專利名稱：高效率音頻放大器及其相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高效率音頻放大器及其相關(guān)方法，尤其涉及一種藉由調(diào)整振蕩頻 率提升效率的音頻放大器及其相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
功率放大器主要用來放大信號的功率，一般來說，依據(jù)所使用的輸出級可分為A、 B、AB、C及D類。其中，使用開關(guān)輸出級的D類音頻功率放大器(class-D audio power amplifier)由于體積小、效率高及省電等優(yōu)點(diǎn)，因此已被廣泛運(yùn)用于各種消費(fèi)電子產(chǎn)品中， 例如筆記本型計(jì)算機(jī)、液晶屏幕、移動(dòng)電話、多媒體播放裝置等。請參考圖1A，圖IA為公知的一 D類音頻放大器10的示意圖。D類音頻放大器10 包含有一輸入端102、一參考信號端104、一比較器106、一柵驅(qū)動(dòng)電路108、一輸出級110、 一濾波器112及一揚(yáng)聲器114。輸入端102用來接收一音頻輸入信號SIN。參考信號端104 用來接收一三角波參考信號ST。比較器106用來將音頻輸入信號Sin與固定頻率的三角波 參考信號St做比較運(yùn)算，以產(chǎn)生一脈沖寬度調(diào)制信號SP，并將脈沖寬度調(diào)制信號Sp傳送至 柵驅(qū)動(dòng)電路108。柵驅(qū)動(dòng)電路108根據(jù)脈沖寬度調(diào)制信號SP，產(chǎn)生一柵驅(qū)動(dòng)信號Sg,以驅(qū)動(dòng) 輸出級110的開關(guān)，進(jìn)而使輸出級110輸出一輸出信號SAP。再經(jīng)由濾波器112對輸出信號 Sap濾波后產(chǎn)生一音頻輸出信號Stj，并將之傳送至揚(yáng)聲器114輸出。然而，在實(shí)際運(yùn)用上，請參考圖1B，圖IB為D類音頻放大器10的工作效率示意圖。 D類音頻放大器10相比較于其他類型的音頻放大器，在較高輸出功率時(shí)放大效率可達(dá)90% 以上，具有相當(dāng)好的放大效率表現(xiàn)。但是，在低輸出功率的情況下，D類音頻放大器10卻無 法有效獲得較佳的效率表現(xiàn)。因此，針對低輸出功率時(shí)，如何提升音頻放大器的放大效率表 現(xiàn)，實(shí)為有待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的即在于提供一種高效率音頻放大器及其相關(guān)方法。本發(fā)明公開一種高效率音頻放大器，包含有一輸入端，用來接收一輸入音頻信 號；一輸出端，用來輸出一輸出音頻信號；一信號產(chǎn)生器，耦接于該輸入端，用來根據(jù)該輸 入音頻信號的分布狀況及一參考電壓，決定一振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生相對應(yīng)頻率的 該振蕩信號；一波形轉(zhuǎn)換器，耦接于該輸入端與該信號產(chǎn)生器，用來比較該輸入音頻信號與 該振蕩信號，以產(chǎn)生一脈沖調(diào)制信號(PWM signal)；一預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，耦接于該波形轉(zhuǎn)換器， 用來根據(jù)該脈沖調(diào)制信號，產(chǎn)生一預(yù)驅(qū)動(dòng)信號；一輸出級，耦接于該預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，用來根據(jù) 該預(yù)驅(qū)動(dòng)信號，產(chǎn)生一輸出信號；以及一濾波器，耦接于該輸出級，用來對該輸出信號進(jìn)行 濾波，以產(chǎn)生該輸出音頻信號至該輸出端。本發(fā)明還公開一種提升一音頻放大器效率的方法，包含有根據(jù)一輸入音頻信號的 分布狀況及一參考電壓，決定一振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生相對應(yīng)頻率的該振蕩信號；比 較該輸入音頻信號與該振蕩信號，以產(chǎn)生一脈沖調(diào)制信號；根據(jù)該脈沖調(diào)制信號，產(chǎn)生一預(yù)驅(qū)動(dòng)信號；根據(jù)該預(yù)驅(qū)動(dòng)信號，產(chǎn)生一輸出信號；以及對該輸出信號進(jìn)行濾波，以產(chǎn)生該輸 出音頻信號。 本發(fā)明是根據(jù)輸入音頻信號的信號特性，彈性地調(diào)整振蕩信號的頻率，以減少音 頻放大器的損耗功率，進(jìn)而提升音頻放大器的放大效率。如此一來，本發(fā)明實(shí)施例的音頻放 大器將可有效改善在低輸出功率時(shí)放大效率不佳的情況。



圖IA為公知的一 D類音頻放大器的示意圖。
圖IB為公知的一 D類音頻放大器的工作效率示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一音頻放大器的示意圖。
圖3為圖2中信號產(chǎn)生器的示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的具雙聲道輸出的一音頻放大器的示意圖,
圖5為本發(fā)明實(shí)施例一流程的示意圖。
主要組件符號說明 10D類音頻放大器102、202、402輸入端
104參考信號端
106比較器
108柵驅(qū)動(dòng)電路
110、210、414、416輸出級
112、212、418、420濾波器
114、216、424揚(yáng)聲器
20、40音頻放大器
204,404信號產(chǎn)生器
206,406,408波形轉(zhuǎn)換器
208、410、412預(yù)驅(qū)動(dòng)電路
