雙路反饋單電源音頻功率放大器的製作方法
2023-05-13 20:56:56
專利名稱：雙路反饋單電源音頻功率放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子領域，尤其涉及移動終端設備(如手機等)中的音頻放大 器件。
背景技術：
圖1示出了傳統的單電源音頻功率放大器反相放大輸入信號以驅動揚聲器負
載的原理，請參見圖l。音頻功放模塊101與電源VCC相連。音頻功放模塊101包 括用於接收由前級提供的輸入信號Vin的反相輸入端、用於接收共模參考電壓Vcm 的同相輸入端以及用於輸出信號Vx的輸出端。音頻功放模塊101通過輸入電阻R1 和反饋電阻R2對輸入信號Vin實現放大或衰減後，得到輸出信號Vx通過隔直耦合 電容Cout後被加載在揚聲器RL上，即連接點Vy。
因為音頻功放模塊101採用單電源VCC供電，為了使輸出信號Vx能在正向與 負向上都有較高的輸出幅度，而不回發生一邊被另一邊限幅的情況。 一般輸出端的 額定直流電壓被設定為VCC/2。而又因為揚聲器RL的電阻值往往只有8 32歐姆， 所以設定了音頻功放模塊101的直流輸出偏置電壓為VCC/2後，需要額外的引入隔 直耦合電容Cout來阻擋輸出信號Vx中的直流分量以避免揚聲器RL上無謂的直流 功率損耗。但是由此帶來的問題是，隔直耦合電容Cout的電容值必須取到很大， 才能避免對低頻信號的衰減。例如，假設揚聲器電阻為32Q，為了讓一3dB抑制點 降低到20Hz以下的次聲波頻率段，隔直耦合電容Cout需要250nF那麼大。而對 於類似於手機這樣的可攜式設備，大的電容意味著大的尺寸，這將迫使手機增大體 積以滿足這一需求，此外大的電容本身價格也更為昂貴。
圖2示出了揚聲器電阻在32Q條件下，隔直耦合電容Cout取不同值得到的對 音頻信號抑制情況的曲線圖。其中曲線21代表隔直耦合電容Cout^33uF的情況， 曲線22代表隔直耦合電容Cout二100 w F的情況，曲線23代表隔直耦合電容Cout 二220uF的情況。從圖2中可以看出，為了減少手機尺寸而採用33ixF的小電容，所造成的影響是巨大的，當音頻信號接近與20Hz的次聲波頻率時，衰減已經達到 了 18dB之多。
發明內容
本發明的目的在於解決上述問題，提供了一種雙路反饋單電源音頻功率放大 器，既降低音頻功率放大器對低頻信號的抑制，又減少隔直耦合電容的值。
本發明的技術方案為本發明提出了一種雙路反饋單電源音頻功率放大器，
包括
音頻功放模塊，包含用於接收輸入音頻信號的第一輸入端、用於接收共模參 考電壓的第二輸入端，用於接收電源電壓的第三輸入端以及用於提供輸出音頻信號 的輸出端；
第一反饋通路，連接在該音頻功放模塊的輸出端與反相輸入端之間，包括第
一電阻；
第二反饋通路，連接在該音頻功放模塊的輸出端與反相輸入端之間，包括第 二電阻、電容以及用於調節音頻功放增益的第三電阻。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，該第二反饋通路上還設有第 四電阻。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，該音頻功放模塊的輸出端連 接揚聲器模塊，該揚聲器模塊包括連接到該音頻功放模塊輸出端的隔直耦合電容和 連接到該隔直耦合電容的揚聲器，該第二反饋通路的一端連接在該隔直耦合電容與 該揚聲器之間。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，系統具有傳輸函數的兩對零 極點，其中第一對零極點中的第一極點的頻率小於預設頻率，第二對零極點互相抵消。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，該預設頻率是20Hz。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，該用於接收輸入音頻信號的
第一輸入端是該音頻功放模塊的反相輸入端，該用於接收共模參考電壓的第二輸入
端是該音頻功放模塊的同相輸入端。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，該音頻功率放大器的傳輸函
數為》=kxs: = (s-zaXs-，，其中k是用來調節音頻功放模塊 Vins,+b,s + b2 (s_pa)(s_pb)
