音频放大器系统和方法中具有降低的爆音噪声的静噪机制与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年1月7日提交的且标题为“mutemechanismwithreducedpopnoiseinaudioamplifiersystemsandmethods”的美国临时专利申请no.62/789,461和2019年3月18日提交的且标题为“mutemechanismwithreducedpopnoiseinaudioamplifiersystemsandmethods”的美国专利申请no.16/357,244的优先权和权益，其通过引用特此并入。

根据一个或多个示例，本公开总体上涉及处理模拟信号，并且更特别地例如涉及改进高性能音频放大器内的噪声性能。

背景技术：

许多现代设备（诸如膝上型计算机、计算机平板电脑、mp3播放器和智能电话）为内部或外部扬声器连接性提供高保真度音频信号。这样的系统可以数字地生成音频内容、将数字信号转换为模拟信号、放大模拟信号并将放大的模拟电流信号传送到音频换能器。在一些高保真度系统中，多级音频放大器包括噪声抑制电路，以在音频信号具有低电平时减少不想要的噪声。为了防止不想要的噪声，常规噪声抑制电路可能使多级音频放大器的输出短路。不幸的是，常规噪声抑制电路可能无法调整内部放大器级的偏置。当噪声抑制被解除（release）时，内部放大器级的内部节点不处于用于信号放大的正确电压，并且可能在增加的输入信号上引起电压毛刺（glitch），并且放大器输出可能产生“爆音噪声”。另外，常规噪声抑制电路可以使电阻放大器反馈短路以降低信号噪声。然而，如果仅电阻反馈被短路，则多级放大器仍然产生电路噪声，该电路噪声导致音频输出信号上的不想要的噪声。因此，例如，用户可能经受使用头戴式耳机设备的较不愉快的收听体验。鉴于前述内容，本领域仍然存在对提供改进的音频放大器性能的改进的低信号电平降噪的需要。

技术实现要素：

本公开提供了解决本领域中对在现代设备（诸如包含扬声器连接性的现代设备）中使用的放大器内的改进的降噪的需要的系统和方法。

在各种示例中，一种系统包括：多级放大器，所述多级放大器至少包括第一级放大器和第二级放大器；多个开关，所述多个开关设置在所述多级放大器内以配置所述多级放大器；以及控制信号，所述控制信号被配置为将所述多级放大器控制到正常放大模式或静噪状态，

其中所述多级放大器适于在所述正常放大模式中放大输入信号，其中所述多级放大器适于在所述静噪状态中输出零信号，以及其中所述多级放大器的内部放大级在所述静噪状态中被禁用，并且所述至少第一级放大器和所述第二级放大器中的每一个的输出级在所述静噪状态中被电短路和/或短接到固定偏置电压。

在各种示例中，一种系统包括：多级放大器，所述多级放大器包括多个放大器级；多个开关，所述多个开关设置在所述多级放大器内并且耦合到所述多个放大器级中的每个放大器级的输出；包络检测电路，所述包络检测电路适于感测所述多级放大器的输出端口处的电压以及响应于感测到的电压控制所述多个开关以将所述多个放大器级中的每个放大器级的输出电连接到dc电压信号，所述dc电压信号基本上等于所述多个放大器级中的每个放大器级的静态操作电压。

在各种示例中，一种方法包括：供应包括多个放大器级的多级放大器；将多个开关设置在所述多级放大器内并且耦合到所述多个放大器级中的每个放大器级的输出；由包络检测电路感测所述多级放大器的输出端口处的电压；以及响应于感测到的电压，由所述包络检测电路控制所述多个开关以将所述多个放大器级中的每个放大器级的输出电连接到dc电压信号，所述dc电压信号基本上等于所述多个放大器级中的每个放大器级的静态操作电压。

本公开的范围由权利要求限定，所述权利要求通过引用并入本部分中。通过考虑一个或多个示例的以下详细描述，将向本领域技术人员提供对本公开的更完整的理解，以及其附加优点的实现。将参考将首先简要描述的附图的附页。