214,422輸出端
302,426判斷電路
304,428波形產(chǎn)生器
306,430檢測電路
308,432選擇電路
434第一比較器
436第二比較器
438或門
50流程
500、502、504、506、
508、510、512步驟
L1、L2電感
C1、 C2電容
SAP＼SAPl1SAP2輸出信號
S。1S。11S。，柵驅(qū)動(dòng)信號
SIN音頻輸入信號
S。1S。11S。，輸出音頻信號
S，1SPl＼SP2脈沖寬度調(diào)制信號／脈沖調(diào)制信號
S。振蕩信號
S1三角波參考信號
VTPf參考電壓
S．控制信號
S真檢測信號具體實(shí)施方式
請參考圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一音頻放大器20的示意圖。音頻放大器20包含一輸入端2021一信號產(chǎn)生器2041一波形轉(zhuǎn)換器2061一預(yù)驅(qū)動(dòng)電路2081一輸出級2lo1一濾波器2121一輸出端214及一揚(yáng)聲器216。輸入端202用來接收一輸入音頻信號SIN0信號產(chǎn)生器204耦接于輸入端202，用來根據(jù)輸入音頻信號SIN的分布狀況及一參考電壓VrCf，決定一振蕩信號S。的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生相對應(yīng)頻率的振蕩信號S。。波形轉(zhuǎn)換器206耦接于輸入端202與信號產(chǎn)生器204，用來比較輸入音頻信號S．與振蕩信號S。，以產(chǎn)生一脈沖調(diào)制信號S，。預(yù)驅(qū)動(dòng)電路208耦接于波形轉(zhuǎn)換器206，用來根據(jù)脈沖調(diào)制信號S，，產(chǎn)生一預(yù)驅(qū)動(dòng)信號S．。輸出級20l耦接于預(yù)驅(qū)動(dòng)電路208，用來根據(jù)預(yù)驅(qū)動(dòng)信號S．，產(chǎn)生一輸出信號SAP0濾波器212耦接于輸出級2lo，用來對輸出信號S+，進(jìn)行濾波，以產(chǎn)生一輸出音頻信號S．，并通過輸出端214將輸出音頻信號S．傳送至揚(yáng)聲器216輸出。換句話說，信號產(chǎn)生器204可根據(jù)輸入音頻信號SIN的大小，調(diào)整振蕩信號S。的頻率，進(jìn)而提升音頻放大器20的放大效率表現(xiàn)。
一般來說，放大器的效率表現(xiàn)與損耗功率P10S，成反比，損耗功率P10S，通常包含3個(gè)部分，分別為放大器中的晶體管的切換損失P，Yy1晶體管的導(dǎo)通損失P。。．d及寄生電容的損耗Pgd，其中損耗功率P1。，，為
Ooss’PJw+PCond+Pzd
權(quán)利要求
一種高效率音頻放大器，包括一輸入端，用來接收一輸入音頻信號；一輸出端，用來輸出一輸出音頻信號；一信號產(chǎn)生器，耦接于所述輸入端，用來根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及一參考電壓，決定一振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生相對應(yīng)頻率的所述振蕩信號；一波形轉(zhuǎn)換器，耦接于所述輸入端與所述信號產(chǎn)生器，用來比較所述輸入音頻信號與所述振蕩信號，以產(chǎn)生一脈沖調(diào)制信號；一預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，耦接于所述波形轉(zhuǎn)換器，用來根據(jù)所述脈沖調(diào)制信號，產(chǎn)生一預(yù)驅(qū)動(dòng)信號；一輸出級，耦接于所述預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，用來根據(jù)所述預(yù)驅(qū)動(dòng)信號，產(chǎn)生一輸出信號；以及一濾波器，耦接于所述輸出級，用來對所述輸出信號進(jìn)行濾波，以產(chǎn)生所述輸出音頻信號至所述輸出端。
2.如權(quán)利要求1的音頻放大器，其中所述信號產(chǎn)生器包括一判斷電路，耦接于所述輸入端，用來根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考 電壓，決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生一控制信號；以及一波形產(chǎn)生器，耦接于所述判斷電路及所述波形轉(zhuǎn)換器，用來根據(jù)所述控制信號，產(chǎn)生 所述振蕩信號。
3.如權(quán)利要求2的音頻放大器，其中所述判斷電路是在所述輸入音頻信號大于所述參 考電壓時(shí)，調(diào)高所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
4.如權(quán)利要求3的音頻放大器，其中所述判斷電路是在所述輸入音頻信號超過所述參 考電壓的時(shí)間比例大于一第一預(yù)設(shè)值時(shí)，調(diào)高所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
5.如權(quán)利要求3的音頻放大器，其中所述判斷電路是在所述輸入音頻信號的平均大小 大于所述參考電壓時(shí)，調(diào)高所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
6.如權(quán)利要求2的音頻放大器，其中所述判斷電路是在所述輸入音頻信號小于所述參 考電壓時(shí)，調(diào)降所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
