电容C2放电，使 负电压电容C2两端电压Ve2 = Vci = Ve4，并且负电压电容C2两端电压极性为上负下正，即 HPVss = -Vci ；第三步，控制开关、、开关&闭合，继续控制开关&和开关&持续闭合，其他开关 断开，则开关S6、开关S9、第一飞电容C1、开关S4、正电压电容C3构成闭合回路，同时开关s6、 第二飞电容C4、开关S8、开关S4、正电压电容C3构成闭合回路，第一飞电容C1、正电压电容c3、 第二飞电容C4彼此并联，使得第一飞电容C1、第二飞电容C4、正电压电容C3两端电压相等， 即 Vci = Vc3 = Vc4,而 VC1+VC3 = Vdd,则 Vci = Vc3 = Vc4 = 1/2Vdd, HPVdd = Vc3 = +1/2VDD, HPVss =-Vci = -1/2Vdd。上述过程循环进行，以得到稳定的HPVdd = +1/2Vdd、HPVss = _1/2VDD，从 而实现士 1/2X工作模式。如图17所示为当G类放大系统的输入大于预设值V3小于预设值V4，电荷泵402工 作在士2/3X模式时各开关的控制波形。如图17所示，各开关的控制时序如下第一步，控制开关S1、开关S5、开关S8和开关&闭合，控制其他开关断开，则内部电 压源VDD、开关S1、第一飞电容C1、开关S9、开关S5、正电压电容C3形成串联闭合回路，同时内 部电压源VDD、开关S1、开关&、第二飞电容C4、开关S5、正电压电容C3形成串联闭合回路，即 第一飞电容C1和第二飞电容C4并联耦接后与正电压电容C3串联耦接在内部电压源Vdd和 地之间，第一飞电容C1两端电压被充电至Va，第二飞电容C4两端电压被充电至Vc4，正电压 电容C3两端电压被充电至Vc3，并且Vci = Vc4，Vci+Vc3 = VDD，第一飞电容C1、正电压电容c3、第二飞电容C4两端电压极性均上正下负，即HPVdd = +Vc3 ；第二步，控制开关S2、开关S7和开关Sltl闭合，控制其他开关断开，则开关S2、第一 飞电容C1、开关Sltl、第二飞电容C4、开关S7、负电压电容C2构成闭合回路，第一飞电容C1与 第二飞电容C4串联耦接后与负电压电容C2并联耦接，第一飞电容C1和第二飞电容C4向负 电压电容C2放电，使负电压电容C2两端电压Ve2 = VC1+VC4,并且负电压电容C2两端电压极 性为上负下正，即HPVss = -Vc2 ；第三步，控制开关S4、开关&和开关Sltl闭合，控制其他开关断开，则开关S6、第二 飞电容C4、开关Sltl、第一飞电容C1、开关S4、正电压电容C3构成闭合回路，第一飞电容C1与 第二飞电容C4串联耦接后与正电压电容C3并联，使得Ve3 = Vei+Ve4，而Vei = VC4, VC1+VC3 = VDD，因此，Vci = Vc4 = 1/3Vdd,VC3 = 2/3Vdd,VC2 = 2/3VDD。因此，HPVdd = +Vc3 = +2/3VDD, HPVss =-Vc2 = _2/3Vdd。上述过程循环进行，以得到稳定的HPVdd = +2/3Vdd、HPVss = 2/3VDD，从而 实现士 2/3X工作模式。如图18所示为当G类放大系统的输入大于预设值V4、电荷泵402工作在士 IX模 式时各开关的控制波形。如图18所示，各开关的控制时序如下第一步，控制开关S1和开关&闭合，控制&、开关S8和开关&持续闭合，控制其他 开关断开，则内部电压源Vdd持续给正电压电容C3充电，以得到HPVdd = +Vdd,同时内部电压 源VDD、开关S1、第一飞电容C1、开关S9、开关&形成串联闭合回路，内部电压源VDD、开关S” 开关S8、第二飞电容C4、开关&形成串联闭合回路，即第一飞电容C1和第二飞电容C4并联耦 接在内部电压源Vdd和地之间，因此第一飞电容C1和第二飞电容C4两端电压被充电至VDD， 并且第一飞电容C1和正电压电容C3两端电压极性均上正下负；第二步，控制开关&和开关S7闭合，继续控制开关&、开关S8和开关&持续闭合， 控制控制其他开关断开，则开关&、第一飞电容C1、开关S9、开关S7、负电压电容C2构成闭合 回路，同时开关S2、开关&、第二飞电容C4、开关S7、负电压电容C2也构成闭合回路，第一飞 电容C1、第二飞电容C4和负电压电容C2彼此并联耦接，第一飞电容C1和第二飞电容C4向负 电压电容C2放电，使负电压电容C2两端电压值达到VDD，并且负电压电容C2两端电压极性为 上负下正，即HPVss = -VDD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPVdd = +Vdd、HPVss = _VDD，从 而实现士 IX工作模式。如上所述的电荷泵402，其中开关S1和开关&工作在开关状态。但本领域的技术 人员应该认识到，开关S1和开关&也可以工作为可控电流源模式。即，当开关S1被控制导 通时，内部电压源Vdd和开关S1等效为一可控电流源，使得第一飞电容C1和第二飞电容C2 两端电压以一定速率上升而不会突变；当开关S1被控制断开时，内部电压源Vdd和飞电容(^ 的耦接被断开。同理，当开关&被控制导通时，内部电压源Vdd和开关&等效为一可控电流 源，使得正电压电容C3两端电压以一定速率上升而不会突变；当开关&被控制断开时，内部 电压源Vdd和正电压电容C3的耦接被断开。当需要其他电压等级的供电电压时，本领域技术人员可参照图13所示，将图7电 荷泵202中电容改为相应串联电容即可，这里不再详述。上述图8、图9、图11、图12、图15、图16、图17和图8的开关控制波形为电压波形， 但是本领域的技术人员应该认识到，开关控制波形也可为电流波形及其他相关控制信号。