附图说明

参考以下附图和下面的详细描述，可以更好地理解本公开的各方面及其优点。应当理解，相似的参考标号用于标识在附图中的一个或多个中图示的相似元件，其中附图中的示出是出于图示本公开的示例的目的，而不是出于限制本公开的示例的目的。附图中的部件不一定是按比例的，而是将重点放在清楚地图示本公开的原理上。

图1图示了包括常规噪声抑制电路的多级放大器的示意图。

图2图示了根据本公开的示例的具有改进的降噪的多级放大器的示例性示意图。

图3图示了根据本公开的示例的具有改进的降噪的差分多级放大器的示例性示意图。

图4图示了根据本公开的具有改进的降噪的单端多级放大器的示例性示意图。

图5是图示根据本公开的示例的用于多级放大器中的降噪电路的操作的方法的流程图。

具体实施方式

本公开描述了系统和方法，其解决了本领域中对包含内部和外部扬声器放大器功能性的现代设备的多级放大器中的改进的降噪机制的需要。以下讨论将针对具有静噪机制示例的多级音频放大器。

图1图示了包括常规噪声抑制电路的多级放大器100的示意图。如图1中所示，多级放大器100包括第一级放大器102、第二级放大器104、噪声抑制开关106以及包络检测和控制电路108。在一个示例中，多级放大器100被实现为多级差分放大器，其中第一级放大器102和第二级放大器104被实现为差分放大器。在另一示例中，多级放大器100被实现为多级单端放大器，其中第一级放大器102和第二级放大器104被实现为单端放大器。第一级放大器102在反相输入端口102a处接收输入信号101，并在非反相输入端口102b处接收输入信号103。第一级放大器102在反相端口102c处提供放大的输出信号105，并将放大的输出信号105传递到第二级放大器104的反相输入端口104a。第一级放大器102在非反相端口102d处提供放大的输出信号107，并将放大的输出信号107传递到第二级放大器104的非反相输入端口104b。第二级放大器104在输出端口104c处提供多级放大器输出信号109，并在输出端口104d处提供多级放大器输出信号111。

在一个示例中，噪声抑制开关106包括电连接到多级放大器输出信号109的开关接帚（wiper）106a和电连接到多级放大器输出信号111的开关接帚106b。包络检测和控制电路108被实现为控制噪声抑制开关106的开关臂106c以断开和闭合噪声抑制开关106。在一个示例中，噪声抑制开关106由包络检测和控制电路108闭合，以在输入信号101和103具有低电平的时段期间将多级放大器输出信号109短接到多级放大器输出信号111。

在图1中所示的示例中，当噪声抑制开关106闭合时，多级放大器100反馈被打断。在这方面，即使反相输入端口102a和非反相输入端口102b处的小输入偏移也将导致输出端口104c和输出端口104d处的大信号。多级放大器100的输出端口处的大信号将引起闭合的开关106与多级放大器100之间的争用（contention），该争用导致流过开关106的大电流，并且开关106将需要相应地定尺寸以避免电应力和/或热过载。另外，当多级放大器100从噪声抑制条件转变到有源条件时，多级放大器100的所有内部节点将花费时间来稳定到其期望值。在该稳定时间期间，在多级放大器100输出端口处可能存在不期望的爆音噪声。

因此，本领域中存在对提供改进的音频放大器性能的改进的低信号电平降噪的需要。

图2图示了根据本公开的示例的具有改进的降噪的多级放大器200的示例性示意图。如图2中所示，多级放大器200包括多个放大器级（例如，第一级放大器202和第二级放大器204）、开关206a-206c和包络检测电路208。在一个示例中，多级放大器200被实现为多级差分放大器，其中第一级放大器202和第二级放大器204被实现为串联电耦合的差分放大器。在另一示例中，多级放大器200被实现为多级单端放大器，其中第一级放大器202和第二级放大器204被实现为串联电耦合的单端放大器。在一些示例中，多级放大器200利用一个或多个单端放大器级和/或一个或多个差分放大器级来实现。例如，在一个非限制性示例中，多级放大器200包括被实现为差分放大器级的第一级放大器202和第二级放大器204以及被实现为单端放大器级的第三级放大器（例如，未示出）。