7.如權(quán)利要求6的音頻放大器，其中所述判斷電路是在所述輸入音頻信號低于所述參 考電壓的時(shí)間比例大于一第二預(yù)設(shè)值時(shí)，調(diào)降所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制 信號。
8.如權(quán)利要求6的音頻放大器，其中所述判斷電路是在所述輸入音頻信號的平均大小 小于所述參考電壓時(shí)，調(diào)降所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
9.如權(quán)利要求2的音頻放大器，其中所述判斷電路包括一檢測電路，耦接于所述輸入端，用來依據(jù)所述輸入音頻信號與所述參考電壓，判斷出 所述輸入音頻信號的分布狀況，以產(chǎn)生一檢測信號；以及一選擇電路，耦接于所述檢測電路與所述波形產(chǎn)生器，用來根據(jù)所述檢測信號，選擇出 所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
10.如權(quán)利要求9的音頻放大器，其中所述檢測電路包括一第一比較器，包括一正輸入端，用來接收所述參考電壓，一負(fù)輸入端，耦接于所述輸 入端，用來接收所述輸入音頻信號，及一輸出端，用來輸出所述正輸入端與所述負(fù)輸入端的一第一比較結(jié)果；一第二比較器，包括一正輸入端，耦接于所述輸入端，用來接收所述輸入音頻信號，一 負(fù)輸入端，用來接收所述參考電壓，及一輸出端，用來輸出所述正輸入端與所述負(fù)輸入端的 一第二比較結(jié)果；以及一或門，耦接于所述第一比較器的所述輸出端、所述第二比較器的所述輸出端與所述 選擇電路，用來將所述第一比較結(jié)果與所述第二比較結(jié)果進(jìn)行邏輯或運(yùn)算，以產(chǎn)生所述檢 測信號。
11.如權(quán)利要求9的音頻放大器，其中所述選擇電路包括一多路選擇器，耦接于所述檢測電路與所述波形產(chǎn)生器，用來根據(jù)所述檢測信號，由表 示不同振蕩信號頻率的多個(gè)候選控制信號中切換選擇出所述控制信號，以提供至所述波形 產(chǎn)生器。
12.如權(quán)利要求1的音頻放大器，其中所述輸出級包括一第一晶體管，包括一第一端，耦接于所述預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，用來接收所述預(yù)驅(qū)動(dòng)信號，一 第二端，及一第三端，耦接于一電源端，用來根據(jù)所述第一端的信號控制所述第二端至所述 第三端之間的導(dǎo)通狀態(tài)；以及一第二晶體管，包括一第一端，耦接于所述預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，用來接收所述預(yù)驅(qū)動(dòng)信號，一 第二端，接于所述接地端，及一第三端，耦接于所述第一晶體管的第二端，用來根據(jù)所述第 一端的信號控制所述第二端至所述第三端之間的導(dǎo)通狀態(tài)；其中所述濾波器耦接于所述第一晶體管的所述第二端及所述第二晶體管的所述第三 端，以輸出所述輸出信號。
13.如權(quán)利要求12所述的音頻放大器，其中所述第一晶體管為一n型金屬氧化物半導(dǎo) 體晶體管，所述第一端為柵極，所述第二端為源極，以及所述第三端為漏極。
14.如權(quán)利要求12所述的音頻放大器，其中所述第二晶體管為一n型金屬氧化物半導(dǎo) 體晶體管，所述第一端為柵極，所述第二端為源極，以及所述第三端為漏極。
15.如權(quán)利要求1的音頻放大器，其中所述濾波器為一低通濾波器。
16.如權(quán)利要求1的音頻放大器，其中所述參考電壓為一直流電壓。
17.如權(quán)利要求1的音頻放大器，其中所述振蕩信號為一三角波信號或一鋸齒波信號。
18.如權(quán)利要求1的音頻放大器，還包括一揚(yáng)聲器，耦接于所述輸出端，用來播放所述 輸出音頻信號。
19.一種提升一音頻放大器效率的方法，包括根據(jù)一輸入音頻信號的分布狀況及一參考電壓，決定一振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生 相對應(yīng)頻率的所述振蕩信號；比較所述輸入音頻信號與所述振蕩信號，以產(chǎn)生一脈沖調(diào)制信號； 根據(jù)所述脈沖調(diào)制信號，產(chǎn)生一預(yù)驅(qū)動(dòng)信號； 根據(jù)所述預(yù)驅(qū)動(dòng)信號，產(chǎn)生一輸出信號；以及 對所述輸出信號進(jìn)行濾波，以產(chǎn)生所述輸出音頻信號。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考電壓， 決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生相對應(yīng)頻率的所述振蕩信號的步驟包括根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考電壓，決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生一控制信號；以及根據(jù)所述控制信號，產(chǎn)生所述振蕩信號。
21.如權(quán)利要求20的方法，其中根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考電壓， 決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號的步驟包括在所述輸入音頻信號大于所述參考電壓時(shí)，調(diào)高所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所 述控制信號。
