控制可选电压音频功率放大器输出级的方法和装置.pdf

一种控制可选电压音频功率放大器输出级的方法和装置可以信号峰值到达时及时提高可选择放大器的输出电压以避免削波。通过延迟音量控制水平的增加或在一个预定的时间内压缩信号的方式延迟信号峰值，使得当选择了增加电源电压时有足够的时间使放大器的电源供给足以稳定在更高的操作电压上。另外，信号水平可以由上游源决定，例如解码器或滤波器足以在峰值到来之前提供信息，以用来控制电源选择，这样在信号峰值到达之前更高的电源电压水平就可以被选择，否则将在放大器输出产生削波。

1.  一种用来为音频变换器提供输出信号的音频放大器电路，所述音频放大器电路包括：
一个功率放大器，具有接收音频输入信号的音频输入端，一个提供所述输出信号的音频输出端，以及一对轨电源连接端；
一个电源，用于在所述功率放大器上一对轨电源端提供电源电压，其中所述电源可以选择电源电压水平，当所述音频信号的所述振幅减小时所述功率放大器的功率消耗减少；
一个控制电路，用于在所述振幅的指示下控制所述音频信号水平和所述可选择电源电压水平，使得当所述可选择电源电压水平升高同时又没有达到饱和电源电压水平的时候，避免削波。

2、  如权利要求1所述的音频放大器电路，其特征在于，所述控制电路包括：
一个接收音量控制值的输入端；
一个延迟电路，用于延迟所述音量控制值的增加，并且具有一个输出端，提供一个音量控制信号输出至所述音频放大器的控制电路直到预定的时间过去。

3、  如权利要求1所述的音频放大器电路，其特征在于，所述控制电路包括：
一个输入端，用于接收所述音频输入信号的振幅指示；
一个信号压缩器，用于从音频源的信号提供所述音频输入信号给所述功率放大器，其中所述压缩器降低了来自所述音频源信号的音频输入信号的动态范围；和
一个延迟电路，用于当所述音频输入信号的振幅指示增加时，激活信号压缩器，当所述预定的时间过去时，关闭信号压缩器。

4、  如权利要求1所述的音频放大器电路，其特征在于，控制电路包括：
一个输入端，用于接收所述音频输入信号的振幅指示；
一个增益调节电路，用于调整所述音频输入信号的水平，当激活时所述增益电路降低所述音频输入信号的水平；和
一个延迟电路，当所述音频输入信号的振幅的指示增加时激活所述增益调整电路，当所述预定的时间过去时，关闭增益调整电路。

5、  如权利要求4所述的音频放大器电路，其特征在于，还包括信号水平检测器，其有一个输入接收端用于接收所述音频输入信号和输出端用于提供所述控制电路的输入，即所述延迟电路激活所述压缩器用于响应所述音频输入信号的变化。

6、  如权利要求5所述的音频放大器电路，其特征在于，还包括音量控制电路，所述控制电路的所述输入端收到所述音量控制电路的音量控制值，即所述延迟电路激活所述压缩器用于响应所述音量控制信号的增加。

7、  如权利要求1所述的音频放大器电路，其特征在于，所述振幅指示由一个用于对音频信息进行解码的数字解码器提供，从而提供所述音频输入信号，即所述数字解码器在所述音频信号相应部分到达之前提供所述振幅指示，即所述振幅相应的增加到来之前所述控制电路根据所述音频信号相应幅度的提高所述可选电源电压。

8、  如权利要求7所述的音频放大器电路，其特征在于，所述振幅指示和所述音频信号的所述相应部分到来之间的延迟时间大于或实质上等于所述电源电压增加时并所述电源电压稳定在更高的电平所需要的时间。

9、  一种为音频转换器提供功率输出的放大器提高效率的方法，其特征在于，包括：
接收所述放大器放大的信号的振幅值；
将一个电源电压由一个有可选电源电压水平的供应电源提供给所述放大器；和
根据所述振幅值控制所述信号水平并选择所述电源电压水平。

10、  如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述振幅值是一个控制所述信号音量的音量控制值，并进一步包括延迟所述信号被控制的音量的增加，直到在选择的更高的电源电压后一段预定的时间过去。

11、  如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制包括在选择一个更高的电源电压水平之后的一段预定时间内调整所述信号的增益到一个更低的增益值。

12、  如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制包括在选择一个更高电源电压水平后的一个预定的时间内压缩所述信号。