本发明还提供了一种G类音频放大方法，包括通过输入电平检测单元检测音频输 入信号INL，得到电平检测信号；通过电荷泵响应所述电平检测信号，并提供相应电压级别 的正电源信号和负电源信号；通过G类音频放大级接收所述音频输入信号、所述正电源信 号和所述负电源信号，并提供音频放大信号。其中在一个实施例中，所述电荷泵包括内部 电压源、正电压电容、负电压电容和飞电容，所述正电压电容耦接在电荷泵的正电源输出端 和地之间；负电压电容耦接在电荷泵的负电源输出端和地之间飞电容的一端耦接至所述内 部电压源，其另一端耦接在所述电荷泵的正电源输出端和电荷泵的负电源输出端。其中在 另一个实施例中，所述电荷泵包括内部电压源、正电压电容、负电压电容、第一飞电容和第 二飞电容，所述正电压电容耦接在电荷泵的正电源输出端和地之间；负电压电容耦接在电 荷泵的负电源输出端和地之间；第一飞电容的一端耦接至所述内部电压源，其另一端耦接 在所述电荷泵的正电源输出端和电荷泵的负电源输出端；第二飞电容与第一飞电容并联耦 接。本发明的G类音频放大方法利用上述电路通过上述开关时序的控制，可以针对G 类放大系统的不同输入，提供不同的供电电压，从而使得G类放大系统降低了功率损耗，提 高了效率。需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式
意在证明本发明所提供技术方案的 实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理 内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
权利要求
1.G类音频放大系统，包括输入端，接收音频输入信号；音频放大级，耦接至所述输入端，输出音频放大信号；输入电平检测单元，耦接至所述输入端，检测所述音频输入信号的大小，输出电平检测信号；电荷泵，耦接至所述输入电平检测单元的输出端，接收所述电平检测信号，输出正电源 信号和负电源信号；所述正电源信号和所述负电源信号向所述音频放大级供电。
2.如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，还包括扬声器，耦接至所述音 频放大级的输出端。
3.如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述音频输入信号的大小为所 述音频输入信号的瞬时值。
4.如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述音频输入信号的大小为所 述音频输入信号的幅值。
5.如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述电荷泵能够提供士1/N 倍、士2/N倍、……、士(N-2)/N倍、士(N-l)/N倍、士 1/2倍、士 1倍的工作模式，其中N为 自然数。
6.如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，当所述电荷泵从高倍模式转换 至低倍模式时，若所述G类音频放大系统的输出大于预设值，所述G类音频放大系统处于休 眠模式。
7.如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，当所述电荷泵需要提供士1/2 倍和士 1倍的工作模式时，所述电荷泵包括内部电压源，其正端通过第三开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；正电压电容，耦接在所述电荷泵的正电源输出端和地之间；负电压电容，耦接在所述电荷泵的负电源输出端和地之间；飞电容，其一端通过第一开关可控地通断于所述内部电压源的正端，通过第二开关可 控地通断于地，通过第四开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；其另一端通过第 五开关或二极管与所述电荷泵的正电源输出端耦接，通过第六开关可控地通断于地，通过 第七开关或二极管与所述电荷泵的负电源输出端耦接；所述第一开关至第七开关都是可控开关。
8.如权利要求7所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述第一开关至所述第七开关 都是可控半导体开关器件。
9.如权利要求7所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述第一开关和所述第三开关 为可控电流源开关。
10.如权利要求7所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述飞电容与正电源输出端 之间的二极管的阳极接飞电容，阴极接正电源输出端；所述飞电容与负电源输出端之间的 二极管的阳极接负电源输出端，阴极接飞电容。
11.如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，当所述电荷泵需要提供 士 1/3倍、士 1/2倍、士2/3倍、士 1倍模式时，所述电荷泵包括内部电压源，其正端通过第三开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端； 正电压电容，耦接在所述电荷泵的正电源输出端和地之间； 负电压电容，耦接在所述电荷泵的负电源输出端和地之间；第一飞电容，其一端通过第一开关可控地通断于所述内部电压源的正端，通过第二开 关可控地通断于地，通过第四开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；第二飞电容，其一端通过第五开关或二极管与所述电荷泵的正电源输出端耦接，通过 第六开关可控地通断于地，通过第七开关或二极管与所述电荷泵的负电源输出端耦接，通 过第九开关可控地通断于所述第一飞电容的另一端；其另一端通过第八开关可控地通断于 所述第一飞电容的一端，通过第十开关可控地通断于所述第一飞电容的另一端； 所述第一开关至第十开关都是可控开关。
