自動輸入增益控制電路及其方法
2023-05-21 23:15:11
專利名稱：自動輸入增益控制電路及其方法
技術領域：
本發明涉及一種音頻放大器的自動增益控制電路及其方法。
背景技術：
通常，數字/模擬(A/D)D類放大器電路對音響信號執行脈衝寬度調製(PWM)以將音響信號轉換為一種類型的數位訊號，放大該數位訊號，並使放大的數位訊號通過低通濾波器(LPF)以恢復原始的模擬信號。
圖1是示出傳統的D類放大器電路的結構的示意圖。參照圖1，傳統的D類放大器電路包括放大器110、比較器120、柵極驅動器130、低通濾波器(LPF)140、三角波發生器150和限幅器160。
如圖1所示，放大器110以積分器的形式來實現，並且對輸入信號和輸出信號進行比較以產生信號Vea。
比較器120對信號Vea和三角波信號進行比較以產生脈衝寬度調製(PWM)信號。柵極驅動器130放大PWM信號以驅動金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)開關。從根據柵極信號執行開關操作的MOSFET開關輸出的信號被LPF 140低通濾波並且作為音響信號被施加到揚聲器SP。這裡，可以在輸入端構成限幅器160以改善當傳統的D類放大器電路的輸出信號Vo被電源削波時產生的高頻失真分量。如圖2A和圖2B所示，普通的限幅器可包括普通的齊納二極體ZD1和ZD2或者普通的小信號二極體D1和D2。
如果音響信號Vin被輸入到傳統的D類放大器電路，則具有積分器形式的放大器110對音響信號Vin和從輸出信號Vo反饋的信號進行比較，以產生與音響信號Vin和輸出信號Vo的差相應的信號Vea。比較器120對信號Vea和三角波信號進行比較以產生PWM信號，並且比較器120的輸出由PWM信號進行PWM開關。PWM信號通過低通濾波器(LPF)140以再現音響信號Vin。這裡，輸出信號Vo和音響信號Vin由於反饋電阻而具有如等式1所示的增益。
VoVin=1+RbRa...(1)]]>如等式1所示，輸出信號Vo隨著音響信號Vin的增加而增加。如果輸出信號Vo的峰頂點Vp由於音響信號Vin的進一步增加而超過電源電壓VCC，則如圖3A或圖3B所示，輸出信號Vo在與電源電壓VCC相應的輸出電平上被削波。如果傳統的D類放大器電路是模擬放大器電路而不是數字放大器電路，則如圖3A所示，輸出信號Vo被簡單地削波。這裡，輸出信號Vo具有被定義為D1的失真分量。然而，如果傳統的D類放大器電路是已被主要用作數字放大器電路的PWM開關放大器，則當被削波時，輸出信號Vo具有如圖3B所示的波形，其中除了失真分量D1之外在其削波部分的邊緣具有附加的階躍高頻失真分量D2。
圖3B所示的附加的階躍高頻失真分量D2的產生可參照圖4所示的數字放大器電路的內部操作波形來理解。如圖4所示，放大器110的信號Vea逐漸增大並與三角波信號比較，直到輸出信號Vo被削波。因此，PWM信號的佔空比逐漸增大並達到大約100％。佔空比達到100％的時間點是放大器110的輸出信號Vo增大到電源電壓VCC的時間點。因此，雖然音響信號Vin在該時間點之後被進一步放大，但是輸出信號Vo不超過電源電壓VCC並被削波。這裡，從放大器110輸出的信號Vea超過三角波信號的範圍並進入飽和狀態。如果音響信號Vin通過峰頂點Vp被衰減並且音響信號Vin的值變得小於削波的輸出信號Vo的反饋值，則從放大器110輸出的信號Vea經過飽和狀態並進入三角波信號的範圍。由於積分器的特性，因此必然出現時間延遲。信號Vea被延遲以經過飽和狀態並進入三角波信號的範圍。輸出信號Vo由於積分器的特性而在延遲時間內被連續削波，並且從放大器110輸出的信號Vea進入三角波信號的範圍，隨後進入正常的PWM操作。其後，輸出信號Vo以陡坡變化來快速跟隨與音響信號Vin相應的輸出。因此，出現階躍失真。
從放大器110輸出的信號Vea必須在三角波的範圍內，以改善當輸出信號Vea被削波時產生的階躍高頻失真分量D2。為此，使用輸入限幅器來將音響信號Vin限制在適當的電平或更低的電平。輸入限幅器通常可具有如圖2A或圖2B所示的結構。雖然簡單地構成了這樣的結構，但是將被限制的電平被限制到齊納電壓或二極體電壓。因此，難以自由地改變所述電平。結果，難以準確地處理放大器或電源電壓的增益中的變化。此外，在限幅期間，過輸入的上部和下部被削波。因此，出現輸出失真。
