输入级钳位电路及其钳位方法、功率放大器

申请号 CN202010742301.7 申请日 2020-07-28 公开(公告)号 CN111900940B 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 上海艾为电子技术股份有限公司; 发明人 胡孔生; 杨志飞; 张海军;
摘要 本 发明 公开一种输入级钳位 电路 及其钳位方法、一种功率 放大器 以及一种音频功率放大系统,只需一路输入级钳位电路就可以对差分 信号 进行钳位,能够限制 功率放大器 输出 电压 ,从而保护扬声器不会因功率放大器输出电压过大而损坏,且一路输入级钳位电路的结构设计降低了对电路的匹配性的要求。输入级钳位电路包括差分比较器,差分比较器包括四个输入端;所述差分比较器的四个输入端分别接入功率放大器输入级的 差分信号 VINP和VINN以及两个不同的参考电压;若差分信号VINP减去VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,导通所述 开关 电路;利用导通的所述开关电路对差分信号VINP和VINN进行钳位。
权利要求

1.一种输入级钳位电路的钳位方法,其特征在于,所述输入级钳位电路包括差分比较器和开关电路,所述差分比较器包括四个输入端,所述开关电路包括第一端和第二端;
所述差分比较器包括第一转置电路和第二转置电路;所述第一转置电路包括两个输入端,两个输入端分别用于相应接入两个不同的参考电压,所述第一转置电路用于将参考电压差值转换为参考电流;所述第二转置电路与所述第一转置电路连接,所述第二转置电路还包括两个输入端和两个输出端,所述两个输入端分别用于接入差分信号VINP和VINN,所述两个输出端分别用于输出电压VP、电压VN,所述第二转置电路用于将所述差分信号VINP和VINN转换为电流信号IP、IN,并用于在所述电流信号IP大于参考电流时,将输出电压VP置为高电平,在所述电流信号IN大于参考电流时,将输出电压VN置为高电平;
所述钳位方法包括:
利用所述差分比较器的四个输入端分别接入差分信号VINP和VINN以及两个不同的参考电压,并将所述两个参考电压的差值作为检测阈值,利用所述开关电路的第一端和第二端也接入差分信号VINP和VINN;
若差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,控制所述差分比较器输出导通控制信号以导通所述开关电路,从而接通开关电路的第一端和第二端;
利用导通的所述开关电路对差分信号VINP和VINN进行钳位。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,若差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,控制所述差分比较器输出高电平信号作为所述导通控制信号。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述差分比较器还包括两个输出端,均连接所述开关电路的控制端;若差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,控制所述差分比较器的两个输出端均输出高电平电压。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述两个参考电压相对于输入级共模电压对称。
5.一种输入级钳位电路,其特征在于,包括分压参考电路、差分比较器以及开关电路,所述差分比较器包括四个输入端,所述开关电路包括第一端、第二端和控制端,所述分压参考电路与所述差分比较器的其中两个输入端连接,所述差分比较器的输出端与所述开关电路的控制端连接;
所述分压参考电路用于输出两个不同的参考电压;
所述差分比较器的四个输入端分别用于对应接入所述两个参考电压、差分信号VINP和VINN,所述差分比较器用于在差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值时输出导通控制信号;
所述开关电路的第一端、第二端分别用于接入差分信号VINP、VINN,所述开关电路用于响应于所述差分比较器输出的导通控制信号导通,从而接通所述开关电路的第一端和第二端,以对差分信号VINP和VINN进行钳位;
所述差分比较器包括第一转置电路和第二转置电路;所述第一转置电路包括两个输入端,两个输入端分别用于相应接入所述两个不同的参考电压,所述转置电路用于将参考电压差值转换为参考电流;所述第二转置电路与所述第一转置电路连接,所述第二转置电路还包括两个输入端和两个输出端,所述两个输入端分别用于接入差分信号VINP和VINN,所述两个输出端分别用于输出电压VP、电压VN,所述第二转置电路用于将所述差分信号VINP和VINN转换为电流信号IP、IN,并用于在所述电流信号IP大于参考电流时,将输出电压VP置为高电平,在所述电流信号IN大于参考电流时,将输出电压VN置为高电平。
6.根据权利要求5所述的输入级钳位电路,其特征在于,所述差分比较器还包括两个输出端,均连接所述开关电路的控制端以提供输出电压VP和VN;
所述差分比较器用于比较差分信号VINP、VINN的差值与所述两个参考电压的差值,在判定差分信号VINP、VINN的差值大于参考电压的差值时,将输出电压VP置为高电平,判定差分信号VINN、VINP的差值大于参考电压的差值时,将输出电压VN置为高电平;所述开关电路响应于为高电平的输出电压VP或VN导通。
7.根据权利要求6所述的输入级钳位电路,其特征在于,所述开关电路包括两个控制端,分别为第一控制端和第二控制端,所述开关电路包括第一NMOS管和第二NMOS管,所述第一NMOS管的栅端作为所述第一控制端连接差分比较器的其中一个输出端以接入输出电压VP,所述第二NMOS管的栅端作为所述第二控制端连接差分比较器的另一个输出端以接入输出电压VN,所述第一NMOS管和第二NMOS管的漏端均作为所述开关电路的第一端以接入差分信号VINP,第一NMOS管的源端和第二NMOS管的源端均作为所述开关电路的第二端以接入差分信号VINN。
