CN103346739B - G类音频放大系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种G类音频放大系统及方法。该G类音频放大系统包括输入端、音频放大级、输入电平检测单元和电荷泵。其根据输入信号的大小，调整音频放大级的供电信号，使G类音频放大系统具有高效率和高保真输出。

Description

G类音频放大系统及方法

本申请是针对申请日为2009年10月20日，申请号为200910308523.1，发明名称为“G类音频放大系统及方法”提出的分案申请。

技术领域

本发明涉及音频放大系统，更具体地说，本发明涉及G类音频放大系统及方法。

背景技术

AB类放大器具有良好的输出特征，但是效率太低。为了保持输出音质并提高效率，出现了G类放大器。

G类放大器的工作原理类似于AB类放大器，区别在于G类放大器的供电电源是可变电压，而非固定电压。随着输入信号幅度的变化，G类放大器自动调节电源电压，使输出晶体管上的压降最低，大大提高效率。

如图1所示为传统单电源供电的AB类音频放大器10，其中11、12是放大级，V_DD为放大级11、12提供正电源供电；13、14是扬声器，15、16是隔直电容，用以阻隔直流偏置（该直流偏置通常为0.5V_DD）。传统单电源供电的AB类音频放大器需要两个隔直电容15、16，而这两个隔直电容15、16的容值一般非常大，典型值为几百微法，从而使外围电路变复杂、尺寸变大、成本变高。

图2所示为现有技术用电荷泵给音频放大级提供负电源供电的电路20。与图1所示电路10不同的是，电路20包括一提供负电源V_SS的电荷泵，来给放大级11和放大级12提供两路供电电源。其中负电源V_SS的幅值与正电源V_DD的幅值相等、极性相反。因此，电路20不需要大容值的隔直电容，而仅需要小容值负电压电容21和飞电容（fly capacitor）22（电容21和22的典型容值为1uF）。然而，虽然图2所示电路20解决了大容值电容的问题，但是当输入信号很小时，电路20的功率损耗很大，仍存在低效率的问题。

图3所示电路为现有技术采用两路供电电压的电路30。其中正电源电压HPV_DD通过由开关管38、开关管39、电感40和电容41组成的buck电路提供，使得当电路30的输入信号INL变化时，通过由输入电平检测模块31、优化模块32、误差放大器33、补偿网络34、锯齿波产生器35、PWM比较器36构成的反馈网络调整PWM比较器36的输出，进而通过驱动电路37调整开关管38和开关管39的导通状态，而产生相应的正电源电压HPV_DD。同时电荷泵43接收正电源电压HPV_DD以产生幅值相同、极性相反的负电源电压HPV_SS。也即，电路30的放大级42的供电电压随着输入信号INL变化而变化，从而降低了功率损耗，提高了效率。然而电路30存在以下缺点：buck电路占用很大的版图布局面积，使电路30的电路板面积增大；buck电路轻载状态下效率很低；需要额外的电感40，增加了成本，并产生电磁干扰问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种G类音频放大系统，该G类音频放大系统可根据音频输入信号，调整其供电电压，从而高效率地输出高保真音频放大信号，同时该G类音频放大系统成本低，空间占用小。

为实现上述目的，本发明公开了一种G类音频放大系统，包括输入端，接收音频输入信号；音频放大级，耦接至输入端，输出音频放大信号；输入电平检测单元，耦接至输入端，检测音频输入信号的大小，输出电平检测信号；电荷泵，耦接至输入电平检测单元的输出端，接收电平检测信号，输出正电源信号和负电源信号；其特征在于，所述正电源信号和所述负电源信号为所述音频放大级的供电信号。

为实现上述目的，本发明还公开了一种G类音频放大方法，包括检测音频输入信号，得到电平检测信号；响应所述电平检测信号提供相应电压级别的正电源信号和负电源信号；接收所述音频输入信号、所述正电源信号和所述负电源信号，提供音频放大信号。

