用於改善d類音頻放大器性能的脈衝幅度調製方法及電路的製作方法
2023-07-14 21:35:41 1
專利名稱：用於改善d類音頻放大器性能的脈衝幅度調製方法及電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於改善D類音頻放大器性能的脈衝幅度調製方法及電路，尤其涉及能夠減少避免D類音頻放大器中由無效時間設計所引起的缺陷的方法和電路。
背景技術：
參考圖一，為傳統D類音頻放大器之示意圖。PWM(脈寬調製)信號VPWM自左邊輸入位於D類音頻放大器左邊的NMOS1(N型金屬氧化物半導體)和NMOS2，及位於D類音頻放大器右邊的NMOS3和NMOS4。其路徑中分安置著反相器5、6、7，如圖所示。輸入PMOS1、NMOS2、NMOS3、NMOS4柵極的信號分以TA+，TA-，TB+，TB-表示。NMOS1與NMOS2之間的接點A及NMOS3、NMOS4之間的接點B為輸出端，在A和B之間接著揚聲器8(以電感表示)。電源VCC與N點(低電壓點)之間接著四個二極體9、10、11、12。
PWM信號VPWM為如圖2下方所示的方波，該方波的脈衝寬度代表原始模擬信號Vsignal(圖1左邊及圖2上方的正弦波)的振幅。模擬信號Vsignal在經過圖1左邊的比較器13後，被三角信號Vtriangle切割，然後轉換為方波VPWM。
為了簡化說明，請參考圖3，信號Vsignal為恆定電壓波形，而不是正弦波，所切割出來的輸入NMOS1與NMOS2且彼此反向的理想PWM波形用TA+及TA-表示。TB+與TB-的波形和功能與TA+及TA-相同，因此省略進一步的解釋。
在該理想PWM波形TA+及TA-輸入NMOS1與NMOS2後，當TA+及TA-改變狀態的瞬間(圖3中的點「a」)，NMOS1與NMOS2可能由於邏輯混亂而同時導通。於是，將形成瞬時大電流而損壞NMOS1與NMOS2。同理，TB+與TB-也可能損壞NMOS3與NMOS4。
為了避免NMOS1，NMOS2，NMOS3與NMOS4被損壞，電路設計者在TA+與TA-，TB+與TB-改變狀態時，將延遲在後波形的狀態變化，從而形成無效時間(deadtime)，如圖3中的TA+(dt)及TA-(dt)所示。
這種無效時間之設計雖然能夠避免NMOS1，NMOS2，NMOS3和NMOS4被損壞，但二極體9、10、11和12仍將導通。例如若二極體9導通(表示電感電流為負，iL＜0)，此時VA(圖1中A點的電壓)的波形將以圖3最下面的左邊波形所示的方式變化，該波形本來應在a點下降，但現在卻在一段時間Δt後才下降，形成「多餘」的區域31。若二極體10導通(表示電感電流為正，iL＞0)，此時VA的波形將以圖3下面右邊波形所示的方式變化，該波形本來應在b點上升，但現在卻在一段時間Δt後才上升，形成「損失」的區域32。
參考圖四，理想的輸出VA若是一正弦波，則由於上述無效時間設計的影響，實際輸出將被畸變和不平滑，如圖4中虛線所示。這種畸變的實際輸出使得總諧波失真(THD)增加，因而損壞聲音質量。
發明內容
因此本發明的目的為提供一種改善D類音頻放大器性能的PAM方法。該D類音頻放大器的輸入為一種PWM信號，並設計為具有無效時間的延時功能。為了少無效時間設計所產生的輸出信號畸變，本發明包括如下步驟在D類音頻放大器的輸出端將一電阻器與一揚聲器串聯，且設計一判斷電路，判斷流過該電阻器的電流的極性；在D類音頻放大器的電源端加上一電壓調整電路，當該電阻器的電流為負時，用於控制D類音頻放大器的電源電壓，使其在無效時間期間由高電壓降至低電壓；在D類音頻放大器的低電壓點加上一電壓補償電路，以便當該電阻器的電流為正時，補償D類音頻放大器低電壓點的電壓，使其在無效時間期間由低電壓升至高電壓。
參考附圖，通過下面的說明，本發明將更加清楚。附圖僅以說明的目的示出本發明的優選實施例。
圖1為傳統D類音頻放大器的示意圖；圖2為傳統D類音頻放大器的PWM信號產生示意圖。
圖3為在傳統D類音頻放大器的PWM信號中加上無效時間設計的示意圖。
圖4為傳統D類音頻放大器因無效時間設計而產生的輸出信號失真示意圖。
圖5示出本發明的電路方塊圖。
圖6示出根據本發明對無效時間設計的改善。
圖7示出根據本發明的電路圖。
圖8示出根據本發明的電路波形圖。
具體實施例方式
請參考圖五，示出本發明電路方塊圖，此圖以TA+與TA-為例說明，但TB+與TB-也同樣適用。
圖五右方為傳統的D類音頻放大器電路。在該實施例中，在A、B兩點之間，電阻器14與揚聲器8串聯連接。圖五左方示出本發明之電路方塊圖，以虛線分成上下兩部分。上部是電壓調整電路，下部是電壓補償電路。
電壓調整電路包含一「多餘」區域檢測脈衝發生器51、一積分器52及一電壓調整器53。電壓補償電路包含一「損失」區域檢測脈衝發生器54、一積分器55、一電壓調整器57，以及用於判斷電流極性的判斷電路56。TA+與TA-分輸入「多餘」區域檢測脈衝發生器51及「損失」區域檢測脈衝發生器54。電阻器14兩端的電壓輸入判斷電路56，然後分別輸入「多餘」區域檢測脈衝發生器51及「損失」區域檢測脈衝發生器54。積分器52的輸出則控制電壓調整器53從而調整VCC電壓。積分器55的輸出則控制電壓調整器57從而補償N點的電壓。