13、  如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括检测所述信号水平，在所述压缩开始的同时，控制选择一个更高的电源电压。

14、  如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括：
接收音量控制调整的输入；
调整所述信号的音量与所述接收相一致；和
确定所述音量控制调整是否是增加所述信号的音量，并指示选择一个更高的电源电压；和
相应的确定应选择一个更高的电源电压，选择所述更高的电源电压，并且在选择后一个预定的时间内压缩所述信号。

15、  如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括：
解码代表所述信号的数字；
检测当前所述解码信号中的振幅峰值，并且根据所述检测的所述振幅峰值控制选择所述电源电压水平来增加电源电压。

16、  如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述信号相应的部分到达所述放大器之前的探测所述振幅峰值，也就是说，在相应的所述峰值到达所述放大器之前电源电压稳定在一个更高的选定值。

17、  一种用来为音频变换器提供输出信号的音频放大器电路，所述音频放大器电路包括：
一个信号处理电路，以提供一个源音频信号和所述源音频信号的早期振幅值；
一个功率放大器，具有接收源音频输入信号的音频输入端，一个提供所述输出信号的音频输出端，以及一对轨电源连接端；
一个电源，用于在所述功率放大器上一对轨电源端提供电源电压，其中所述电源可以选择电源电压水平，当所述音频信号的所述振幅减小时所述功率放大器的电消耗减少；
一个控制电路，用于在所述早期振幅的指示下控制所述可选择电源电压水平，所述早期振幅值提供了在所述源音频信号中的峰值，从而使得当所述可选择电源电压水平升高同时又没有达到饱和电源电压水平的时候，可以避免削波。

18、  如权利要求17所述的音频电路，其特征在于，所述信号处理电路包括数字音频解码器，其包括用于提供早期振幅值给所述控制电路的峰值检测输出。

19、  如权利要求17所述的音频电路，其特征在于，所述信号处理电路包括一个延迟电路，用于在一个预定的延迟时间内延迟所述源音频信号，即至少在所述的预定延迟时间内，在源音频信号之前提供一个早期振幅值。

20、  如权利要求17所述的音频电路，其特征在于，所述信号处理电路包括一个包括数字滤波器的数模转换器，所述数字滤波器的逻辑单元提供早期振幅值。

21、  一种为音频转换器提供功率输出的放大器提高效率的方法，其特征在于，包括：
接收所述放大器放大的信号的早期振幅值；
将一个电源电压由一个有可选电源电压水平的电源提供给所述放大器；和
根据所述早期振幅值选择所述电源电压水平，从而使得选定增加的电源电压水平足以在所述信号的峰值到达所述放大器之前稳定。

22、  如权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包括：
解码一个代表所述信号的数字化编码；和
从所述解码的中间结果得到所述早期振幅值。

23、  如权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包括：
确定所述信号振幅值是否已超过一个预定的值；
如果所述信号振幅值已超过预定的值则产生早期振幅值；和
将所述信号延迟一个预定的延迟时间，在所述信号的峰值到达所述放大器之前至少所述预定的时间内产生所述早期振幅值。

24、  如权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包括从将所述信号变为模拟信号的数模转换器的数字滤波的一个中间结果产生所述振幅值。