8.根据权利要求5所述的输入级钳位电路,其特征在于,所述分压参考电路包括第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻,所述第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻依次串联,其中,所述第一分压电阻接入供电电压,所述第三分压电阻接地,所述第一分压电阻和第三分压电阻阻值相等;所述第一分压电阻和第二分压电阻连接节点处的电压作为其中一个参考电压,所述第二分压电阻和第三分压电阻连接节点处的电压作为另一个参考电压。
9.根据权利要求5所述的输入级钳位电路,其特征在于,所述差分比较器还包括偏置电流输入电路,所述偏置电流输入电路包括NMOS管MN1 和NMOS管MN2;所述第一转置电路包括NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5、NMOS管MN6、NMOS管MN7、NMOS管MN8、PMOS管MP1、PMOS管MP2、PMOS管MP3、PMOS管MP4、PMOS管MP5和PMOS管MP6;所述第二转置电路包括NMOS管MN9、NMOS管MN10、NMOS管MN11、NMOS管MN12、NMOS管MN13、NMOS管MN14、NMOS管MN15、NMOS管MN16、PMOS管MP7、PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10、PMOS管MP11、PMOS管MP12、PMOS管MP13和PMOS管MP14;
在所述偏置电流输入电路中,NMOS管MN1的漏端用于接入偏置电流IB,栅端和漏端连接在一起,源端连接NMOS管MN2的漏端;NMOS管MN2的栅端和漏端连接在一起,源端接地;NMOS管MN1的栅端和NMOS管MN3的栅端、NMOS管MN11的栅端连接,NMOS管MN2的栅端和NMOS管MN4的栅端、NMOS管MN12的栅端连接;
在所述第一转置电路中,PMOS管MP1的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP2的源端连接;PMOS管MP2的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN7的漏端连接;NMOS管MN7的源端与NMOS管MN3的漏端连接,栅端接入其中一个参考电压; PMOS管MP3的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP4的源端连接;PMOS管MP4的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN8的漏端连接,NMOS管MN8的源端与NMOS管MN3的漏端连接,栅端接入另一个参考电压;NMOS管MN3的源端与NMOS管MN4的漏端连接,NMOS管MN4的源端接地;PMOS管MP5的源端用于接入供电电压,栅端与PMOS管MP3的栅端连接,漏端与PMOS管MP6的源端连接;PMOS管MP6的栅端与PMOS管MP4的栅端连接,漏端与NMOS管MN5的漏端连接,NMOS管MN5的栅端和漏端连接在一起,NMOS管MN5的源端与NMOS管MN6的漏端连接,NMOS管MN6的源端接地;
在所述第二转置电路中,PMOS管MP9的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP10的源端连接;PMOS管MP10的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN15的漏端连接;NMOS管MN15的源端与NMOS管MN11的漏端连接,栅端接入差分输入信号VINN; PMOS管MP11的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP12的源端连接;PMOS管MP12的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN16的漏端连接,NMOS管MN16的源端与NMOS管MN11的漏端连接,栅端接入差分输入信号VINP;NMOS管MN11的源端与NMOS管MN12的漏端连接,NMOS管MN12的源端接地;PMOS管MP7的源端用于接入供电电压,漏端与PMOS管MP8的源端连接,PMOS管MP8的漏端与NMOS管MN9的漏端连接,PMOS管MP8的漏端还提供开关控制电压VN,NMOS管MN9的栅端与NMOS管MN5的栅端连接,NMOS管MN9的源端与NMOS管MN10的漏端连接,NMOS管MN10的源端接地,NMOS管MN10的栅端与NMOS管MN6的栅端连接, NMOS管MN9的漏端通过电容C1接地;PMOS管MP13的源端用于接入供电电压,漏端与PMOS管MP14的源端连接,PMOS管MP14的漏端与NMOS管MN13的漏端连接,PMOS管MP14的漏端还提供开关控制电压VP,NMOS管MN13的栅端与NMOS管MN9的栅端连接,NMOS管MN13的源端与NMOS管MN14的漏端连接,NMOS管MN14的源端接地,NMOS管MN14的栅端与NMOS管MN10的栅端连接,NMOS管MN13的漏端通过电容C2接地。

说明书全文

输入级钳位电路及其钳位方法、功率放大器

技术领域

[0001] 本发明涉及功率放大器技术领域,具体涉及一种应用于功率放大器的输入级钳位电路及其钳位方法,一种功率放大器以及一种音频功率放大系统。