增益的比例因子，za、 pa是系統的第一零點和第一極點，zb、 pb是系統的第 二零點和第二極點，pb二zb且有pa〈20Hz。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，比例因子
且
k=^——^，第一零點za-O，第二零點辻=-~^+K' 1
^Ld + ^ + ^) + ^！ "、 '" R3C, R2R3CC
R2 R,R3 R3
^ R^人z 1 1 1、 R4 1 ^ R4x i
Rl R3C1 RLCmit R3C tR3 RLCout ^ R1 RLCoUtR3Cl
b 一 _"1 "3"1 "L"out "3" out_"3 " L ^ out b 一
1 ■! R4 R"i 1 R4 R4 /1 R2、
l ++ ~^ (l + J) i + J + J (i + J)
R,R, R, R,R, R,
bl和
b2滿足不等式b,2 -4b2 20。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，該音頻功放模塊的反相輸入 端通過該第四電阻(Rl)和該第三電阻(M)接收共模參考電壓，該音頻功放 模塊的同相輸入端通過第一去耦電容(Cin)接收音頻信號，該雙路反饋單電 源音頻功率放大器還包括第五電阻(Rn)，其一端連接該音頻功放模塊的同相
輸入端，另一端接共模參考電壓。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，該音頻功放模塊的反相輸入 端通過該第四電阻(Rl)、該第三電阻(R4)和第二去耦電容(Cn)接在地電 平上，該音頻功放模塊的同相輸入端通過第一去耦電容(Cin)接收音頻信號， 該雙路反饋單電源音頻功率放大器還包括第五電阻(Rn)，其一端連接該音頻 功放模塊的同相輸入端，另一端接共模參考電壓。
上述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其中，該第二去耦電容(Cn)是片 外電容。
本發明對比現有技術有如下的有益效果本發明在傳統的電路結構上增加一 條反饋通路，原來的第一反饋通路用於提供傳統電路結構中由主極點決定的一3dB
抑制點到更高頻率段的頻率響應曲線，而新增加的第二反饋通路用於提供新的一 3dB抑制點(第二極點決定)到傳統結構的一3dB抑制點(第一反饋通路的主極點 決定)的頻率響應曲線。也即，本發明相當於在原有的由隔直耦合電容Cout和揚
聲器RL組成的高通濾波器的基礎上並聯一個帶通濾波器，達到了在不改變高通濾 波器頻率特性的情況下(即不增加隔直耦合電容Cout的電容值)，實現了一個能 讓更低頻率信號通過的高通濾波器性能。對比現有技術，本發明沒有明顯增加系統 的複雜度(外接元器件的數量、尺寸)，具有對所選擇的器件數值波動不敏感的魯 棒性優點。
圖1是傳統的單電源音頻功率放大器驅動揚聲器負載的原理圖。 圖2是圖1所示電路中，當揚聲器電阻為32Q時，隔直耦合電容取到不同值
的情況下，音頻功率放大器輸出對低頻信號的抑制情況的曲線圖。
圖3是本發明的採用反相放大模式的雙路反饋單電源音頻功率放大器的較佳
實施例的電路圖。
圖4是釆用圖1所示傳統電路結構和圖3所示電路結構的系統傳輸函數的零 極點分布圖。
圖5是採用圖1所示傳統電路結構和圖3所示電路結構，音頻功率放大器輸
出對低頻信號的抑制情況曲線圖。
圖6是採用圖3所示電路結構，電容C1和電容Cout變動50%時，音頻功率
放大器對低頻信號的抑制情況曲線圖。
圖7是本發明的採用同相放大模式的雙路反饋單電源音頻功率放大器的一個 較佳實施例的電路圖。
圖8是本發明的採用同相放大模式的雙路反饋單電源音頻功率放大器的另一 較佳實施例的電路圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。
圖3示出了本發明的釆用反相放大模式的雙路反饋單電源音頻功率放大器結 構，與圖1所示的傳統電路結構不同的是，除了原來的第一反饋通路(由電阻R2 構成)，還增加了一條第二反饋通路，由電阻R3、電容C1和電阻R1組成。第一 反饋通路連接在音頻功放模塊IOI的輸出端與反相輸入端之間，同樣地，第二反饋
