專利名稱：靜噪起動d類放大器的制作方法
D類放大器將一音頻信號轉(zhuǎn)換成高頻脈沖，該高頻脈沖按照音頻輸入信號打開或關(guān)閉輸出。某種D類放大器采用脈沖寬度調(diào)制器以產(chǎn)生一列寬度隨音頻信號幅度而變的調(diào)節(jié)脈沖。寬充變化有脈沖以一固定的頻率打開或關(guān)閉功率輸出晶體管。別的D類放大器依賴脈沖密度調(diào)制器。另一種D類放大器可能依賴其他類型脈沖調(diào)制器。為了具有啟發(fā)意義，下面的討論又涉及脈沖寬度調(diào)制器，但熟知此專業(yè)的人員知道，D類放大器可以用其他類型調(diào)制器組成。D類放大器的輸出鎖入一低通濾波器，該濾波器將脈沖又轉(zhuǎn)換回放大了的音頻信號，驅(qū)動一個或多個音頻揚(yáng)聲器。這種設(shè)計方法產(chǎn)生一個效率大于90％的放大器，它比線性放大器更復(fù)雜。
D類放大器需要一個積分器，一個占空比調(diào)制器，一個開關(guān)前置驅(qū)動電路和一個輸出濾波器。利用恒定頻率、占空比調(diào)制(

圖1)的半電橋D類放大器對開關(guān)功率晶體管的方波輸出與音頻輸入求和以提供負(fù)反饋。除非采用一個復(fù)雜的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)控制濾波器引入的相移，否則不能在低通濾波器之后取反饋。例如，一個雙極濾波器會引入180°相移而使電路產(chǎn)生振蕩。
方波輸出與音頻輸入同步，但必須去掉載波。積分器對兩個信號求和并模擬輸出濾波器的效果。電路將合成的誤差信號饋入到包含一比較器和三角波發(fā)生器(圖2和圖3)的占空比(duty-cycle)調(diào)制器。于是，電路將三角濾與誤差信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生調(diào)制輸出。
調(diào)制輸出是一方波，方波的占空比正比于輸入信號。在半電橋電路中，該調(diào)制輸出反相驅(qū)動上、下兩個功率開關(guān)；此電路總是驅(qū)動一個開關(guān)成飽和狀態(tài)，而關(guān)斷另一個開關(guān)。在這種開關(guān)技術(shù)的條件下，方波使這種改變狀態(tài)的開關(guān)盡可能地迅速?？焖俚拈_關(guān)限制開關(guān)耗費(fèi)在線性工作區(qū)的時間，從而增加效率和減少熱量產(chǎn)生。開關(guān)和傳導(dǎo)損耗的組合確定了放大器效率的上限。電路濾掉功率開關(guān)產(chǎn)生的高頻方波，只留下放大了的音頻信號。這個信號驅(qū)動一個接參考地?fù)P聲器負(fù)載。
本發(fā)明包括一個靜噪起動電路，此電路包含(a)一個D類放大器，它有一個接收音頻信號的輸入端；對音頻輸入信號取樣的裝置，取樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于音頻輸入信號中的最高音頻；以及把取樣的音頻信號與參考電壓信號進(jìn)行比較的裝置，比較之后產(chǎn)生一列寬度調(diào)制脈沖輸出，每個脈沖的幅度為參考電壓信號的幅度，而脈沖寬度正比于取樣音頻信號的幅度，這個脈沖列的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所述音頻；(b)一個電橋驅(qū)動級電路，它有一個接收D類放大器輸出脈沖列的輸入端，并且將該脈沖的電壓電平從參考電壓改變成驅(qū)動級電壓電平，以及產(chǎn)生功率mosfet(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)門驅(qū)動級信號的裝置，該驅(qū)動級信號包含一列輸出驅(qū)動級脈沖，此驅(qū)動級脈沖寬度正比于取樣音頻信號，驅(qū)動脈沖幅度是驅(qū)動級電壓電平；(c)一個放大器，它有一個連接到音頻輸入信號的第一輸入端以及一個經(jīng)過反饋路徑連接到電橋驅(qū)動級電路輸出的第二輸入端，所述放大器在對音頻輸入積分的第一運(yùn)行模式與對音頻輸入求和的第二運(yùn)行模式之間可以有選擇地切換。
