放大器电路及其放大方法 |
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| 申请号 | CN201410128328.1 | 申请日 | 2014-04-01 | 公开(公告)号 | CN104143984B | 公开(公告)日 | 2017-09-08 |
| 申请人 | NXP股份有限公司; | 发明人 | 哈恩·马丁内斯·斯胡尔曼斯; 马尔藤·威廉默斯·H·M·范多麦伦; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种真接地 放大器 电路 ，其中 电压 传感器 感测 输出电压 并产生二进制输出，该二进制输出指示输出电压是否超过或低于 阈值 。可变增益反馈系统产生反馈 信号 用于与数字输入组合，从而提供偏移消除。在放大器电路的操作的初始期期间，可变增益随着时间减少以提供偏移消除。例如，在起动期间提供偏移消除。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种放大器电路，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 放大器电路及其放大方法技术领域背景技术[0002] 在AC耦合系统中，扬声器可以通过电容器被连接到放大器。可选的，数字音频耳机放大器可以具有被直接连接到放大器的输出端的扬声器。放大器输出信号则参考地，并且该布置使用真接地放大器，如图1所示。 [0004] DAC具有共模电流Idaccom和差模电流Idacdiff的差分输出。共模电流由通过虚接地电阻器3的传导确定放大器的一个输入端处的电压。电阻器被设置为使共模电流(实质上为常数)得到0.5Vdd的电压降。 [0005] 差模电流驱动放大器，放大器具有与虚接地电阻器3相同值的反馈电阻器4。 [0006] 在静音模式中，差模电流和共模电流相等，因此在反馈电阻器两端同样产生的0.5Vdd电压降，以及放大器输出是0。因此，放大器输出以零为中心，并且为此放大器需要正和负电压供给。 [0007] 放大器的偏移的组合，反馈和虚接地电阻器的失配，DAC正和负电流之间的失配及其他缺点导致在输出端跨过扬声器两端的DC补偿电压。 [0008] 电阻器和晶体管的适当匹配，可以实现少量毫伏的DC偏移，但即使1毫伏的DC偏移可以导致在接通／断开放大器时的咔哒和扑通声。 [0009] 已知的解决扑通声和咔哒问题的方法是使用软开关的方法，或者使用动态元件匹配和斩波放大器以保持低偏移。此外，使用模拟数字转换器用于数字化放大器输出并随后通过低通滤波器是一种可能的除去DC偏移的方法。 [0010] 这些已知的方法需要额外的电路和信号处理，这是不希望的。 [0011] US2011／0116653披露了一种放大器，其中输出级被分为初级输出级和次级输出级。它还揭露了DC偏移补偿电路，在其中与真接地的比较被用于产生误差信号，误差信号被过滤和放大后从输入中被减去。 [0012] 控制这种DC偏移补偿电路的问题是需要在不同的时间使用不同的控制，以及当放大器在使用时这种控制希望不被用户发现。 发明内容[0014] 根据本发明，提供一种放大器电路包括： [0015] 数字模拟转换器； [0016] 放大器，所述放大器用于放大模拟信号，放大器具有反馈阻抗，放大器的输出端用于连接到输出负载， [0017] 其中电路还包括： [0019] 可变增益反馈系统，所述可变增益反馈系统产生反馈信号用于与数字输入组合，从而提供偏移消除。 [0020] 控制器，所述控制器用于控制可变增益，其中所述控制器适于随着时间减少增益使其至少在两个非零值之间变化，从而在放大器电路的操作的初始期间提供偏移消除。 [0021] 放大器可以是音频放大器。 [0022] 本发明提供一种反馈机制，该反馈机制以一种简单的方法测量输出电压(例如用单个比较器作为模拟元件)并用数字输入结合(例如减去)这个值。所有的对DC偏移有贡献的因素可以被消除。 [0023] 比较器可以具有0V阈值并因此测量放大器输出水平是否超过或低于地水平。反馈回路校准DC输入信号使输出信号被移动到0V。这个将在不使用负载的情况下工作(例如音乐用扬声器的形式播放到负载)，但它在使用负载时也可以工作(例如同时播放音乐)。 [0024] 随着时间，可以分析输出以确认当在输出信号中没有DC分量时(例如音乐)，在长时间内平均信号同样超过和低于零。 [0025] 数字模拟转换器可以具有差分输出，放大器被用于接收数字模拟转换器的差分输出信号的一个到一个输入以及接收另一个到另一个输入。差分信号之间的差异因此被放大。数字模拟转换器可以用于将数字输入信号转换为模拟共模电流信号和模拟差模电流信号。 [0026] 本发明提供一种自动化的可调节的环路增益，从而稳定速率在起动期间从快降到慢。在起动期间可以承受快速稳定而在使用期间采用慢速稳定，例如为了避免听得见的扑通声噪声。 [0027] 优选地，可变增益反馈系统包括增益元件和积分器，所述积分器用于累积增益元件的输出。然后电路可以依赖计数电路的时刻计算积分器周期并改变增益。 [0028] 在一种布置中，控制器适于改变计时点的增益，该计时点是当积分器输出是最小值和最大值输出电平之间的中点时。每隔预定数目的积分器输出的交叉口，所述控制器可以在计时点用最小值和最大值输出电平之间的中点改变增益。 [0029] 可变增益反馈系统可以具有固定数目的可变增益设置，例如2，3，4或者5。 [0030] 在一种布置中，具有初级和次级，其中初级在放大器布置的导通期间被禁用，和次级以累进的方式接通，其中初级只在偏移消除之后被使能(即在dc偏移被除去之后)。在起动期间，电压传感器和可变增益反馈系统是次级的一部分。在起动之后，电压传感器和可变增益反馈是初级的一部分。 [0031] 放大器电路可被用于扬声器电路。 [0032] 本发明还提供一种信号放大方法，包括： [0033] 将数字信号转换为模拟信号； [0034] 放大模拟信号； [0035] 感测输出电压并产生二进制输出，所述二进制输出指示输出电压是否超过或低于阈值； [0036] 产生反馈信号用于与数字输入组合，从而提供偏移消除；和 [0038] 以下提供了关于附图的描述，仅作为示例，其中： [0039] 图1示出了一种已知的真接地扬声器放大器； [0040] 图2示出了本发明的真接地扬声器放大器的第一实施例； [0041] 图3示出了用于图2的电路的一个可能的时间图； [0042] 图4示出了本发明的真接地扬声器放大器的第二实施例； [0043] 图5示出了用于图4的电路的一个可能的时间图；和 [0044] 图6示出了另一个已知的真接地扬声器放大器，其中可以应用本发明的控制。 具体实施方式[0045] 本发明提供真接地放大器电路，其中电压传感器感测输出电压并产生二进制输出，该二进制输出指示输出是否超过或低于阈值。可变增益反馈系统产生反馈信号用于与数字输入组合，从而提供偏移消除。在放大器电路的操作的初始期，可变增益随着时间减少以提供偏移消除。例如，这在起动周期提供偏移消除。增益至少在两个非零值之间调整，与DC偏移消除的不同速率相应。可以在不同的时间采用不同的速率，取决于在输出上的音响效果是否是可容忍的(例如在静音模式)。 [0046] 图2示出了本发明的电路的一个实施例。 [0047] 如图1所示，电路包括数字模拟转换器2，放大器1，接地电阻器3，反馈电阻器4以及扬声器11。 [0048] 另外，电路包括比较器5和积分器6，比较器5用于比较在扬声器对边的电压信号(即放大器输出和地)。因此比较器是电压传感器的一个可能的实现方式，因为它比较放大器输出与地。积分器可以被看作是向上／向下计数器。 [0049] 只要放大器输出是大于零，积分器计数器相加。只要放大器输出是小于零，积分器计数器倒计数。 [0050] 向上／向下计数的速率取决于传感器的增益，它可以由可调节的增益元件7与增益G控制。 [0051] 本发明特别涉及增益元件7的控制。 [0052] 在起动时，增益G是高的，从而DC偏移很快被消除，例如在小于10ms的时间内被消除。 [0053] 当实现DC偏移消除时，可调节的增益G理论上可以设置为G＝Gdccan＝0，从而将反馈回路切换到静态。 [0054] 为了追踪缓慢移动的影响，例如与温度有关，最好使Gdccan≠0，设置它到足够低的值从而它不会影响进来的音乐信号的低频内容。 [0055] 选音频频带的较低侧，是20Hz，将导致25毫秒向上持续时间以及25毫秒向下持续时间。向上／向下计数器的输出振幅例如将限于Uoint＝10uV(其中Uoint表示在积分器的输出端的电压U)，以实现当放大器的输出信号具有1Vrms的振幅时失真小于-100dB。 [0056] 根据样本速率fs，可以计算增益G。 [0057] fs＝44.1kHz [0058] fsig＝20Hz [0059] Uoint＝10uV [0060] [0061] 如果该值在起动时使用，初始偏差Uoffinit＝100毫伏，它将进行107个步骤并导致250秒起动时间。 [0062] 偏移消除应该到达Ts＝10毫秒。这意味着Gstup应该被设置为 [0063] [0064] 这意味着在起动时，需要较高的增益G值；并且在稳定期间，可以减少G的值。 [0065] 改变G是关键任务。在起动之后的错误时间减少G会导致它仍然需要很长的时间才能完全稳定。 [0067] 图3示出了积分器输出，基于示出的比较器信号的例子。 [0068] 当放大器输出跨过零，比较器将翻转符号并且积分器将改变它的方向。通过确定积分器最小值和最大值，可以更精确的估计DC偏移。 [0069] [0070] 减少增益值G的最适当的时间是当积分器是准确位于最大值和最小值中间时，因为这与估计的DC偏移值相应。 [0071] 因此，最小值(min)和最大量(max)检测器和比较器可用于确定改变增益值G的准确时间。 [0072] 图4示出了图2增加组件后的电路以控制增益值。 [0073] 过零计数器8被用于基于积分器输出跨过max-min／2来计算放大器输出跨过零的次数，max-min／2由检测器9确定。由比较器10将积分器输出与中间的水平进行比较。 [0074] 改变增益G可以在可调节的过零计数之后。可以具有两个以上增益设置。此外，过零计数器产生信息何时消除完成并且可用于非静音的放大器。 [0075] 图5示出了四个增益设置G，在每隔过零计数之后改变。 [0076] 在增益设置方面的改变可以被看作是它引起积分器输出斜率的改变。在所示的例子中，在每个计时瞬间斜率减小。计时在比较器输出转变事件的中点。 [0077] US2011／0116653揭露一种放大器，其中输出级被分为初级输出级和次级输出级。 [0078] 图6来自US2011／0116653。 [0079] 将要被放大的信号连接到初级输出级24和次级输出级23。初级24包括一对晶体管27，次级23包括一对晶体管29。初级输出级24的输出端被连接到扬声器11。开关25将反馈回路经由反馈电阻器Rfbp从次级23或者初级输出级24连接到输入端。初级输出级包括控制开关26，该控制开关26可切换地连接输出端从次级23到两个初级晶体管之间的中间节点。 [0080] 另外的开关28分别控制初级晶体管27的栅极控制。 [0081] 操作中，开关28使初级输出级禁用。然后扬声器可以被“软连接”，或者逐渐连接到次级23以允许缓慢地给扬声器负载充电。假如充电是足够慢的导致落在音频频带之外，则在扬声器中不会听见扑通声。为了“软连接″或者逐渐的连接次级到输出端，开关26是从完全断开逐渐变化到完全导通。逐渐变化受到开关的脉宽调制(PWM)的影响。脉宽调制(PWM)开关26的导通时间是从0％缓慢变化到100％；这可以导致以比较慢的速率和形状充电，不会产生扬声器的听得见的扑通声。 [0082] 在形状为从0-180度的余弦曲线的情况下，快速的接通(或者，同样的，断开)时间可以被实现而没有任何听得见的扑通声。 [0083] 一旦次级和扬声器稳定，初级可以通过接通开关28启用。 [0084] 如图6所示，每个次级23和初级输出级24具有独立的反馈回路到输入端。开关25被用于在两个反馈回路之间选择。当初级输出级是使能的，初级输出被反馈到输入端。然而，在转变阶段，次级输出被用作反馈信号。 [0085] 图6示出了一种真接地配置，其中扬声器DC耦合在初级输出级24的输出端和地之间。放大器布置是在地附近平衡，具有正供给Vpos和负供给Vneg。 [0086] DC偏移通过DC偏移消除布置31消除，DC偏移消除布置31具有上述的结构，包括比较器32、积分器33和放大器34。从输入中减去所产生的信号，导致DC偏移的减少或者除去。 [0087] 在放大器布置导通期间，初级输出级24是禁用的。次级输出级23被用于除去DC偏移。一旦DC偏移被除去，初级通过开关28使能。 [0088] 因此，在起动的静音期间，只使用次级输出级23。 [0089] 本发明的增益调整可以发生在这个期间以立即提供反馈回路的快速稳定，从而当初级输出级24被使用时放大器已准备好用于正常操作。DC偏移消除电路因此与次级相关联。 [0090] 在起动期间，电压传感器和可变增益反馈系统是次级的一部分。在起动之后，电压传感器和可变增益反馈是初级的一部分。 [0091] 本发明可以被包含在行驱动器、耳机放大器和扬声放大器中。利用增益G控制的自动化的可调节的环路增益具有以下优点：信号处理、DAC、TGHPA(真接地耳机放大器)引起的环路延迟不会影响环稳定性。延迟将只会导致积分器较大的偏移并因此更长的时间的控制。 [0092] 在耳机放大器的输出端的DC偏移将引起DC电流流动从而减少移动装置的播放时间。当接通耳机放大器时，DC偏移也是咔哒和扑通声的原因。DC偏移是由输入级所引起，其中晶体管和偏置电流的失配容易导致在输出端的超过1毫伏DC偏移。 [0093] 本发明通过测量输出电压来减少DC偏移，在优选的实施例中通过单个比较器、和通过使用数字控制功能，该数字控制功能从DAC输入信号减去值使平均输出电压(DC偏移)变得小于100uV。 [0094] 本发明的描述与音频放大器有关。然而，它也可以用于需要低偏移的其他的交流信号。 [0095] 所披露实施例的其他变化可以通过本领域技术人员在实施所提出的发明、研究附图、披露和附加的权利要求后理解和影响。在权利要求中，术语”包括”不排除其他的元件或者步骤，以及不定冠词“一种”不排除那些元件的复数。事实上，某些手段在相互不同的从属权利要求中叙述并不是指这些手段的组合不能利用。任何在权利要求中的附图标记不应该被限制范围。 |
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