CN101330277B - 功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除电路与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除电路与方法，特别是关于一种利用电容充电与放电特性，使功率放大器开关机时，利用输入电容的充电特性来取代输出电容的预充电，使喇叭在开关机时爆音低于可以听见的程度。本发明不但有低成本及设计简单的优点，同时在设计上不会对频宽造成限制。

Description

功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除电路与方法

技术领域

本发明涉及一种功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除电路与方法，特别涉及一种利用输入电容的充电电压来做为输出电容的预充电，让喇叭开关机爆音低于可听见的程度。 

背景技术

在现今的数字化世界里，喇叭的使用率不低于任何一种电子零件，从计算机、电视到任何影音设备，都一定会利用到喇叭。更有许多人不惜花费大成本来提升喇叭***以求拥有更优良的音质。然而，使用者常常会发现含有喇叭的电子用品，往往在开关机的时候都会有爆音出现。长期的爆音不止在一些产品会对听觉造成伤害，喇叭本身也有可能损害。 

传统上处理开机爆音的方法是在开机之前，让放大器处于关闭状态直到相关电容电压稳定后放大器再输出声音信号。如图1所示，当电源供应器(Power Supply)启动时，电源供应电压会从零电压上升到V_cc。在这段期间，输出电容C_out透过两个分压电阻R开始充电，充电电流的公式为 

I＝(Vcc/R)e^-t/0.5RCout

其中充电电流的初始值，亦即最高值，I_peak＝V_cc/R，而充电时间常数为0.5RC_out。由于充电电阻R的值远远大于喇叭负载的值，通常为4ohms或8ohms，以上公式忽略喇叭的负载。 

一般音频放大器要求低频-3db频率小于20Hz，低频-3db频率与喇叭的阻抗及输出电容C_out的关系为f_-3db＝1/(1/2πR_spkC_out)。其中R_spk代表喇叭的阻抗(Speaker Impedance)，对于4ohms的喇叭而言在20Hz低频-3db的要求下C_out＝1/(2πR_spkf_-3db)＝1/(2π×4×20)＝2000uF。所以，为了频宽问题，输出电容C_out值需要大到2000uF。 

为了降低充电的峰值电流，I_peak＝V_cc/R，R值必须尽可能的大。如果要降低峰值电流到1mA以下并假设电源电压为5V，则R＝V_cc/I_peak＝5V/1mA＝5kohms。

电容充电电压的公式为 

V＝Vcc/2(1-e^-t/0.5RCout)， 

如要充饱输出电容C_out的电压至Vcc/2的99％则 

(V_cc/2)×99％＝V_cc/2(1-e^-t/0.5RCout)， 

即 

(5V/2)×0.99＝5V/2(1-e^-t/0.5RCout)， 

这样 

t＝-0.5RC_out×1n(0.01)＝2.3RC_out

 ＝2.3×5k ohms×2000uF 

 ＝23seconds。 

由以上式可知如要降低爆音电流至1mA以下且充电电压达到99％则等待时间必须大于23秒。但合理的等待时间需小于3～5秒，如此爆音电流需增加至将近5～8mA。所以设计者必须要在等待时间与爆音的大小之间做折衷选择。 

在等待时间或延迟时间之后，放大器(Amplifier)的输出会被开启，然后一个V_cc/2的电压被传送到C_out。假使该延迟时间不够长，即Cout的电压未达到Vcc/2时喇叭会出现第二个爆音，因为放大器输出的V_cc/2电压将会强迫C_out快速充电至V_cc/2而产生大的瞬间充电电流。 

除了输出电容的充电爆音以外，输入电容也有充电爆音的问题如图2所示，输入电容C_in的值也受限于-3db的需求，低频f_-3db频率的计算公式为f_-3db＝1/2πR_inC_in。由MAXIM公司所提出(MAX9715，page8)及由PhilipsSemiconductors所提出(TDA8932，page16)的解决方法都将放大器的输出级关闭，直到输入充电电路及输出充电电路都稳定之后再打开，该方法的基本原理与前述方法类同而需要开机等待时间。 

发明内容

本发明的主要目的是在提供一种喇叭开机及关机爆音的消除的电路与方法，特别是通过将输入电容充电电压做为输入信号平缓的对输出电容预充电而让喇叭开关机爆音低于可听见的程度。 

