TWI824457B - 具工作週期控制的音訊放大器 - Google Patents

Abstract

本申請提出一種具工作週期控制的音訊放大器。該音訊放大器包括一脈寬調變調變器、一功率級以及一電壓轉換器。該脈寬調變調變器被配置為接收一輸入訊號以產生一脈寬調變訊號。該功率級被配置為根據一供應電壓以及該脈寬調變訊號輸出一輸出訊號。該電壓轉換器被配置為根據該脈寬調變訊號調整該供應電壓的電壓準位。該音訊放大器被配置為當該脈寬調變訊號的工作週期大於一工作週期閾值時，調整該供應電壓的該電壓準位。

Description

具工作週期控制的音訊放大器

本申請係有關於一種音訊放大器，尤指一種可以適應性調整供應電壓PVDD以運作於最佳工作點的音訊放大器。

音訊放大器常使用於在聲音輸出端重製輸入音訊訊號的電子電路，因此，該放大器必須滿足具有音量控制、低諧波失真、高效能等需求。此外，相較於其他放大器，D類放大器為目前滿足較佳效益、低功耗以及輕量化需求的最佳選擇。一般來說，脈寬調變被用於嚴格控制D類放大器系統中的輸出裝置。

為了改善效率，衍生出了由運作於電源供應電壓級的A/B類放大器變化而來的H類放大器。H類放大器利用低軌電壓(rail voltage)有效地在低電壓的情況下減少電源消耗，且該系統動態地控制軌電壓以在高電壓的情況下驅動高幅度的瞬變(transient)。

請參考圖1A，圖1A為一般D類放大器電路的示意圖。如圖1A所示，一般的D類放大器包括一音訊脈寬調變(PWM)調變器110、一預驅動器120以及一電壓轉換器130。

該音訊脈寬調變(PWM)調變器110接收一音訊訊號(IN)作為其輸入。該音訊脈寬調變(PWM)調變器的輸出端與該預驅動器120的輸入端電性連 接。該預驅動器120放大該音訊訊號且輸出放大的音訊訊號至電源開關對140、150。

該電壓轉換器130接收一輸入電壓VIN並輸出一固定的供應電壓PVDD。該電壓轉換器130的輸出端與上電源開關140連接。

一電感160的一端連接於上電源開關140以及下電源開關150之間。該電感160的另一端與一喇叭180連接，以使該音訊被該喇叭輸出。一電容170與該喇叭並聯。

請參考圖1B，圖1B為基於一般D類放大器的獨立H類放大器之示意圖。

圖1B中所示的H類放大器電路200的部分組成元件與圖1A所示的組成元件相同。該H類放大器電路200與該D類放大器電路100的不同之處如圖1B所示，該音訊訊號(IN)藉由一包絡偵測器(envelope detector)190饋入一電壓轉換器131，因此該音訊訊號的包絡可以被追蹤。此外，該電壓轉換器131被配置為根據該包絡偵測器190的輸出來動態輸出一供應電壓PVDD。

請參考圖1C，圖1C為圖1A及圖1B的電路的供應電壓PVDD的訊號以及該音訊訊號的示意圖。

如圖1C所示，該D類放大器的該供應電壓PVDD為固定電壓，如虛線所示。

相對的，該H類放大器的該供應電壓PVDD的電壓(如實曲線所示)則為追蹤如灰色曲線所示的該音訊訊號(IN)的包絡的電壓。

請參考圖2，圖2為H類放大器與D類放大器的效率比較示意圖。

如圖2所示，在此示例中，相較於設計為固定電壓的該D類放大器，該H類放大器提升了約15%的功率轉換效率。因此，對於有限的電池電壓的應用來說，H類放大器技術為極佳的設計選擇。該H類放大器利用典型的音訊追蹤來調整該供應電壓PVDD，可減少因較高的交叉電壓(cross-voltage)導致的功率切換損失，且相較D類放大器更能改善功率轉換效率。