在各种示例中，系统包括多级放大器，该多级放大器包括静噪电路，该静噪电路在操作中降噪。该系统可以包括多级放大器200，该多级放大器200至少包括第一级放大器202和第二级放大器204。该系统还可以包括设置在多级放大器200内以在静噪状态和正常放大模式之间配置多级放大器200的一个或多个开关106。（例如，从包络检测电路208输出的）控制信号控制多级放大器200的开关在正常放大模式和静噪状态之间切换。在正常放大模式中，多级放大器200将放大输入信号。在静噪状态中，禁用放大器，并且多级放大器适于输出零信号，这可以包括进入静态操作状态、dc操作状态或使输出端口短路以有效地使放大器静噪。在一些示例中，在静噪状态中，多级放大器200的内部放大级（例如，所图示的示例的202和204）也被禁用，并且内部放大级的输出端口彼此短接和/或连接到复制偏置电压信号。

在一些示例中，多级放大器的级中的至少一个被配置为差分放大器，并且差分放大器的内部放大级的输出（例如，输出级）在静噪状态中彼此电短接。在一些示例中，多级放大器的级中的至少一个被配置为单端放大器，并且单端放大器的内部放大级在静噪状态中短接到固定偏置电压。在各种示例中，多级放大器200的输出在静噪状态中电短接到接地信号（例如，当多级放大器的级中的至少一个被配置为单端放大器时）。

在各种示例中，多级放大器200被实现为在第一级放大器202的反相输入端口202a处接收输入信号201并且在非反相输入端口202b处接收输入信号203。如图2中所图示，第一级放大器202在反相输出端口202c处提供放大的输出信号205，并将放大的输出信号205传递到第二级放大器204的反相输入端口204a。第一级放大器202在非反相输出端口202d处提供放大的输出信号207，并且将放大的输出信号207传递到第二级放大器204的非反相输入端口204b。第二级放大器204在非反相输出端口204c处提供多级放大器输出信号209，并且在反相输出端口204d（例如，差分输出端口对）处提供多级放大器输出信号211。

在一些示例中，包络检测电路208被实现为感测多级放大器200的输入端口处（例如，在反相输入端口202a和非反相输入端口202b处）的电压，并且响应于感测到的电压来控制开关206a-206c。在一些示例中，包络检测电路208响应于感测到的电压低于多级放大器200的空闲噪声阈值（例如，多级放大器空闲噪声阈值）而控制开关206a-206c。在一些示例中，空闲噪声阈值对于低输入信号电平是负130db。然而，其他空闲噪声阈值对于其他多级放大器实现方式而言是可能的，例如为负135db和/或负140db。

在一些示例中，开关206设置在多级放大器200内并且耦合到放大器级（例如，第一级放大器202和第二级放大器204）中的每个的输出。包络检测电路208控制开关206a-206c，以将放大器级中的每个的差分输出对（例如，诸如第一级放大器202的反相输出端口202c和非反相输出端口202d，以及第二级放大器204的非反相输出端口204c和反相输出端口204d）电连接到dc电压信号，该dc电压信号基本上等于响应于感测到的电压的放大器级中的每个的静态操作电压。在各种示例中，中间放大器级（例如，诸如第一级放大器202）在将dc电压信号连接到输出端口之前使其输出禁用，以避免输出端口处的任何电应力或电压争用。在一些示例中，多个开关中的至少一个开关206耦合到多级放大器200的输入端口，多级放大器200可操作以将输入端口电连接到dc电压信号。

