CN103346740B - 用于抑制噪声的d类音频功率放大器及其音频信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于抑制噪声的D类音频功率放大器及其音频信号处理方法，该D类音频功率放大器至少包括积分器、比较器、驱动器、功率开关元件，及反馈网络，还包括用于控制信号延时的压控延时电路和用于为压控延时电路提供控制信号的信号幅度检测模块。由于增设了压控延时电路和信号幅度检测模块，减小了D类音频功率放大器的过零失真和串扰噪声，减小了开关机噪声（POP？and？CLICK），减小了THD+N参数（总谐波失真加噪声），提高了电源抑制（PSR）能力和放大器的整体音质。由于使用方波调制信号作为音频输入信号的载波信号，省去了现有D类音频功率放大器中的三角波产生电路，节约了芯片的面积，节省了芯片制作成本。

Description

用于抑制噪声的D类音频功率放大器及其音频信号处理方法

技术领域

本发明涉及音频功率放大技术领域，尤其涉及一种用于抑制噪声的D类音频功率放大器及其音频信号处理方法。

背景技术

如图1所示，D类音频放大器采用载有音频输入信号Vin的高频方波调制来控制功率开关元件。该功率开关元件驱动负载扬声器发声。现有技术中的D类音频放大器中使用的功率开关元件一般尺寸很大，由于其尺寸很大其栅极寄生电容也很大，导致小的音频输入信号Vin会产生很大的失真。或者在音频输入信号Vin为零时，由于功率开关元件的同时开关而产生串扰噪声。

如图2所示，在音频输入信号Vin为零时，由于该改进型的D类音频放大器在驱动H桥式输出级的两路PWM调制信号之间增加了一定的延时Δt，在一定程度上该改进型的D类音频放大器抑制了过零失真和在音频输入信号Vin为零时D类音频放大器发出的串扰噪声。但是这种改进型D类音频放大器设计的固定延时Δt，在芯片启动后一直存在，Δt虽然减小了小信号时的信号失真，可是在较大信号输入时，失真和电源噪声在一定程度上加重了；同时这种改进也导致了D类音频放大器在开机和掉电的瞬间，开关机噪声（POPandCLICK）增大。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种D类音频功率放大器的***以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于抑制噪声的D类音频功率放大器及其音频信号处理方法，以保证在抑制D类音频功率放大器的过零失真和串扰噪声的同时，抑制D类音频功率放大器的开关机噪声（POPandCLICK）。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于抑制噪声的D类音频功率放大器，至少包括积分器、比较器、驱动器、功率开关元件，及反馈网络，其特征在于：还包括用于控制信号延时的压控延时电路和用于产生所述压控延时电路的控制信号的信号幅度检测模块；所述信号幅度检测模块的输出端与所述压控延时电路的控制输入端连接；所述信号幅度检测模块的输入信号来自于所述D类音频功率放大器的通路，通过预先设定信号幅度参考值，自动检测所述信号幅度检测模块输入信号并与所述信号幅度参考值比较，获得所述控制信号；

所述压控延时电路的输入端输入作为参考波的方波，所述压控延时电路的控制端输入所述信号幅度检测模块输出的所述控制信号，所述压控延时电路的输出端输出延时方波，所述延时方波为产生了一个延时的所述方波；所述方波输入所述积分器的第一参考波输入端，所述延时方波输入所述积分器的第二参考波输入端；所述积分器的第一输出端与第一比较器的同相输入端连接，所述积分器的第二输出端与第二比较器的同相输入端连接，参考电压输入所述第一比较器、所述第二比较器的反相输入端；

或所述压控延时电路的输入端输入作为参考波的三角波，所述压控延时电路的控制端输入所述信号幅度检测模块输出的所述控制信号，所述压控延时电路的输出端输出延时三角波，所述延时三角波为产生了一个延时的所述三角波；所述三角波输入所述第一比较器的反相输入端，所述延时方波输入所述第二比较器的反相输入端；所述积分器的第一输出端与第一比较器的同相输入端连接，所述积分器的第二输出端与第二比较器的同相输入端连接；