因此，相較於圖1A中所使用的固定供應電壓，圖1B的放大器電路200具有多個電壓準位可切換的或可變的供應電壓PVDD。該H類放大器相較於D類放大器具有較高的功率效率。

本申請的一目的在於提供一具工作週期控制的音訊放大器。該音訊放大器可基於具有封閉迴路控制的H類放大器來實現，以根據該音訊放大器的脈寬調變訊號來調整該音訊放大器的供應電壓。該音訊放大器可運作於最佳工作點並控制該脈寬調變訊號的工作週期。

根據本申請之一實施例，提供一種具工作週期控制的音訊放大器。該音訊放大器包括一脈寬調變調變器、一功率級以及一電壓轉換器。該脈寬調變調變器被配置為接收一輸入訊號以產生一脈寬調變訊號。該功率級被配置為根據一供應電壓以及該脈寬調變訊號來輸出一輸出訊號。該電壓轉換器被配置為根據該脈寬調變訊號來調整該供應電壓的電壓準位。該音訊放大器被配置為當該脈寬調變訊號的工作週期大於一工作週期閾值時調整該供應電壓的電壓準位。

根據本申請之一實施例，提供一種具工作週期控制的音訊放大器。一具工作週期控制的音訊放大器包括一脈寬調變調變器、一功率級以及一電壓轉換器。該脈寬調變調變器用以產生一脈寬調變訊號。該功率級與該脈寬調變調變器耦接。該電壓轉換器與該功率級耦接，並被配置為輸出一供應電壓至該功率級，其中該電壓轉換器被配置為根據該脈寬調變訊號的工作週期調整該供應電壓的電壓準位。

在該音訊放大器的一些實施例中，該音訊放大器更包括一脈寬調變偵測器，其電性耦接於該功率級以及該電壓轉換器之間，並用以輸出一指示訊號至該電壓轉換器，其中，該指示訊號指示該脈寬調變訊號的工作週期是否大於該工作週期閾值，該電壓轉換器被配置為根據該指示訊號調整該供應電壓的電壓準位。

