专利名称：免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电路结构技术领域，特别涉及音频功放技术领域，具体是指一种免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构。
背景技术：
D类功放，即数字音频功率放大器，是一种目前市场上常见的功放，所有D类功放的桥式电路的拓扑结构都要求有一定的死区时间来产生一个导通延迟，导通延迟是有意加到桥式电路上以防止上下驱动管同时导通导致击穿。设置死区时间是为了避免直通电流导致电路的损毁。而直通电流产生的原因是上下场效应管在切换阶段同时导通引起的。理想情况下，上管关闭下管打开，上管打开下管关闭，不希望其间存在同时打开的情况。实际情况存在一定时间的同时打开，即引发了直通电流，或称冲击通过电流。现有技术“一种死区时间调制电路及音频功率放大器”(实用新型专利CN200820094360. 2)提供的死区时间调制电路采用数字延迟模块，配以优化地逻辑电路来实现死区时间的设置，精确地控制死区时间，减少失真，解决了采用RC电路设置死区时间导致死区时间不精确的问题。现有技术“转换器电路及控制方法”(实用新型专利CN03822177. 2)提出的驱动开关元件以求在从第二开关元件向第一开关元件进行切换时控制定时，利用开关元件上的电压作为测量的输入值，如果发生冲击通过电流时就更迟地接通第一开关元件，如果产生续流二极管的导通就更早的接通第一开关元件。上述列举的两种现有技术，第一种现有技术的方法是通过精确设置死区时间减小死区时间不稳定带来的失真，第二种现有技术的方法是尽量减少死区时间直到发生冲击通过电流(或称直通电流)的情况再增加死区时间，达到死区时间的优化与平衡。其控制死区时间长短的方法都是通过定时，需要定时控制电路逻辑，并且第二种现有技术还需要检测冲击通过电流、续流二极管的导通。现有技术的主要的设计思路在于如何调节与优化死区时间，减小死区时间带来的负面效果，但没有设法直接的或从根本上免除对死区时间的依赖，从而彻底的提高电路性能与可靠性；另外，在调节与优化死区时间的过程中，始终需要平衡开关损耗、直通风险与失真性能等几个方面，它们是相互制约、此消彼长的关系。
实用新型内容本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种在上管开启阶段提高下管的开启阈值电压，避免下管的非理想导通；反之在下管开启阶段提高上管的开启阈值电压，同样避免上管的非理想导通，从而消除上下管同时导通，以消除死区时间，进一步 降低直通导致电路损坏的风险，减小开关功率损耗，减小死区时间造成的信号失真，从根本上消除设置的死区时间带来的负面影响，且结构简单，成本低廉，应用范围广泛的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构。为了实现上述的目的，本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构具有如下构成该免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构包括脉宽调制器和驱动级电路，所述的脉宽调制器的输入端连接音频信号和载波信号，所述的脉宽调制器的脉宽调制信号输出端连接所述的驱动级电路，所述的驱动级电路的输出端连接喇叭。其中，所述的驱动级电路为阈值自适应驱动级，所述的阈值自适应驱动级包括两个场效应晶体管，所述的两个场效应晶体管的漏极为阈值自适应驱动级输出端，所述的阈值自适应驱动级输出端连通所述的喇叭，所述的阈值自适应驱动级控制所述的两个场效应晶体管的导通阈值，并择一导通所述的两个场效应晶体管。该免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构中，所述的阈值自适应驱动级包括P型场效应晶体管、N型场效应晶体管以及阈值自适应控制器，所述的P型场效应晶体管的栅极和N型场效应晶体管的栅极均连接所述的脉宽调制信号，所述的P型场效应晶体管的漏极和N型场效应晶体管的漏极均连接所述的喇叭，所述的脉宽调制信号还通过所述的阈值自适应控制器连接所述的P型场效应晶体管的衬底以及N型场效应晶体管衬底，用以调节所述的P型场效应晶体管和N型场效应晶体管的导通电压，择一导通所述的P型场效应晶体管或N型场效应晶体管的导通电压。该免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构中，所述的阈值自适应控制器为