或所述压控延时电路的输入端与所述第一比较器的输出端连接，所述压控延时电路的控制端输入所述信号幅度检测模块输出的所述控制信号，所述压控延时电路的输出端与第一驱动器的输入端连接；所述第二比较器的输出端与第二驱动器的输入端连接。

较佳地，所述压控延时电路包括延时电阻、延时电容，当所述D类音频功率大器工作时，所述延时的大小与所述延时电阻及所述延时电容相关：

$\mathrm{\Δt}=2*\frac{\mathrm{Rd}*\mathrm{Cd}}{\ln 2}$

Δt为所述延时、Rd为所述延时电阻、Cd为所述延时电容；当所述D类音频功率放大器开启/关闭时，所述延时近似为零。

较佳地，所述压控延时电路还包括第一开关元件，所述第一开关元件与所述延时电阻并联；当所述压控延时电路的控制端为低电平时，所述第一开关元件关闭，使所述延时电阻短路；当所述压控延时电路的控制端为高电平时，所述第一开关元件打开，使所述延时电阻开路。

较佳地，所述压控延时电路还包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一开关元件的控制端连接，所述第一电容的第二端与地连接；所述第一电容用于控制所述第一开关元件的控制端的电压的充放电时间。

较佳地，所述信号幅度检测模块的输入信号是所述D类音频功率放大器的输出信号。

为实现上述目的，本发明也提供了一种D类音频功率放大器的音频信号处理方法，

a）在积分器输入级，或比较器输入级，或驱动器输入级连接一个压控延时电路，用于使第一功率开关元件的驱动信号与第二功率开关元件的驱动信号之间产生一个延时；

b）所述压控延时电路的控制信号由信号幅度检测模块提供：所述信号幅度检测模块通过预设的信号幅度参考值，自动检测来自于所述放大器通路的输入信号，并将检测结果与所述信号幅度参考值比较，得到所述压控延时电路的控制信号；

c）在所述D类音频功率放大器开启后，经过一个充电时间，所述压控延时电路使得所述第一功率开关元件的驱动信号与所述第二功率开关元件的驱动信号之间产生所述延时；在所述D类音频功率放大器关闭前，经过一个放电时间，所述压控延时电路使得所述第一功率开关元件的驱动信号与所述第二功率开关元件的驱动信号之间的所述延时消除；在所述D类音频功率放大器开启/关闭时，所述延时的大小近似为零。

较佳地，所述压控延时电路包括延时电阻、延时电容，所述延时大小与所述延时电阻及所述延时电容相关：

$\mathrm{\Δt}=2*\frac{\mathrm{Rd}*\mathrm{Cd}}{\ln 2}$

Δt为所述延时、Rd为所述延时电阻、Cd为所述延时电容。

较佳地，所述压控延时电路还包括第一开关元件，所述第一开关元件与所述延时电阻并联；当所述压控延时电路的控制端为低电平时，所述第一开关元件关闭，使所述延时电阻短路，当所述压控延时电路的控制端为高电平时，所述第一开关元件打开，使所述延时电阻开路。

较佳地，所述压控延时电路还包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一开关元件的控制端连接，所述第一电容的第二端与地连接；所述第一电容用于控制所述第一开关元件的控制端的电压的充放电时间。