發明內容
因此，本發明的一方面在於當出現過輸入時通過限制輸出電平來防止或實際上減小輸出信號的失真。
本發明的另一方面在於當出現過輸入時防止或實際上減小輸出信號的削波。
本發明的另一方面在於可變地限制音響信號的增益以允許具有不同功率需求的產品使用相同的電源。
可通過提供一種自動輸入增益控制電路及其方法來實現本發明的上述方面，所述自動輸入增益控制電路用於如果在包括音響放大器和開關放大器的音頻設備中沒有在動態範圍內輸入音響信號，則基於預設的限制電平自動地衰減音響信號的增益，使得音響信號的削波引起的音響信號的失真最小化並限制音響信號的過輸入，以輸入所述動態範圍內的音響信號。
本發明的一方面提供了一種音頻放大器的自動輸入增益控制電路，包括輸出比較器，對所述音頻放大器的輸出信號的電壓和基於閾值電壓Vth產生的參考電壓進行比較；和輸入增益調節器，根據所述輸出比較器的比較結果自動調節所述音頻放大器的輸入信號的電壓，以便輸出信號的電壓處於所述參考電壓之內。
所述參考電壓可以是與電源電壓VCC和閾值電壓Vth之差相應的電壓。
所述閾值電壓Vth可以使用等式「Vth＝VDZ1-2VD1」來計算，其中，VDZ1表示齊納二極體DZ1的反向電壓，VD1表示電晶體Q1的發射極和基極之間的正向電壓或者二極體D1的正向電壓。
所述輸出比較器可包括檢測器，檢測輸出信號的電壓是否超過所述參考電壓；和發送器，根據所述檢測器的檢測結果將輸出信號的電壓發送到所述輸入增益調節器。
所述檢測器可以是恆壓元件，所述恆壓元件可包括齊納二極體。
所述發送器可以是開關元件，所述開關元件可包括電晶體。
所述輸入增益調節器可以是可變電阻器元件，如果輸出信號的電壓超過所述參考電壓，則所述可變電阻器元件調節輸入阻抗以衰減輸入增益，以便輸出信號的電壓處於所述參考電壓之內。所述可變電阻器元件可包括結型場效應電晶體(J-FET)。
如果所述檢測器檢測到輸出信號的電源超過所述參考電壓，則所述輸出比較器可通過所述發送器將該輸出信號發送到所述輸入增益調節器。
所述輸出比較器可包括第一比較器，對輸出信號的電壓和正參考電壓進行比較；和第二比較器，對輸出信號的電壓和負參考電壓進行比較。
根據本發明的另一方面，提供了一種自動控制音頻放大器的輸入增益的方法，包括對所述音頻放大器的輸出信號的電壓和基於閾值電壓Vth產生的參考電壓進行比較；和根據比較結果自動調節所述音頻放大器的輸入信號的電壓，以便輸出信號的電壓處於所述參考電壓之內。
所述參考電壓可以是與電源電壓VCC和閾值電壓Vth之差相應的電壓。
所述對音頻放大器的輸出信號的電壓和基於閾值電壓Vth產生的參考電壓進行比較的步驟可包括檢測輸出信號的電壓是否超過所述參考電壓；和根據檢測結果輸出該輸出信號。
所述檢測輸出信號的電壓是否超過所述參考電壓的步驟可使用恆壓元件來執行。
所述音頻放大器的輸出信號可以使用開關元件來輸出。
如果輸出信號的電壓超過所述參考電壓，則可使用可變電阻器元件來調節輸入阻抗以衰減輸入增益，以便輸出信號的電壓處於所述參考電壓之內。
通過參照附圖對本發明的特定實施例進行的描述，本發明的以上和其他方面和特點將會變得更清楚，其中圖1是示出傳統的D類放大器電路的結構的示意圖；圖2A和圖2B是示出傳統的限幅器電路的電路圖；圖3A和圖3B是示出當輸出電壓的峰頂點Vp超過電源電壓VCC時發生的輸出電壓的削波的曲線圖；圖4是示出音頻放大器電路的內部操作波形的曲線圖；圖5是示出根據本發明實施例的音頻放大器的自動輸入增益控制電路的電路圖；圖6是示出根據本發明另一實施例的自動輸入增益控制電路的電路圖；圖7是示出根據本發明實施例的自動輸入增益控制電路的等效電路的電路圖；和圖8是示出根據本發明實施例的在參考電壓範圍內輸出的輸出電壓的波形的曲線圖。
在全部的附圖中，相同的標號將被理解為指示相同的元件、特點和結構。
具體實施例方式
描述中定義的諸如詳細的結構和元件的內容被提供以幫助全面地理解本發明的實施例，並且這些內容只是示例性的。因此，本領域技術人員應該理解，在不脫本發明的範圍和精神的情況下，可以對這裡描述的實施例進行各種變動和修改。此外，為了清楚簡明，省略對已知功能和結構的描述。
在下文中，將參照附圖對本發明的示例性實施例進行詳細的描述。