在一个示例中，开关206a包括电连接到反相输入端口202a的开关接帚216a和电连接到非反相输入端口202b的开关接帚216b。包络检测电路208被实现为控制开关206a的开关臂216c以断开和闭合开关206a。在一个示例中，开关206a由包络检测电路208闭合，以在输入信号201和203低于多级放大器200的空闲噪声阈值电平时的时段期间将反相输入端口202a电短接到非反相输入端口202b（例如，短接差分输入端口对）。另外，包络检测电路208被实现为当输入信号201和输入信号203低于多级放大器200的空闲噪声阈值电平时闭合开关206b和开关206c。在一些示例中，控制信号（未示出）被提供给第一级放大器202和第二级放大器204，以响应于检测到的输入信号低于空闲噪声阈值而命令第一级放大器202和第二级放大器204的静噪功能。

在一个示例中，每个开关206被实现为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（nmosfet）开关。在另一示例中，每个开关206被实现为互补开关，其包括串联电连接的n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管开关和p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（pmosfet）开关。

如图2中所示，对于多级差分放大器实现方式而言，包络检测电路208控制开关206b以将第一级放大器202反相输出端口202c电连接到非反相输出端口202d。包络检测电路208控制开关206c以将第二级放大器204非反相输出端口204c电连接到反相输出端口204d。在这方面，当感测到的电压低于多级差分放大器的空闲噪声阈值时，包络检测电路208将多个差分放大器输出端口中的每一个彼此电连接。

在一个示例中，图2的多级差分放大器实现方式包括基本上等于静态操作电压（例如，第一级放大器202和第二级放大器204中的每一个的静态操作电压）的差分放大器复制偏置电压信号。在一些示例中，差分放大器复制偏置电压信号基本上等于第一级放大器202和第二级放大器204中的每一个的共模电压。在一个示例中，当感测到的电压低于图2的多级差分放大器实现方式的空闲噪声阈值时，开关206a被控制为将差分放大器复制偏置电压信号电连接到反相输入端口202a和非反相输入端口202b（例如，差分输入对）中的每一个。

在另一示例中，当感测到的电压低于图2的多级差分放大器实现方式的空闲噪声阈值时，开关206b被控制为将差分放大器复制偏置电压信号电连接到反相输出端口202c和非反相输出端口202d中的每一个，并且开关206c被控制为将差分放大器复制偏置电压信号电连接到非反相输出端口204c和反相输出端口204d中的每一个。在又一示例中，当感测到的电压低于空闲噪声阈值时，开关206a被控制为将反相输入端口202a和非反相输入端口202b（例如，差分输入对）彼此电短接。

图3图示了根据本公开的示例的具有改进的降噪的差分多级放大器300的示例性示意图。如图3中所示，差分多级放大器300被实现为两级放大器。在这方面，差分多级放大器300包括第一级差分放大器302和第二级差分放大器304（例如，由节点365（outp）和节点366（outn）图示的第二级差分放大器304）。第一级差分放大器302包括多级差分放大器输入端口303，其包括第一输入端口pmosfet晶体管303a和第二输入端口pmosfet晶体管303b。第一级差分放大器302还包括：包括pmosfet晶体管319a和319b的第一电流源319、包括nmosfet晶体管320a和320b的第二电流源320、包括pmosfet晶体管321a和321b的第三电流源321以及包括nmosfet晶体管322a和322b的第四电流源322。第二电流源320的nmosfet晶体管320b和第四电流源322的nmosfet晶体管322b的漏极端子连接到接地信号327。

pmosfet晶体管功率开关361在源极端子处电连接到电压源360并且在漏极端子处电连接到多级差分放大器输入端口303。在一个示例中，电压源360是五伏dc电压源。在其他示例中，电压源360是10伏dc电压源。然而，电压源360可以是适合于向多级差分放大器输入端口303提供电压的任何dc电压源。

第一级差分放大器302包括第一浮置电池324，第一浮置电池324包括与pmosfet晶体管324b并联连接的nmosfet晶体管324a。第一电流源319和第二电流源320连接到第一浮置电池324。第一级差分放大器302还包括第二浮置电池326，第二浮置电池326包括与pmosfet晶体管326b并联连接的nmosfet晶体管326a。第三电流源321和第四电流源322连接到第二浮置电池326。

