稳定高性能音频放大器的制作方法

根据一个或多个实施例，本公开一般涉及音频放大器，并且更具体地例如涉及改善高性能音频放大器内的信号稳定性。

背景技术：

诸如膝上型计算机、计算机平板电脑、mp3播放器和智能电话的许多现代设备利用内部耳机放大器提供耳机连接性。耳机放大器被已知是难以稳定的，因为负载阻抗可以基于耳机实现方式中的变化而显著地变化。例如，取决于耳机型号或耳机制造商，耳机阻抗可以从非常电容性的到非常电感性的或主要地电阻性的之间变化。由于现代设备的小型化以及由这种小型化所引起的热耗散中的限制，用于保持当前耳机放大器中的性能的当前解决方案不是始终实用的。因此，存在有对改善放大器的稳定性和噪声性能的持续需要，以在结合放大器（诸如耳机放大器）的现代设备中保持高性能。

技术实现要素：

本公开提供了致力于本领域中对于现代设备（诸如包括结合外部扬声器连接性的音频放大器的现代设备）中使用的放大器的改善的稳定性的需要的系统和方法。本公开的范围由权利要求所限定，其通过引用结合到此部分中。通过考虑一个或多个实施例的以下详细描述，将向本领域技术人员提供对本公开的更完整的理解以及其附加的优点的实现。将对所附页的图做出参考，所述附图将首先被简要描述。

附图说明

参考以下附图和随后的详细描述，可以更好地理解本公开的方面及其优点。应当领会的是，相似的参考标号用于标识一个或多个附图中图示的相似元件，其中，附图中的示出是出于图示本公开的实施例的目的而不是出于限制本公开的实施例的目的。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地图示本公开的原理上。

图1图示了根据本公开的实施例的高保真度稳定音频放大器的示例性示意图。

图2a-c图示了根据本公开的实施例的输入音频放大器电路的示例性示意图。

图3a-b图示了根据本公开的实施例的可编程输入跨导电路的示例性示意图。

图4是图示根据本发明的实施例的用于高保真度稳定音频放大的方法的流程图。

具体实施方式

本公开描述了致力于本领域中对改善音频放大器的稳定性以保持现代设备（其结合外部扬声器连接性）中高性能的需要的系统和方法。在一个实施例中，本公开的音频放大器包括两个或更多个放大级，其配置成接收音频输入信号并将放大的音频信号提供给扬声器。在一些实施例中，扬声器可以在耳机或其他类型的便携式音频设备中实现。将领会的是，本文中描述的电路和技术可以适用于期望改善的稳定性和低噪声的各种放大器实现方式。

图1图示了根据本公开的实施例的高保真度稳定音频放大器100的示例性示意图。在一些实施例中，图1的高保真度稳定音频放大器100形成音频编解码器电路的一部分。在各种实施例中，高保真度稳定音频放大器100包括音频放大器电路105、幅度检测电路112、放大器切换电路114和负载切换电路116。高保真度稳定音频放大器100接收音频输入信号102并处理音频输入信号102以提供放大的音频输出信号来驱动复阻抗扬声器负载135，其可以在耳机、移动电话、膝上型计算机、平板电脑，音频/视频系统或其他类似设备中实现。在各种实施例中，复阻抗扬声器负载135包括电容性元件135a、电感性元件135b和电阻性元件135c。如本文中所讨论的，取决于类型、制造商和/或型号，复阻抗扬声器负载135可以是高电容性的、高电感性的和/或高电阻性的。终端用户最关心在小输入信号设置的噪声，因为噪声最大地影响在这个电平的用户收听享受。在这点上，如本文中所讨论的，许多现代设备中使用的常规音频放大器难以提供高音频性能，诸如当仍保持低功率消耗时尤其在小信号电平处跨复阻抗扬声器负载135的变化的负载的低噪声电平和信号稳定性。

在图示的实施例中，音频放大器电路105包括三个放大器级，其包括第一级放大器105a、第二级放大器105b和第三级放大器105c。在各种实施例中，输入音频级放大器105a（本文中也称为第一放大器级）是可变跨导放大器，其包括用于选择性设置输入跨导的电路106（例如，多个跨导级）。在操作中，高保真度稳定音频放大器100的部件检测音频输入信号102并基于该检测来调整耦合到音频放大器电路105的输出的稳定性电阻器110和第一放大器级105a的输入跨导。在这点上，动态音频放大器配置对变化的音频输入信号102幅度做出反应以保持放大器稳定性和降低的功率消耗。例如，对于音频放大器电路105的高输入跨导的调整显著降低了噪声。然而，高输入跨导可能影响信号稳定性，并且为降低这种影响，稳定性电阻器110耦合到放大器电路105的输出。在小信号操作模式期间，当噪声由用户最可以察觉时，高输入跨导和稳定性电阻器110提供低噪声和稳定性。在小信号操作模式期间，因为通过稳定性电阻器的电流是低的，所以降低了功率消耗。