本發明的特定實施例的特徵在於，過輸入信號被衰減，以防止過輸入和過輸出引起的削波失真D1以及由音頻放大器的內部塊的飽和引起的階躍高頻失真D2，從而使輸出信號不接近音頻放大器的電源電壓VCC，而是不管音頻放大器和電源電壓VCC的增益中的變化處於閾值電壓Vth之內。此外，整體增益可被衰減，而不是削減過輸入分量，以保持原始形式的輸入信號並將輸入分量的失真最小化，從而限制輸入電平。此外，閾值電壓Vth可關於電源電壓VCC來調節，以改變輸出限制電平，以便設計根據產品而具有不同輸出功率的放大器。因此，可設計放大器以使其具有與先前設計的放大器相同的揚聲器阻抗和電源電壓，以便共享揚聲器和電源塊。
圖5是示出根據本發明實施例的音頻放大器的自動輸入增益控制電路的電路圖。參照圖5，根據本發明實施例的音頻放大器的自動輸入增益控制電路包括輸出比較器510、輸入增益調節器520、開關放大器530和揚聲器SP。
自動輸入增益控制電路還可包括如圖1所示的比較器120、柵極驅動器130、低通濾波器(LPF)140和三角發發生器150。也就是說，本發明的自動輸入增益控制電路可以合併到諸如圖1所示的現有技術的裝置。上面已經描述了比較器120、柵極驅動器130、LPF 140和三角波發生器150的結構，因此這裡將省略它們的詳細描述。
輸出比較器510對輸出信號Vo的電壓(以下稱為「輸出電壓」)和用於在電源電壓VCC內輸入音頻放大器的音響信號的參考電壓進行比較。如圖5所示，輸出比較器510包括第一比較器512和第二比較器514。第一比較器512對輸出電壓和正電源電壓+VCC的閾值電壓Vth進行比較。第二比較器514對輸出電壓和負電源電壓-VCC的閾值電壓Vth進行比較。這裡，閾值電壓Vth表示不允許輸出信號達到電源電壓VCC的裕度電壓(margin voltage)。
輸入增益調節器520根據比較器510輸出的比較結果自動調節音響信號的電壓，以在電源電壓VCC之內輸入音響信號。換句話說，輸入增益調節器520衰減音響信號的整體增益，以保持原始形式的音響信號並使音響信號的失真最小化。為此，用於調節音響信號的輸入阻抗的壓控可變電阻器Rds可用作輸入增益調節器520。
開關放大器530放大音響信號。
在具有如圖5所示的上述結構的音頻放大器的自動輸入增益控制電路中，通過操作電源產生的音響信號通過輸入電阻器Rin施加到開關放大器530。輸出比較器510和揚聲器SP連接到開關放大器530的輸出端，而用於調節音響信號的輸入增益調節器520連接到開關放大器530的輸入端。輸出比較器510的第一比較器512連接到開關放大器530上面的正電源電壓+VCC，輸出比較器510的第二比較器514連接到開關放大器530下面的負電源電壓-VCC。
圖6是示出根據本發明另一實施例的自動輸入增益控制電路的電路圖。根據本發明的自動輸入增益控制電路包括檢測發送器610和輸入調節器620。這裡，檢測發送器610和輸入調節器620分別是圖5的輸出比較器510和輸入增益調節器520的示例性實現。
檢測發送器610包括檢測器和發送器。當輸出電壓超過參考電壓時，檢測器工作。發送器根據檢測器的操作而被接通，以將輸出電壓發送到輸入調節器620。這裡，參考電壓是通過從電源電壓VCC減去閾值電壓Vth獲得的電壓。換句話說，參考電壓對應於電源電壓VCC和閾值電壓Vth之差。
如圖6所示，檢測器可以是包括齊納二極體DZ1的恆壓元件，而發送器可以是包括電晶體Q1的開關元件。
更詳細地講，在檢測發送器610中，齊納二極體DZ1在電源電壓VCC和接地電壓之間與電阻器R串聯連接，電晶體Q1的基極連接到齊納二極體DZ1和電阻器R之間的連接點。二極體D1在電晶體Q1的發射極和輸出端之間與電阻器R1串聯連接，電晶體Q1的集電極連接到輸入調節器620。這裡，電晶體Q1可以是PNP型電晶體。
電容器C1在輸入信號的電壓Vin(以下稱為「輸入電壓」)和輸入端INPUT之間與輸入電阻器Rin串聯連接。包括結型場效應電晶體(J-FET)J1的輸入調節器620連接到輸入端INPUT和輸入電阻器Rin之間的連接點。換句話說，輸入調節器620可包括作為可變電阻器工作的元件，或者可包括如圖6所示的J-FET J1。
輸入調節器620的J-FET J1的漏極連接到輸入端INPUT和輸入電阻器Rin之間的連接點。J-FET J1的源極接地，電容器C2在柵極和地之間與電阻器R串聯連接。負電源電壓-VCC通過電阻器R2連接到電容器C2和電阻器R之間的連接點，檢測發送器610的電晶體Q1的集電極連接到電容器C2和電阻器R之間的連接點。