在該音訊放大器的一些實施例中，該脈寬調變偵測器被配置為根據該脈寬調變訊號以及該工作週期閾值來輸出該指示訊號。

在該音訊放大器的一些實施例中，該電壓轉換器被配置為當該指示訊號指示該脈寬調變訊號的工作週期大於該工作週期閾值時調整該供應電壓的電壓準位。

在該音訊放大器的一些實施例中，該音訊放大器被配置為基於該工作週期閾值將該脈寬調變訊號的工作週期限制為一百分比比例。

在該音訊放大器的一些實施例中，一封閉迴路形成於該功率級以及該電壓轉換器之間。

100:D類放大器電路

110:音訊脈寬調變(PWM)調變器

120:預驅動器

130、131:電壓轉換器

140:上電源開關

150:下電源開關

160:電感

170:電容

180:喇叭

190:包絡偵測器

200:放大器電路

400、400A、400B、400C:封閉迴路控制H類音訊放大器

410:電壓轉換器

415:PWM偵測器

420:音訊脈寬調變調變器

425:D類放大器

430:預驅動器

440:第二開關

450:第一開關

460:負載電感

470:電容

480:喇叭

510:濾波器

520:誤差放大器

530:輸出級

610:加法電路

620:誤差放大器

630:輸出級

A(t):指示訊號

D(t):工作週期

Dref:參考工作週期

FB:回授訊號

IN、IN(t):音訊訊號

PVDD、PVDD(t):供應電壓

pwm(t):脈寬調變訊號

Ron:電阻

VIN、VIN(t):輸入電壓

Vref:參考訊號

圖1A(先前技術)為具有升壓轉換器且不含H類放大器的一般D類放大器電路之示意圖。

圖1B(先前技術)為具有升壓轉換器以及H類放大器的一般D類放大器電路之示意圖。

圖1C(先前技術)為圖1A以及圖1B中的電路的電源VDD(PVDD)訊號以及音訊訊號(IN)的示意圖。

圖2(先前技術)為H類放大器與D類放大器的效率比較示意圖。

圖3為根據本申請之一實施例之封閉迴路控制H類音訊放大器之示意圖。

圖4為根據本申請之一實施例之脈寬調變偵測器之示意圖。

圖5為圖4中根據本申請之一實施例之具脈寬調變(PWM)控制的電路的波形示意圖。

圖6為根據本申請之一實施例之電壓轉換器之示意圖。

圖7A為根據本申請之一實施例之封閉迴路控制H類音訊放大器之示意圖。

圖7B為根據本申請之一實施例之封閉迴路控制H類音訊放大器之示意圖。

圖7C為根據本申請之一實施例之封閉迴路控制H類音訊放大器之示意圖。

為促進對本申請之目的、特徵、和功效之理解，本申請提供多個實施例及附圖來詳細說明本申請之揭露內容。

H類放大器的供應電壓PVDD調整(上升/下降斜率、增益)對於總諧波失真(total harmonic distortion，THD)以及功率轉換效率是很重要的。取得一D 類放大器的脈寬調變(pulse width modulation，PWM)訊號來進行電壓調變允許該供應電壓PVDD可被適應性的調整，使得該音訊放大器能夠操作於最佳點。

請參考圖3，圖3為根據本申請之一實施例之封閉迴路控制H類音訊放大器的示意圖。

如圖3所示，該封閉迴路控制H類音訊放大器400包括一音訊脈寬調變(PWM)調變器420以及一預驅動器430，該音訊脈寬調變(PWM)調變器420以及該預驅動器430用以共同構成一D類放大器的基礎。該音訊脈寬調變(PWM)調變器420接收一輸入訊號，例如一音訊訊號(IN)。該音訊脈寬調變(PWM)調變器420將該音訊訊號(IN)轉換為一脈寬調變訊號。該脈寬調變(PWM)訊號由該音訊脈寬調變(PWM)調變器420輸出並輸入至該預驅動器430。該預驅動器430放大該脈寬調變(PWM)訊號並輸出放大的該脈寬調變(PWM)訊號至一功率級。該功率級包括一第一開關450以及一第二開關440。該預驅動器430包括兩個輸出端。該預驅動器430的一個輸出端與該第一開關450電性連接，且該預驅動器430的另一個輸出端與該第二開關440電性連接。舉例來說，該音訊脈寬調變(PWM)調變器420以及該預驅動器430可以基於利用一比較器比較該輸入訊號與三角波來實現。一低通濾波器包括一電感460以及一電容470，該電感460的一端電性耦接於該第一開關450以及該第二開關440之間。一喇叭480與該低通濾波器的電容470並聯。

該第一開關450的一端與一電壓轉換器410的輸出端連接。該電壓轉換器410接收一輸入電壓VIN且根據一控制訊號輸出一供應電壓PVDD。舉例來說，該電壓轉換器410可以利用一升壓轉換器、一降壓轉換器、或一低壓差穩 壓器來實現，其可根據一控制訊號動態地輸出一供應電壓。該控制訊號例如可根據該脈寬調變訊號而得。

該封閉迴路控制H類音訊放大器400更包括一PWM偵測器415。該PWM偵測器415的一輸入端與該預驅動器430的輸出端電性連接，該預驅動器430的輸出端與該第一開關450電性連接。該PWM偵測器415的輸出端與該電壓轉換器410的回授輸入端連接。

如圖3所示，一封閉迴路藉由該電壓轉換器410的輸出端、經由該第一開關450、且透過該PWM偵測器415的輸入端和該電壓轉換器410的回授輸入端而形成於該電壓轉換器410、該PWM偵測器415、第一開關450之間。