二极管组件。该免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构中，所述的阈值自适应控制器为一个二极管，所述的脉宽调制信号通过一正向二极管连通所述的P型场效应晶体管的衬底，并通过一反向二极管连通所述的N型场效应晶体管的衬底。该免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构中，所述的阈值自适应控制器为两个二极管串接的二极管组，所述的脉宽调制信号通过两个阳极对接的二极管组连通所述的P型场效应晶体管的衬底，并通过两个阴极对接的二极管组连通所述的N型场效应晶体管的衬底。该免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构中，所述的阈值自适应控制器包括串接的边缘检测电路和电压选择电路，所述的边缘检测电路的输入端连接所述的脉宽调制信号，所述的电压选择电路的输出端连接所述的P型场效应晶体管的衬底以及N型场效应晶体管衬底。采用了该实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其驱动级电路为阈值自适应驱动级，该阈值自适应驱动级包括两个场效应晶体管，两个场效应晶体管的漏极为阈值自适应驱动级输出端，阈值自适应驱动级输出端连通所述的喇叭，该阈值自适应驱动级控制所述的两个场效应晶体管的导通阈值，并择一导通所述的两个场效应晶体管。本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构能够通过调整场效应晶体管衬底电压与源极电压的差控制场效应晶体管的导通时间，从而保证两个场效应晶体管的择一导通，有效抑制D类功放电路可能存在的直通电流，降低直通导致电路损坏的风险，减小开关功率损耗，同时避免现有技术中为直通电流而必须设置的死区时间，全部或者部分的消除死区时间，减小了由于设置死区时间造成的信号失真，从根本上消除设置的死区时间带来的负面影响，且本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其结构简单，成本低廉，应用范围广泛。
图I为本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构的结构示意图。图2为本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构中的阈值自适应驱动级的结构示意图。图3为本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构的第一种实施方式中的阈值自适应驱动级的结构示意图。图4为本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构的第二种实施方式中的阈值自适应驱动级的结构示意图。图5为本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构的第三种实施方式中的阈值自适应驱动级的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。请参阅图I所示，为本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构的结构示意图。在一种实施方式中，该免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构包括脉宽调制器和驱动级电路，所述的脉宽调制器的输入端连接音频信号和载波信号，所述的脉宽调制器的脉宽调制信号输出端连接所述的驱动级电路，所述的驱动级电路的输出端连接喇口八。其中，所述的驱动级电路为阈值自适应驱动级，所述的阈值自适应驱动级包括两个场效应晶体管，所述的两个场效应晶体管的漏极为阈值自适应驱动级输出端，所述的阈值自适应驱动级输出端连通所述的喇叭，所述的阈值自适应驱动级控制所述的两个场效应晶体管的导通阈值，并择一导通所述的两个场效应晶体管。在一种较优选的实施方式中，如图2、图3及图4所示，所述的阈值自适应驱动级包括P型场效应晶体管、N型场效应晶体管以及阈值自适应控制器，所述的P型场效应晶体管的栅极和N型场效应晶体管的栅极均连接所述的脉宽调制信号，所述的P型场效应晶体管的漏极和N型场效应晶体管的漏极均连接所述的喇叭，所述的脉宽调制信号还通过所述的阈值自适应控制器连接所述的P型场效应晶体管的衬底以及N型场效应晶体管衬底，用以调节所述的P型场效应晶体管和N型场效应晶体管的导通电压，择一导通所述的P型场效应晶体管或N型场效应晶体管的导通电压。在一种进一步优选的实施方式中，如图3及图4所示，所述的阈值自适应控制器可以为二极管组件。在一种更优选的实施方式中，如图3所示，所述的阈值自适应控制器为一个二极管，所述的脉宽调制信号通过一正向二极管连通所述的P型场效应晶体管的衬底，并通过一反向二极管连通所述的N型场效应晶体管的衬底。在另一种更优选的实施方式中，如图4所示，所述的阈值自适应控制器为两个二极管串接的二极管组，所述的脉宽调制信号通过两个阳极对接的二极管组连通所述的P型场效应晶体管的衬底，并通过两个阴极对接的二极管组连通所述的N型场效应晶体管的衬。在另一种 优选的实施方式中，如图5所示，所述的阈值自适应控制器也可以采用包括串接的边缘检测电路和电压选择电路的结构,所述的边缘检测电路的输入端连接所述的脉宽调制信号，所述的电压选择电路的输出端连接所述的P型场效应晶体管的衬底以及N型场效应晶体管衬底。