背景技术

[0002] 功率放大器通常会在输入级引入输入级钳位电路来检测输入信号大小,并对输入信号进行钳位,从而限制输出电压保持在一定的范围内,避免功率放大器输出端的负载例如扬声器因输入信号过大而损坏。
[0003] 目前会采用一种单端输入、单端输出的输入级钳位电路来实现钳位功能。发明人研究发现,对于接入差分信号的功率放大器,例如D类功率放大器,需要用到两路该种输入级钳位电路,为了确保两路钳位输出信号保持一致性变化,对这两路输入级钳位电路的匹配性要求就比较高。

发明内容

[0004] 基于此,本发明提供一种输入级钳位电路及其钳位方法、一种功率放大器以及一种音频功率放大系统,降低了对电路的匹配性的要求。
[0005] 第一方面,提供一种输入级钳位电路的钳位方法,所述输入级钳位电路包括差分比较器和开关电路,所述差分比较器包括四个输入端,所述开关电路包括第一端和第二端;所述钳位方法包括:
[0006] 利用所述差分比较器的四个输入端分别接入功率放大器输入级的差分信号VINP和VINN以及两个不同的参考电压,并将所述两个参考电压的差值作为检测阈值,利用所述开关电路的第一端和第二端也接入差分信号VINP和VINN;
[0007] 若差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,控制所述差分比较器输出导通控制信号以导通所述开关电路,从而接通开关电路的第一端和第二端;
[0008] 利用导通的所述开关电路对差分信号VINP和VINN进行钳位。
[0009] 在其中一个实施例中,若差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,控制所述差分比较器输出高电平信号作为所述导通控制信号。
[0010] 在其中一个实施例中,所述差分比较器还包括两个输出端,均连接所述开关电路的控制端;若差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,控制所述差分比较器的两个输出端均输出高电平电压。
[0011] 在其中一个实施例中,所述两个参考电压相对于输入级共模电压对称。
[0012] 第二方面,提出一种输入级钳位电路,包括分压参考电路、差分比较器以及开关电路,所述差分比较器包括四个输入端,所述开关电路包括第一端、第二端和控制端,所述分压参考电路与所述差分比较器的其中两个输入端连接,所述差分比较器的输出端与所述开关电路的控制端连接;
[0013] 所述分压参考电路用于输出两个不同的参考电压;
[0014] 所述差分比较器的四个输入端分别用于对应接入所述两个参考电压、功率放大器输入级的差分信号VINP和VINN,所述差分比较器用于在差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值时输出导通控制信号;
[0015] 所述开关电路的第一端、第二端分别用于接入差分信号VINP、VINN,所述开关电路用于响应于所述差分比较器输出的导通控制信号导通,从而接通所述开关电路的第一端和第二端,以对差分信号VINP和VINN进行钳位。
[0016] 在其中一个实施例中,所述差分比较器还包括两个输出端,均连接所述开关电路以提供输出电压VP和VN;
[0017] 所述差分比较器用于比较差分信号VINP、VINN的差值与所述两个参考电压的差值,在判定差分信号VINP、VINN的差值大于参考电压的差值时,将输出电压VP置为高电平,判定差分信号VINN、VINP的差值大于参考电压的差值时,将输出电压VN置为高电平;所述开关电路响应于为高电平的输出电压VP或VN导通。
[0018] 在其中一个实施例中,所述开关电路包括两个控制端,分别为第一控制端和第二控制端,所述开关电路包括第一NMOS管和第二NMOS管,所述第一NMOS管的栅端作为所述第一控制端连接差分比较器的其中一个输出端以接入输出电压VP,所述第二NMOS管的栅端作为所述第二控制端连接差分比较器的另一个输出端以接入输出电压VN,所述第一NMOS管和第二NMOS管的漏端均作为所述开关电路的第一端以接入差分信号VINP,第一NMOS管的源端和第二NMOS管的源端均作为所述开关电路的第二端以接入差分信号VINN。
[0019] 在其中一个实施例中,所述分压参考电路包括第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻,所述第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻依次串联,其中,所述第一分压电阻接入供电电压,所述第三分压电阻接地,所述第一分压电阻和第三分压电阻阻值相等;所述第一分压电阻和第二分压电阻连接节点处的电压作为其中一个参考电压,所述第二分压电阻和第三分压电阻连接节点处的电压作为另一个参考电压。
[0020] 在其中一个实施例中,所述差分比较器包括第一转置电路和第二转置电路;
[0021] 所述第一转置电路包括两个输入端,两个输入端分别用于相应接入所述两个不同的参考电压,所述第一转置电路用于将参考电压差值转换为参考电流
[0022] 所述第二转置电路与所述第一转置电路连接,所述第二转置电路还包括两个输入端和两个输出端,所述两个输入端分别用于接入差分信号VINP和VINN,所述两个输出端分别用于输出所述输出电压VP、输出电压VN,所述第二转置电路用于将所述差分信号VINP和VINN转换为所述电流信号IP、IN,并用于在所述电流信号IP大于参考电流时,将输出电压VP置为高电平,在所述电流信号IN大于参考电流时,将输出电压VN置为高电平。