該PWM偵測器415於該PWM感測器的輸入端感測該脈寬調變(PWM)訊號的工作週期。藉由使用該PWM偵測器415，該脈寬調變(PWM)訊號的工作週期的百分比比例可以基於一工作閾值而被限制。由於較大的音訊音量具有較大的工作週期，該脈寬調變(PWM)訊號可以被限制以保證該音訊訊號沒有縮減或失真。

在本申請的一實施例中，該工作週期閾值為預設於硬體中或韌體中。

在本申請的一實施例中，該工作週期閾值可被硬體或韌體的使用者來控制或改變。

該PWM偵測器415輸出一回授控制訊號至該電壓轉換器的回授輸入端。該電壓轉換器410利用接收的回授控制訊號來連續地或適應性地調整該供應電壓。藉此，適應性調整後的供應電壓PVDD可確保該音訊放大器運作於最佳點。

請參考圖4，圖4為該PWM偵測器415的一實施例示意圖。在圖4中，該PWM偵測器415的實施例包括一濾波器510、一誤差放大器520以及一輸出級530。該濾波器510接收該脈寬調變訊號(如pwm(t)所指示)並輸出用以指示該脈寬調變訊號的工作週期D(t)的濾波後訊號。該誤差放大器520用以使指示該工作週期D(t)的該濾波後訊號與一參考工作週期Dref相比較。該輸出級530根據該誤差放大器520的輸出來輸出一指示訊號A(t)。當該工作週期D(t)等於或大於該參考工作週期Dref，該誤差放大器520藉由該輸出級530輸出一輸出，使得該PWM偵測器415輸出該指示訊號A(t)，且該指示訊號A(t)用以指示該脈寬調變訊號的工作週期將等於或大於該參考工作週期Dref。

請參考圖5，圖5為圖4中根據本申請之一實施例之具脈寬調變(PWM)控制的電路的波形示意圖。

請參考圖5，當該音訊訊號IN(t)在內部被調變，該PWM訊號的工作週期D(t)會改變。當該工作週期D(t)等於或即將大於該參考工作週期Dref，該電壓轉換器410根據該PWM偵測器415輸出的該指示訊號A(t)調整該供應電壓PVDD(t)的電壓準位。舉例來說，該電壓轉換器410增加該供應電壓PVDD(t)的電壓準位。該音訊放大器400具有當該供應電壓PVDD(t)的電壓準位增加，該PWM訊號的工作週期為減少的特性。藉由此特性，該PWM訊號的工作週期可被控制以例如鎖定於參考工作週期Dref。因此，本實施的電路可運作於最佳工作點，以得到最佳系統效率。

此外，如圖5所示，該PWM訊號的工作週期被一工作週期閾值所限制，例如該參考工作週期Dref對應於工作週期的百分比比例(如：80%、85%或其他適合的百分比)。當該PWM訊號的工作週期小於該工作週期閾值，該PWM 訊號根據該音訊訊號IN(t)而改變，且該供應電壓PVDD(t)保持在一特定電壓準位。當該PWM訊號的工作週期等於或即將高於該工作週期閾值時，基於該音訊放大器400的特性，在該供應電壓PVDD(t)增加的同時該PWM訊號的工作週期為降低。藉由這種方式，整體來說，該PWM訊號的工作週期為該工作週期閾值所限制。

在一些實施例中，該電壓轉換器可以被實現為該工作週期閾值可以由硬體、韌體或軟體的方式來控制或改變。

在一些實施例中，該PWM偵測器415可以藉由或基於一鎖相迴路或一回授控制模組來實現。

請參考圖6，圖6為根據本申請之一實施例之電壓轉換器之示意圖。在圖6的實施例中，該電壓轉換器410可以被實現為包括一加法電路610(如：符號Σ所指示)、一誤差放大器620以及一輸出級630。該加法電路610根據來自該PWM偵測器145的該指示訊號A(t)以及該電壓轉換器410的回授訊號FB(如：該供應電壓PVDD(t))來輸出一加法訊號。該誤差放大器620根據該加法訊號以及一參考訊號(Vref所指示)輸出一比較訊號。該輸出級630根據該輸入電壓VIN(t)以及該比較訊號輸出該供應電壓PVDD(t)。舉例來說，該輸入電壓VIN(t)為DC電壓訊號，且該電壓轉換器410的輸出級630響應於該比較訊號調整該供應電壓PVDD(t)。