本发明的优点在于所提供的G类音频放大系统保持高效率的同时，可以以更低的成本、更小的空间占用而高保真地输出音频信号。

附图说明

图1示出传统单电源供电的AB类音频放大器。

图2示出现有技术用电荷泵模块给音频放大级提供负电源供电的电路20。

图3示出现有技术采用两路供电电压的电路30。

图4示出根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100。

图5示出根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100′。

图6（a）示出图4所示G类音频放大系统100的工作模式示意图。

图6（b）示出图4所示G类音频放大系统100的另一工作模式示意图。

图7示出根据本发明一个实施例的用于G类音频放大系统的电荷泵202。

图8示出当图7所示电荷泵202工作在±0.5X模式时的开关控制波形。

图9示出当图7所示电荷泵202工作在±1X模式时的开关控制波形。

图10示出根据本发明另一个实施例的用于G类音频放大系统的电荷泵302。

图11示出当图10所示电荷泵302工作在±0.5X模式时的开关控制波形。

图12示出当图10所示电荷泵302工作在±1X模式时的开关控制波形。

图13示出根据本发明的一个示例性G类音频放大系统100的输出波形图。

图14示出实现图13波形的用于G类音频放大系统的电荷泵402。

图15示出当图14所示电荷泵402工作在±1/3X模式时的开关控制波形。

图16示出当图14所示电荷泵402工作在±1/2X模式时的开关控制波形。

图17示出当图14所示电荷泵402工作在±2/3X模式时的开关控制波形。

图18示出当图14所示电荷泵402工作在±1X模式时的开关控制波形。

具体实施方式

图4为根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100。其中G类音频放大系统100包括输入端，接收音频输入信号INL；AB类音频放大级103，耦接至输入端以接收音频输入信号INL，并输出音频放大信号OUTL至扬声器107；输入电平检测单元101，耦接至输入端以检测音频输入信号INL的大小，输出电平检测信号IN_DET；电荷泵102，耦接至输入电平检测单元101的输出端，接收电平检测信号IN_DET，输出正电源信号HPV_DD和负电源信号HPV_SS。

其中AB类音频放大级103的正电源HPV_DD和负电源HPV_SS由电荷泵102提供，电容104和电容105为提供该正负电源所需电容，即电容104为正电压电容，耦接在电荷泵102的正电源输出端和地之间；电容105为负电压电容，耦接在电荷泵102的负电源输出端和地之间。飞电容106为从电荷泵102的内部电压源可控地连接至该正或负电源输出端的连接电容。在此实施例中，电容104、105、106均耦接在电荷泵102的外部，这是因为电容104、105、106的容值一般比较大，不容易集成。但是本领域的技术人员应该认识到，电容104、105、106也可集成在电荷泵102内部，如图5所示的G类音频放大系统100′。G类音频放大系统100′将电容104、105、106均集成进电荷泵102内部。由于图5所示G类音频放大系统100′的其他连接关系及工作原理与图4所示G类音频放大系统100相同，为了叙述简明，下文仅结合图4所示G类音频放大系统100做相应说明。

当G类音频放大系统100运行时，输入电平检测单元101检测音频输入信号INL的大小，并输出检测值（即电平检测信号）至电荷泵102。电荷泵102接收输入电平检测单元101输出的电平检测信号，输出相应的正电源信号HPV_DD和负电源信号HPV_SS，使得AB类音频放大级103的供电电源随音频输入信号INL的改变而改变。

图6（a）为根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100的工作模式示意图。当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值小于一预设值V₁时，电荷泵102工作在±0.5X（正/负0.5倍）模式，使电荷泵102提供的HPV_DD=0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD，从而使AB类音频放大级103的晶体管上的压降相应减小；当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值大于预设值V₁时，电荷泵102工作在±1X模式，使电荷泵102提供的HPV_DD=V_DD、HPV_SS=-V_DD，从而使AB类音频放大级103输出的音频放大信号不产生失真。当从±1X模式转换成±0.5X模式时，如果HPV_DD>0.5V_DD、HPV_SS>-0.5V_DD，电荷泵可以不工作，处于休眠状态。即，G类音频放大系统100的电平检测单元101检测音频输入信号INL的瞬时值大小，输出相应的电平检测信号IN_DET。

图6（b）为根据本发明一个实施例的G类音频放大系统100的另一工作模式示意图。当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的幅值小于一预设值V₁时，电荷泵102工作在±0.5X模式，使电荷泵102提供的HPV_DD=0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD，从而使AB类音频放大级103的晶体管的压降相应减小；当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的幅值大于预设值V₁时，电荷泵102工作在±1X模式，使电荷泵102提供的HPV_DD=V_DD、HPV_SS=-V_DD，从而使AB类音频放大级103输出的音频放大信号不产生失真。当从±1X模式转换成±0.5X模式时，如果HPV_DD>0.5V_DD、HPV_SS>-0.5V_DD，电荷泵可以不工作，处于休眠状态。即，G类音频放大系统100的电平检测单元101也可以检测音频输入信号INL的幅值，输出相应的电平检测信号IN_DET。