控制可选电压音频功率放大器输出级的方法和装置
技术领域
本发明涉及消费性电子装置的音频功率输出级，更具体地说，涉及音频功率级选择电源电压的控制电路。
背景技术
在电池供电的消费类音频设备上，功率输出放大器，通常是用来使用电池电能来驱动一对耳机或扬声器。该设备的输出级具有线性功率放大器，其在低信号电平输出阶段存在电力浪费，这是因为工作的输出晶体管的压降加上输出电压等于电源固定不变的轨电压。
即使变频器中的电流在低信号振幅时减小，但与输出给负载的相比，更多的电量仍然是浪费耗散在了输出晶体管。电池电源在线性放大器电路中通常只有通过降低电源电压而被减少，从而限制了可用输出功率，也可能无法在某些应用中使用，例如功率放大器的输出也作为一个必须提供在饱和信号水平提供一个特定信号的线路输出信号，例如一个600欧姆负载加载+5dBm(-10dBm向上15dB)，这需要一个3V的信号振幅。
因此，最好能提供一个消费类音频设备的功率放大器电路，提高效率和降低功耗，同时保持特定的饱和信号输出能力。进一步提供这种放大器电路控制方法，节省电力和降低功耗，同时避免音频信号的削波。
发明内容
本发明提供了一种提高效率、降低功耗，同时避免音频信号的削波，应用在消费类音频设备的线性功率放大器电路及其运作方式。
该功率放大器电路包括一个电源，其有一个可选择的电源输出电压，从而使放大器电源轨电压可以降低，当最高电源电压不需要放大音频信号时以减少能耗和降低功耗。电源电压的选择应符合音频信号的需要。
选择电源输出电压的控制电路控制信号的音量的同时，一个音频压缩起直到启用电源电压稳定在较高的电平时一直被激活，或由信号控制设置延迟音量的增加。另外，控制电路提供了从音频信号的上游来源如解码器或滤波器的振幅指示，这样的振幅指示足以在音频信号的峰值到达放大器之前被提供，以使得在峰值到达放大器之前使电源可以稳定在更高的工作电压。
本发明的上述目的和其他目的，其功能和优势将明显从以下的具体实施方式及其附图中体现出来。
附图说明
图1为本发明实施例所述的消费类音频设备音频输出级示意图；
图2为图1所述电荷泵电源10的示意图；
图3A到3D为图2所述的电荷泵电源电路在每个作业模式下单个电荷泵时钟阶段的示意图；
图4为本发明实施例所述放大器控制电路的示意图；
图5为本发明实施例所述放大器电源控制方法示意图。
具体实施方式
本发明包括选择提供给音频功率放大器的电源电压的控制方法及装置。提供给末级功率放大器的电源电压是可选的，并且设置为与被放大的期望的或实际的音频信号水平一致，从而使得信号振幅不需要最大电源电压，这样电源电压降低从而节省能量。例如，将一个最大振幅为-6dB，瞬间峰值达到0dB的信号放大，末级放大器的电源电压就可以降低到上述峰值的二分之一，并且不会产生削波。由此，功耗就降低到四分之一，并且至少将功率损失降低到没有可选电源的放大器水平。该选择电源电压的控制方法可以延迟或抑制音量信号的增加，直到被选择的电源电压稳定在更高的水平，或在足够早的时候从上游信号源接收的放大信号信息，电源有时间在电压峰值到达之前稳定在更高的电压。
如图1所示，这是本发明音频消费电子产品的音频输出级的一个实施例。一个数模转换器(DAC)14提供一个模拟信号到第一放大器级A2，其由一个固定的电压源驱动。数模转换器14的输入端还可以选择性连接到一个解码器13，其用来解码文件或者一串数据流，例如MP3编码数据流。第一放大器级A2输出的信号提供给衰减器16，其用来接收音量控制信号，并且直接对信号进行衰减。衰减器16可以是一个数字分压计，其由微控制器或者其它数字控制电路根据用户界面、音量调节按钮译码器或者程序命令进行控制，或者衰减器16也可以是一个提供音量控制信号作为一个来自于第二控制板(单独的耦合到公共转轴或者其他机械装置的分压计电路)的输出指示的模拟分压计，供下文描述的电源控制运算法则使用。衰减器16为机械式音量控制，很明显同样的音量控制可以由一个放大器A2或者信号通路中另一个放大器的反馈回路的可编程电阻来实现。末级功率放大器A2将衰减器16的信号放大，并且提供一个音频输出信号，用来驱动喇叭、耳机变换器，以及/或者一个行信号输出。特别是在放大器A1被一个相对于地电压固定的单极电源驱动的情况下，一个电容C1可以被用来将输出信号耦合到变换器或者行信号输出。