[0023] 所述差分比较器还包括偏置电流输入电路,所述偏置电流电路包括NMOS管MN1和NMOS管MN2;所述第一转置电路包括NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5、NMOS管MN6、NMOS管MN7、NMOS管MN8、PMOS管MP1、PMOS管MP2、PMOS管MP3、PMOS管MP4、PMOS管MP5和PMOS管MP6;所述第二转置电路包括NMOS管MN9、NMOS管MN10、NMOS管MN11、NMOS管MN12、NMOS管MN13、NMOS管MN14、NMOS管MN15、NMOS管MN16、PMOS管MP7、PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10、PMOS管MP11、PMOS管MP12、PMOS管MP13和PMOS管MP14;
[0024] 在所述偏置电流输入电路中,NMOS管MN1的漏端用于接入偏置电流IB,栅端和漏端连接在一起,源端连接NMOS管MN2的漏端;NMOS管MN2的栅端和漏端连接在一起,源端接地;NMOS管MN1的栅端和NMOS管MN3的栅端连接,NMOS管MN2的栅端和NMOS管MN4的栅端连接;
[0025] 在所述第一转置电路中,PMOS管MP1的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP2的源端连接;PMOS管MP2的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN7的漏端连接;NMOS管MN7的源端与NMOS管MN3的漏端连接,栅端接入其中一个参考电压;PMOS管MP3的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP4的源端连接;PMOS管MP4的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN8的漏端连接,NMOS管MN8的源端与NMOS管MN3的漏端连接,栅端接入另一个参考电压;NMOS管MN3的源端与NMOS管MN4的漏端连接,NMOS管MN4的源端接地;PMOS管MP5的源端用于接入供电电压,栅端与PMOS管MP3的栅端连接,漏端与PMOS管MP6的源端连接;PMOS管MP6的栅端与PMOS管MP4的栅端连接,漏端与NMOS管MN5的漏端连接,NMOS管MN5的栅端和漏端连接在一起,NMOS管MN5的源端与NMOS管MN6的漏端连接,NMOS管MN6的源端接地;
[0026] 在所述第二转置电路中,PMOS管MP9的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP10的源端连接;PMOS管MP10的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN15的漏端连接;NMOS管MN15的源端与NMOS管MN11的漏端连接,栅端接入差分输入信号VINN;PMOS管MP11的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP12的源端连接;PMOS管MP12的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN16的漏端连接,NMOS管MN16的源端与NMOS管MN11的漏端连接,栅端接入差分输入信号VINP;NMOS管MN11的源端与NMOS管MN12的漏端连接,NMOS管MN12的源端接地;PMOS管MP7的源端用于接入供电电压,漏端与PMOS管MP8的源端连接,PMOS管MP8的漏端与NMOS管MN9的漏端连接,PMOS管MP8的漏端还提供开关控制电压VN,NMOS管MN9的栅端与NMOS管MN5的栅端连接,NMOS管MN9的源端与NMOS管MN10的漏端连接,NMOS管MN10的源端接地,NMOS管MN10的栅端与NMOS管MN6的栅端连接,NMOS管MN9的漏端通过电容C1接地;PMOS管MP13的源端用于接入供电电压,漏端与PMOS管MP14的源端连接,PMOS管MP14的漏端与NMOS管MN13的漏端连接,PMOS管MP14的漏端还提供开关控制电压VP,NMOS管MN13的栅端与NMOS管MN9的栅端连接,NMOS管MN13的源端与NMOS管MN14的漏端连接,NMOS管MN14的源端接地,NMOS管MN14的栅端与NMOS管MN10的栅端连接,NMOS管MN13的漏端通过电容C2接地。
[0027] 第三方面,提出一种功率放大器,包括如上任一实施例中所述的输入级钳位电路,所述输入级钳位电路中差分比较器的其中两个输入端作为所述输入级钳位电路的两个差分信号输入端以接入差分信号VINP和VINN,所述输入级钳位电路中开关电路的第一端和第二端作为所述输入级钳位电路的两个输出端输出经钳位的差分信号VINP和VINN。
[0028] 在其中一个实施例中,所述功率放大器还包括D类调制电路、两个可变输入电阻RIN1、两个固定输入电阻RIN2以及输出驱动级电路;D类调制电路的其中一个差分输入端接入一可变输入电阻RIN1和一固定输入电阻RIN2,另一个差分输入端接入另一可变输入电阻RIN1和另一固定输入电阻RIN2,输入级钳位电路位于可变输入电阻RIN1和固定输入电阻RIN2之间,两个可变输入电阻RIN1分别将差分信号VINP和VINN输至所述输入级钳位电路,所述输入级钳位电路输出两路钳位后的差分信号VINP和VINN,分别通过两个固定输入电阻RIN2至D类调制电路的两个输入端,所述D类调制电路对信号进行放大和调制,将两路脉宽调制信号输至所述输出驱动级电路;所述输出驱动电路用于响应于所述两路脉宽调制信号输出电压至扬声器。
[0029] 在其中一个实施例中,所述D类调制电路包括第一积分器AMP1、第二积分器AMP2、第一脉宽调制器和第二脉宽调制器;
