[发明专利]一种桥式输出电源电压自适应可变的音频功率放大器

说明书

技术领域

本发明属于功率放大器技术领域，具体涉及一种桥式输出电源电压自适应可变的高效音频功率放大器电路。

技术背景

随着多媒体技术的发展，音频功率放大器在音视频类电子产品中的应用越来越广泛，在面向消费者的多媒体设备中，大多采用电池供电以提高便携性。功率放大器具有较大的功率损耗，因此提高功率放大器的效率，对于提高这类便携式设备的电池使用时间极为关键。虽然工作于开关模式的D类放大器可以提供无与伦比的高效率，但是与之相伴的EMI问题始终是限制其应用的一个障碍。虽然正负电源电压可变的设计已经被发明公开，但是正负电源电压对工艺要求较高，需要三阱工艺支持。本发明设计的增益变换电路配合片上产生的可变电源电压可以有效的提高放大器的效率，而且与标准n阱CMOS工艺兼容，片外只需一个小的滤波电感和滤波电容，是低成本高性能的解决方案。而且由于开关工作不在信号路，所以没有严重的EMI问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桥式输出电源电压自适应可变的高效音频功率放大器。

本发明提出的音频功率放大器，由信号电平检测电路、电源电压变换电路和桥式输出驱动电路组成，如图1所示。其中，U11为信号电平检测电路，U22为电源电压变换电路，U33为桥式输出驱动电路。该音频放大器用于驱动扬声器等阻性负载。由于音频功率放大器工作在固定增益，通过检测输入信号可以判断输出信号的幅度。信号电平检测电路U11检测输入信号幅度，当输入差分信号VIND的幅度超过既定的阈值信号VTH时，输出信号进入压缩模式。桥式输出驱动电路U33输出的两路信号的一路被钳位于一直流电压，另一路信号则以原来两倍的幅度变化。这样两路信号的差值仍然与原信号幅度一致，输出负载RL得到的信号是两侧信号差值，负载上信号的幅度与压缩前相比没有变化，信号没有失真。信号电平检测电路U11同时为电源电压变换电路U22提供参考电压VREF。当输入差分信号VIND幅度低于既定阈值VTH时，VREF等于VREF_Bottom，当输入信号VIND幅度超过既定阈值VTH时，信号被压缩，此时VREF跟随以两倍幅度变化的输出信号并保持一较小的裕量。电源电压变换电路U22产生的可变电源电压HVDD，作为桥式输出驱动电路U33的电源。

本发明中，信号电平检测电路如图2所示。图中U1为预放大电器，该电路为全差分放大电路，闭环放大倍数为4倍。输出的两路差分信号是vn2和vp2。电阻R1~R4组成电阻串联分压网络，这四个电阻的阻值都是25KΩ。电阻R1~R4的串联网络的两端接在预放大器U1的输出vn2和vp2，经电阻分压可以得到2倍的差分信号vn1与vp1。其中电阻R1与R2的连接点为vn1，电阻R3与R4的连接点为vp1，电阻R2与R3的连接点vcm是输出差分信号的共模电压，该电压作为预放大器U1的共模反馈信号，同时送入数据选择器U2和U3，数据选择器U2和U3用来选择送入图1中桥式输出驱动电路的电压vn和vp。图2中，U4和U5是迟滞比较器，U4用来比较vn2和参考电压vref，U5用于比较vp2和参考电压vref0。参考电压vref等于输出共模电压减去信号转换阈值电压VTH，当vn2(vp2)低于vref0时，迟滞比较器U4(U5)输出s1(s2)为高电平，表明信号幅度较大，需要进行增益变化。迟滞比较器U4的输出s1和迟滞比较器U5的输出s2作为数据选择器U2和U3的控制信号。当s1为高电平时，数据选择器U2和U3的输出vn和vp分别等于vn2和vcm；当s2为高电平时，数据选择器U2和U3的输出vn和vp分别等于vcm和vp2,；当s1,s2都为低电平时，数据选择器U2和U3的输出vn和vp分别等于vn1和vp1。增益变换电路的另两个模块是由参考电压选择电路U6和放大器U8以及电阻R5~R8组成的电源参考电压产生电路，以及输出共模电压选择电路U7。参考电压选择电路U6，U7都由信号s1,s2控制，参考电压选择电路U6的三个输入信号是vn1,vref1,vn2。其中vref1是一个1.4V直流参考电压。当s1和s2都是低电平时，vsel等于vref1，当s1为高电平时，vsel等于vn1,当s2为高电平时，vsel等于vn2。vsel经放大器U8和电阻R5~R8组成的放大单元得到参考电压选VREF，其中R5=R6，R7=R8，R8与R6的电阻比值为4。电阻R5~R8和U8组成的电路运算功能为VREF=vref4+(vref5-vsel)R8/R6。该电路将参考电压选择电路U6的输出信号vsel变换得到电源参考电压VREF。U7是输出共模电压选择电路，用于给图1中的桥式输出驱动电路提供输出共模参考电压，vref2和vref3是直流参考电压分别等于0.2V和0.7V。当s1和s2都为低电平时，VOCM等于vref3。当s1或s2中有高电平时，VOCM等于vref2。该信号电平检测电路的输出信号如图5所示。