功率限制放大器的製作方法

2023-12-03 22:08:41 1

本發明關於一種功率限制放大器。

背景技術：

音頻放大器是一種用來放大音頻信號的功率放大器。傳統音頻放大器可分類為A類、B類、AB類和D類放大器，其中D類放大器由於具有高效率及低功耗的優點，近年來已成為音頻功率放大器的主流。圖1顯示一已知的D類放大器的方塊圖。如圖1所示，該D類放大器100包含兩輸入電容C1和C2、一增益放大級12、一脈寬調製器13、兩反饋網絡14和15以及兩功率級16和18。

參照圖1，該輸入電容C1和C2用以濾除一音頻輸入信號的直流偏壓，以產生信號AI1和信號AI2。該增益放大級12藉由電阻R1至R4的比例來放大信號AI1和信號AI2的電壓差值，以產生信號AG1和信號AG2。該脈寬調製器13在接收模擬形式的信號AG1和信號AG2後，輸出兩脈寬調製信號PWMP和PWMN至功率級16和18。該脈寬調製器13通常包含一積分器(未繪出)以積分模擬信號AG1和信號AG2的電壓差值。這些脈寬調製信號PWMP和PWMN也會藉由反饋網絡14和15產生反饋信號給該脈寬調製器13。這些功率級16和18用以推動一負載電路19，例如一耳機或是喇叭等音頻輸出裝置。

在應用上，當音頻輸入信號的振幅過大時，該D類放大器100可能需要一電路以限制輸出功率在一特定範圍內，藉以避免對負載電路19造成損害。

技術實現要素：

本發明提供一種功率限制放大器，包含一運算放大器、一降增益單元、一檢測單元、一第一電阻、一第二電阻以及一第一反饋元件。該運算放大器包含一第一輸入端、一第二輸入端和一第一輸出端。該第一電阻用以接收一第一輸入信號。該第二電阻耦接於該第一電阻和該運算放大器的該第一輸入 端之間。該降增益單元耦接於該第一電阻和該第二電阻的一第一相交點。該檢測單元用以比較產生於該第一相交點的一第一電壓和至少一預設電壓值，藉以產生至少一控制信號。該第一反饋元件耦接於該運算放大器的該第一輸入端和該運算放大器的該第一輸出端之間。該降增益單元根據該至少一控制信號以改變其阻值。

附圖說明

圖1顯示一已知的D類放大器的方塊圖。

圖2顯示結合本發明一實施例的一功率限制放大器的方塊示意圖。

圖3顯示結合本發明另一實施例的一功率限制放大器的方塊示意圖。

圖4顯示結合本發明又一實施例的一功率限制放大器的方塊示意圖。

圖5顯示結合本發明再一實施例的一功率限制放大器的方塊示意圖。

圖6顯示結合本發明一實施例的該檢測單元的方塊示意圖。

【符號說明】

100 D類放大器

12 增益放大級

13 脈寬調製器

14,15 反饋網絡

16,18 功率級

19 負載電路

20,30,40,50 功率限制放大器

22,22』 降增益單元

24,24』 運算放大器

26,26』,26」 檢測單元

262,264,265 電壓比較器

266 多工器

62,64 充電泵

66,68 低通濾波器

C1,C2 輸入電容

I1～I4 電流源

M1～M3 電晶體

R1～R6 電阻

SW1,SW2 開關

VB 偏壓源

具體實施方式

圖2顯示結合本發明一實施例的一功率限制放大器20的方塊示意圖。參照圖2，該功率限制放大器20包含一偏壓電壓源VB、一降增益單元22、一運算放大器24、一檢測單元26、一輸入電容C1以及多個電阻R1,R2和R3。該運算放大器24具有一正輸入端，一負輸入端和一輸出端。該電阻R2耦接於該電阻R1和該運算放大器24的該負輸入端之間。該降增益單元22耦接於該電阻R1和該電阻R2的一相交點。該電阻R3耦接於該運算放大器24的該負輸入端和該輸出端之間。