[0030] 所述第一积分器AMP1的正输入端和负输入端作为所述D类调制电路的两个输入端,其中负输入端用于接入钳位后的信号VIPN,正输入端用于接入钳位后的信号VINN,所述第一积分器AMP1的第一输出端连接第二运算放大器AMP2的正输入端,所述第一积分器AMP1的第二输出端连接第二积分器AMP2的负输入端,第二积分器AMP2的的第一输出端连接第一脉宽调制器的第一输入端,第一脉宽调制器的第二输入端用于接入锯齿波信号,第二积分器AMP2的的第二输出端连接第二脉宽调制器的第一输入端,第二脉宽调制器的第二输入端用于接入锯齿波信号,第一脉宽调制器的输出端作为所述D类调制电路的一输出端连接所述输出驱动级电路的一输入端,第二脉宽调制器的输出端作为所述D类调制电路的另一输出端连接所述输出驱动级电路的另一输入端。
[0031] 第四方面,提出一种音频功率放大系统,包括扬声器和如上任一实施例中所述的功率放大器,所述功率放大器中输出驱动级电路的输出端作为所述功率放大器的输出端与所述扬声器的输入端连接。
[0032] 上述输入级钳位电路及其钳位方法、功率放大器以及音频功率放大系统,通过一差分比较器可以接入差分信号VINP和VINN以及两个参考电压VRFH、VRFL,并将两个参考电压VRFH、VRFL的差值作为检测阈值,当两个差分信号的差值绝对值大于参考电压的差值时,差分比较器的输出电压可以导通开关电路,从而对差分信号VINP和VINN进行钳位,从而限制功率放大器输出电压,从而保护功率放大器的负载如扬声器不会因功率放大器输出电压过大而损坏。且对于接入差分信号的功率放大器,采用本实施例中的输入级钳位电路就可以对差分信号进行钳位,降低了对电路匹配性的要求。附图说明
[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034] 图1为本发明一实施例中的输入级钳位电路的结构示意图;
[0035] 图2为本发明另一实施例中的输入级钳位电路的结构示意图;
[0036] 图3为本发明一实施例中的分压参考电路的结构示意图;
[0037] 图4为本发明一具体实施例中的差分比较器的结构示意图;
[0038] 图5为本发明一实施例中的功率放大器的结构示意图;
[0039] 图6为本发明一实施例中的各节点电压的波形示意图;
[0040] 图7为本发明一实施例中的功率放大器各节点的波形示意图;
[0041] 图8a和图8b为本发明一具体实施例的功率放大器的结构示意图;
[0042] 图9为本发明另一实施例中的功率放大器的结构示意图。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而非全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下,下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
[0044] 如背景技术所述,目前会采用一种单端输入、单端输出的输入级钳位电路来实现钳位功能。发明人研究发现,对于接入差分信号的功率放大器中,例如D类功率放大器,需要用到两路该种输入级钳位电路,为了确保两路钳位输出信号保持一致性变化,对这两路输入级钳位电路的匹配性要求就比较高。
[0045] 本发明实施例提出一种输入级钳位电路及其钳位方法,采用该输入级钳位电路就可以对差分信号进行钳位,降低了对电路的匹配性要求。
[0046] 在一个实施例中,如图1所示,所述输入级钳位电路包括差分比较器CMP1和开关电路120,所述差分比较器CMP1包括四个输入端,所述开关电路120包括第一端和第二端;所述钳位方法包括:利用所述差分比较器CMP1的四个输入端分别接入功率放大器输入级的差分信号VINP和VINN以及两个不同的参考电压,并将所述两个参考电压的差值作为检测阈值,利用所述开关电路120的第一端和第二端也接入差分信号VINP和VINN;若差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,控制所述差分比较器CMP1输出导通控制信号导通所述开关电路120,从而接通开关电路120的第一端和第二端;利用导通的所述开关电路120对差分信号VINP和VINN进行钳位。本实施例中提到的两个参考电压的差值指较大的参考电压减去较小的参考电压的值。
[0047] 本实施例中输入级钳位电路的钳位方法,利用一个差分比较器可以接入差分信号VINP和VINN以及两个参考电压VRFH、VRFL,并将两个参考电压VRFH、VRFL的差值作为检测阈值,当这两个差分信号的差值大于参考电压的差值时,可以导通开关电路,从而对差分信号VINP和VINN进行钳位,从而限制功率放大器输出电压,从而保护功率放大器的负载如扬声器不会因功率放大器输出电压过大而损坏。且应用于接入差分信号的功率放大器时,采用本实施例中的输入级钳位电路就可以对差分信号进行钳位,降低了对电路的匹配性要求。
[0048] 在一个实施例中,若差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,可以控制所述差分比较器CMP1输出高电平信号作为所述导通控制信号,开关电路120则响应高电平信号导通。
[0049] 具体地,所述差分比较器CMP1还包括两个输出端,均连接所述开关电路120的控制端;若差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值,控制所述差分比较器CMP1的两个输出端均输出高电平电压,开关电路120可被其中任一高电平输出电压导通。
[0050] 在一个实施例中,参考电压VRFH、VRFL可以相对输入级共模电压对称,可以提高钳位精度。例如,输入级共模电压为0.5VDD,参考电压VRFH、VRFL则分别为0.5VDD+0.5△、0.5VDD‑0.5△,符号△表示参考电压VRFH减去VRFL的差值。