22.如權(quán)利要求21的方法，其中根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考電壓， 決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號的步驟包括在所述輸入音頻信號超過所述參考電壓的時(shí)間比例大于一第一預(yù)設(shè)值時(shí)，調(diào)高所述振 蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
23.如權(quán)利要求21的方法，其中根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考電壓， 決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號的步驟包括在所述輸入音頻信號的平均大小大于所述參考電壓時(shí)，調(diào)高所述振蕩信號的頻率，并 據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
24.如權(quán)利要求20的方法，其中根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考電壓， 決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號的步驟包括在所述輸入音頻信號小于所述參考電壓時(shí)，調(diào)降所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所 述控制信號。
25.如權(quán)利要求24的方法，其中根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考電壓， 決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號的步驟包括在所述輸入音頻信號超過所述參考電壓的時(shí)間比例小于一第一預(yù)設(shè)值時(shí)，調(diào)降所述振 蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
26.如權(quán)利要求24的方法，其中根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考電壓， 決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號的步驟包括在所述輸入音頻信號的平均大小小于所述參考電壓時(shí)，調(diào)降所述振蕩信號的頻率，并 據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
27.如權(quán)利要求20的方法，其中根據(jù)所述輸入音頻信號的分布狀況及所述參考電壓，決定所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號的步驟包括根據(jù)所述輸入音頻信號與所述參考電壓，判斷出所述輸入音頻信號的分布狀況，以產(chǎn)生一檢測信號；以及根據(jù)所述檢測信號，選擇出所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號。
28.如權(quán)利要求27的方法，根據(jù)所述輸入音頻信號與所述參考電壓，判斷出所述輸入音頻信號的分布狀況，以產(chǎn)生所述檢測信號的步驟包括分別比較所述輸入音頻信號的正緣及負(fù)緣的振幅是否大于所述參考電壓，以產(chǎn)生一第 一比較結(jié)果及一第二比較結(jié)果；以及將所述第一比較結(jié)果與所述第二比較器所輸出的比較結(jié)果進(jìn)行邏輯或運(yùn)算，以產(chǎn)生所述檢測信號。
29.如權(quán)利要求19的方法，其中根據(jù)所述檢測信號，選擇出所述振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生所述控制信號的步驟包括根據(jù)所述檢測信號，由表示不同振蕩信號頻率的多個(gè)候選控制信號中切換選擇出所述 控制信號。
30.如權(quán)利要求19的方法，其中所述參考電壓為一直流電壓。
31.如權(quán)利要求19的方法，其中所述振蕩信號為一三角波信號或一鋸齒波信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及高效率音頻放大器及其相關(guān)方法。高效率音頻放大器，包含有一輸入端，用來接收一輸入音頻信號；一信號產(chǎn)生器，耦接于該輸入端，用來根據(jù)該輸入音頻信號的分布狀況及一參考電壓，決定一振蕩信號的頻率，并據(jù)以產(chǎn)生相對應(yīng)頻率的該振蕩信號；一波形轉(zhuǎn)換器，耦接于該輸入端與該信號產(chǎn)生器，用來比較該輸入音頻信號與該振蕩信號，以產(chǎn)生一脈沖調(diào)制信號；一預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，用來根據(jù)該脈沖調(diào)制信號，產(chǎn)生一預(yù)驅(qū)動(dòng)信號；一輸出級，耦接于該預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，用來根據(jù)該預(yù)驅(qū)動(dòng)信號，產(chǎn)生一輸出信號；以及一濾波器，用來對該輸出信號進(jìn)行濾波，以產(chǎn)生該輸出音頻信號至一輸出端。本發(fā)明的音頻放大器將可有效改善在低輸出功率時(shí)放大效率不佳的情況。
文檔編號H04R3/00GK101989836SQ20091016242
公開日2011年3月23日 申請日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者許君豪, 陳以尚 申請人:緯創(chuàng)資通股份有限公司