請參考圖7A、圖7B以及圖7C，圖7A、圖7B以及圖7C為根據本申請之多個實施例之封閉迴路控制H類音訊放大器(如400A、400B、400C)之示意圖。

圖7A、圖7B以及圖7C所示之封閉迴路控制H類音訊放大器之運作方法與圖3之封閉迴路控制H類音訊放大器相似。

然而，在這些實施例中，該PWM偵測器415的輸入端係電性連接至電路中的替代節點。舉例來說，在圖7B中，該PWM偵測器415的輸入端與連接至該負載電感(L)460的節點電性連接。在圖7C中，該PWM偵測器415的輸入端與位於一電阻Ron以及該第二開關440之間的節點電性連接。在圖7A的實施例中，該PWM偵測器415的輸入端與該D類放大器的回授輸出端電性連接，且不連接至該預驅動器430以及該第一開關450之間。

在圖7A、圖7B以及圖7C的實施例中，該D類放大器425由該音訊脈寬調變(PWM)調變器420以及該預驅動器430的組合來形成。

根據本申請的一些實施例，提供一種具有工作週期控制的音訊放大器。該音訊放大器(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之400、400A、400B或440C)包括一脈寬調變調變器(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之420)、一功率級(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之440以及450，或圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之430、440以及450)以及一電壓轉換器(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之410)。該脈寬調變調變器被配置為接收一輸入訊號以產生一脈寬調變訊號。該功率級被配置為根據一供應電壓以及該脈寬調變訊號輸出一輸出訊號。該電壓轉換器被配置為根據該脈寬調變訊號調整該供應電壓的電壓準位。該音訊放大器被配置為當該脈寬調變訊號的工作週期大於一工作週期閾值時，調整該供應電壓的電壓準位。

根據本申請的其他實施例，提供一種具有工作週期控制的音訊放大器。該音訊放大器(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之400、400A、400B或440C)包括一脈寬調變調變器(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之420)、一功率級(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之440以及450，或圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之 430、440以及450)以及一電壓轉換器(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示之410)。該脈寬調變調變器用以產生一脈寬調變訊號。該功率級與該脈寬調變調變器耦接。該電壓轉換器與該功率級耦接，並被配置為輸出一供應電壓至該功率級，其中該電壓轉換器被配置為根據該脈寬調變訊號的工作週期調整該供應電壓的電壓準位。

在該音訊放大器的一些實施例中，該音訊放大器更包括一脈寬調變偵測器(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C的415)，其電性耦接於該功率級以及該電壓轉換器之間，且用以輸出一指示訊號(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C的A(t))至該電壓轉換器，其中該指示訊號指示該脈寬調變訊號的工作週期是否大於該工作週期閾值，且該電壓轉換器被配置為根據該指示訊號調整該供應電壓的電壓準位。

在該音訊放大器的一些實施例中，該脈寬調變偵測器被配置為根據該脈寬調變訊號(如pwm(t))以及該工作週期閾值(如Dref)輸出該指示訊號(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C的A(t))，如圖4所示。

在該音訊放大器的一些實施例中，該電壓轉換器被配置為當該指示訊號(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C的A(t))指示該脈寬調變訊號的工作週期大於該工作週期閾值時，調整該供應電壓的該電壓準位。