本發(fā)明還包括一個靜噪起動電路，此電路包含(a)一個D類放大器，它有一個接收含有誤差信號和音頻信號輸入的輸入端；一個連接到該輸入端的積分放大器，它用于對輸入信號積分以提供比較器第一輸入信號，一個比較器，它用于對比較器第一輸入信號與包含參考振蕩器電壓信號的比較器第二輸入進(jìn)行比較以產(chǎn)生一列寬度調(diào)制脈沖輸出，每個脈沖的幅度參考電壓信號的幅度，而脈沖寬度正比于取樣音頻信號的幅度，該脈沖列的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所述音頻；開關(guān)裝置，它有一個禁止位置，連接比較器第一輸入端到參考電壓源，產(chǎn)生占空比為50％并使積分放大器飽和的比較器輸出，以及一個允許位置，使積分放大器的輸出逐漸連接到比較器第一輸入端并逐漸使積分放大器脫離飽和。
第一個實(shí)施例便于用控制回路積分器運(yùn)行以克服沖擊聲問題。第二個實(shí)施例以PWM(脈沖寬度調(diào)制)比較器運(yùn)行，以克服沖擊聲問題，該兩個實(shí)施例分別表示在圖4和圖5中。
本發(fā)明的第一個實(shí)施例提供一個輸入放大器，它有一個連接到音頻輸入信號的第一輸入端以及一個經(jīng)過反饋路徑連接到電橋驅(qū)動級電路輸出的第二輸入端。該輸入放大器有一個開關(guān)，此開關(guān)有一使輸入放大器成為積分放大器的第一位置以及使輸入放大器成為對音頻輸入與反饋信號求和的求和放大器的第二位置。輸入放大器實(shí)際上在其輸出端與其音頻輸入端之間有兩條反饋路徑。一條反饋路徑包含一求和電阻器，另一反饋路徑包含一積分電容器。開關(guān)選擇兩條反饋路徑之一。輸入放大器開關(guān)與求和電阻器串聯(lián)，所述開關(guān)對禁止信號的響應(yīng)是選擇斷開和接通經(jīng)過求和電阻器的反饋路徑。帶靜噪起動電路的D類放大器還可能包含一個電橋驅(qū)動級電路和電橋電路。電橋驅(qū)動級電路包括多個功率mosfet器件，用于接收來自電橋驅(qū)動級電路的輸出功率驅(qū)動脈沖，以及一個將功率驅(qū)動脈沖加在功率mosfet門上以產(chǎn)生有功率電壓電平的輸出功率電壓脈沖的裝置。
本發(fā)明的另一個實(shí)施例采用比較器提供靜噪起動。該比較器有第一輸入和第二輸入，第一輸入來自積分放大器，而第二輸入來自參考振蕩器電壓信號。比較器產(chǎn)生一列脈沖寬度調(diào)制的輸出脈沖，每個脈沖的幅度為參考電壓信號的幅度，脈沖寬度正比于取樣音頻信號的幅度。脈沖列的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所述音頻。一開關(guān)連接到比較器第一輸入端，并且對于禁止信號的響應(yīng)是將比較器的第一輸入端連接到靜音參考電壓源上以產(chǎn)生一個占空比為50％的比較器輸出。占空比為50％的輸出在輸出濾波器上被過濾，在揚(yáng)聲器上不產(chǎn)生電壓。在這些條件下，由于控制回路是斷開的，積分器就飽和。通常，參考電壓是振蕩器電壓信號中最大電壓電平的一半，對于允許信號的響應(yīng)是，開關(guān)逐漸將積分放大器的輸出連接到比較器第一輸入端，并且逐漸地使積分放大器脫離飽和。開關(guān)裝置包含一個或多個可變電阻器，當(dāng)開關(guān)裝置處于允許位置時，該可變電阻器就會在靜音參考電壓源與比較器第一輸入端之間逐漸地增大電阻，并且逐漸地減少積分器輸出端與比較器輸入端之間的電阻、靜噪起動放大器開關(guān)連接到一電流源和一電容上。該電流源和電容在放大器從禁止轉(zhuǎn)變到允許時，用于為開關(guān)定時。
本發(fā)明現(xiàn)通過舉例參照附圖給以描述，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)D類放大器的電路圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的占空比調(diào)制器/比較器部分電路圖；圖3是D類放大器輸入信號和輸出信號的波形圖；圖4是靜噪起動D類放大器第一個實(shí)施例的電路圖；圖5是靜噪起動D類放大器第二個實(shí)施例的電路圖；圖6a-6d是圖5中電路的電壓信號波形圖；圖7是圖5中所示電路的詳細(xì)電路示意圖；圖8是圖7中電路運(yùn)行特征的波形圖。