在实际应用中，本实用新型意在采用不同于现有技术的驱动级结构和驱动方式，以阈值自适应驱动级取代现有技术中常见的驱动级结构，达到免除死区时间的目的。如图I及图2所示，脉宽调制信号在输入驱动级场效应管的同时，输入到阈值自适应控制器，由其改变场效应管的衬底电位从而改变阈值。由此产生的技术效果是当上管从打开转入关闭、下管从关闭转入打开处于开关切换的临界状态时，阈值自适应控制器控制上管开启阈值迅速提高、下管开启阈值减小，从而加速上管关闭过程与下管开启过程，消除临界状态，避免临界状态时存在的上下管同时导通的情况，造成的直通电流；反之，当上管从关闭转入打开、下管从打开转入关闭的情况，阈值自适应控制器相应发生作用消除临界状态，避免直通情况的发生。具体而言，该阈值自适应控制器的上述效果可以由二极管器件实现。恰当的利用二极管的正反向特性，控制场效应管衬底电平，用衬底偏置效应(或称体效应、背栅效应)改变场效应管的开启阈值电压，达到阈值自适应的效果。如图3所示，上管(P型场效应管)的开启阈值电压是负值，下管(N型场效应管)的开启阈值电压是正值，其绝对值越高，则使场效应管导通需要的栅源间电压绝对值就越高，就越不容易导通。假设场效应管的源极电压与衬底(背栅)电压相等时，开启阈值电压为VTH，当上管的背栅电压高于源极电压时，其开启阈值电压绝对值会高于VTH，当上管的背栅电压低于源极电压时，其开启阈值电压绝对值会低于VTH;当下管的背栅电压高于源极电压时，其开启阈值电压会小于VTH，当下管的背栅电压低于源极电压时，其开启阈值电压会高于VTH。图3中，上管与下管接入的极性所有不同，上管的背栅接一个二极管的负极，此二极管的正极接入脉宽调制信号，下管的背栅接一个二极管的正极，此二极管的负极接入脉宽调制信号。以下分两种状态讨论电路的工作情况。其中一种情形，当进入到上管打开、下管关闭的工作状态时，即脉宽调制信号由高电压转为低电压的情况。对于上管，开始由于二极管的正向导通特性，背栅电压较源电压会小；当脉宽调制信号转为低压时，由于二极管的反向恢复特性，背栅电压将逐渐升高。此过程中，开启阈值电压经历从小于VTH、等于VTH、大于VTH的增大过程，而栅源电压绝对值也是增大过程，结果是上管正常开启导通。对于下管，开始由于二极管反向接入，由稳压特性决定了此时背栅电压为负电压，低于源极电压，所以此时开启阈值电压大于VTH;当脉宽调制信号转为低电压时，由于二极管处于反向恢复状态，故背栅电压有一定提高，此时开启阈值稍小于VTH。栅源电压翻转减小的过程中，开启阈值电压维持了较高的状态，结果是下管在导通与关闭的临界状态时导通程度被抑制。最终，在上管顺利导通的同时，下管导通被抑制，因此直通电流被有效抑制了。另一种情形，当进入到上管关闭、下管打开的工作状态时，即脉宽调制信号由低电压转为高电压的情况。对于上管， 开始由于二极管处于反向工作状态，背栅电压较高，高于源极电压，SP开启阈值电压大于VTH，当脉宽调制信号转为高电压时，二极管转为正向导通工作状态，背栅电压逐渐转低，开启阈值电压也逐渐略小于VTH。在栅源电压翻转增大的过程中，开启阈值电压维持了较高的状态，结果是上管在导通与关闭的临界状态时导通程度被抑制。对于下管，开始二极管几乎不导通，背栅电压略高于输入的低电压，开启阈值电压略小于VTH，随着脉宽调制信号转为高电压时，由于二极管的反向稳压特性，背栅电压逐渐变为负电压，开启阈值电压逐渐升高超过VTH，在栅源电压翻转增大的过程中，开启阈值电压经历由小于VTH,等于VTH，大于VTH的增大过程，而栅源电压也是增大过程，结果是下管正常开启导通。最终，在下管顺利导通的同时，上管导通被抑制，因此直通电流被有效抑制了。综合上述两种情况，直通电流均被有效抑制，故上述二极管的结构可以作为阈值自适应控制器。在实际应用中，该阈值自适应控制器也可以由如图4所示的多个二极管组合实现，并不限于前面所述之结构。同时，阈值自适应控制器还可以由其他电路实现。当上管开启、下管关闭时，提高下管的开启阈值，即提高下管衬底电压；当下管开启、上管关闭时，提高上管的开启阈值，即降低上管的背栅电压。上述功能的实现可由如图5所示的，边沿检测装置、二选一或多选一的选择器组合实现。边沿检测装置的作用是根据脉宽调制信号的上升沿和下降沿变化，判断上下管处于开启与关闭的状态；选择器的作用是根据边沿检测装置的结果决定上下管衬底的电压的选择，从而决定阈值的变化如果是上升沿，则上管选择低压提高开启阈值，下管选择高压降低开启阈值，如果是下降沿，则上管选择高压降低开启阈值，下管选择高压提高开启阈值。这样，阈值变化的结果就极大的避免了上下管同时导通的情况，从而避免了直通现象。以上的电路结构均可有效抑制D类功放电路可能存在的直通电流(冲击通过电流)，因而避免了现有技术中为避免直通电流而必须设置的死区时间，减小了由于设置死区时间造成的信号失真。