本发明的电路主要包括控制单元，通过侦测供应电源的电压来指导操作，同时按照电路需求发送控制信号到开关电路及放大器，其中至少一个开关接收该控制信号并负责控制电路里电容的充电与放电；放大器，放大输入信号 或电压后输出至低频LC滤波器。滤波后的信号再传送至喇叭装置。因此当开机时，控制单元会发送控制信号给开关开始对输入电容Cin充电，此充电信号直接放大且推动喇叭。由于输入电容的充电电压为平缓上升电压，其充电时间常数为(Rs+Rin)x Cin。此平缓上升电压经放大器放大之后也是平缓的输出电压，此平缓的输出电压将对输出电容Cout进行平缓的充电，用平缓的充电取代了高峰值的预充电，I_peak＝Vcc/R，而使开机爆音降低。当该控制信号侦测到关机时，已充电的电容经过放大器内的放电电路放电以待下一次开关时再平缓充电。 

以输入电阻值等于20K ohms及输入电容值等于1uF为例，输入电路的-3db频率为1/(2π×20k×1u)＝8Hz，在此情况下，只要1uF的小电容即可达到8Hz的低频频宽。一般喇叭的频率响应及人耳的听觉大概在20Hz以上，如果输出的电容充电速率小于喇叭所能表现或人耳所能查觉就不会有爆音的感觉。如果以8Hz的频宽产生一个充电电压则此充电即不会造成爆音。另外此种充电方式并不需要等到所有电容充电到饱和才可输入音乐信号。输入电路的充电曲线为 

V＝V_cc/2(1-e^-t/RinCin)， 

以Rin＝20k ohms及Cin＝1uF来计算充电电压则 

    V＝5/2(1-e^-t/20kxlu) 

     ＝2.5(1-e^-t/20m)， 

如果电压充到V_cc的99％，则 

5/2x99％＝5/2(1-e^-t/20m)，即 

0.99＝1-e^-t/20m， 

或t＝-20m×1n0.01 

    ＝0.092seconds。 

此时的充电电压与Vcc/2之差为 

5V/2-5V/2×99％＝0.025V。 

通常功率放大器的电压增益约为10倍，则0.025V将被放大为0.025V×10＝0.25V。此时如果输入音乐信号，如此小的电压不会对音乐质量造成影响。由以上讨论可知等待时间只有0.1秒且不会有第二爆音产生。 

附图说明

图1为现有技术电路示意图； 

图2为另一现有技术电路示意图； 

图3为本发明的电路示意图； 

图4为本发明的电路时序示意图。 

图号说明： 

1    信号源 

2    信号源电阻R_s

3    开关晶体管NMOS2 

4    输入电容C_in

5    开关晶体管NMOS1 

6    输入电阻R_in

7    放大器 

8    控制单元 

9    LC低频滤波器 

10   输出电容C_out

11   喇叭 

具体实施方式

本发明的主要目的是在提供一种在开关机时喇叭所产生的爆音消除的电路及方法，通过利用输入电容的平缓充电做为输入信号而对输出电容做平缓的预充电以降低喇叭开关机爆音至听不见的程度。如图3所示，一个信号源1的输出端设有一个信号源电阻R_s2，信号源电阻R_s2则连接到一个开关晶体管NMOS2(3)与输入电容C_in4。由于开关晶体管NMOS2(3)的一端接到***地(System Ground)，因此当开关晶体管NMOS2(3)启动时，会把输入信号短路到***地，由此把提供给喇叭11的信号切断。输入电容C_in4则搭接到开关晶体管NMOS1(5)和输入电阻R_in6，由于开关晶体管NMOS1(5)的一端也是接到***地，因此当开关晶体管NMOS1(5)启动时，经由输入电容C_in4的电压会直接短路到***地，输入电阻R_in6则搭接到放大器7的输入端。开关晶体管 NMOS2(3)以及开关晶体管NMOS1(5)两个都属于金属氧化半导体。此外，开关晶体管NMOS1(5)、开关晶体管NMOS2(3)以及放大器7同时搭接到一个控制单元8，控制单元8通过侦测供应电源的电压来指导操作并且发出控制信号来控制开关晶体管NMOS1(5)、开关晶体管NMOS2(3)以及放大器7。放大器7的信号输出端会更进一步连到一个LC低频滤波器9，LC低频滤波器9的输出会再连接到一个输出电容C_out10，输出电容C_out10则连接到喇叭装置11。为了让本发明实施例能更详细被了解，以下会通过在输入电容C_in4之后的A点、放大器7输出端的B点及低频滤波器9的输出端C点的电压变化来解释。 