所述音量控制信号也可以被提供到模式控制电路12，用来控制提供给功率放大器A1的轨电源端的输出电源电压与预期的功率放大器A1输出信号水平范围相一致，使得功率放大器A1的峰值信号不会削波，但在峰值信号不存在时降低电源电压。另外，或在连接中，放大器A2的输出也提供给模式控制电路12，使模式控制电路12能够测量实际的信号水平，并且功率放大器A1的电源电压调整到与在功率放大器A1输出端再生的实际的信号水平一致。在实施例中，由于音量控制在放大器A2输出的信号水平测量之后发生，音量信息仍然需要即使信号水平被模式控制电路12探测到，因为模式控制电路必然接收先前被功率放大器A1放大的信号的增益/衰减的信息。同时，解码器13的输出，如果存在，可以给模式控制电路12提供一个预先通知，表示信号中的峰值振幅将到达数模转换器14，并且因此提供一个早期指示，如果电荷泵电源10的低电压/电量操作模式被选中，就需要进行操作模式的转换。
电荷泵电源10提供放大器A1的轨电源输入，并且接收一个电源输入，通常是来自于电池或其他电源，例如电池连接端Vbatt+和Vbatt-。模式控制电路12为电荷泵电源10提供一个模式选择信号，来选择电荷泵电源10的操作模式。电荷泵电源10提供的输出轨电源连接端out+和out-在第一操作模式中具有“饱和”(最大)电压，在第二操作模式中具有低于饱和电压并成比例的电压，其由模式控制电路来选择，当音频信号水平足够低或者期望足够低的时候功率放大器A1的输出不会产生削波。
如图2和图3A-3D所示的电荷泵电源10。当第一操作模式(模式1)被选中时，所述模式选择信号处于逻辑高电平(“1”)，并且开关S8闭合，使得所述Vbatt+电压直接连接到out+端。图3A和图3B所示为在第一和第二时钟相位时电路的连接，其中将打开的开关和不工作的电路元件忽略。开关S2，S2和S4打开并且在第一操作模式中不起作用，同时逻辑与门AND10和AND11使得S1，S2和S4的控制信号失效，并且在逻辑低电平(“0”)的时候通过反相器I10将模式选择信号反相。对于单端(单极)电源，电容C12-C13，开关S3，S6和开关S7被省略。如图3A-3B所示，在模式1中，电源电压的正极端out+直接由输入的正极端Vbatt+提供。
为了在模式1中产生电源电压的负极，在输入端Vbatt+和Vbatt-之间提供的输入电压由一个电压反相器反相。在模式1的相位1(Φ1)中，开关S3和开关S6闭合，从而通过连接到输入端Vbatt+和Vbatt-对电容C12充电，如图3A所示。图3A-3D清楚显示了极化电容C10-C13，很明显极化电容不是必须的，并且非极化电容也可以用作C10-C13。在模式1的相位2(Φ2)中，开关S3和开关S6打开，开关S5和开关S7闭合，使电容C12的两端反相连接到Vbatt-输入端。在相位1开关S7使得连接到Vbatt-输入端的电容C12连接到输出端的负极out-，如图3B所示。上述的切换动作在out-端提供了一个关于Vbatt-端的负极电压，其大小等于out+端和Vbatt-端之间的电压值，并在输出电容C11和C13之间的节点处作为参考电压(地端)。
在第二操作模式(模式2)中，当模式选择信号处于逻辑低电平(“0”)时模式2被激活，开关S8断开。在模式2的相位1(Φ1)中，开关S1和S4闭合，使得电容C10与连接Vbatt+和Vbatt-端的电容C11的输出串联，如图3C所示。在模式2的相位2(Φ2)中，开关S2和S4打开，开关S2和S5闭合，使得电容C10与电容C11并联，如图3D所示。因为模式2中的第二相位使电容10和电容C11的电压相等，电路稳定的工作点产生，在Vbatt+端和Vbatt-端之间的输入电压将在充电相位中被平均分配，不考虑电容C10和C11的关系。因此模式2中out+输出端的电压将是Vbatt+和Vbatt-端电压的一半。其它比率可以通过在相位1中切换更多与电容C10和C11串联的电容来实现，并且在相位2中将它们全部并联连接。例如，输入电池电压的三分之一的电压可以通过采用串联连接电池端和在out+端与Vbatt-端并联连接的3个电容来产生。