電壓調整電路用於拖曳VCC的電壓使圖3的「多餘」區域31變成圖6下方右邊的三角形區域61。電壓補償電路用於補償N點的電壓使圖3的「損失」區域32變成圖6下方左邊的三角形區域62。這樣就使原始的「多餘」或「損失」區域小一半，從而改善D類音頻放大器的性能。這是一種PAM式的改良。
參考圖7，說明本發明電路圖。判斷電流極性的判斷電路56基本上是一種比較器。「多餘」區域檢測脈衝發生器51包含一D觸發器511、一與門512及一反相器513。輸入TA+與TA-，判斷電路56的輸出則輸入與門512。當電阻器14的電流為負時，與門512能輸出信號，如圖所示。這種電路在TA+下降與TA-上升之間的無效時間內能夠產生對應的脈衝n6，如圖8所示。
脈衝n6輸入積分器52，積分器52包含一電阻器520、一MOS 521、一電容器522、一運算放大器523、一反相器524。其輸出為脈衝波形n9，如圖8所示。
脈衝n9輸入電壓調整器53，控制VCC電壓，使其由原始的VCC電壓逐漸下降到零，如圖8n11波形所示。電壓比較器53用於拖曳VCC的電壓使圖3的「多餘」區域31變成圖6下方右邊的三角形區域61。這樣就使原始的「多餘」區域小一半，從而改善D類音頻放大器的性能。這是一種PAM式的改良。
「損失」區域檢測脈衝發生器54包含一D觸發器541、一與門542及一反相器543。輸入TA+與TA-，判斷電路56的輸出則經一反相器544輸入與門542。當電阻器14的電流為正時，與門542能輸出信號，如圖所示。這種電路在TA-下降與TA+上升之間的無效時間能夠產生對應的脈衝n7，如圖8所示。
脈衝n7輸入積分器55，積分器55包含一電阻器550、一MOS 551、一電容器552、一運算放大器553，積分器55的輸出波形為脈衝n10，如圖8所示。
脈衝n10輸入電壓調整器57，以補償N點的電壓，其波形如圖8中的n12所示，使圖3的「損失」區域32成圖6下方左邊的三角形區域62。這樣就使原始的「損失」區域小一半，從而改善D類音頻放大器的性能。這是一種PAM式的改良。
本發明中電壓調整器53及57均使用TEXAS INSTRUMENTS的集成電路LM317M。
本發明的精神與範圍僅受限於下述權利要求，不受限於上述實施例。
權利要求
1.一種用於改善D類音頻放大器性能的脈衝幅度調製方法，該D類音頻放大器的輸入為一種脈寬調製信號，並具有無效時間設計，以便具有延時功能，為了少該無效時間設計所產生的輸出信號畸變，該方法包括如下步驟在該D類音頻放大器的輸出端將一電阻器與一揚聲器串聯，且設計一電流極性判斷電路，以取出該電阻器的電壓而判斷其電流的極性；在該D類音頻放大器的電源端加上一電壓調整電路，當該電阻器的電流為負時，用於控制D類音頻放大器的電源電壓，使其在無效時間時由高電位降至低電位；在該D類音頻放大器的低電位點加上一電壓補償電路，當該電阻器的電流為正時，用於補償D類音頻放大器低電位點的電壓，使其在無效時間時由低電位升至高電位。
2.如權利要求1所述的方法，其中將所述電阻器的兩端電壓輸入所述電流極性判斷電路的輸入端，電流極性判斷電路的輸出則輸入所述電壓調整電路，且電流極性判斷電路的輸出經一反相器輸入該電壓補償電路。
3.如權利要求1所述的方法，其中該電壓調整電路包含一多餘區域檢測脈衝發生器、一積分器及一電壓調整器。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述電壓補償電路包含一損失區域檢測脈衝發生器、一積分器及一電壓調整器。
5.如權利要求2所述的方法，其中所述電流極性判斷電路為一比較器。
6.如權利要求3所述的方法，其中所述多餘區域檢測脈衝發生器包含一D觸發器、一與門及一反相器；該積分器包含一電阻器、一MOS、一電容器、一運算放大器及一反相器；該電壓調整器為TEXASINSTRUMENTS的LM317M或其等效替代品。
7.如權利要求4所述方法，其中所述損失區域檢測脈衝發生器包含一D觸發器、一與門及一反相器；該積分器包含一MOS、一電阻器、一電容器、一與門，該電壓調整器為TEXAS INSTRUMENTS的LM317M或其等效替代品。
全文摘要
本發明提供一種D類音頻放大器的PAM(脈衝幅度調製)改良方法及電路。D類音頻放大器的輸入為一種PWM信號，具有無效時間(deadtime)的延遲設計。為了少該無效時間的延遲設計所產生的輸出信號畸變，本發明的方法如下檢測該D類音頻放大器的輸出端電流的極性；當電流為負時，在該D類音頻放大器的電源端加上一電壓調整電路，以控制D類音頻放大器的電源電壓，使其在無效時間時由高電位降至低電位；當電流為正時，在該D類音頻放大器的N點(低電位點)加上一電壓補償電路，以補償D類音頻放大器N點的電壓，使其在無效時間時由低電位升至高電位。
文檔編號H03F3/181GK1783716SQ20041009803
公開日2006年6月7日 申請日期2004年12月3日 優先權日2004年12月3日
發明者馬獨先 申請人:普誠科技股份有限公司