图4为本发明图3的电路时序图，在开机之前所有的信号都处于地电压。当电源电压V_cc上升时，即t1～t2之间，SW1及SW2控制信号随着电源电压而上升，也就是开关晶体管NMOS2(3)及开关晶体管NMOS1(5)保持导通状态，使输入电容C_in4两端的电压维持在地电位。当电源电压上升到某一电压值时，即t2，SDNB的信号由地电压转为高电压以启动放大器，在此同时SW1的信号转为地电压以关闭开关晶体管NMOS1(5)。如此放大器内部电压经过输入电阻R_in6对输入电容C_in4充电而使A点电压上升如图标。如图4所示放大器在接收A点的电压之后即输出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调节)信号至B点。由于电源电压还在上升，即t2～t3，故B点的脉冲电压的幅度也随之上升。另A点的电压为一平缓的上升电压所以其对B点PWM调节度低，这两个因素造成B点电压的幅度为一平缓上升且脉冲宽度为由小变宽的PWM信号。此B点信号在经LC低频滤波器9之后，即C点信号，为一平缓上升电压以对输出电容C_out10充电，在充电完成后，即t3，SW2的信号由高电压转为地电压以关掉开关晶体管NMOS2(3)，如此则信号源的信号即经过信号源电阻R_s2、输入电容C_in4及输入电阻R_in6传送至放大器7，此时整个电路进入正常操作状态。由图示t3的时间点不一定要等到A点充电电压稳定。 

关机时，电源电压Vcc即开始下降，即t4～t5，此时放大器7处于一个较低的工作电压，所以其输出信号B的脉冲幅度也随着降低，经滤波之后的C点电压也随之下降。当电源电压降至某一低电压时，即t4，SDNB信号即由高电压转为低电压以关掉放大器7并启动放大器7的内部放电电路，此时放大器内部的放电电路即对B点进行放电。在此同时SW2也由低电压转为高电压而打开开关晶体管NMOS2(3)而将信号源的信号经信号源电阻Rs 2短路到地，使输入信号不再传送到放大器7。由于此时电源电压已处于低电压状态，B点或C点的放电电流可相对的减少而不致造成喇叭11的关机爆音。在同一时间点，即t4，SW1信号也由低电压转为高电压而导通开关晶体管NMOS1(5)，使A点电压快速放电至地电压以备下一次开机时A点电压处于地电压的初始值。开关晶体管NMOS1(5)导通将对放大器7造成一个低电压输入，但此时放大器7已经被关闭故不会造成喇叭11爆音。在t5时整个电路回到地电压而此放大器可再被重新被启动。 

以上说明以D类功率放大器为例，其它类型的功率放大器如AB类功率放大器其操作或改进原理也是相同的。 

在具体实施中，还可以按如下方式实施： 

一种功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除方法，包括： 

通过控制单元来控制至少一个开关，其中所述的至少一个开关控制电路，包括输入电容和输出电容，开机时，第一开关控制所述输入电容充电，此充电电压经所述放大器放大后，直接对所述输出电容预充电，设立第二开关来负责开启及关闭所述电路信号源的信号，关机时，所述第二开关切断电路信号源的信号，所述第一开关将所述输入电容放电，所述放大器被关闭且放电电路同时对所述输出电容放电。 

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除电路，其特征在于，包括：

控制单元，通过侦测声音讯号源来指导操作，并按照电路需求发送控制信号；

第一开关接收所述控制信号并负责控制电路里的输入电容和输出电容的充电与放电；

第二开关接收所述控制信号并负责开启及关闭所述声音讯号源；

放大器，放大输入信号；以及

低频滤波器，平均所述放大器所输出的信号并将滤波后的滤波信号传送给喇叭装置，所述输入电容连接在信号源电阻及开关晶体管NMOS1和输入电阻之间，所述输出电容连接在低频滤波器及喇叭之间；所述喇叭装置开机时，所述第一开关控制所述输入电容充电，此充电电压经所述放大器放大后，直接对所述输出电容预充电；该喇叭装置关机时，所述第二开关切断声音讯号源，所述第一开关将所述输入电容放电，所述放大器被关闭且放电电路同时对所述输出电容放电。

2.如权利要求1所述功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除电路，其特征在于，所述第一开关为金属氧化半导体。

3.如权利要求1所述功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除电路，其特征在于，所述第二开关为金属氧化半导体。

4.一种功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除方法，包括：通过控制单元来控制第一开关，以及第二开关，其中所述第一开关控制电路里输入电容和输出电容的充电与放电，所述输入电容连接在信号源电阻及开关晶体管NMOS1和输入电阻之间，所述输出电容连接在低频滤波器及喇叭之间；所述喇叭装置开机时，第一开关控制所述输入电容充电，此充电电压经放大器放大后，直接对所述输出电容预充电，其中所述第二开关来负责开启及关闭电路信号源的信号，关机时，所述第二开关切断电路信号源的信号，所述第一开关将所述输入电容放电至地电压，所述放大器被关闭且放电电路同时对所述输出电容放电。

5.如权利要求4所述功率放大器开机及关机时喇叭爆音的消除方法，其特征在于，所述控制单元通过发送控制信号到所述第一开关和第二开关来控制所述第一开关和第二开关。

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