第一级差分放大器302包括第一输出级370，第一输出级370包括pmosfet晶体管371和pmosfet晶体管373。第一级差分放大器302包括第二输出级380，第二输出级380包括nmosfet晶体管372和nmosfet晶体管374。第一输出级370和第二输出级380在节点365和节点366处连接到第二级差分放大器304。

在一个示例中，包络检测电路208（例如，诸如图2的包络检测电路208）控制开关306a、开关306b和开关306c同时闭合。开关306a将pmosfet晶体管371分别电短接到节点351和节点353处的pmosfet晶体管373。开关306b将nmosfet晶体管372分别电短接到节点352和节点354处的nmosfet晶体管374。开关306c将第二级差分放大器304的节点365电短接到节点366。在这方面，当感测到的电压低于空闲噪声阈值时，第一级差分放大器302、第一输出级370和第二输出级380晶体管中的每一个彼此短接。另外，当感测到的电压低于空闲噪声阈值时，第二级差分放大器304输出在节点365和节点366处短路。

图4图示了根据本公开的具有改进的降噪的多级单端放大器400的示例性示意图。例如，如图4中所图示，多级单端放大器400包括第一级单端放大器402和第二级单端放大器404。第一级单端放大器402包括多级单端放大器输入端口403，其包括第一输入端口pmosfet晶体管403a和第二输入端口pmosfet晶体管403b。第一级单端放大器402还包括第一电流源419和第二电流源421，第一电流源419包括pmosfet晶体管419a和419b，第二电流源421包括pmosfet晶体管421a和421b。第一级单端放大器402还包括电流镜电路415，电流镜电路415包括连接到第一电流源419的nmosfet晶体管415a-415d。pmosfet晶体管功率开关461电连接到源极端子处的电压源460和漏极端子处的多级单端放大器输入端口403。在一个示例中，电压源460是五伏dc电压源。在其他示例中，电压源460是10伏dc电压源。然而，电压源460可以是适合于向多级单端放大器输入端口403提供电压的任何dc电压源。

如图4中所示，第二级单端放大器404包括输出pmosfet晶体管451和输出nmosfet晶体管452。输出pmosfet晶体管451在漏极端子处连接到正常操作开关407c，并且输出nmosfet晶体管452在源极端子处连接到正常操作开关407d。正常操作开关407c和正常操作开关407d两者都连接到开关406c。当闭合时，开关406c通过包络检测电路208的操作连接到接地信号427。在这方面，当感测到的电压低于多级单端放大器空闲噪声阈值时，包络检测电路208控制开关406c以将开关406c电连接到接地信号427。

在一个示例中，与开关406c连接到接地信号427的同时，包络检测电路208控制开关406a和开关406b。开关406a和开关406b用于重新配置第一级单端放大器402的内部电路节点。例如，开关406a闭合以将电压源460连接到nmosfet晶体管442的漏极端子。开关406b闭合以将pmosfet晶体管441的漏极端子连接到接地信号427。

此外，与开关406c闭合的同时，包络检测电路208控制正常操作开关407a、正常操作开关407b、正常操作开关407c和正常操作开关407d。正常操作开关407c被断开以将pmosfet晶体管441的漏极端子与第二级单端放大器404的输出端口411断开连接。正常操作开关407d被断开以将nmosfet晶体管442的漏极端子与第二级单端放大器404的输出端口411断开连接。