通路也連接在音頻功放模塊101的輸出端與反相輸入端之間。電阻R4用於調節音 頻功放增益。而且，在本實施例中，第二反饋通路的電阻R3和電阻R1可以合併為 一個電阻。
音頻功放模塊101的輸出端連接揚聲器模塊，揚聲器模塊包括連接到音頻功 放模塊101輸出端的隔直耦合電容Cout和連接到隔直耦合電容Cout的揚聲器RL， 第二反饋通路的一端亦可連接在隔直耦合電容Cout和揚聲器RL之間。
輸入信號Vin被加載在音頻功放模塊101的反相輸入端，共模參考電壓Vcm 被加載在音頻功放模塊101的同相輸入端。音頻功放模塊101採用單電源供電模式， 由電源VCC提供電源。音頻功放模塊101的輸出信號Vx， 一路將通過電阻R2的第 一反饋通路反饋回音頻功放模塊101的反相輸入端，另一路則通過隔直耦合電容 Cout後被加載在揚聲器RL上，即連接點Vy。加載在揚聲器RL上的電壓Vy再通過 第二反饋通路上的電容Cl、電阻R3和電阻Rl反饋回音頻功放模塊101的反相輸入順。
本實施例所增加的第二反饋通路致使在原音頻功率放大器的傳輸函數基礎
上，額外增加了一對零極點，傳輸函數形式如式(1)所示，其中k是用來調節音
頻功放模塊101增益的比例因子，za和pa是系統的第一零點和第一極點，zb和
pb是系統的第二零點和第二極點。具體形式如式(2) 式(4)所示。formula see original document page 9 (1)
formula see original document page 9
formula see original document page 9(formula see original document page 9
本實施例設計的目的是使得pb二zb(也即系統的第二極點和第二零點互相 抵消)且有pa〈20Hz(原來的第一極點pa從20Hz以上降至20Hz以下)，式(l)
中的分子是一定能分解的，因此得到了 za和zb的表達式以直觀的指導零點位 置，但是分母不一定能夠分解出來，為了讓pa、 pb得到一對實數根，係數bl 和b2需要滿足不等時(5)。 b,2-4b22 0 (5)
這裡可以示出一種特例，即如果式(1)滿足條件(6) (8)，那麼式 (1)就可以簡化為式(9)所示的形式。 1^《112,113，114 (6)
formula see original document page 10 (7)
formula see original document page 10
(8)
formula see original document page 10 (9)
從式(9)可以看出，因為第二反饋通路的加入，使得原來由第一反饋通路決 定的第一極點(即傳統電路的主極點)減小為原來的R3/(R2+R3)倍，即向坐標原 點大幅度靠近，這相當於減小了高通的一3dB抑制點，而系統同時新產生的一對零 極點又互相抵消了。通過合理的設置反饋通路中的阻容參數，得到小於20Hz以下 次聲波頻段的主極點，那麼人耳對這些零極點的幅頻變化都不會產生響應，即改善 了該音頻功率放大器的低頻響應特性，實現了以更小的隔直耦合電容Cout (例如 33 u F)完成原來需要220u F大電容才能達到的低頻抑制效果。
進一步來說，可以理解成，第一反饋通路用於提供傳統電路結構中由主極點 決定的一3dB抑制點到更高頻率段的頻率響應曲線，而第二反饋通路用於提供新的 一3dB抑制點(第二極點決定)到傳統結構的—3dB抑制點(第一反饋通路的主極 點決定)的頻率響應曲線。即本實施例相當於在原有的由隔直耦合電容Cout和揚 聲器RL組成的高通濾波器的基礎上並聯了一個帶通濾波器，達到了在不改變原高 通濾波器頻率特性的情況下(即不增加隔直耦合電容Cout的電容值)，實現了一 個能讓更低頻率信號通過的高通濾波器性能。
圖4示出了採用圖1所示傳統電路結構和圖3所示電路結構的系統傳輸函數 的零極點分布。其中，符號41即位於坐標原點的圓圈是本發明的雙路反饋音頻功 率放大器的第一零點，符號42即大叉代表它的主極點，符號43的圓圈和大叉的重
疊是因為是它的一對零極點。這裡的電路參數是Rl =2k Q ， R2 = 200 k Q ， R3 = 10. 75 kQ， R4 = 10 kQ， Cl = 10uF， Cout = 33nF， RL二32Q，從圖中可以看出，圖3 所示電路結構所有的零極點都被調整到20Hz以下。