较佳地，所述信号幅度检测模块的输入信号是所述D类音频功率放大器的输出信号。

本发明提供的一种用于抑制噪声的D类音频功率放大器及其音频信号处理方法有如下技术效果：由于增设了压控延时电路和信号幅度检测模块，采用自适应控制思想，通过自动检测信号幅度的大小，以产生相应的压控延时电路的控制信号，根据控制信号该压控延时电路使得D类音频功率放大器的两个驱动信号之间产生延时从而减小了D类音频功率放大器的过零失真和串扰噪声；该压控延时电路使得D类音频功率放大器的两个驱动信号在开关机时延时为零从而减小了D类音频功率放大器的开关机噪声（POPandCLICK）和THD+N（总谐波失真加噪声）。开机时控制端信号从低电平变为高电平。延时Δt开始时近似为零，只有经过充放电时间Ts之后延时Δt才渐渐达到预设时间Td。因此开机瞬间，脉宽调制信号PWM1，PWM2之间的相对延时的大小近似为零。由于避免了开关功率管在开机瞬间输出差分信号，从而抑制了D类音频功率放大器的开关机噪声（POPandCLICK）。开机经过一定时间延时Δt逐渐达到预设时间Td后，脉宽调制信号PWM1，PWM2之间有预设时间Td的延时Δt，从而减小了放大器的过零失真和串扰噪声。关机时控制端control信号从高电平变为低电平，延时Δt会很快变为近似零，由此抑制了D类音频功率放大器的开关机噪声（POPandCLICK），提高了电源抑制（PSR）能力，并且减小了较小信号时的失真，提高了较大信号时的音质，也就是提高了D类音频功率放大器的整体音质。同时，由于使用方波调制信号作为音频输入信号的载波信号，省去了现有技术中D类音频功率放大器中的三角波产生电路，节约了芯片的面积，也节省了芯片的制作成本。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术的D类音频功率放大器的一实施例的结构框图；

图2是现有技术的D类音频功率放大器的另一实施例的结构框图；

图3是本发明的D类音频功率放大器的第一实施例的结构框图；

图4是图3的实施例的压控延时电路图；

图5是图4的压控延时电路的时序图；

图6是本发明的D类音频功率放大器的第二实施例的结构框图；

图7是本发明的D类音频功率放大器的第三实施例的结构框图。

具体实施方式

实施例1：

如图3所示，根据本发明的D类音频功率放大器的一具体实施例，该D类音频功率放大器包括积分器20、比较器、驱动器、功率开关元件，及反馈网络。该D类音频功率放大器还包括压控延时电路5，用于控制信号的延时从而抑制***的串扰噪声和开关机噪声和信号幅度检测模块50。

压控延时电路5的输入端输入作为参考波的方波CLK，压控延时电路5的控制端输入control控制信号，压控延时电路5的control信号可以是开关机使能信号、信号幅度大小标识信号或其他***里的使能控制信号。在本实施例中，压控延时电路5的control信号采用的是信号幅度大小标识信号。信号幅度大小标识信号是从信号幅度检测模块50获得的，信号幅度检测模块50可以检测本发明的D类音频功率放大器从输入Vin到输出Vout的整条通路上的任何一处信号。在本实施例中，信号幅度检测模块50的检测的信号为VOUTP和VOUTN。

压控延时电路5的输出端输出延时方波，延时方波为产生了一个延时的方波CLK。方波输入积分器20的第一参考波输入端，延时方波输入积分器20的第二参考波输入端。积分器20的第一输出端与第一比较器30的同相输入端连接，积分器20的第二输出端与第二比较器31的同相输入端连接，参考电压Vref输入第一比较器30、第二比较器31的反相输入端。

音频输入信号Vin经过前置放大器10的预放大。预放大后的音频输入信号Vin、方波CLK、信号VOUTP，VOUTN输入积分器产生三角波信号。三角波信号与参考信号Vref通过第一比较器30、第二比较器31后分别产生对应的脉宽调制信号PWM1，PWM2。脉宽调制信号PWM1，PWM2的占空比都与音频输入信号Vin成线性关系。脉宽调制信号PWM1通过第一驱动器40、第一功率开关元件产生信号VOUTP；脉宽调制信号PWM2通过第二驱动器41、第二功率开关元件产生信号VOUTN。

压力延时电路5控制端的control信号由信号幅度检测模50控制，首先信号幅度检测模块50预设信号幅度参考值V0，然后自动检测内部信号（在本实施例中，内部信号为VOUTP和VOUTN）的大小并与信号幅度参考值V0进行比较，最后输出包含信号幅度大小标识的control信号：

