CN111464141A - 一种数字音频功率放大器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种数字音频功率放大器及电子设备，通过在第一积分器和第二积分器的负反馈支路中设置一与反馈电阻相连的分压模块，通过对负反馈支路中电压进行分压，进而降低了在数字音频功率放大器输出电压较高时，对积分器内涉及的参考电压较大的需求，进而避免了主电流源和积分器相应功放环路没有足够的电压余量支持电路正常工作的情况出现；以及，主电流源中通过镜像电流模块镜像参考电流，使得拉电流和灌电流均等于参考电流，进而能够改善主电流源中的1/f噪声的影响，实现低底噪的数字音频功率放大器。

Description

一种数字音频功率放大器及电子设备

技术领域

本发明涉及数字音频功放技术领域，更为具体地说，涉及一种数字音频功率放大器及电子设备。

背景技术

目前D类音频功率放大器因其超过80％的高效率而获得了广泛的应用。特别是在手机等电子设备领域，高效率的音频功率放大器不仅能够延长电子设备的工作时间、减小电子设备的发热量，而且能够获得更大的音量和更好的音质。D类音频功率放大器主要分两类，一类为模拟音频功率放大器，另一类为数字音频功率放大器。由于音频信号能够通过数字音频功率放大器进行数字信号传输，具有极高的抗RF干扰性能和较低的底噪，因此，目前数字音频功率放大器的应用较为广泛。

但是，现有技术中的数字音频功率放大器在输出电压达到较高电压值(例如10V)时，会出现由于数字音频功率放大器的电流源和积分器相应的功放环路没有足够的电压余量，而使得数字音频功率放大器无法正常工作的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种数字音频功率放大器及电子设备，能够有效的解决现有技术存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种数字音频功率放大器，包括：D类数字调制器、主电流源、第一积分器和第二积分器；

所述D类数字调制器用于将接收的音频数字信号转换为PWMP信号和PWMN信号；

所述主电流源包括参考电流模块、第一侧镜像电流模块和第二侧镜像电流模块，所述参考电流模块用于生成参考电流，且控制所述第一侧镜像电流模块镜像所述参考电流为第一拉电流或第一灌电流，及控制所述第二侧镜像电流模块镜像所述参考电流为第二拉电流或第二灌电流；

所述第一侧镜像电流模块用于根据所述PWMP信号的控制为所述第一积分器的输入端提供所述第一拉电流或所述第一灌电流，所述第二侧镜像电流模块用于根据所述PWMN信号的控制为所述第二积分器的输入端提供所述第一拉电流或所述第一灌电流，其中，所述第一积分器和所述第二积分器分别用于对其输入端接入信号进行积分求和；

以及，所述第一积分器和所述第二积分器中任意一积分器的负反馈支路包括一反馈电阻及与所述反馈电阻相连的分压模块。

相应的，本发明还提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述的数字音频功率放大器。

可选的，所述电子设备为终端设备或音响设备。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供的一种数字音频功率放大器及电子设备，通过在第一积分器和第二积分器的负反馈支路中设置一与反馈电阻相连的分压模块，通过对负反馈支路中电压进行分压，进而降低了在数字音频功率放大器输出电压较高时，对积分器内涉及的参考电压较大的需求，进而避免了主电流源和积分器相应功放环路没有足够的电压余量支持电路正常工作的情况出现；以及，主电流源中通过镜像电流模块镜像参考电流，使得拉电流和灌电流均等于参考电流，进而能够改善主电流源中的1/f噪声的影响，实现低底噪的数字音频功率放大器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种数字音频功率放大器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种数字音频功率放大器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种主电流源的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种积分器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种共模电压产生模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的第一电容的充放电波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

正如背景技术所述，现有技术中的数字音频功率放大器在输出电压达到较高电压值(例如10V)时，会出现由于数字音频功率放大器的电流源和积分器相应的功放环路没有足够的电压余量，而使得数字音频功率放大器无法正常工作的情况。

参考图1所示，为现有技术中一种数字音频功率放大器的结构示意图，其中，数字音频功率放大器包括第一侧电流源、第二侧电流源、第一积分器和第二积分器，第一积分器和第二积分器任意一积分器包括共模电压产生模块、运算放大器、电容C、功放环路驱动模块、反馈电阻Rfb、晶体管P和晶体管N。当然，在实际应用中，数字音频功率放大器还包括数字调制器等，在此不再赘述。