12.如权利要求11所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述第一开关至所述第十开 关都是可控半导体开关器件。
13.如权利要求11所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述第一开关和所述第三开 关为可控电流源开关。
14.如权利要求11所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述第二飞电容与正电源输 出端之间的二极管的阳极接第二飞电容，阴极接正电源输出端；所述第二飞电容与负电源 输出端之间的二极管的阳极接负电源输出端，阴极接第二飞电容。
15.如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述电平检测信号的大小与 所述音频输入信号的大小成正比变化。
16.如权利要求1或15所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述正电源信号与所述 负电源信号幅值相等，并与所述电平检测信号的大小成正比变化。
17.一种G类音频放大方法，包括 检测音频输入信号，得到电平检测信号；响应所述电平检测信号提供相应电压级别的正电源信号和负电源信号； 接收所述音频输入信号、所述正电源信号和所述负电源信号，提供音频放大信号。
18.如权利要求17所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述电平检测信号的大小与 所述音频输入信号的大小成正比变化。
19.如权利要求17或18所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述正电源信号与所 述负电源信号幅值相等，并与所述电平检测信号的大小成正比变化。
20.如权利要求17所述的G类音频放大方法，其特征在于，通过输入电平检测单元检测 所述音频输入信号，并得到所述电平检测信号。
21.如权利要求17所述的G类音频放大方法，其特征在于，通过电荷泵响应所述电平检 测信号，并提供所述相应电压级别的正电源信号和负电源信号。
22.如权利要求17所述的G类音频放大方法，其特征在于，通过音频放大级接收所述音 频输入信号、所述正电源信号和所述负电源信号，并提供所述音频放大信号。
23.如权利要求21所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述电荷泵包括 内部电压源，其正端通过开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端； 正电压电容，耦接在所述电荷泵的正电源输出端和地之间；负电压电容，耦接在所述电荷泵的负电源输出端和地之间；N-I个通过可控开关串联的飞电容；通过控制内部电压源的正端与飞电容、所述电荷泵的正电源输出端的通断时序，以及 飞电容与所述电荷泵的正电源输出端、负电源输出端的通断时序，实现电荷泵的士 1/N倍、 士2/N倍、……、士(N-2) /N倍、士(N-I) /N倍、士 1/2倍、、士 1倍的工作模式，其中N为自然数。
24.如权利要求21所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述电荷泵包括 内部电压源，其正端通过第三开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端； 正电压电容，耦接在所述电荷泵的正电源输出端和地之间；负电压电容，耦接在所述电荷泵的负电源输出端和地之间；飞电容，通过第四开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；其另一端通过第五 开关与所述电荷泵的正电源输出端耦接，通过第六开关可控地通断于地，通过第七开关与 所述电荷泵的负电源输出端耦接；所述第一开关至第七开关都是可控开关。
25.如权利要求M所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述响应电平检测信号，并 提供所述相应电压级别的正电源信号和负电源信号的方法如下第一步，控制第一开关和第五开关闭合，控制其他开关断开； 第二步，控制第二开关和第七开关闭合，控制其他开关断开； 第三步，控制第四开关和第六开关闭合，控制其他开关断开； 上述过程循环进行，实现士0. 5倍的工作模式。
26.如权利要求M所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述响应所述电平检测信 号，并提供所述相应电压级别的正电源信号和负电源信号的方法如下第一步，控制第一开关和第六开关闭合，控制第三开关保持长时间闭合，控制其他开关 断开；第二步，控制第二开关和第七开关闭合，第三开关继续保持闭合，其他开关断开； 上述过程循环进行，实现士 1倍的工作模式。