此外，当在大信号模式中操作时，可以降低音频放大器电路105输入跨导，并且可以将稳定性电阻器110与音频放大器电路105去耦合。例如，当在大信号模式中操作时，噪声不太由用户可以察觉并且输入跨导可以被降低。此外，稳定性电阻器110可以在大信号模式操作中与音频放大器105输出去耦合，因为放大器电路105可以是更稳定的，并且通过去耦合稳定性电阻器110，可以降低功率消耗。在这点上，高保真度稳定音频放大器100可以利用动态范围要求高于总谐波失真加噪声（thd+n）的任何放大器来实现。在一些实施例中，高保真度稳定音频放大器100利用在近似120-130db的范围内指定的动态范围以及在近似100-105db的范围内指定的thd+n来实现。

在一个实施例中，输入音频放大器级105a是可编程输入跨导放大器，其具有选择性可调整的输入跨导。在一些实施例中，输入跨导可以由放大器切换电路114来调整。例如，输入音频放大器级105a可以由放大器切换电路114来调整，以在第一操作模式中提供高输入跨导并且在第二操作模式中提供较低的输入跨导。在一些实施例中，第一操作模式可以是小信号模式，并且第二操作模式可以是大信号模式。在其他实施例中，输入音频放大器级105a可以包括其他放大器电路布置，其可操作以响应于放大器切换电路114来调整跨导。

如图示的，音频输入信号102可以包括音频输入信号的差分对，并且输入音频放大器级105a配置成在正（+）和负（-）输入端子处接收音频输入信号的差分对，并且当差分对音频输入信号行进通过音频放大器电路105a时处理（例如，诸如放大）差分对音频输入信号。通过选择性切换电路106，高保真度稳定音频放大器100提供可变输入跨导，其能够基于音频放大器电路105的信号操作模式（例如，大信号模式或小信号模式）进行修改。将理解的是，音频放大器电路105可以接收各种类型的输入信号，诸如单端输入信号、差分电流源信号和/或差分电压源信号，并且可以以与本文中关于差分音频输入信号102所描述的方式类似的方式来处理这些信号。

幅度检测电路112可以耦合到输入音频放大器级105a输入端子+和-，以在幅度检测电路112的第一输入端子处接收音频输入信号102的差分对。幅度检测电路112还在第二输入端子处接收信号模式阈值118。在一些实施例中，幅度检测电路112被实现为比较器，以将输入信号102的幅度电平与信号模式阈值118进行比较，以提供幅度检测输出信号122。幅度检测输出信号122将二进制高状态和二进制低状态提供给放大器切换电路114和负载切换电路116。

在一些实施例中，信号模式阈值118被实现为小信号模式阈值和大信号模式阈值。在一些实施例中，可以将大信号模式阈值调整为负五十五db，并且可以将小信号模式阈值调整为负一百db。在这点上，近似负一百db的输入信号102的幅度电平被检测为小信号模式信号，并且幅度检测电路112提供二进制低状态（例如，小信号模式检测信号）。备选地，近似负五十五db的输入信号102的幅度电平被检测为大信号模式信号，并且幅度检测电路112提供二进制高状态（例如，大信号模式检测信号）。将领会的是，在其他实施例中，信号模式阈值118可以被设置为其他值。在一些实施例中，幅度检测电路112包括时间延迟电路112a，其配置成如果输入信号102的幅度电平小于或等于信号模式阈值118，则向幅度检测输出信号122增加为某一时间段的延迟。在一些实施例中，时间延迟电路112a被实现为计数器。在各种实施例中，时间延迟近似是一百毫秒，但是在其他实施例中其他时间延迟也是可能的，例如，诸如在50和100毫秒之间。

放大器切换电路114耦合到幅度检测输出信号122，并且配置成基于幅度检测输出信号122以自适应调整输入音频放大器级105a的输入跨导。在这点上，如果输入信号102的幅度电平被检测为小信号模式输入信号，则放大器切换电路114可以增加输入音频放大器级105a内的输入跨导。在一些实施例中，如果输入信号102的幅度电平被检测为大信号模式信号，则调整放大器切换电路114以降低输入音频放大器级105a的输入跨导。在这点上，高保真度稳定音频放大器100提供可变输入跨导，其能够基于音频放大器电路105的信号模式（例如，大信号模式或小信号模式）操作来进行调整。

负载切换电路116耦合到幅度检测输出信号122，并且配置成自适应调整稳定性电阻器110，其耦合到音频放大器电路105输出。例如，如果输入信号102的幅度电平被检测为大信号模式信号，则负载切换电路116配置成将稳定性电阻器110与音频放大器电路105的输出去耦合。通过断开开关116a和116b，稳定性电阻器110与音频放大器电路105的输出去耦合。开关116a包括连接到稳定性电阻器110的第一端的电刷（wiper）端以及耦合到音频放大器电路105的正输出端子和复阻抗扬声器负载135的第一端的端子端。开关116b包括连接到稳定性电阻器110的第二端的电刷端以及耦合到音频放大器电路105的负输出端子和复阻抗扬声器负载135的第二端的端子端。在这点上，当输入信号102的幅度电平是大信号模式信号时，稳定性电阻器110被去耦合以降低通过稳定性电阻器110的电流，并且降下高保真度稳定音频放大器100的功率消耗和热耗散。