数字调制器接入I2S等数字音频信号，而后对数字音频信号进行采样、delta-sigma噪声整形和BD调制后，输出由delta-sigma整形的同相信号和反相信号分别与三角波信号比较后得到的PWMP和PWMN两个脉冲宽度调制信号。第一侧电流源根据PWMP信号向第一积分器提供拉电流或灌电流，第第二侧电流源根据PWMN信号向第二积分器提供拉电流或灌电流。

在工作过程中，以第一积分器为例，为了维持第一积分器中功放环路的稳定性，Vop电压在等于功率电源PVDD的电压时注入Vip节点的电流值，必须等于Vop电压在等于0时从Vip节点抽取的电流值。这就意味着参考电压VREF等于PVDD的电压的一半。而当数字音频功率放大器为高压数字音频功率放大器而输出较高电压时，例如10V时，就要求积分器中的共模电压产生模块提供的参考电压的值VREF为5V。而由于第一侧电流源和第一积分器相应功放环路能够支持的最大工作电压即为5V，此时数字音频功率放大器的第一侧电流源和第一积分器相应的功放环路没有足够的电压余量，而使得数字音频功率放大器无法正常工作的情况。

基于此，本发明实施例提供了一种数字音频功率放大器及电子设备，能够有效的解决现有技术存在的技术问题。为实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下，具体参考图2至图6对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图2所示，为本发明实施例提供的一种数字音频功率放大器的结构示意图，其中，数字音频功率放大器包括：

D类数字调制器1、主电流源、第一积分器7和第二积分器8；

所述D类数字调制器1用于将接收的音频数字信号转换为PWMP信号和PWMN信号。

所述主电流源包括参考电流模块2、第一侧镜像电流模块3和第二侧镜像电流模块4，所述参考电流模块2用于生成参考电流，且控制所述第一侧镜像电流模块3镜像所述参考电流为第一拉电流或第一灌电流，及控制所述第二侧镜像电流模块4镜像所述参考电流为第二拉电流或第二灌电流。

所述第一侧镜像电流模块3用于根据所述PWMP信号的控制为所述第一积分器7的输入端Vip提供所述第一拉电流或所述第一灌电流，所述第二侧镜像电流模块4用于根据所述PWMN信号的控制为所述第二积分器8的输入端Vin提供所述第一拉电流或所述第一灌电流，其中，所述第一积分器7和所述第二积分器8分别用于对其输入端接入信号进行积分求和。

以及，所述第一积分器7和所述第二积分器8中任意一积分器的负反馈支路包括一反馈电阻Rfb及与所述反馈电阻相连的分压模块。

需要说明的是，本发明实施例提供的数字音频功率放大器的第一积分器和第二积分器用于对其输入端接入的信号进行积分求和处理，且积分器具有低通滤波作用。其中，第一积分器和第二积分器所包括的组成器件相同，且相应组成器件的参数相同。其中，本发明提供的拉电流即抽取积分器的输入端的电流，而灌电流即为灌入积分器的输入端的电流。

由上述内容可知，本发明提供的技术方案，通过在第一积分器和第二积分器的负反馈支路中设置一与反馈电阻相连的分压模块，通过对负反馈支路中电压进行分压，进而降低了在数字音频功率放大器输出电压较高时，对积分器内涉及的参考电压较大的需求，进而避免了主电流源和积分器相应功放环路没有足够的电压余量支持电路正常工作的情况出现；以及，主电流源中通过镜像电流模块镜像参考电流，使得拉电流和灌电流均等于参考电流，进而能够改善主电流源中的1/f噪声的影响，实现低底噪的数字音频功率放大器。

参考图3所示，为本发明实施例提供的一种主电流源的结构示意图，其中，本发明实施例提供的主电流源中，所述参考电流模块包括参考电流源IR、第一主运算放大器110、第二主运算放大器120、第三主P型晶体管P30、两个第一主电阻R10和一个第二主电阻R20；所述第一侧镜像电流模块包括第一主P型晶体管P10、第一主N型晶体管N10、一个第一主电阻R10和一个第二主电阻R20；所述第二侧镜像电流模块包括第二主P型晶体管P20、第二主N型晶体管N20、一个第一主电阻R10和一个第二主电阻R20；