[0051] 图1是本发明一实施例的输入级钳位电路的结构示意图,请参阅图1,该输入级钳位电路包括分压参考电路110、差分比较器CMP1以及开关电路120,所述差分比较器CMP1包括四个输入端,所述开关电路120包括第一端、第二端和控制端。分压参考电路110与差分比较器CMP1的其中两个输入端连接,差分比较器CMP1的输出端与开关电路120的控制端连接。
[0052] 所述分压参考电路110用于输出两个不同的参考电压VRFH和VRFL。所述差分比较器CMP1的四个输入端分别对应用于接入所述两个参考电压VRFH和VRFL、功率放大器输入级的差分信号VINP和VINN,所述差分比较器CMP1用于在差分信号VINP和VINN的差值绝对值大于所述两个参考电压的差值时输出导通控制信号。所述开关电路120的第一端、第二端分别用于接入差分信号VINP、VINN,所述开关电路120用于响应于所述差分比较器CMP1输出的导通控制信号导通,从而接通所述开关电路120的第一端和第二端,以对差分信号VINP和VINN进行钳位。本实施例中提到的两个参考电压的差值指较大的参考电压减去较小的参考电压的值。
[0053] 本实施例中,利用一个差分比较器CMP1可以接入差分信号VINP和VINN以及两个参考电压VRFH、VRFL,并将两个参考电压VRFH、VRFL的差值作为检测阈值,当差分信号的差值绝对值大于参考电压的差值时,差分比较器CMP1输出信号导通开关电路120,导通的开关电路120对差分信号VINP和VINN进行钳位,从而限制功率放大器的输出电压,因此,对于接入差分信号的功率放大器,采用本实施例中的输入级钳位电路就可以对差分信号进行钳位,降低了对电路匹配性的要求。
[0054] 在其中一个实施例中,请参阅图1,所述差分比较器CMP1还进一步包括两个输出端,这两个输出端均连接所述开关电路120,其中一个输出端提供输出电压VP,另一个输出端提供输出电压VN,所述差分比较器CMP1用于比较差分信号VINP、VINN的差值与所述两个参考电压的差值,在判定差分信号VINP、VINN的差值大于参考电压的差值时,将输出电压VP置为高电平,判定差分信号VINN、VINP的差值大于参考电压的差值时将输出电压VN置为高电平;为高电平的输出电压VP或VN均可以作为差分比较器CMP1的导通控制信号,所述开关电路120响应于为高电平的输出电压VP或VN导通。
[0055] 具体地,请参阅图2,所述开关电路120的控制端包括两个控制端,分别为第一控制端和第二控制端,开关电路120包括第一NMOS管Mn1和第二NMOS管Mn2,所述第一NMOS管Mn1的栅端作为该第一控制端连接差分比较器CMP1的其中一个输出端以接入输出电压VP,所述第二NMOS管Mn2的栅端作为该第二控制端连接差分比较器CMP1的另一个输出端以接入输出电压VN,所述第一NMOS管Mn1和第二NMOS管Mn2的均漏端作为所述开关电路120的第一端以接入差分信号VINP,第一NMOS管Mn1的源端和第二NMOS管Mn2的源端均作为所述开关电路120的第二端以接入差分信号VINN。
[0056] 关于分压参考电路110,具体地,请参阅图2,所述分压参考电路110包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3,所述第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3依次串联,其中,所述第一分压电阻R1接入供电电压VDD,所述第三分压电阻R3接地;所述第一分压电阻R1和第二分压电阻R2连接节点处的电压作为其中一个参考电压VRFH,所述第二分压电阻R2和第三分压电阻R3连接节点处的电压作为另一个参考电压VRFL。所述第一分压电阻R1和第三分压电阻R3阻值可以相等。
[0057] 分压电阻R1和R3的阻值相等时,可以提供对称的参考电压VRFH和VRFL,可以提高钳位精度。假设供电电压为VDD,参考电压VRFH和VRFL的差值△与分压电阻R1、R2、R3之间的关系如下:
[0058]
[0059] 可见,在第一分压电阻R1和第三分压电阻R3阻值相等时,如图3所示,参考电压VRFH和VRFL以输入级共模电压0.5VDD为中心电压,即参考电压VRFH比0.5VDD高出0.5△,参考电压VRFL比0.5VDD低0.5△,参考电压VRFH和VRFL是对称的,可以提高钳位精度。
[0060] 在一个实施例中,请参阅图4,所述差分比较器CMP1包括第一转置电路210和第二转置电路220;所述第一转置电路210包括两个输入端,这两个输入端分别用于相应接入所述两个不同的参考电压VRFH和VRFL,所述第一转置电路210用于将参考电压差值转换为参考电流IRFHL;所述第二转置电路220与所述第一转置电路210连接,所述第二转置电路220还包括两个输入端和两个输出端,所述两个输入端分别接入差分信号VINP和VINN,所述两个输出端分别用于输出所述输出电压VP、输出电压VN,所述第二转置电路220用于将所述差分信号VINP转换为电流信号IN,将差分信号VINP转换为电流信号IP,并用于在所述电流信号IP大于参考电流IRFHL时,将输出电压VP置为高电平,在所述电流信号IN大于参考电流IRFHL时,将输出电压VN置为高电平。
[0061] 具体地,请参阅图4,所述差分比较器CMP1还包括偏置电流输入电路230,用于接入偏置电流IB提供给第一转置电路210和第二转置电路220,可以提高差分比较器CMP1的响应速度。具体地,所述偏置电流电路230包括NMOS管MN1和NMOS管MN2;所述第一转置电路210包括NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN5、NMOS管MN6、NMOS管MN7、NMOS管MN8、PMOS管MP1、PMOS管MP2、PMOS管MP3、PMOS管MP4、PMOS管MP5和PMOS管MP6;所述第二转置电路220包括NMOS管MN9、NMOS管MN10、NMOS管MN11、NMOS管MN12、NMOS管MN13、NMOS管MN14、NMOS管MN15、NMOS管MN16、PMOS管MP7、PMOS管MP8、PMOS管MP9、PMOS管MP10、PMOS管MP11、PMOS管MP12、PMOS管MP13和PMOS管MP14;