圖4表示D類靜噪起動開關(guān)音頻放大器10的第一個實(shí)施例。起動時存在的問題涉及積分器A1。當(dāng)放大器10起動時，鎖存器U1開始輸出一禁示信號以阻止電橋12的開關(guān)作用，直至有足夠的偏置電壓。在由R1，C1設(shè)定的延遲以后，鎖存器U1被鎖住，放大器進(jìn)入允許狀態(tài)。來自U1的禁止/允許輸出是以二極管與另一個信號連接，該信號檢測是否有音頻信號輸入到放大器，為了保存功率，放大器無輸入信號時，用“無輸入”信號切斷經(jīng)過電橋驅(qū)動級14送給電橋12有門驅(qū)動信號。電橋驅(qū)動級是一個由美國Florida州Melbourne市Harris公司制造和銷售的HIP4080A集成電路。起動之后，若檢測到一過電流，U1的鎖存輸出用于禁止放大器輸出。切斷輸出電橋的門驅(qū)動信號帶來的問題是，不再有任何反饋輸入給積分器A1。在這些條件下，積分器A1在供電為正或?yàn)樨?fù)時飽和，其正負(fù)取決于輸入信號和初始條件。當(dāng)放大器重新處于允許狀態(tài)時，產(chǎn)生沖擊聲。電橋開始開關(guān)工作，且誤差電壓立即將揚(yáng)聲器電壓推向最大值。來自揚(yáng)聲器的反饋(未畫出)使積分器的輸出被修正，并且從其飽和的輸出轉(zhuǎn)到跟隨輸入。在積分器A1和揚(yáng)聲器輸出上的巨大電壓轉(zhuǎn)變引起一個給揚(yáng)聲器的爆發(fā)性沖擊聲。消除這種沖擊聲是非常必要的。
模擬開關(guān)S1已并入到積分器電路A1。開關(guān)S1由禁止信號控制。當(dāng)輸出電橋12處在禁止?fàn)顟B(tài)時，S1開關(guān)接通，A1變成求和放大器而不是積分器。因?yàn)殡姌?2沒有開關(guān)工作，揚(yáng)聲器兩端的電壓下降至零，而A2的輸出上升到+6V。在這種線路連接中，A1是一個增益的-R3/R2乘輸入的倒相放大器。此處R3的選取是為了在起動之前不使A1飽和。所以，當(dāng)放大器在允許狀態(tài)時，電橋開始開關(guān)工作而開關(guān)S1是斷開的。A1的誤差電壓輸出繼續(xù)跟隨輸入，正如S1在斷開之前一樣，所述消除了起動沖擊聲。
靜噪起動放大器的第二個實(shí)施例表示在圖5中，還表示在圖6a-6d和圖7中。這個實(shí)施例關(guān)系到音頻集成電路(IC)PWM控制器，其中積分放大器A1是在IC之外。參照圖5，當(dāng)IC U3在禁止?fàn)顟B(tài)時，輸出端停止開關(guān)工作。S3將控制開關(guān)S2的靜音信號接地，使PWM比較器20的正輸入端連接到+6V。當(dāng)去掉禁止信號時，開關(guān)S3允許電流源對靜音節(jié)點(diǎn)上的電容器22充電，并在開關(guān)S2處產(chǎn)生慢變控制電壓。開關(guān)S2包括圖6中有詳細(xì)描述的傳輸門(transmission gate)。傳輸門按照電容器22兩端的電壓逐漸接通或斷開。當(dāng)控制電壓是低時，由于IC U3是在允許狀態(tài)，輸出端開始開關(guān)工作。不管誤差信號如何，PWM比較器20發(fā)出50％方波命令，因?yàn)檫B到比較器正輸入端是+6V，這是在比較器負(fù)輸入端上三角波的中點(diǎn)。H-電橋24的50％占空比輸出被過濾，導(dǎo)致負(fù)載26兩端的電壓為零。當(dāng)控制電壓上升時，比較器20的正輸入端從+6V參考電壓切換到輸入。在一段轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，PWM比較器20的正輸入端經(jīng)可變電阻器同時連接到E/A輸入端和+6V上。從+6V至E/A的開關(guān)轉(zhuǎn)換是在減小PWM正端與E/A之間電阻的同時，慢慢增加PWM正端與-6V之間電阻中實(shí)現(xiàn)的。開關(guān)轉(zhuǎn)換是故意造成重疊的，使在50％占空比輸出與正常運(yùn)行條件之間允許逐漸轉(zhuǎn)換。這使得在電橋輸出仍然主要由+6V參考電壓控制時，積分器脫離飽和，從而消除了起動時的瞬變。
起動過程的模擬表示在圖6a-6d中。圖6a上曲線表示軟起動電壓，并代表靜音管腳上慢升控制電壓。圖6c表示圖5中積分器A1輸出飽和到負(fù)電源干線，OV。圖6d表示輸入信號，隨著軟起動電壓上升，積分器從飽和狀態(tài)恢復(fù)到跟隨輸入。圖6c中表示的正向尖刺是一模擬異常，它并不在圖6b中出現(xiàn)。圖6b代表比較器正端。圖6b表示比較器輸入正端上+6V參考電壓與輸入信號之間的平滑轉(zhuǎn)換。