正常操作开关407a被断开以将nmosfet晶体管442的漏极端子与pmosfet晶体管441的源极端子断开连接。正常操作开关407b被断开以将nmosfet晶体管442的源极端子与pmosfet晶体管441的漏极端子断开连接。在这方面，nmosfet晶体管442被重新配置为连接到第二单端放大器404的输出nmosfet晶体管452的栅极端子，并且第一级单端放大器402的节点432被重新配置为基本上等于大约十分之五伏的单端复制偏置电压信号（例如，诸如在断开正常操作开关407c和正常操作开关407d之前）。在一些示例中，单端放大器复制偏置电压信号基本上等于第一级单端放大器402的静态操作电压。

pmosfet晶体管441被重新配置为将第二级单端放大器404的输出pmosfet晶体管451的源极端子连接到栅极端子，并且第一级单端放大器402的节点431被重新配置为基本上等于大约十分之七伏的单端放大器复制偏置电压信号（例如，诸如在断开正常操作开关407c和正常操作开关407d之前）。在一些示例中，单端放大器复制偏置电压信号基本上等于第一级单端放大器402的静态操作电压。

在这方面，包络检测电路208控制正常操作开关407a、正常操作开关407b、正常操作开关407c和正常操作开关407d以及开关406a、开关406b和开关406a，以在感测到的电压低于多级单端放大器空闲阈值时将第一级单端放大器402和第二级单端放大器404的输出端口电连接到单端放大器复制偏置电压信号。在各种示例中，当感测到的电压低于多级单端放大器空闲噪声阈值时，包络检测电路208控制多个开关以将多级单端放大器输入端口403电连接到单端放大器复制偏置电压信号。在其他示例中，当感测到的电压低于多级单端放大器空闲噪声阈值时，包络检测电路208控制多个开关以将多级单端放大器输入端口403电连接到接地信号427。

图5是图示根据本公开的示例的用于降噪电路的操作的方法500的流程图。方法500以步骤502的操作开始，供应包括多个放大器级的多级放大器。在一个示例中，多级放大器可以被实现为差分多级放大器。在另一示例中，多级放大器可以被实现为单端多级放大器。在又一示例中，多级放大器可以被实现为全部串联连接的一个或多个差分放大器级和一个或多个单端放大器级。

方法500还可以包括在多级放大器内设置多个开关的操作（步骤504）。在一个示例中，多个开关可以耦合到多个放大器级中的每个放大器级的输出。在另一示例中，多个开关可以耦合到多个放大器级中的每个放大器级的一个或多个内部节点和/或部件。

方法500还可以包括由包络检测电路感测多级放大器的输出处的电压的操作（步骤506）。在一些示例中，在多级放大器的输入处感测电压。在其他示例中，在多级放大器的一个或多个放大器级的输入和/或输出处感测电压。

方法500还可以包括以下操作（步骤508）：响应于感测到的电压，由包络检测电路控制多个开关以将多个放大器级中的每个放大器级的输出电连接到dc电压信号，该dc电压信号基本上等于多个放大器级中的每个放大器级的静态操作电压。

鉴于本公开，将理解的是，根据本文中阐述的各种示例实现的多级放大器200可以在检测到放大器输入低电平音频信号时提供多级放大器音频输出信号的降噪。多级放大器200包括设置在多级放大器内并且耦合到多个放大器级中的每个放大器级的输出的多个开关。包络检测电路被配置为感测输入电压信号并控制多个开关以将多个放大器级中的每个放大器级的输出电连接到dc电压信号和/或重新配置放大器级内的内部操作电压，所有这些都用于提供改进的音频放大器性能的改进的低信号电平降噪。

在可适用的情况下，由本公开提供的各种示例可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。此外，在可适用的情况下，本文中阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以组合成包括软件、硬件和/或两者的复合部件，而不脱离本公开的精神。在可适用的情况下，本文中阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以被分离成包括软件、硬件或两者的子部件，而不脱离本公开的范围。另外，在可适用的情况下，预期软件部件可以被实现为硬件部件，并且反之亦然。

前述公开不旨在将本公开限制于所公开的精确形式或特定使用领域。因此，预期的是，根据本公开，对本公开的各种替代示例和/或修改（无论是在本文中明确描述还是暗示）都是可能的。已经如此描述了本公开的示例，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。因此，本公开仅由权利要求限制。