当放大器开机启动时，信号幅度检测模块50输出控制逻辑control信号由低电平变为高电平；

当放大器正常工作时，信号幅度检测模块50检测到的信号幅度小于信号幅度参考值V0时，输出控制逻辑control信号为高电平；

当放大器正常工作时，信号幅度检测模块50检测到的信号幅度大于信号幅度参考值V0时，输出控制逻辑control信号为低电平；

当放大器关机时，信号幅度检测模块50输出控制逻辑control信号变为低电平。

压控延时电路5在控制端control信号的控制下将方波CLK延时，从而使得脉宽调制信号PWM1，PWM2之间产生延时Δt。

在D类音频功率放大器开启后，经过一个充电时间，压控延时电路5使得第一功率开关元件的驱动信号与第二功率开关元件的驱动信号之间产生延时；在D类音频功率放大器关闭前，经过一个放电时间，压控延时电路5使得第一功率开关元件的驱动信号与第二功率开关元件的驱动信号之间的延时消除；在D类音频功率放大器开启/关闭时，延时近似为零。

由于使用方波CLK作为音频输入信号Vin的载波信号，省去了现有技术中D类音频功率放大器中的三角波产生电路，节约了芯片的面积，节省了芯片制作成本。

如图4所示，D类音频功率放大器的压控延时电路5包括延时电阻、延时电容，延时的大小与延时电阻及延时电容相关：

$\mathrm{\Δt}=2*\frac{\mathrm{Rd}*\mathrm{Cd}}{\ln 2}$

Δt为延时、Rd为延时电阻、Cd为延时电容。

在本实施例中，压控延时电路5还包括第一开关元件、第二开关元件。第一开关元件为MOS管MN1，第二开关元件为MOS管MP1。MOS管MN1，MP1与延时电阻并联。当压控延时电路5的控制端为低电平时，MOS管MN1，MP1关闭，使延时电阻Rd短路，当压控延时电路5的控制端为高电平时，MOS管MN1，MP1打开，使延时电阻Rd开路。

压控延时电路5还包括第一电容C2、第二电容C3。第一电容C2的第一端与MOS管MP1的控制端连接，第一电容C2的第二端与地连接；第一电容C2用于控制MOS管MP1的控制端的电压的充电时间、放电时间。第二电容C3的第一端与MOS管MN1的控制端连接，第二电容C3的第二端与地连接；第一电容C2用于控制MOS管MN1的控制端的电压的充电时间、放电时间。

如图3、图4和图5所示，压控延时电路5控制端的control信号（来自于信号幅度检测模块50）与时钟信号CLK依次经过与非门、反相器、电容C1、反相器，及与非门，产生窄脉冲CLK1。第一电容C2上的电压控制MOS管MP1的栅极电压，第二电容C3上的电压控制MOS管MN1的栅极电压。控制端control信号也控制第二电容C3的上拉MOS管MP3，同时控制端control信号经过反相器控制下拉MOS管MN3。压控延时电路5的输入端信号In依次经过反相器、延时电阻Rd、MOS管MP1、MOS管MN1、延时电容Cd，及反相器后输出压控延时电路5的输出端信号Out。输出端信号Out与输入端信号In之间的延时Δt是可控的：

当放大器开机启动时（如图5所示501段），信号幅度检测模块50检测到的信号幅度500为零，控制逻辑control信号从低电平变为高电平，延时Δt开始时近似为零，只有经过充电时间Ts之后延时Δt才渐渐达到预设时间Td。因此开机瞬间，脉宽调制信号PWM1，PWM2之间的相对延时近似为零。由于避免了开关功率管在开机瞬间输出差分信号，从而抑制了D类音频功率放大器的开关机噪声（POPandCLICK）。开机经过一定时间延时Δt逐渐达到预设时间Td后，脉宽调制信号PWM1，PWM2之间有预设时间Td的延时Δt，从而减小了放大器的过零失真和串扰噪声；

当放大器正常工作时，信号幅度检测模块50检测到的信号幅度500小于信号幅度参考值V0时（如图5所示502段），输出控制逻辑control信号为高电平。此时，第一电容C2的上端电压V2通过MOS管MN3下拉到低电平，开启MOS管MP1；第二电容C3的下端电压V3通过MOS管MP3上拉到高电平，开启MOS管MN1，近似将延时电阻Rd短路，此时延时Δt≈0；