所述第一主P型晶体管P10、所述第二主P型晶体管P20和所述第三主P型晶体管P30的栅极均连接所述第一主运算放大器110的输出端，所述第一主P型晶体管P10的第一端、所述第二主P型晶体管P20的第一端、所述第三主P型晶体管P30的第一端和所述第一主运算放大器110的同相端分别连接各自相应第一主电阻R10的第一端，所述第一主电阻R10的第二端连接工作电压端VDD，所述第一主运算放大器110的反相端连接所述第三主P型晶体管P30的第一端，所述参考电流源IR电连接所述第一主运算放大器110的同相端，其中，所述第一主P型晶体管P10的第二端用于输出所述第一灌电流，及所述第二主P型晶体管P20的第二端用于输出所述第二灌电流；

以及，所述第三主P型晶体管P30、所述第一主N型晶体管N10和所述第二主N型晶体N20的第二端分别连接各自相应第二主电阻R20的第一端，所述第二主电阻R20的第二端连接接地端，所述第一主N型晶体管N10和所述第二主N型晶体N20的栅极均连接所述第二主运算放大器120的输出端，所述第二主运算放大器120的同相端连接所述第三主P型晶体管P30的第二端，所述第二主运算放大器120的反相端连接所述第一主N型晶体管N10的第一端，其中，所述第一主N型晶体管N10的第一端用于输出所述第一拉电流，及所述第二主N型晶体管N20的第一端用于输出所述第二拉电流。

可以理解的，主电流源的噪声主要包括有热噪声和1/f噪声两部分，其中，本发明提供的数字音频功率放大器的主电流源中通过镜像电流模块镜像参考电流，使得拉电流和灌电流均等于参考电流，进而能够改善主电流源中的1/f噪声的影响，实现低底噪的数字音频功率放大器。并且，在改善主电流源中的1/f噪声的影响的前提下，主电流源中噪声仅包括有第一主电阻和第二主电阻的热噪声，由于电阻的热噪声可以表示为

故而，通过优化选取较大阻值的第一主电阻和第二主电阻，能够减小主电流源中的热噪声，进一步降低数字音频功率放大器的噪声。

需要说明的是，本发明实施例对于第一主电阻和第二主电阻的具体阻值不做限定，对此需要根据实际应用进行具体选取。

参考图4所示，为本发明实施例提供的一种积分器的结构示意图，其中，所述第一积分器和所述第二积分器中任意一积分器包括：第一运算放大器11、共模电压产生模块、第一电容C1、功放环路驱动模块、P型晶体管P11和N型晶体管N11；

所述第一运算放大器11的反相端为所述积分器的输入端(第一积分器的输入端Vip/第二积分器的输入端Vin)，所述第一运算放大器11的反相端、所述第一电容C1的第一极板和所述反馈电阻Rfb的第一端均相连，所述第一运算放大器11的同相端与所述共模电压产生模块的输出端相连，所述共模电压产生模块用于输出参考电压VREF，所述第一运算放大器11的输出端、所述第一电容C1的第二极板和所述功放环路驱动模块的输入端均相连；

所述功放环路驱动模块的第一输出端与所述P型晶体管P11的栅极相连，所述功放环路驱动模块的第二输出端与所述N型晶体管N11的栅极相连；

所述P型晶体管P11的源极与功率电源PVDD相连，所述N型晶体管N1的源极与接地端相连，所述P型晶体管P11的漏极和所述N型晶体管N11的漏极相连为所述积分器的输出端(第一积分器的输出端Vop/第二积分器的输出端Von)，且分压模块连接于积分器的输出端和所述反馈电阻Rfb的第二端之间。

进一步结合图4所示，本发明实施例提供的所述分压模块包括：第一分压电阻Ra和第二分压电阻Rb，其中，所述第一分压电阻Ra的第一端和所述第二分压电阻Rb的第一端均与所述反馈电阻Rfb的第二端相连；

所述第一分压电阻Ra的第二端与所述积分器的输出端(第一积分器的输出端Vop/第二积分器的输出端Von)相连，所述第二分压电阻Rb的第二端连接接地端。

在本发明一实施例中，本发明提供的第二分压电阻可以为第一分压电阻的二倍，由此可知参考电压VREF可以设置为功率电源的电压PVDD的1/3倍，进而降低了在数字音频功率放大器输出电压较高时，对积分器内涉及的参考电压较大的需求，进而避免了主电流源和积分器相应功放环路没有足够的电压余量支持电路正常工作的情况出现。

参考图5所示，为本申请实施例提供的一种共模电压产生模块的结构示意图，其中，所述共模电压产生模块包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第二电容C2；