27.如权利要求21所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述电荷泵包括 内部电压源，其正端通过第三开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端； 正电压电容，耦接在所述电荷泵的正电源输出端和地之间；负电压电容，耦接在所述电荷泵的负电源输出端和地之间；飞电容，其一端通过第一开关可控地通断于所述内部电压源的正端，通过第二开关可 控地通断于地，通过第四开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；其另一端通过二 极管与所述电荷泵的正电源输出端耦接，通过第六开关可控地通断于地，通过二极管与所 述电荷泵的负电源输出端耦接；所述第一开关至第四开关、第六开关都是可控开关；所述飞电容与正电源输出端之间的二极管的阳极接飞电容，阴极接正电源输出端；所 述飞电容与负电源输出端之间的二极管的阳极接负电源输出端，阴极接飞电容。
28.如权利要求27所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述响应电平检测信号，并 提供所述相应电压级别的正电源信号和负电源信号的方法如下第一步，控制第一开关闭合，控制其他开关断开；第二步，控制第二开关闭合，控制其他开关断开； 第三步，控制第四开关和第六开关闭合，控制其他开关断开； 上述过程循环进行，实现士0. 5倍的工作模式。
29.如权利要求27所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述响应电平检测信号，并 提供所述相应电压级别的正电源信号和负电源信号的方法如下第一步，控制第一开关和第六开关闭合，控制第三开关保持长时间闭合，其他开关断开；第二步，控制第二开关闭合，控制第三开关继续保持闭合，控制其他开关断开； 上述过程循环进行，实现士 1倍的工作模式。
30.如权利要求21所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述电荷泵包括 内部电压源，其正端通过第三开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端； 正电压电容，耦接在所述电荷泵的正电源输出端和地之间；负电压电容，耦接在所述电荷泵的负电源输出端和地之间；第一飞电容，其一端通过第一开关可控地通断于所述内部电压源的正端，通过第二开 关可控地通断于地，通过第四开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；第二飞电容，其一端通过第五开关或二极管与所述电荷泵的正电源输出端耦接，通过 第六开关可控地通断于地，通过第七开关或二极管与所述电荷泵的负电源输出端耦接，通 过第九开关可控地通断于所述第一飞电容的另一端；其另一端通过第八开关可控地通断于 所述第一飞电容的一端，通过第十开关可控地通断于所述第一飞电容的另一端； 所述第一开关至第十开关都是可控开关。
31.如权利要求30所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述响应电平检测信号，并 提供所述相应电压级别的正电源信号和负电源信号的方法如下第一步，控制第一开关、第五开关和第十开关闭合，控制其他开关断开； 第二步，控制第二开关、第七开关、第八开关和第九开关闭合，控制其他开关断开； 第三步，控制第四开关、第六开关、第八开关和第九开关闭合，其他开关断开； 上述过程循环进行，实现士 1/3倍的工作模式。
32.如权利要求30所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述响应电平检测信号，并 提供所述相应电压级别的正电源信号和负电源信号的方法如下第一步，控制第一开关和第五开关闭合，控制第八开关和第九开关持续闭合，控制其他 开关断开；第二步，控制第二开关、第七开关闭合，继续控制第八开关和第九开关持续闭合，控制 其他开关断开；第三步，控制第四开关、第六开关闭合，继续控制第八开关和第九开关持续闭合，其他 开关断开；上述过程循环进行，实现士 1/2倍的工作模式。
33.如权利要求30所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述响应电平检测信号，并 提供所述相应电压级别的正电源信号和负电源信号的方法如下第一步，控制第一开关、第五开关、第八开关和第九开关闭合，控制其他开关断开； 第二步，控制第二开关、第七开关和第十开关闭合，控制其他开关断开；第三步，控制第四开关、第六开关和第十开关闭合，控制其他开关断开； 上述过程循环进行，实现士2/3倍的工作模式。
34.如权利要求30所述的G类音频放大方法，其特征在于，所述响应电平检测信号，并 提供所述相应电压级别的正电源信号和负电源信号的方法如下第一步，控制第一开关和第六开关闭合，控制第三开关、第八开关和第九开关持续闭 合，控制其他开关断开；第二步，控制第二开关和第七开关闭合，继续控制第三开关、第八开关和第九开关持续 闭合，控制控制其他开关断开；上述过程循环进行，实现士 1倍的工作模式。
全文摘要
本发明公开了一种G类音频放大系统。该G类音频放大系统包括输入端、音频放大级、输入电平检测单元和电荷泵。其根据输入信号的大小，调整音频放大级的供电信号，使G类音频放大系统具有高效率和高保真输出。
文档编号H03F3/20GK102075146SQ20091030852
公开日2011年5月25日 申请日期2009年10月20日 优先权日2009年10月20日
发明者张正伟, 林金燕, 王海时, 王锐 申请人:成都芯源系统有限公司