当放大器正常工作时，信号幅度检测模块50检测到的信号幅度500大于信号幅度参考值V0时（如图5所示503段），输出控制逻辑control信号为低电平。压控延时电路5会产生一个占空比很小的窄脉冲CLK1，窄脉宽CLK1的占空比大小由C1控制。窄脉冲CLK1经过反相器控制MOS管MP2的开启对第一电容C2充电，并控制MOS管MN2对第二电容C3放电。充电时间Ts由窄脉宽CLK1的占空比、MOS管MP2、MOS管MN2、第一电容C2，及第二电容C3决定。经过充电时间Ts后，电压V2会逐渐阶梯型地充电上升到Vcc，电压V3会逐渐阶梯型地放电下降到低电平。第一电容C2上的电压V2和第二电容C3上的电压V3分别影响相应的MOS管MP1，MN1的导通电阻的大小。上述过程会使得MOS管MN1，MP1的导通电阻与Rd并联的电阻逐渐增大，由此延时时间Δt也随之逐渐增大。当最终MOS管MN1，MP1关断时，延时Δt的大小只由延时电阻Rd和延时电容Cd决定；

当本发明D类音频功率放大器关机时，信号幅度检测模块50输出控制逻辑control信号变为低电平。此时，延时Δt会很快变为近似零，由此抑制了D类音频功率放大器的开关机噪声（POPandCLICK）。

由于增设了压控延时电路和信号幅度检测模块，采用自适应控制思想，通过自动检测信号幅度的大小，以产生相应的压控延时电路的控制信号，根据控制信号该压控延时电路使得D类音频功率放大器的两个驱动信号之间产生延时从而减小了D类音频功率放大器的过零失真和串扰噪声；该压控延时电路使得D类音频功率放大器的两个驱动信号在开关机时延时为零从而减小了D类音频功率放大器的开关机噪声（POPandCLICK）和THD+N（总谐波失真加噪声），提高了电源抑制（PSR）能力，提高了D类音频功放的整体音质。

在其他实施例中，开关元件也可以通过控制延时电容Cd来控制延时Δt。

实施例2：

如图6所示，本实施例与实施例1的电路结构基本相同，所不同之处在于，压控延时电路5的输入端输入作为参考波的三角波，压控延时电路5的控制端control输入由信号幅度检测模块输出的control信号，压控延时电路5的输出端输出延时三角波，延时三角波为产生了一个延时的三角波；三角波输入第一比较器30的反相输入端，延时方波输入第二比较器31的反相输入端；积分器20的第一输出端与第一比较器30的同相输入端连接，积分器20的第二输出端与第二比较器31的同相输入端连接；

实施例3：

如图7所示，本实施例与实施例1的电路结构基本相同，所不同之处在于，压控延时电路5的输入端与第一比较器30的输出端连接，压控延时电路5的控制端输入由信号幅度检测模块输出的control信号，压控延时电路5的输出端与第一驱动器40的输入端连接；第二比较器31的输出端与第二驱动器41的输入端连接。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于抑制噪声的D类音频功率放大器，至少包括积分器、比较器、驱动器、功率开关元件，及反馈网络，其特征在于：还包括用于控制信号延时的压控延时电路和用于产生所述压控延时电路的控制信号的信号幅度检测模块；所述信号幅度检测模块的输出端与所述压控延时电路的控制输入端连接；所述信号幅度检测模块的输入信号来自于所述D类音频功率放大器的通路，通过预先设定信号幅度参考值，自动检测所述信号幅度检测模块输入信号并与所述信号幅度参考值比较，获得所述控制信号；