所述第一电阻R1的第一端与工作电压端VDD相连，所述第一电阻R1的第二端、所述第二电阻R2的第一端和所述第三电阻R3的第一端均相连；

所述第二电阻R2的第二端和所述第二电容C2的第二极板均连接接地端；

所述第三电阻R3的第二端和所述第二电容C2的第一极板连接为所述共模电压产生模块的输出端。

下面结合附图对本发明实施例提供的数字音频功率放大器的具体参数性能进行分析。结合图4和图6所示，图6为第一电容充放电的波形图，以第一积分器为例，分析输入占空比和输出之间的关系。第一积分器的第一电容C1在一个周期内的充放电分为4个阶段；其中，Ic1为第一电容C1的充放电电流，Vc1为第一电容C1的电压，PVDD为功率电源的电压。

阶段T1：PWMP＝“1”，第一积分器的输出端V_OP＝“1”，第一侧镜像电流模块(电流值为I_DAC)为第一电容C1充电，数字音频功率放大器的输出信号通过反馈电阻Rfb给第一电容C1充电：

I_{C1_T1}＝I_DAC+1/3*PVDD/Rfb；

阶段T2：PWMP＝“1”，第一积分器的输出端V_OP＝“0”，第一侧镜像电流模块(电流值为I_DAC)为第一电容C1充电，数字音频功率放大器的输出信号通过反馈电阻Rfb给第一电容C1放电：

I_{C1_T2}＝I_DAC-1/3*PVDD/Rfb；

阶段T3：PWMP＝“0”，第一积分器的输出端V_OP＝“0”，第一侧镜像电流模块(电流值为I_DAC)为第一电容C1放电，数字音频功率放大器的输出信号通过反馈电阻Rfb给第一电容C1放电：

I_{C1_T3}＝-I_DAC-1/3*PVDD/Rfb；

阶段T4：PWMP＝“0”，第一积分器6的输出信号V_OP＝“1”，第一侧镜像电流模块(电流值为I_DAC)为第一电容C1放电，数字音频功率放大器的输出信号通过反馈电阻Rfb给第一电容C1充电：

I_{C1_T4}＝-I_DAC+1/3*PVDD/Rfb；

正常工作时第一电容C1的充放电平衡，则有：

I_{C1_T1}×t₁+I_{C1_T2}×t₂＝-I_{C1_T3}×t₃-I_{C1_T4}×t₄

将I_{C1_T1～4}代入上式，整理可得

I_DAC×(t₁+t₂)-I_DAC×(t₃+t₄)＝1/3*PVDD/Rfb×(t₂+t₃)-1/3*PVDD/Rfb×(t₁+t₄)

其中，t₁+t₂＝D_IN×T，t₃+t₄＝(1-D_IN)×T，t₁+t₄＝D_OUT×T，t₂+t₃＝(1-D_OUT)×T；其中，T为周期，D_IN表示输入的PWMP信号的占空比，D_OUT是指音频功率放大器输出信号的占空比；

整理可得：

第一积分器的输出端Vop满足：

V_op＝D_OUT*PVDD

上式表明第一积分器的输出端Vop信号是一个以1/2*PVDD为共模点，50％输入占空比D_IN为中心的信号。由此可得，数字音频功率放大器的增益为3*Rfb*I_DAC。

相应的，本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述任意一实施例提供的数字音频功率放大器。

在本发明一实施例中，本发明提供的所述电子设备为终端设备或音响设备，对此本发明不做具体限制。

本发明提供的一种数字音频功率放大器及电子设备，通过在第一积分器和第二积分器的负反馈支路中设置一与反馈电阻相连的分压模块，通过对负反馈支路中电压进行分压，进而降低了在数字音频功率放大器输出电压较高时，对积分器内涉及的参考电压较大的需求，进而避免了主电流源和积分器相应功放环路没有足够的电压余量支持电路正常工作的情况出现；以及，主电流源中通过镜像电流模块镜像参考电流，使得拉电流和灌电流均等于参考电流，进而能够改善主电流源中的1/f噪声的影响，实现低底噪的数字音频功率放大器。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种数字音频功率放大器，其特征在于，包括：D类数字调制器、主电流源、第一积分器和第二积分器；

所述D类数字调制器用于将接收的音频数字信号转换为PWMP信号和PWMN信号；

所述主电流源包括参考电流模块、第一侧镜像电流模块和第二侧镜像电流模块，所述参考电流模块用于生成参考电流，且控制所述第一侧镜像电流模块镜像所述参考电流为第一拉电流或第一灌电流，及控制所述第二侧镜像电流模块镜像所述参考电流为第二拉电流或第二灌电流；