圖7中顯示了圖6所示的自動輸入增益控制電路的等效電路。換句話說，所述等效電路包括輸入電壓、輸入電阻器Rin和可變電阻器Rds，並且所述等效電路通過可變電阻器Rds調節輸入電壓的強度。
現在將描述根據本實施例的音頻放大器的自動輸入增益控制電路的操作。
為了描述自動輸入增益控制電路的操作，假設圖6所示的自動輸入增益控制電路構成圖1所示的音頻放大器的輸入部分。
這裡，當輸出電壓超過定義為電源電壓VCC的裕度的閾值電壓Vth時，自動輸入增益控制電路工作。這裡，閾值電壓如等式2來定義Vth＝VDZ1-2VD1…(2)其中，VDZ1表示齊納二極體DZ1的反向電壓，VD1表示電晶體Q1的發射極和基極之間的正向電壓或者二極體D1的正向電壓。因此，如果輸出電壓大於電源電壓VCC和閾值電壓Vth之差時，電晶體Q1工作，以增大輸入調節器620的J-FET J1的柵極電壓。如果增大的柵極電壓大於或等於J-FET J1的導通電壓-VGON，則J-FET J1的漏極和源極之間的阻抗改變並減小。在這種情況下，輸入調節器620可等效為如圖7所示。因此，實際上輸入到音頻放大器的輸入端INPUT的電壓VINPUT關於輸入信號的電壓Vin如等式3來表達VINPUT=(RdsRin+Rds)Vin...(3)]]>如等式3所示，可變電阻Rds在過輸入狀態的增大而減小。因此，電壓VINPUT衰減。結果，實際輸出電壓的峰值被固定在電源電壓VCC和閾值電壓Vth之差並且不超過電源電壓VCC和閾值電壓Vth之差。輸入信號的增益如等式3衰減，以滿足等式3的條件。因此，輸出信號僅僅是增益被衰減，而保持其原始形式。如果輸入信號的電平處於正常狀態而不是過輸入狀態下，則電晶體Q1和J-FET J1截止。因此，Rds大於輸入電阻器Rin，並且電壓VINPUT等於輸入電壓。結果，輸入信號被衰減為等於原始的音響信號，並且隨後被輸入到音頻放大器的輸入端。
如上所述，在包括根據本發明的音響放大器和開關放大器的音頻設備中，如果輸入的音響信號超過動態範圍，則輸入的音響信號的增益基於預設的限制電平自動衰減，以輸入在所述動態範圍內的輸入音響信號。因此，等於原始信號的音響信號被輸出，當音響信號被削波時音響信號的失真最小化，階躍失真被去除，並且過輸入被限制。
如上所述，在根據本發明的自動輸入增益控制電路及其方法中，只有大於或等於特定電平的過輸入信號的增益可被衰減，而不是削減過輸入信號。因此，對輸出波形進行削波引起的輸出波形的失真可被最小化。特別地，開關放大器可防止內部塊的飽和，以同時去除在削波期間出現的諧波失真和階躍高頻噪音。此外，線性模擬放大器可保持原始形式的過輸入信號而僅衰減增益，而不是簡單地對過輸入信號削波，以使輸出信號的失真最小化。
具有音頻功能的電子設備可使用相等的電源電壓來任意地調節作為增益衰減電路工作的輸出比較器電路的參考電壓，以限制輸出電平。因此，可在實際上並未改變電源或揚聲器阻抗來獲得改變電源或揚聲器阻抗的效果。因此，可以使具有各種輸出規格的產品的電源電壓和揚聲器阻抗標準化。
如上所述，顯示並描述了本發明的示例性實施例，但本發明不限於以上描述的特定實施例，並且在不脫離由權利要求及其等同物的全部範圍限定的本發明的範圍的情況下，本發明所屬領域的技術人員可以以各種修改來實現本發明。
權利要求
1.一種音頻放大器的自動輸入增益控制電路，所述自動輸入增益控制電路包括輸出比較器，對所述音頻放大器的輸出信號的電壓和基於閾值電壓Vth產生的參考電壓進行比較；和輸入增益調節器，根據所述輸出比較器的比較結果自動調節所述音頻放大器的輸入信號的電壓，以便輸出信號的電壓處於所述參考電壓之內。
2.如權利要求1所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述參考電壓是與電源電壓VCC和閾值電壓Vth之差相應的電壓。
3.如權利要求1所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述閾值電壓Vth通過使用等式「Vth＝VDZ1-2VD1」來計算，其中，VDZ1表示齊納二極體DZ1的反向電壓，VD1表示電晶體Q1的發射極和基極之間的正向電壓或者二極體D1的正向電壓。