所述压控延时电路的输入端输入作为参考波的方波，所述压控延时电路的控制端输入所述信号幅度检测模块输出的所述控制信号，所述压控延时电路的输出端输出延时方波，所述延时方波为产生了一个延时的所述方波；所述方波输入所述积分器的第一参考波输入端，所述延时方波输入所述积分器的第二参考波输入端；所述积分器的第一输出端与第一比较器的同相输入端连接，所述积分器的第二输出端与第二比较器的同相输入端连接，参考电压输入所述第一比较器、所述第二比较器的反相输入端；

或所述压控延时电路的输入端输入作为参考波的三角波，所述压控延时电路的控制端输入所述信号幅度检测模块输出的所述控制信号，所述压控延时电路的输出端输出延时三角波，所述延时三角波为产生了一个延时的所述三角波；所述三角波输入所述第一比较器的反相输入端，所述延时方波输入所述第二比较器的反相输入端；所述积分器的第一输出端与第一比较器的同相输入端连接，所述积分器的第二输出端与第二比较器的同相输入端连接；

或所述压控延时电路的输入端与所述第一比较器的输出端连接，所述压控延时电路的控制端输入所述信号幅度检测模块输出的所述控制信号，所述压控延时电路的输出端与第一驱动器的输入端连接；所述第二比较器的输出端与第二驱动器的输入端连接；

所述压控延时电路包括延时电阻、延时电容，当所述D类音频功率放大器工作时，所述延时的大小与所述延时电阻及所述延时电容相关：

$\mathrm{\Δ}t=2*\frac{Rd*Cd}{ln2}$

Δt为所述延时、Rd为所述延时电阻、Cd为所述延时电容；当所述D类音频功率放大器开启/关闭时，所述延时的大小近似为零；

所述压控延时电路还包括第一开关元件，所述第一开关元件与所述延时电阻并联；当所述压控延时电路的控制端为低电平时，所述第一开关元件关闭，使所述延时电阻短路；当所述压控延时电路的控制端为高电平时，所述第一开关元件打开，使所述延时电阻开路；

所述压控延时电路还包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一开关元件的控制端连接，所述第一电容的第二端与地连接；所述第一电容用于控制所述第一开关元件的控制端的电压的充放电时间；

所述信号幅度检测模块的输入信号是所述D类音频功率放大器的输出信号。

2.一种用于抑制噪声的D类音频功率放大器的音频信号处理方法，其特征在于：

a)在积分器输入级，或比较器输入级，或驱动器输入级连接一个压控延时电路，用于使第一功率开关元件的驱动信号与第二功率开关元件的驱动信号之间产生一个延时；

b)所述压控延时电路的控制信号由信号幅度检测模块提供：所述信号幅度检测模块通过预设的信号幅度参考值，自动检测来自于所述放大器通路的输入信号，并将检测结果与所述信号幅度参考值比较，得到所述压控延时电路的控制信号；

c)在所述D类音频功率放大器开启后，经过一个充电时间，所述压控延时电路使得所述第一功率开关元件的驱动信号与所述第二功率开关元件的驱动信号之间产生所述延时；在所述D类音频功率放大器关闭前，经过一个放电时间，所述压控延时电路使得所述第一功率开关元件的驱动信号与所述第二功率开关元件的驱动信号之间的所述延时消除；在所述D类音频功率放大器开启/关闭时，所述延时的大小近似为零；

所述压控延时电路包括延时电阻、延时电容，所述延时的大小与所述延时电阻及所述延时电容相关：

$\mathrm{\Δ}t=2*\frac{Rd*Cd}{ln2}$

Δt为所述延时、Rd为所述延时电阻、Cd为所述延时电容；

所述压控延时电路还包括第一开关元件，所述第一开关元件与所述延时电阻并联；当所述压控延时电路的控制端为低电平时，所述第一开关元件关闭，使所述延时电阻短路；当所述压控延时电路的控制端为高电平时，所述第一开关元件打开，使所述延时电阻开路；

所述压控延时电路还包括第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一开关元件的控制端连接，所述第一电容的第二端与地连接；所述第一电容用于控制所述第一开关元件的控制端的电压的充放电时间；

所述信号幅度检测模块的输入信号是所述D类音频功率放大器的输出信号。