在運(yùn)行中，當(dāng)禁止信號在高電平時，輸出為禁止?fàn)顟B(tài)，開關(guān)S3接地，PWM比較器20的正輸入端連接到+6V。三角波在+4V與+8V之間變化，所以PWM有50％的占空比。當(dāng)去掉禁止信號時，開關(guān)S3通過靜音管腳上的外接電容器22連接到電流源I1。電流I1漸漸將靜音管腳上的電容器22*充電到+12V。同時，開關(guān)S2逐漸將PWM比較器20的正輸入端連接到積分器A1的輸出端，并將正輸入端與+6V脫離。這種逐漸的連接是由可變電阻器(未畫出)實(shí)現(xiàn)的，此可變電阻器逐漸增加+6V電源與正輸入端之間的電阻并減小A1輸出端與PWM比較器正輸入端之間的電阻?？勺冸娮杵魇荖溝道和P溝道MOS場效應(yīng)管(MOSFETs)，并且是在開關(guān)S2的內(nèi)部，MOSFETs形成傳輸門，將結(jié)合圖7給以說明。這就允許A1逐漸脫離飽和，并且跟隨加在+6V直流電平上交變的音頻輸入。
圖7表示圖5中在S2一種方案的詳細(xì)示意圖。電路有包含晶體管M8與M22的傳輸門62，包含晶體管M23與M24的傳輸門60，連接到靜音管腳電流源的接通/斷開控制門64，以及控制傳輸門的附加的多個電流反射鏡。用UVN標(biāo)記的管腳連接到芯片電平禁止信號，管腳SS(靜噪起動，Silent Start)連接到外部的靜音管腳和電容器22。當(dāng)禁止信號在高電平或UVN在低電平時，由M42選通的電流源P10A斷開，而SS管腳即靜音管腳由外部裝置推向VSS。當(dāng)SS管腳即靜音管腳在VSS上時，晶體管MO克服反射進(jìn)入M27的10μA電流，將門控制線A拉向高電平。晶體管M28也處在通態(tài)，其電流受電阻器29限制。來自M28的電流被M6反射進(jìn)入M2，并且將門控制線B拉向低電平。在門控制線處于A＝高，B＝低這種狀態(tài)下，傳輸門62(M8，M22)斷開，傳輸門60(M23，M24)接通。這就使VREF輸入端連接到PWM正輸出端。如上所述，VREF連接到+6V，而PWM的正輸出端連接到PWM比較器的正輸入端。當(dāng)芯片處于允許狀態(tài)時，UVN上升到高電平，允許電流源P10A對連接到SS管腳即靜音管腳的電容器22充電。當(dāng)SS管腳即靜音管腳電平在VDD的PMOS閾值之內(nèi)，MO和M24開始斷開。當(dāng)SS管腳即靜音管腳繼續(xù)充電到VDD時，固定電流源M27和M32轉(zhuǎn)變門控制線上的電壓。門控制電壓A和B如圖8中所示。在SS＝VDD，A＝低，B＝高的穩(wěn)定態(tài)，M8與M22(傳輸門62)接通，M23與M24(傳輸門60)斷開。這就使表示誤差放大器或積分器輸出的E/A輸入端連接到PWM的正管腳，該正管腳以集成電路最高電平連接到PWM比較器正輸入端。
在積分器電路A1中放入模擬開關(guān)S1以克服D類放大器的起動噪聲。A1反饋路徑中的電阻器R3避免A1飽和。在另一個實(shí)施例中，靜噪起動開關(guān)將可變電阻器連接到比較器的輸入端。該電阻值逐漸增大。
權(quán)利要求
1.一個靜噪起動電路，它包括(a)一個D類放大器，它有一個接收音頻信號的輸入端；對音頻輸入信號取樣的裝置，取樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于音頻輸入信號中最高音頻；以及對取樣的音頻信號與參考電壓信號進(jìn)行比較的裝置，比較之后提供一列寬度調(diào)制脈沖輸出，每個脈沖的幅度為參考電壓信號的幅度，而脈沖寬度正比于取樣音頻信號的幅度，這個脈沖列的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所述音頻；(b)一個電橋驅(qū)動級電路，它有一個輸入端，用于接收D類放大器的輸出脈沖列，并且將該脈沖列的電壓電平從參考電壓改變成驅(qū)動級電壓電平；以及產(chǎn)生一功率mosfet門驅(qū)動的信號的裝置，該驅(qū)動級信號包含一列輸出驅(qū)動級脈沖，此驅(qū)動級脈沖寬度正比于取樣音頻信號，驅(qū)動級脈沖幅度是驅(qū)動電壓電平；(c)一個放大器，它有一個連接到音頻輸入信號的