[0062] 在所述偏置电流输入电路230中,NMOS管MN1的漏端用于接入偏置电流IB,栅端和漏端连接在一起,源端连接NMOS管MN2的漏端;NMOS管MN2的栅端和漏端连接在一起,源端接地;NMOS管MN1的栅端和第一转置电路210中NMOS管MN3的栅端、第二转置电路210中NMOS管MN11的栅端连接,以提供偏置电流给NMOS管MN3、NMOS管MN11,第一转置电路210中NMOS管MN2的栅端和第二转置电路220中NMOS管MN12的栅端NMOS管MN4的栅端连接,以提供偏置电流给NMOS管MN4、NMOS管MN12,从而提高NMOS管MN3、NMOS管MN4、NMOS管MN11以及NMOS管MN12的响应速度,从而提高差分比较器CMP1的响应速度。
[0063] 在所述第一转置电路210中,PMOS管MP1的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP2的源端连接;PMOS管MP2的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN7的漏端连接;NMOS管MN7的源端与NMOS管MN3的漏端连接,栅端接入参考电压VRFL;PMOS管MP3的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP4的源端连接;PMOS管MP4的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN8的漏端连接,NMOS管MN8的源端与NMOS管MN3的漏端连接,栅端接入参考电压VRFH;NMOS管MN3的源端与NMOS管MN4的漏端连接,NMOS管MN4的源端接地;PMOS管MP5的源端用于接入供电电压,栅端与PMOS管MP3的栅端连接,漏端与PMOS管MP6的源端连接;PMOS管MP6的栅端与PMOS管MP4的栅端连接,漏端与NMOS管MN5的漏端连接,NMOS管MN5的栅端和漏端连接在一起,NMOS管MN5的源端与NMOS管MN6的漏端连接,NMOS管MN6的源端接地。
[0064] 在所述第二转置电路220中,PMOS管MP9的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP10的源端连接;PMOS管MP10的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN15的漏端连接;NMOS管MN15的源端与NMOS管MN11的漏端连接,栅端接入差分信号VINN;PMOS管MP11的源端用于接入供电电压,栅端和漏端连接在一起,漏端与PMOS管MP12的源端连接;PMOS管MP12的栅端和漏端连接在一起,漏端与NMOS管MN16的漏端连接,NMOS管MN16的源端与NMOS管MN11的漏端连接,栅端接入差分信号VINP;NMOS管MN11的源端与NMOS管MN12的漏端连接,NMOS管MN12的源端接地;PMOS管MP7的源端用于接入供电电压,漏端与PMOS管MP8的源端连接,PMOS管MP8的漏端与NMOS管MN9的漏端连接,PMOS管MP8的漏端还提供开关控制电压VN,NMOS管MN9的栅端与NMOS管MN5的栅端连接,NMOS管MN9的源端与NMOS管MN10的漏端连接,NMOS管MN10的源端接地,NMOS管MN10的栅端与NMOS管MN6的栅端连接,NMOS管MN9的漏端通过电容C1接地;PMOS管MP13的源端用于接入供电电压,漏端与PMOS管MP14的源端连接,PMOS管MP14的漏端与NMOS管MN13的漏端连接,PMOS管MP14的漏端还提供开关控制电压VP,NMOS管MN13的栅端与NMOS管MN9的栅端连接,NMOS管MN13的源端与NMOS管MN14的漏端连接,NMOS管MN14的源端接地,NMOS管MN14的栅端与NMOS管MN10的栅端连接,NMOS管MN13的漏端通过电容C2接地。
[0065] 在该具体电路中,差分信号VINP和VINN,参考电压VRFH和VRFL以及偏置电流IB为输入信号,开关控制电压VP和VN为输出信号。差分信号VINP和VINN经过差分比较器CMP1将电压信号转换为电流信号IN和IP,与参考电压VRFH和VRFL的电压差转换为的参考电流IRFHL进行比较,当电流IP大于电流IRFHL时,说明差分信号VINP减去VINN的差值大于参考电压VRFH和VRFL的电压差,电压VP被置为高电平,否则为低电平,当电流IN大于电流IRFHL时,说明差分信号VINN减去VINP的差值大于参考电压VRFH和VRFL的电压差,电压VN被置为高电平,否则为低电平。
[0066] 本发明实施例还提出一种功率放大器,该功率放大器包括如上任一实施例中所述的输入级钳位电路。所述输入级钳位电路中差分比较器的其中两个输入端作为所述输入级钳位电路的两个差分信号输入端以接入差分信号VINP和VINN,所述输入级钳位电路中开关电路的第一端和第二端作为所述输入级钳位电路的两个输出端输出经钳位的差分信号VINP和VINN。