在該音訊放大器的一些實施例中，該音訊放大器被配置為基於該工作週期閾值將該脈寬調變訊號的工作週期限制於一百分比比例，如圖5所示。

在該音訊放大器的一些實施例中，一封閉迴路形成於該功率級以及該電壓轉換器之間(如圖3、圖7A、圖7B或圖7C所示)。

儘管本申請所揭示內容已藉助特定具體實施例進行說明，但熟習此領域技術者可能對其做出眾多修飾例和變化例，而未悖離諸申請專利範圍內所闡述本申請所揭示內容之範疇與精神。

400:封閉迴路控制H類音訊放大器

410:電壓轉換器

415:PWM偵測器

420:音訊脈寬調變調變器

430:預驅動器

440:第二開關

450:第一開關

460:負載電感

470:電容

480:喇叭

A(t):指示訊號

IN(t):音訊訊號

PVDD(t):供應電壓

pwm(t):脈寬調變訊號

VIN(t):輸入電壓

Claims (10)

1. 一種具有工作週期控制的音訊放大器，其包括：一脈寬調變調變器，被配置為接收一輸入訊號以產生一脈寬調變訊號；一功率級，被配置為根據一供應電壓以及該脈寬調變訊號輸出一輸出訊號；一電壓轉換器，被配置為根據該脈寬調變訊號調整該供應電壓的電壓準位；以及一脈寬調變偵測器，電性耦接於該功率級以及該電壓轉換器之間，以輸出一指示訊號至該電壓轉換器，其中該指示訊號用以指示該脈寬調變訊號的工作週期是否大於一工作週期閾值，且該電壓轉換器被配置為根據該指示訊號調整該供應電壓的電壓準位；其中該音訊放大器被配置為當該脈寬調變訊號的工作週期大於該工作週期閾值時，調整該供應電壓的該電壓準位，且該脈寬調變訊號的工作週期為該工作週期閾值所限制。
2. 如請求項1所述之音訊放大器，其中該脈寬調變偵測器被配置為根據該脈寬調變訊號以及該工作週期閾值輸出該指示訊號。
3. 如請求項1所述之音訊放大器，其中該電壓轉換器被配置為當該指示訊號指示該脈寬調變訊號的工作週期大於該工作週期閾值時，調整該供應電壓的電壓準位。
4. 如請求項1所述之音訊放大器，其中該音訊放大器被配置為基於該工作週期閾值將該脈寬調變訊號的工作週期限制於一百分比比例。
5. 如請求項1所述之音訊放大器，其中一封閉迴路形成於該功率級以及該電壓轉換器之間。
6. 一種具有工作週期控制的音訊放大器，其包括：一脈寬調變調變器，用以產生一脈寬調變訊號；一功率級，與該脈寬調變調變器耦接；一電壓轉換器，與該功率級耦接，並被配置為輸出一供應電壓至該功率級；以及一脈寬調變偵測器，電性耦接於該功率級以及該電壓轉換器之間，以輸出一指示訊號至該電壓轉換器，其中該指示訊號指示該脈寬調變訊號的該工作週期是否大於一工作週期閾值，且該電壓轉換器根據該指示訊號調整該供應電壓的電壓準位；其中，該電壓轉換器被配置為當該脈寬調變訊號的工作週期大於該工作週期閾值時，調整該供應電壓的電壓準位，且該脈寬調變訊號的工作週期為該工作週期閾值所限制。
7. 如請求項6所述之音訊放大器，其中該脈寬調變偵測器被配置為根據該脈寬調變訊號以及該工作週期閾值輸出該指示訊號。
8. 如請求項6所述之音訊放大器，其中該電壓轉換器被配置為當該指示訊號指示該脈寬調變訊號的該工作週期大於該工作週期閾值時，調整該供應電壓的電壓準位。
9. 如請求項6所述之音訊放大器，其中該音訊放大器被配置為基於該工作週期閾值將該脈寬調變訊號的工作週期限制於一百分比比例。
10. 如請求項6所述之音訊放大器，其中一封閉迴路形成於該功率級以及該電壓轉換器之間。