參照圖2，該檢測單元26由兩電壓比較器262和264所組成。該電壓比較器262用以比較產生於該電阻R1和該電阻R2的該相交點的一電壓值A2和一預設電壓值REFH，藉以產生一控制信號CP1。該電壓比較器264用以比較該電壓值A2和一預設電壓值REFL，藉以產生一控制信號CP2，其中該預設電壓值REFH大於該預設電壓值REFL。這些信號CP1和CP2用以改變該降增益單元22的阻值。在本實施例中，該降增益單元22由兩電晶體M1和M2所組成。這些電晶體M1和M2耦接於該相交點和該運算放大器24的該正輸入端之間。

在運作上，一模擬信號VIN由該功率限制放大器20的一輸入端進入後，經由該輸入電容C1以濾除模擬輸入信號的直流偏壓。接著，根據電阻RA和電阻R3的阻值比例，信號A1會被放大(R3/RA)倍數以產生該輸出信號VO。在本實施例中，電阻RA的阻值由電阻R1的阻值、電阻R2的阻值和該降增益單元22的等效阻值所決定，而該降增益單元22的等效阻值由兩電晶體M1和M2的導通阻值所決定。

該功率限制放大器20的運作原理現敘述如下。當該相交點的該電壓值A2落於該預設電壓值REFH和該預設電壓值REFL之間時，表示該模擬信號 VIN的電壓振幅為負載可接受範圍，因此該電壓比較器262會產生位於邏輯0電平的該控制信號CP1，而該電壓比較器264會產生位於邏輯0電平的該控制信號CP2，藉以完全截止這些電晶體M1和M2。此時，電阻RA的阻值實質上等於電阻R1的阻值和該電阻R2的阻值的加總。

當該相交點的該電壓值A2大於該預設電壓值REFH時，表示該模擬信號VIN的電壓振幅超過負載可接受範圍。此時，該電壓比較器262會產生高於邏輯0電平的該控制信號CP1，藉以部分導通該電晶體M1。因此，該模擬信號VIN的電壓振幅在該相交點會藉由該電晶體M1的部分導通而減少，進一步限制該相交點的該電壓值A2不大於該預設電壓值REFH。

類似地，當該相交點的該電壓值A2小於該預設電壓值REFL時，表示該模擬信號VIN的電壓振幅超過負載可接受範圍。此時，該電壓比較器264會產生高於邏輯0電平的該控制信號CP2，藉以部分導通該電晶體M2。因此，該模擬信號VIN的電壓振幅在該相交點會藉由該電晶體M2的部分導通而減少，進一步限制該相交點的該電壓值A2不低於該預設電壓值REFL。

圖3顯示結合本發明另一實施例的一功率限制放大器30的方塊示意圖，其中圖3中類似圖2的元件以類似的參考數字顯示。參照圖3，該降增益單元22』由一電晶體M3所組成。該電晶體M3耦接於該電阻R1和該電阻R2的該相交點和該運算放大器24的該正輸入端之間。

該檢測單元26』由多個電壓比較器262、264和265以及一多工器266所組成。在運作上，當該相交點的該電壓值A2落於該預設電壓值REFH和該預設電壓值REFL之間時，表示該模擬信號VIN的電壓振幅為負載可接受範圍，因此該電壓比較器262會產生位於邏輯0電平的該控制信號CP1，而該電壓比較器264會產生位於邏輯0電平的該控制信號CP2。在該輸入信號VIN的電壓值大於一電壓值VCM時，該多工器266選擇輸出該控制信號CP1。在該輸入信號VIN的電壓值小於該電壓值VCM時，該多工器266選擇輸出該控制信號CP2。該電壓值VCM為該輸入信號VIN電壓振幅的中心值。由於當該相交點的該電壓值A2落於該預設電壓值REFH和該預設電壓值REFL之間時，這些控制信號CP1和CP2都是邏輯0電平，因此這些電晶體M1和M2完全截止。在此狀況下該輸出信號VO會是信號A1的(R3/(R1+R2))倍數。