圖5示出了採用圖1所示傳統電路結構和圖3所示電路結構，最後加載在揚 聲器RL上的音頻功率放大器輸出對低頻信號的抑制情況。其中曲線51是採用圖1 所示的傳統電路結構，電路參數Rl=10kQ， R2=10kQ， Cout=33uF， RL=32 Q ，揚 聲器端傳遞函數的波特圖；曲線52依然採用圖l所示的電路結構，和曲線51不同 之處在於改變隔直耦合電容Cout為220uF，揚聲器端傳遞函數的波特圖；曲線53 則是採用圖3所示的新結構，Rl二2kQ， R2=200kQ， R3=10. 75kQ， R4=10kQ， Cl=10uF， Cout=33uF， RL二32 Q ,在揚聲器端傳遞函數的波特圖。從圖5中可以看 到，採用了兩個小電容lOuF和33uF就達到了原來需要220uF才能實現的低頻性能。
此外，本發明中最後的系統性能對選用的片外電容C1和Cout的具體數值並不 敏感，圖6示出了採用圖3所示新結構，電容Cl和電容Cout分別變動50。/。時，音 頻放大器系統對低頻信號的抑制情況。其中R13kQ， R2=200kQ， R3二10. 75kQ， R4二10kQ保持不變，曲線61採用電容Cl二10uF， Cout二33uF;曲線62採用電容 Cl=5uF， Cout=49. 5uF;曲線63採用電容Cl=15uF， Cout=16. 5uF;剩下的六種組 合介於曲線62和曲線63之間。從圖6可以看到，即使當選擇的元器件波動在50% 左右，新結構依然能夠將-3dB抑制點控制在20Hz以下。
除了採用圖3所示的反相放大模式外，本發明也可以採用同相放大模式。圖7 示出了本發明採用同相放大模式的雙路反饋單電源音頻功率放大器的一個較佳實 施例的電路結構。輸入信號Vin通過去耦電容Cin後，被加載在音頻功放模塊101 的同相輸入端，電阻Rn—端接在音頻功放模塊lOl的同相輸入端，另一端接共模 參考電壓Vcm，用以提供音頻功率放大器的共模參考電壓。和圖3的電路結構不同 的是，電阻R4原來接輸入信號Vin的一端改接共模參考電壓Vcm。
圖8示出了本發明採用同相放大模式的雙路反饋單電源音頻功率放大器的另 一較佳實施例的電路結構。與圖7的電路結構相比，不同之處在於電阻R4原來接 輸入信號Vin的一端通過去耦電容Cn接在地電平上。其他部分均和圖7的電路結 構相同。為了避免交流工作時因為去耦電容Cn的容抗產生的壓降導致音頻功率放 大器表現出的信號失真，去耦電容Cn的值必須很大。即去耦電容Cn必須採用片外
電容實現。這樣處理的優勢在於，Vcm可以僅僅是一個參考電壓，幾乎不需要提供 任何驅動負載的能力。
圖7和圖8實施例的其他部分和圖3實施例的電路結構相同，即通過隔直耦合 電容Cout之後被加載在揚聲器RL上的輸出信號Vy，通過由電容C1、電阻R3和電 阻Rl構成的第二反饋通路被反饋回音頻功放模塊101的反相輸入端。圖7和圖8 實施例的具體工作原理和圖3實施例類似，在此不再贅述。圖7和圖8實施例的同 相放大模式，對比圖3實施例的反相放大模式，零極點的位置是不變的，假使參數 一樣的話，變化僅在於放大的增益上面。
圖3、圖7和圖8實施例的電路結構只給出了一個通道下的工作情況，如果系 統是雙通道的立體聲，只要將兩個同樣的如圖3、圖7或圖8的電路並聯就得以實 現。
應理解，本發明的發明點主要在於在傳統的只有一個反饋通路的音頻功率放 大器上新增一條反饋通路。
上述實施例是提供給本領域普通技術人員來實現或使用本發明的，本領域普 通技術人員可在不脫離本發明的發明思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或 變化，因而本發明的保護範圍並不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提 到的創新性特徵的最大範圍。
權利要求
1一種雙路反饋單電源音頻功率放大器，包括音頻功放模塊，包含用於接收輸入音頻信號的第一輸入端、用於接收共模參考電壓的第二輸入端，用於接收電源電壓的第三輸入端以及用於提供輸出音頻信號的輸出端；第一反饋通路，連接在該音頻功放模塊的輸出端與反相輸入端之間，包括第一電阻(R2)；第二反饋通路，連接在該音頻功放模塊的輸出端與反相輸入端之間，包括第二電阻(R3)、電容(C1)以及用於調節音頻功放增益的第三電阻(R4)。