图7为根据本发明一个实施例的用于G类音频放大系统的电荷泵202。如图7所示，电荷泵202包括开关S₁～S₇、飞电容C₁、负电压电容C₂、正电压电容C₃、内部电压源V_DD、节点1～5。其中正电压电容C₃耦接在电荷泵202的正电源输出端和地之间；负电压电容C₂耦接在电荷泵202的负电源输出端和地之间；飞电容C₁的一端耦接至内部电压源V_DD，其另一端耦接至开关可控地连接于电荷泵202的正电源输出端或电荷泵202的负电源输出端。开关S₁～S₇可以是任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。具体来说，开关S₁耦接在节点3和节点4之间；开关S₂耦接在节点3和地之间；开关S₃耦接在节点1和节点4之间；开关S₄耦接在节点1和节点3之间；开关S₅耦接在节点1和节点5之间；开关S₆耦接在节点5和地之间；开关S₇耦接在节点2和节点5之间；飞电容C₁耦接在节点3和节点5之间；负电压电容C₂耦接在节点2和地之间；正电压电容C₃耦接在节点2和地之间；内部电压源V_DD耦接在节点4和地之间。可以看到，节点1为电荷泵202的正电源输出端，节点2为电荷泵202的负电源输出端。当采用不同的控制方式控制开关S₁～S₇闭合与断开，可在节点1与节点2得到不同的电压HPV_DD和HPV_SS。

如图8所示为当电荷泵202工作在±0.5X模式时各开关的控制波形。

如图8所示，各开关的控制时序如下：

第一步，控制开关S₁和开关S₅闭合，控制其他开关断开，则内部电压源V_DD、开关S₁、飞电容C₁、开关S₅、正电压电容C₃形成串联闭合回路，飞电容C₁两端电压被充至电压V_C1，正电压电容C₃两端电压被充电至V_C3，并且V_C1+V_C3=V_DD，飞电容C1和正电压电容C3两端电压均为上正下负,即HPV_DD=V_C3；

第二步，控制开关S₂和开关S₇闭合，控制其他开关断开，则开关S₂、飞电容C₁、开关S₇、负电压电容C₂构成闭合回路，飞电容C₁与负电压电容C₂并联，飞电容C₁向负电压电容C₂放电，使负电压电容C₂两端电压V_C2=V_C1，并且负电压电容C₂两端电压极性为上负下正，即HPV_SS=-V_C1；

第三步，控制开关S₄和开关S₆闭合，控制其他开关断开，则开关S₆、飞电容C₁、开关S₄、正电压电容C₃构成闭合回路，飞电容C₁与正电压电容C₃并联，使得飞电容C₁与正电压电容C₃两端电压相等，即V_C1=V_C3，而V_C1+V_C3=V_DD，则V_C1=V_C3=0.5V_DD，HPV_DD=V_C3=+0.5V_DD，HPV_SS=-V_C1=-0.5V_DD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPV_DD=+0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD，从而实现±0.5X工作模式。

如图9所示为当电荷泵202工作在±1X模式时各开关的控制波形。

如图9所示，各开关的控制时序如下：

第一步，控制开关S₁和开关S₆闭合，控制开关S₃保持长时间闭合，控制其他开关断开，则内部电压源V_DD、开关S₁、飞电容C₁、开关S₆形成串联闭合回路，同时内部电压源V_DD、开关S₃、正电压电容C₃也形成串联闭合回路，飞电容C₁和正电压电容C₃被充电至V_DD，并且飞电容C1两端电压极性为上正下负，正电压电容C₃两端电压极性也为上正下负，即HPV_DD=+V_DD；

第二步，控制开关S₂和开关S₇闭合，开关S₃继续保持闭合，其他开关断开，则开关S₂、飞电容C₁、开关S₇、负电压电容C₂构成闭合回路，飞电容C₁与负电压电容C₂并联，飞电容C₁向负电压电容C₂放电，使负电压电容C₂两端电压达到V_DD，并且负电压电容C₂两端电压极性为上负下正，即HPV_SS=-V_DD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPV_DD=+V_DD、HPV_SS=-V_DD，从而实现±1X工作模式。

图10所示为根据本发明另一个实施例的用于G类音频放大系统的电荷泵302。与图7所示电荷泵202不同的是，电荷泵302用二极管D₅取代原开关S₅，用二极管D₇取代原开关S₇，而电荷泵302的其他部分与电荷泵202相同，并采用相同的附图标记。这里为了叙述简明，不再描述其连接方式。