當該相交點的該電壓值A2大於該預設電壓值REFH時，表示該模擬信號VIN的電壓振幅超過負載可接受範圍。藉由這些電壓比較器262、264和 265以及該多工器266的運作，該檢測單元26』會輸出高於邏輯0電平的該控制信號CT，藉以部分導通該電晶體M3。因此，該模擬信號VIN的電壓振幅在該相交點會藉由該電晶體M3的部分導通而減少，進一步限制該相交點的該電壓值A2不大於該預設電壓值REFH。。

當該相交點的該電壓值A2小於該預設電壓值REFL時，表示該模擬信號VIN的電壓振幅超過負載可接受範圍。藉由這些電壓比較器262、264和265以及該多工器266的運作，該檢測單元26』會輸出高於邏輯0電平的該控制信號CT，藉以部分導通該電晶體M3，藉以限制該相交點的該電壓值A2不低於該預設電壓值REFL。

圖2和圖3所例示的運算放大器24為雙端差分輸入，單端輸出的放大器形態。然而，本發明所揭示的輸入功率限制方法亦可使用於雙端差分輸入，雙端差分輸出的放大器形態，如圖4所示，其中圖4中類似圖2的元件以類似的參考數字顯示。

參照圖4，該運算放大器24』具有一正輸入端，一負輸入端、一正輸出端和一負輸出端。一差分對模擬輸入信號VIP和VIN由該功率限制放大器40的一對差分輸入端進入後，經由輸入電容C1和C2以濾除模擬輸入信號的直流偏壓。接著，根據電阻R3和電阻RB的阻值比例，信號A3和A4的差值會被放大(R3/RB)倍數以產生該輸出信號VO。在本實施例中，電阻R1,R2和R3的阻值個別與電阻R4,R5和R6的阻值相同。

參照圖4，該降增益單元22耦接於該電阻R1和該電阻R2的相交點和該電阻R4和該電阻R5的相交點之間。在運作上，該降增益單元22會根據這些控制信號CP1和CP2以改變其阻值。這些控制信號CP1和CP2可藉由比較該相交點的電壓值A5或該相交點的該電壓值A6而產生。該降增益單元22的工作原理相同於圖2中的該降增益單元22的工作原理，於此不贅述。

圖5顯示結合本發明又一實施例的一功率限制放大器50的方塊示意圖，其中圖5中類似圖4的元件以類似的參考數字顯示。參照圖5，該功率限制放大器50為一積分器形態，故圖4中的電阻R3和R6由電容C3和C4所取代。該功率限制放大器50一般用於D類放大器的輸入級，以積分該差分對模擬輸入信號VIP和VIN的電壓差值。並限制電壓值A5(或A6)落於該預設電壓值REFH和該預設電壓值REFL之間。

參照圖2，這些控制信號CP1和CP2的產生除了藉由這些比較器262和 264外，亦可藉由其他方式，例如一充電泵(charge pump)而產生。圖6顯示結合本發明一實施例的一檢測單元26」的方塊示意圖。參照圖6，該檢測單元26」另包含一充電泵62、一充電泵64、一低通濾波器66以及一低通濾波器68。

該充電泵62包含一上拉電流源I1、一開關SW1和一下拉電流源I2。該充電泵64包含一上拉電流源I3、一開關SW2和一下拉電流源I4。該充電泵62用以轉換該比較器262的比較結果，藉以產生該控制信號CP1。該低通濾波器66用以濾除該控制信號CP1的高頻成分。該充電泵64用以轉換該比較器264的比較結果，藉以產生該控制信號CP2。該低通濾波器68用以濾除該控制信號CP2的高頻成分。

在運作上，當圖2中的該電壓值A2大於該預設電壓值REFH時，或者小於該預設電壓值REFL時，這些充電泵62和64以及這些低通濾波器66和68會一同運作以產生高於邏輯0電平的該控制信號CP1，或是高於邏輯0電平的該控制信號CP2，藉以控制圖2中的該降增益單元22的阻值。依此方式，該電壓值A2電壓可限制於該預設電壓值REFH和該預設電壓值REFL之間。

本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域技術人員仍可能基於本發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修飾。因此，本發明的保護範圍應不限於實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換及修飾，並為權利要求所涵蓋。