2.根據權利要求l所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在於，該 第二反饋通路上還設有第四電阻(Rl)。
3.根據權利要求2所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在於，該音頻功放模塊的輸出端連接揚聲器模塊，該揚聲器模塊包括連接到該音頻功放模塊 輸出端的隔直耦合電容(Cout)和連接到該隔直耦合電容(Cout)的揚聲器(RL)， 該第二反饋通路的一端連接在該隔直耦合電容(Cout)與該揚聲器(RL)之間。
4.根據權利要求1或2所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在於，系統具有傳輸函數的兩對零極點，其中第一對零極點中的第一極點的頻率小於預設 頻率，第二對零極點互相抵消。
5.根據權利要求4所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在於，該 預設頻率是20Hz。
6.根據權利要求1或2所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在於， 該用於接收輸入音頻信號的第一輸入端是該音頻功放模塊的反相輸入端，該用於接 收共模參考電壓的第二輸入端是該音頻功放模塊的同相輸入端。
7.根據權利要求3所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在於，該音頻功率放大器的傳輸函數為formula see original document page 3，其中k是用來調節音頻功放模塊增益的比例因子，za、pa是系統的第一零點和第一極點， zb、 pb是系統的第二零點和第二極點，pb-zb且有pa〈20Hz。
8.根據權利要求7所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在於，比例因子k=^——~^^ ，第 一 零點za = 0 ，第二零點 R2 R,R3 R3formula see original document page 3 ， bl和b2滿足不等式formula see original document page 3
9.根據權利要求2所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在於， 該音頻功放模塊的反相輸入端通過該第四電阻(Rl)和該第三電阻(R4)接收 共模參考電壓，該音頻功放模塊的同相輸入端通過第一去耦電容(Cin)接收 音頻信號，該雙路反饋單電源音頻功率放大器還包括第五電阻(Rn)，其一端 連接該音頻功放模塊的同相輸入端，另一端接共模參考電壓。
10.根據權利要求2所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在於， 該音頻功放模塊的反相輸入端通過該第四電阻(Rl)、該第三電阻(R4)和第 二去耦電容(Cn)接在地電平上，該音頻功放模塊的同相輸入端通過第一去耦 電容(Cin)接收音頻信號，該雙路反饋單電源音頻功率放大器還包括第五電 阻(Rn)，其一端連接該音頻功放模塊的同相輸入端，另一端接共模參考電壓。
11.根據權利要求10所述的雙路反饋單電源音頻功率放大器，其特徵在 於，該第二去耦電容(Cn)是片外電容。
全文摘要
本發明公開了一種雙路反饋單電源音頻功率放大器，既降低音頻功率放大器對低頻信號的抑制，又減少隔直耦合電容的值。其技術方案為本發明包括音頻功放模塊，包含用於接收輸入音頻信號的第一輸入端、用於接收共模參考電壓的第二輸入端，用於接收電源電壓的第三輸入端以及用於提供輸出音頻信號的輸出端；第一反饋通路，連接在該音頻功放模塊的輸出端與反相輸入端之間，包括第一電阻；第二反饋通路，連接在該音頻功放模塊的輸出端與反相輸入端之間，包括第二電阻、電容以及用於調節音頻功放增益的第三電阻。本發明應用於音頻功率放大器的領域。
文檔編號H03F3/181GK101350598SQ20071004399
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月19日 優先權日2007年7月19日
發明者傅志軍, 洵 張 申請人:展訊通信(上海)有限公司