4.如權利要求1所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述輸出比較器包括檢測器，檢測輸出信號的電壓是否超過所述參考電壓；和發送器，根據所述檢測器的檢測結果將輸出信號的電壓發送到所述輸入增益調節器。
5.如權利要求4所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述檢測器是恆壓元件。
6.如權利要求5所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述恆壓元件包括齊納二極體。
7.如權利要求4所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述發送器是開關元件。
8.如權利要求7所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述開關元件包括電晶體。
9.如權利要求4所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述輸入增益調節器是可變電阻器元件，如果輸出信號的電壓超過所述參考電壓，則所述可變電阻器元件調節輸入阻抗以衰減輸入增益，以便輸出信號的電壓處於所述參考電壓之內。
10.如權利要求9所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述可變電阻器元件包括結型場效應電晶體。
11.如權利要求4所述的自動輸入增益控制電路，其中，如果所述檢測器檢測到輸出信號的電壓超過所述參考電壓，則所述輸出比較器通過所述發送器將該輸出信號發送到所述輸入增益調節器。
12.如權利要求1所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述輸出比較器包括第一比較器，對輸出信號的電壓和正參考電壓進行比較；和第二比較器，對輸出信號的電壓和負參考電壓進行比較。
13.一種自動控制音頻放大器的輸入增益的方法，所述方法包括對所述音頻放大器的輸出信號的電壓和基於閾值電壓Vth產生的參考電壓進行比較；和根據比較結果自動調節所述音頻放大器的輸入信號的電壓，以便輸出信號的電壓處於所述參考電壓之內。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述參考電壓是與電源電壓VCC和閾值電壓Vth之差相應的電壓。
15.如權利要求13所述的方法，其中，所述對音頻放大器的輸出信號的電壓和基於閾值電壓Vth產生的參考電壓進行比較的步驟包括檢測輸出信號的電壓是否超過所述參考電壓；和根據檢測結果輸出該輸出信號。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述檢測輸出信號的電壓是否超過所述參考電壓的步驟通過使用恆壓元件被執行。
17.如權利要求15所述的方法，其中，所述音頻放大器的輸出信號通過使用開關元件被輸出。
18.如權利要求13所述的方法，其中，如果輸出信號的電壓超過所述參考電壓，則使用可變電阻器元件來調節輸入阻抗以衰減輸入增益，以便輸出信號的電壓處於所述參考電壓之內。
19.如權利要求2所述的自動輸入增益控制電路，其中，所述閾值電壓Vth使用等式「Vth＝VDZ1-2VD1」來計算，其中，VDZ1表示齊納二極體DZ1的反向電壓，VD1表示電晶體Q1的發射極和基極之間的正向電壓或者二極體D1的正向電壓。
全文摘要
提供了一種音頻放大器的自動輸入增益控制電路及其方法。如果音響信號超出動態範圍，則可基於預設的限制電平來自動衰減音響信號的增益以使音響信號的削波引起的音響信號的失真最小化並限制過輸入，以便輸入所述動態範圍內的音響信號。因此，可保持特定電平或更高電平的過輸入信號的原始形式，而僅衰減過輸入信號的增益。結果，可使輸出波形的削波引起的輸出波形的失真最小化，並且可同時去除在削波期間出現的諧波失真和階躍高頻失真。
文檔編號H03F3/217GK101079602SQ20061016456
公開日2007年11月28日 申請日期2006年12月7日 優先權日2006年5月23日
發明者金湳寅, 金允龍, 金成祐 申請人:三星電子株式會社