所述第一侧镜像电流模块用于根据所述PWMP信号的控制为所述第一积分器的输入端提供所述第一拉电流或所述第一灌电流，所述第二侧镜像电流模块用于根据所述PWMN信号的控制为所述第二积分器的输入端提供所述第一拉电流或所述第一灌电流，其中，所述第一积分器和所述第二积分器分别用于对其输入端接入信号进行积分求和；

以及，所述第一积分器和所述第二积分器中任意一积分器的负反馈支路包括一反馈电阻及与所述反馈电阻相连的分压模块。

2.根据权利要求1所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述参考电流模块包括参考电流源、第一主运算放大器、第二主运算放大器、第三主P型晶体管、两个第一主电阻和一个第二主电阻；所述第一侧镜像电流模块包括第一主P型晶体管、第一主N型晶体管、一个第一主电阻和一个第二主电阻；所述第二侧镜像电流模块包括第二主P型晶体管、第二主N型晶体管、一个第一主电阻和一个第二主电阻；

所述第一主P型晶体管、所述第二主P型晶体管和所述第三主P型晶体管的栅极均连接所述第一主运算放大器的输出端，所述第一主P型晶体管的第一端、所述第二主P型晶体管的第一端、所述第三主P型晶体管的第一端和所述第一主运算放大器的同相端分别连接各自相应第一主电阻的第一端，所述第一主电阻的第二端连接工作电压端，所述第一主运算放大器的反相端连接所述第三主P型晶体管的第一端，所述参考电流源电连接所述第一主运算放大器的同相端，其中，所述第一主P型晶体管的第二端用于输出所述第一灌电流，及所述第二主P型晶体管的第二端用于输出所述第二灌电流；

以及，所述第三主P型晶体管、所述第一主N型晶体管和所述第二主N型晶体的第二端分别连接各自相应第二主电阻的第一端，所述第二主电阻的第二端连接接地端，所述第一主N型晶体管和所述第二主N型晶体的栅极均连接所述第二主运算放大器的输出端，所述第二主运算放大器的同相端连接所述第三主P型晶体管的第二端，所述第二主运算放大器的反相端连接所述第一主N型晶体管的第一端，其中，所述第一主N型晶体管的第一端用于输出所述第一拉电流，及所述第二主N型晶体管的第一端用于输出所述第二拉电流。

3.根据权利要求1所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述第一积分器和所述第二积分器中任意一积分器包括：第一运算放大器、共模电压产生模块、第一电容、功放环路驱动模块、P型晶体管和N型晶体管；

所述第一运算放大器的反相端为所述积分器的输入端，所述第一运算放大器的反相端、所述第一电容的第一极板和所述反馈电阻的第一端均相连，所述第一运算放大器的同相端与所述共模电压产生模块的输出端相连，所述共模电压产生模块用于输出参考电压，所述第一运算放大器的输出端、所述第一电容的第二极板和所述功放环路驱动模块的输入端均相连；

所述功放环路驱动模块的第一输出端与所述P型晶体管的栅极相连，所述功放环路驱动模块的第二输出端与所述N型晶体管的栅极相连；

所述P型晶体管的源极与功率电源相连，所述N型晶体管的源极与接地端相连，所述P型晶体管的漏极和所述N型晶体管的漏极相连为所述积分器的输出端，且所述分压模块连接于所述积分器的输出端和所述反馈电阻的第二端之间。

4.根据权利要求3所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述共模电压产生模块包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻和第二电容；

所述第一电阻的第一端与工作电压端相连，所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第一端和所述第三电阻的第一端均相连；

所述第二电阻的第二端和所述第二电容的第二极板均连接接地端；

所述第三电阻的第二端和所述第二电容的第一极板连接为所述共模电压产生模块的输出端。

5.根据权利要求3所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述分压模块包括：第一分压电阻和第二分压电阻，其中，所述第一分压电阻的第一端和所述第二分压电阻的第一端均与所述反馈电阻的第二端相连；

所述第一分压电阻的第二端与所述积分器的输出端相连，所述第二分压电阻的第二端连接接地端。

6.根据权利要求5所述的数字音频功率放大器，其特征在于，所述第二分压电阻为所述第一分压电阻的二倍。

7.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求1-6任意一项所述的数字音频功率放大器。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为终端设备或音响设备。

Images