[0067] 在一个实施例中,功率放大器可以为可调增益的D类功率放大器,请参阅图5,该功率放大器还包括D类调制电路510、两个可变输入电阻RIN1、两个固定输入电阻RIN2以及输出驱动级电路520;D类调制电路510的其中一个差分输入端作为功率放大器输入级的一差分输入端接入一可变输入电阻RIN1和一固定输入电阻RIN2,另一个差分输入端作为功率放大器输入级的另一差分输入端接入另一可变输入电阻RIN1和另一固定输入电阻RIN2,输入级钳位电路100位于可变输入电阻RIN1和固定输入电阻RIN2之间,两个可变输入电阻RIN1分别将差分信号VINP和VINN输至所述输入级钳位电路100的两个差分信号输入端,所述输入级钳位电路100的两个输出端输出两路经所述输入级钳位电路100钳位后的差分信号VINP和VINN,分别通过两个固定输入电阻RIN2传输至D类调制电路510的两个输入端。如图8a和8b所示,为输入级钳位电路100与D类调制电路510的具体连接结构示意图。所述D类调制电路510用于对信号进行放大和调制,并将信号输至输出驱动级电路520。所述输出驱动电路520用于响应于所述两路脉宽调制信号输出电压至扬声器。
[0068] 具体地,差分信号VINP和VINN可为由差分电流信号INP和INN转换而成的电压信号,如图5所示,两个可变输入电阻RIN1的前端分别连接一电容C2,差分电流信号INP和INN分别经C2和可变输入电阻RIN1滤波后,形成差分信号VINP和VINN。如图6所示,为发明一具体实施例中差分信号INP和INN、电压VP和VN、差分信号VINP和VINN的波形示意图。
[0069] 本实施例中,D类功率放大器通过在输入端处可调增益的可变输入电阻RIN1和固定输入电阻RIN2之间增加输入级钳位电路100,该输入级钳位电路100检测输入差分信号VINP和VINN的大小,一旦输入差分信号VINP和VINN之差超过参考电压VRFH和VRFL的差值,差分信号VINP和VINN就会被钳位住,D类功率放大器提供给扬声器的输出电压VO也会被钳位,从而限制D类功率放大器输出电压的大小,避免负载因输入信号过大而损坏,保护扬声器不会因功率放大器输出电压过大而损坏。
[0070] 如图7所示,为差分信号INP、INN、钳位后的差分信号VINP和VINN、功率放大器的输出电压VO的波形示意图,在差分信号VINP和VINN的差值大于参考电压差值△时,差分信号VINP和VINN分别会被钳位在+0.5△、‑0.5△,功率放大器的输出电压VO则被钳位在Vclamp。该钳位电压Vclamp满足以下关系式:
[0071]
[0072] 其中RF为功率放大器反馈电阻,如图5所示,D类功率调制电路510的输入端和输出驱动级电路520的输出端之间通过反馈电阻RF连接。
[0073] 由上式可知,本实施例中,钳位电压Vclamp与固定电阻RIN2正相关,与可调增益的电阻RIN1无关,可见,通过将输入级钳位电路设置于可调增益电阻和固定电阻之间,可以提供同样的钳位电压来兼容功率放大器的不同增益,无需针对增益变化的功率放大器设计不同的输入级钳位电路,可以简化电路结构。
[0074] 具体地,请参阅图8a和图8b,为本发明一具体实施例的功率放大器的结构示意图。如图8b所示,D类调制电路包括第一积分器AMP1、第二积分器AMP2、第一脉宽调制器comp1和第二脉宽调制器comp2;
[0075] 所述第一积分器AMP1的正输入端和负输入端作为所述D类调制电路的两个输入端,其中负输入端用于接入钳位后的信号VINP,正输入端用于接入钳位后的信号VINN,所述第一积分器AMP1的第一输出端连接第二积分器AMP2的正输入端,所述第一积分器AMP1的第二输出端连接第二积分器AMP2的负输入端,第二积分器AMP2的的第一输出端连接第一脉宽调制器comp1的第一输入端,第一脉宽调制器comp1的第二输入端用于接入锯齿波信号,第二积分器AMP2的的第二输出端连接第二脉宽调制器comp2的第一输入端,第二脉宽调制器comp2的第二输入端用于接入锯齿波信号,第一脉宽调制器comp1的输出端作为所述D类调制电路的一输出端连接所述输出驱动级电路520的一输入端,第二脉宽调制器comp2的输出端作为所述D类调制电路510的另一输出端连接所述输出驱动级电路520的另一输入端。具体地,所述第一积分器AMP1、第二积分器AMP2还分别接入共模参考电压VCM1、VCM2。
[0076] 在其他实施例中,功率放大器可以为固定增益的D类功率放大器,请参阅图9,该实施例与图5对应的实施例的区别在于无可变输入电阻RIN1,差分电流信号INP和INN分别经电容C2后,直接形成差分信号VINP和VINN输至输入级钳位电路100的差分输入端。
[0077] 综上,本发明实施例通过在功率放大器的输入级增加输入级钳位电路,可以钳位输入信号,从而限制功率放大器的输出电压在一定的范围内,避免功率放大器输出端的负载因输入信号过大而损坏,实现钳位保护功能。且本发明实施例中的一路输入级钳位电路就可以实现对差分信号的钳位,对电路匹配性要求低。此外,对于增益可调的功率放大器,例如D类功率放大器,通过将功率放大器的输入可变电阻拆分成可变电阻部分和固定电阻部分,然后将输入级钳位电路设置在可变电阻与固定电阻之间,可使得功放输出钳位电压无关于增益的变化,无需针对增益变化的功率放大器设计不同的输入级钳位电路,可以简化电路结构。
[0078] 本发明实施例还提出一种音频功率放大系统,包括扬声器和如上任一实施例中的功率放大器,所述功率放大器中输出驱动级电路的输出端作为所述功率放大器的输出端与所述扬声器的输入端连接。
[0079] 请参阅图5和图8b,音频功放系统还包括外部LC滤波器,功率放大器的输出端通过外部LC滤波器与扬声器连接。
[0080] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
[0081] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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