第一輸入端以及一個經(jīng)過反饋路徑連接到電橋驅(qū)動級電路輸出的第二輸入端，所述放大器在對音頻輸入積分的第一運(yùn)行模式與對音頻輸入求和的第二運(yùn)行模式之間可以選擇地切換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的靜噪起動電路，其中放大器在其輸出端與其音頻輸入端之間有兩條反饋路徑，一條反饋路徑包含一求和電阻器，另一條反饋路徑包含一積分電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的靜噪起動電路，它包含與該求和電阻器串聯(lián)的開關(guān)，所述開關(guān)是對有選擇地斷開和接通經(jīng)過求和電阻器的反饋路徑的禁止信號響應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一條的靜噪起動電路，其特征在于，電橋電路包括多個接收來自電橋驅(qū)動級電路輸出的功率驅(qū)動脈沖的功率mosfet器件，以及將功率驅(qū)動級脈沖加在功率mosfet門上以產(chǎn)生功率電壓電平上的輸出功率電壓脈沖的裝置。
5.一個靜噪起動電路，它包括(a)一個D類放大器它有一個接收包含誤差信號和音頻信號輸入的輸入端，一個連接到該輸入端的積分放大器，用于對輸入信號積分以提供比較器的第一輸入信號，一個比較器，它對比較器的第一輸入信號與包含參考振蕩器電壓信號的比較器第二輸入進(jìn)行比較，以產(chǎn)生一列寬度調(diào)制脈沖輸出，每個脈沖的幅度為參考電壓信號的幅度，脈沖寬度正比于取樣音頻信號的幅度，脈沖列的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所述音頻；開關(guān)裝置，它有一個禁止位置，用于連接比較器第一輸入端到參考電壓源以產(chǎn)生一占空比為50％，使積分放大器飽和的比較器輸出，以及一個允許位置，用于逐漸把積分放大器的輸出連接到比較器第一輸入端并逐漸使積分放大器脫離飽和。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的靜噪起動放大器，其特征在于，(b)一個電橋驅(qū)動電路，它有一個接收D類放大器輸出脈沖列的輸入端，并且將脈沖的電壓電平從參考電壓改變成驅(qū)動電壓電平，以及產(chǎn)生功率mosfet門驅(qū)動級信號的裝置，該驅(qū)動級信號包含一列輸出驅(qū)動級脈沖，驅(qū)動級脈沖寬度正比于取樣音頻信號，驅(qū)動級脈沖幅度是驅(qū)動級電壓電平。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的靜噪起動放大器，其特征在于，(c)一個電橋電路，它包括多個接收來自電橋驅(qū)動級電路的輸出功率驅(qū)動脈沖的功率mosfet器件，以及將功率驅(qū)動級脈沖加在功率mosfet門上以產(chǎn)生功率電壓電平上的輸出功率電壓脈沖的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)的靜噪起動放大器，其中開關(guān)裝置包括幾個可變電阻器，當(dāng)開關(guān)裝置處在允許位置時，可變電阻器會逐漸增加靜音參考電源與比較器第一輸入端之間的電阻并逐漸減小積分器輸出端與比較順輸入端之間的電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任一條的靜噪起動放大器，其特征是，一個電流源和一個電容器，所述電容器連接到可變電阻器上，并按照該電容器上的電荷量改變電阻器的電阻，其中可變電阻器包含第一傳輸門和第二傳輸門，電容器連接到兩個傳輸門的門上。
全文摘要
在積分器電路A1中放入模擬開關(guān)S1以克服D類放大器的起動噪聲。A1反饋路徑中的電阻器R3避免A1飽和。在另一個實(shí)施例中,靜噪起動開關(guān)將可變電阻器連接到比較器的輸入端。該電阻值逐漸增大。
文檔編號H03F3/217GK1175821SQ9711334
公開日1998年3月11日 申請日期1997年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月27日
發(fā)明者喬治·E·當(dāng)斯, 拉里·A·金, 約漢·K·弗格 申請人:哈里公司