采用了该实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其驱动级电路为阈值自适应驱动级，该阈值自适应驱动级包括两个场效应晶体管，两个场效应晶体管的漏极为阈值自适应驱动级输出端，阈值自适应驱动级输出端连通所述的喇叭，该阈值自适应驱动级控制所述的两个场效应晶体管的导通阈值，并择一导通所述的两个场效应晶体管。本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构能够通过调整场效应晶体管衬底电压与源极电压的差控制场效应晶体管的导通时间，从而保证两个场效应晶体管的择一导通，有效抑制D类功放电路可能存在的直通电流，降低直通导致电路损坏的风险，减小开关功率损耗，同时避免现有技术中为直通电流而必须设置的死区时间，全部或者部分的消除死区时间，减小了由于设置死区时间造成的信号失真，从根本上消除设置的死区时间带来的负面影响，且本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其结构简单，成本低廉，应用范围广泛。在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的 。
权利要求1.一种免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，所述的电路结构包括脉宽调制器和驱动级电路，所述的脉宽调制器的输入端连接音频信号和载波信号，所述的脉宽调制器的脉宽调制信号输出端连接所述的驱动级电路，所述的驱动级电路的输出端连接喇叭，其特征在于，所述的驱动级电路为阈值自适应驱动级，所述的阈值自适应驱动级包括两个场效应晶体管，所述的两个场效应晶体管的漏极为阈值自适应驱动级输出端，所述的阈值自适应驱动级输出端连通所述的喇叭，所述的阈值自适应驱动级控制所述的两个场效应晶体管的导通阈值，并择一导通所述的两个场效应晶体管。
2.根据权利要求I所述的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其特征在于，所述的阈值自适应驱动级包括P型场效应晶体管、N型场效应晶体管以及阈值自适应控制器，所述的P型场效应晶体管的栅极和N型场效应晶体管的栅极均连接所述的脉宽调制信号，所述的P型场效应晶体管的漏极和N型场效应晶体管的漏极均连接所述的喇叭，所述的脉宽调制信号还通过所述的阈值自适应控制器连接所述的P型场效应晶体管的衬底以及N型场效应晶体管衬底，用以调节所述的P型场效应晶体管和N型场效应晶体管的导通电压，择一导通所述的P型场效应晶体管或N型场效应晶体管的导通电压。
3.根据权利要求2所述的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其特征在于，所述的阈值自适应控制器为二极管组件。
4.根据权利要求3所述的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其特征在于，所述的阈值自适应控制器为一个二极管，所述的脉宽调制信号通过一正向二极管连通所述的P型场效应晶体管的衬底，并通过一反向二极管连通所述的N型场效应晶体管的衬。
5.根据权利要求3所述的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其特征在于，所述的阈值自适应控制器为两个二极管串接的二极管组，所述的脉宽调制信号通过两个阳极对接的二极管组连通所述的P型场效应晶体管的衬底，并通过两个阴极对接的二极管组连通所述的N型场效应晶体管的衬底。
6.根据权利要求2所述的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其特征在于，所述的阈值自适应控制器包括串接的边缘检测电路和电压选择电路，所述的边缘检测电路的输入端连接所述的脉宽调制信号，所述的电压选择电路的输出端连接所述的P型场效应晶体管的衬底以及N型场效应晶体管衬底。
专利摘要本实用新型涉及一种免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构，其包括脉宽调制器和驱动级电路，该驱动级电路为阈值自适应驱动级，阈值自适应驱动级包括两个FET，两个FET的漏极连通喇叭，阈值自适应驱动级控制两个FET的导通阈值，并择一导通两个FET。采用本实用新型的免除死区时间的数字音频功率放大器电路结构能够有效抑制D类功放电路可能存在的直通电流，降低直通导致电路损坏的风险，减小开关功率损耗，同时避免现有技术中为直通电流而必须设置的死区时间，减小了由于设置死区时间造成的信号失真，从根本上消除设置的死区时间带来的负面影响，且本实用新型的结构简单，成本低廉，应用范围广泛。
文档编号H03F1/30GK202385056SQ201120555400
公开日2012年8月15日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者张殿军 申请人:无锡华润矽科微电子有限公司