此外，如果输入信号102的幅度电平被检测为小信号模式信号，则负载切换电路116配置成将稳定性电阻器110耦合到音频放大器电路105。在这点上，稳定性电阻器110可以在当输入信号102的幅度电平是小信号模式信号时的时间期间被耦合，以保持高保真度稳定音频放大器100的稳定性而不会有功率消耗中的显著增加。值得注意的是，时间延迟电路112a配置成增加时间延迟以确保输入信号102的幅度电平仍然是小信号模式信号以避免不希望的高电流消耗。在一些实施例中，稳定性电阻器110是一百欧姆的稳定性电阻器110。然而，在其他实施例中稳定性电阻器110可以是其他值。

图2a-c图示了根据本公开的实施例的各种输入音频放大器电路的示例性示意图。在这点上，如图2a中所示，输入音频放大器电路可以被实现为差分电压输入音频放大器电路205。数模转换器（dac）206分别在非反相（+）和反相（-）输入端子处提供差分电压信号207a和207b。在这个实施例中，输入音频放大器电路205配置为差分放大器以处理来自dac206的差分输出电压。

图2b图示了输入音频放大器电路210可以配置成分别在非反相（+）和反相（-）输入端子处从电流源212a和212b接收差分电流信号211a和211b。在此实施例中，输入音频放大器电路210配置为差分放大器以处理差分电流信号211a和211b。图2c图示了输入音频放大器可以被实现为单端音频放大器电路215。dac216在非反相（+）端子处提供电压信号216a。在反相（-）输入端子处的电压信号216b通过电阻器217连接到接地。在此实施例中，输入音频放大器电路215配置为单端放大器以处理来自dac216的单端输出电压信号216a和216b。

图3a-b图示了根据本公开的实施例的可编程输入跨导电路的示例性示意图。如图3a中所示，可编程输入跨导电路305可以利用电流源306a-c来实现。在这点上，可以使用开关307a-c来切换电流源306a，并且可以由晶体管308a-c来控制可编程输入跨导。镜像可编程输入跨导电路305可以使用由开关307d-f和晶体管308d-f所控制的电流源306b来实现。图3b图示了备选的可编程输入跨导电路310。在这点上，电流源311a由晶体管312a所控制，并且开关313a-c分别连接到电流源314a-c。可编程输入跨导电路310还包括电流源311b、晶体管312b和开关313a-c以控制输入跨导的可编程性。在这点上，在一些实施例中，可编程输入跨导电路305和310可以在电流和物理尺寸上变化，以控制音频放大器电路105的输入音频放大器级105a内的输入跨导。

图4是图示根据本发明的实施例的用于高保真度稳定音频放大的方法400的流程图。方法400包括以下操作：用于检测输入信号102的幅度电平（步骤410）；并且将幅度电平与信号模式阈值118进行比较以用于大信号模式信号和小信号模式信号（步骤420）。步骤410和420的操作可以例如由幅度检测电路112来执行。方法400还可以包括调整音频放大器电路105的输入音频放大器级105a的输入跨导以基于将输入信号102的幅度电平与大信号模式和小信号模式阈值118进行比较来调整音频放大器电路105的输入跨导的操作（步骤430）。方法400还可以包括基于所述比较来耦合稳定性电阻器110以保持放大器稳定性并且降低高保真度稳定音频放大器100中的功率消耗和热耗散的操作（步骤440）。

在可适用的情况下，可以使用硬件、软件或者硬件和软件的组合来实现由本公开提供的各种实施例。此外，在可适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，可以将本文中阐述的各种硬件部件和/或软件部件组合成包括软件、硬件和/或两者的复合部件。在可适用的情况下，在不脱离本公开的范围的情况下，本文中阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以分成包括软件、硬件或两者的子部件。另外，在可适用的情况下，预期的是，软件部件可以被实现为硬件部件，并且反之亦然。

诸如程序代码和/或数据的根据本公开的软件可以存储在一个或多个计算机可读介质上。还预期的是，本文中标示的软件可以使用一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统、联网和/或以其他方式来实现。在可适用的情况下，本文中描述的各种步骤的顺序可以被改变、被组合成复合步骤和/或被分成子步骤以提供本文中描述的特征。

前述公开并非旨在将本公开限制于所公开使用的具体领域或精确形式。因而，预期的是，按照本公开，对本公开的各种备选实施例和/或修改，无论本文中显式描述还是隐式描述，都是可能的。因此已经描述了本公开的实施例，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。因此，本公开仅由权利要求所限制。