第二操作模式(模式2)中的负极电源与第一操作模式中相似，电容C12连接如图3B和图3D所示是相同的。但是，如图3C所示，因为在第二操作模式中开关S8打开，在模式2的相位1中，电容12由out+端充电而不是模式1中如图3A所示的Vbatt+端。开关S4使得电容C12连接到out+端，如图3C所示，连同上述将电容C10与电容C11在相位1中串联连接得到正极电源，并且因此电压反相器提供的out-电压与电路提供的out+电压之间的相关相位必须按照描述保持下去。另一方面，8个开关可以被利用，将电容C10和C12之间的连接断开。附加开关可以设置在电容12和out+端之间，并且在模式2相位1中被激活。同样开关数量也可以有7个降低为6个，将开关S3去掉，并用这个(Φ1)信号控制开关S4。但是，开关S3在第一操作模式中降低了电源通路的阻抗，以达到最大电压/电流操作模式。因此，电路中包含开关S3会更好。
如图4所示的细节为图1中用作模式控制电路12的放大器控制电路。一个信号水平探测器30，可以是一个模拟峰值检波电路，或者是一个指示在音频信号通路中某些点的模拟信号数值的数字电路的输出，该信号水平探测器30通过乘法器31被连接到量控制信号(如果信号控制和信号内容都是对数表示，乘法器31用一个加法器代替)。一个比较器K1(或者等效的数字比较器)，决定信号水平是否超过一个阈值V_ref，以及如果阈值被超过模式控制选择信号设置为高逻辑电平，启动电荷泵的操作模式1，为功率放大器A1提供一个更高的电源。给信号水平探测器30合适的时间常数能够在比较器中产生延迟，以使得模式2不会被选择，除非信号的峰值水平在一个预先确定的时间之内以及/或者电压延迟期间都降低到阈值之下，从而阻止电源电压控制的错误变化。
可选的，信号水平探测器30可以被省略，音量控制水平可以直接与阈值进行比较，来决定电源操作模式和功率放大器此时的轨电源电压。因为信号控制水平在由功率放大器A1再次产生的预期的峰值水平之前，在一些应用中这样的控制已经足够，尤其是最大信号(峰值)水平已知的一些应用中，例如当用系统中集成的数模转换器提供音频信号的时候。
在电源电路处于操作模式2的时候，一个可选择的电路对电压峰值作出响应，并由一个保持-重置锁存器33，一个延时器32，和一个信号压缩器34组成。当模式控制信号由逻辑低电平(模式2)转换成逻辑高电平(模式1)，保持-重置锁存器33被设定为保持，直到延时器32预先设定的时间届满。保持-重置锁存器33的输出为脉冲信号，在预定时间激活信号压缩器34，该预定时间就是功率放大器A1的轨电源稳定在操作模式1的更高的轨电源数值所需要的时间。信号压缩器34被插入到音频信号的通路中功率放大器A1之前，并且降低信号水平以避免削波直到提供给放大器A1的轨电源确保足以提供所需的输出电压摆动同时不会产生削波。
如图5所示，本发明具体实施方式所述的电源放大控制方法，其中一个或一个以上的来自前端信号水平的指令提供给模式控制电路12用于选择功率放大器电源的操作模式，如图1中所示的电荷泵电源10。MP3解码器50就是一个典型的数字音频数据源，MP3解码器50提供控制信号，显示信号的峰值水平，其需要更高的功率放大器电压操作模式，以避免削波。由于MP3数据以一定的数据格式编码，其中包括以各种形式的增益信息，该增益信息可用于控制提供给功率放大器的电源电压以避免削波，同时在可能的情况下节省电量。例如，音轨元数据包括峰值增益信息(回放增益元)，如果某一音轨或流的信号峰值在较低功率放大器的供电电压下不超过削波的阈值，则对整个音轨/流可以选择功率放大器电源供应器的低电压操作模式。在逐帧模式下，瞬时帧可以通过192个采样和576个采样的大小识别，并且每个子带单元包括比例因子信息控制子带和单元解码音频的振幅。因此可以在解码过程中检测峰值信号水平，并且可以将是否峰值需要更高的电压放大器电源的决定交付给功率放大器。
如果放大器电源所需的稳定在更高电压的时间大于MP3解码器50提供信号到达功率放大输出级的峰值检测延迟时间，则可以增加延迟电路52产生额外延迟，其工作在一般的FIFO(先入先出)存储器采样率的频率，或者可以是位于下游的DAC54的模拟延迟。作为从MP3解码器50确定峰值信息的一种替代办法，一个峰值检测器(数字比较器)51可选择性的与延迟电路52(如需要)组合使用，通过比较MP3解码器50的输出和固定的阈值，足以在之前提供峰值信号到达功率放大器的通知。最后，如果从DAC54输出到功率放大器的延迟足够，DAC54中过滤Delta-Sigma调制器56输出的有限脉冲响应(FIR)滤波器58的检测值可以提供足够的提前通知给模式控制电路12选择放大器电源的更高电压操作模式。
发明对具体实施方式中的细节作出了特殊的说明，本领域的普通技术人员可以理解上述内容和其他形式的变化，没有离开本发明的详细说明的精神和范围的其他细节都应认为属于本发明范围。