如图11所示为当电荷泵302工作在±0.5X模式时各开关的控制波形。

如图11所示，各开关的控制时序如下：

第一步，控制开关S₁闭合，控制其他开关断开，则内部电压源V_DD、开关S₁、飞电容C₁、二极管D₅、正电压电容C₃形成串联闭合回路，飞电容C₁两端电压被充至电压V_C1，正电压电容C₃两端电压各被充电至V_C3，并且V_C1+V_C3=V_DD，飞电容C1和正电压电容C₃两端电压均为上正下负,即HPV_DD=V_C3；

第二步，控制开关S₂闭合，控制其他开关断开，则开关S₂、飞电容C₁、二极管D₇、负电压电容C₂构成闭合回路，飞电容C₁与负电压电容C₂并联，飞电容C₁向负电压电容C₂放电，使负电压电容C₂两端电压V_C2=V_C1，并且负电压电容C₂两端电压极性为上负下正，即HPV_SS=-V_C1；

第三步，控制开关S₄和开关S₆闭合，控制其他开关断开，则开关S₆、飞电容C₁、开关S₄、正电压电容C₃构成闭合回路，飞电容C₁与正电压电容C₃并联，使得飞电容C₁与正电压电容C₃两端电压相等，即V_C1=V_C3，而V_C1+V_C3=V_DD，则V_C1=V_C3=0.5V_DD，HPV_DD=V_C3=+0.5V_DD，HPV_SS=-V_C1=-0.5V_DD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPV_DD=+0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD，从而实现±0.5X工作模式。

如图12所示为当电荷泵302工作在±1X模式时各开关的控制波形。

如图12所示，各开关的控制时序如下：

第一步，控制开关S₁和开关S₆闭合，控制开关S₃保持长时间闭合，其他开关断开，则内部电压源V_DD、开关S₁、飞电容C₁、开关S₆形成串联闭合回路，同时内部电压源V_DD、开关S₃、正电压电容C₃也形成串联闭合回路，飞电容C₁和正电压电容C₃被充电至V_DD，并且飞电容C₁和正电压电容C₃两端电压极性均为上正下负，即HPV_DD=+V_DD；

第二步，控制开关S₂闭合，控制开关S₃继续保持闭合，控制其他开关断开，则开关S₂、飞电容C₁、二极管D₇、负电压电容C₂构成闭合回路，飞电容C₁与负电压电容C₂并联，飞电容C₁向负电压电容C₂放电，使负电压电容C₂两端电压达到V_DD，并且负电压电容C₂两端电压极性为上负下正，即HPV_SS=-V_DD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPV_DD=+V_DD、HPV_SS=-V_DD，从而实现±1X工作模式。

如上所述的电荷泵202和电荷泵302，其中开关S₁和开关S₃工作在开关状态。但本领域的技术人员应该认识到，开关S₁和开关S₃也可以工作为可控电流源模式。即，当开关S₁被控制导通时，内部电压源V_DD和开关S₁等效为一可控电流源，使得飞电容C₁两端电压以一定速率上升而不会突变；当开关S₁被控制断开时，内部电压源V_DD和飞电容C₁的耦接被断开。同理，当开关S₃被控制导通时，内部电压源V_DD和开关S₃等效为一可控电流源，使得正电压电容C₃两端电压以一定速率上升而不会突变；当开关S₃被控制断开时，内部电压源V_DD和正电压电容C₃的耦接被断开。

因此，如图4所示的G类放大系统100，当其音频输入信号INL小于V₁时，可使电荷泵102工作在±0.5X模式，以得到HPV_DD=+0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD的放大级供电电压；当G类放大系统100的音频输入信号INL大于V₁时，可使电荷泵102工作在±1X模式，以得到HPV_DD=+V_DD、HPV_SS=-V_DD的放大级供电电压。当G类放大系统100从±1X模式转换成±0.5X模式时，如果HPV_DD>0.5V_DD、HPV_SS>-0.5V_DD，电荷泵可以不工作，处于休眠状态。因此，针对G类放大系统的不同输入，本发明可提供不同的供电电压，从而使得G类放大系统降低了功率损耗，提高了效率。

当然，本发明可为G类放大系统的放大级提供任意电压等级的供电电压，如±V_DD/N,±2V_DD/N,±3V_DD/N，……，±(N-2)V_DD/N，±(N-1)V_DD/N，±V_DD/2，±V_DD等，其中N为任意需要的电压等级数，只要把飞电容C₁替换为相应N-1个串联电容。

图13为根据本发明上述要求的其中一个示例性G类音频放大系统100的输出波形图，此时N为3。当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值小于预设值V₂时，电荷泵102工作在±1/3X模式，从而使电荷泵102提供的HPV_DD=1/3V_DD、HPV_SS=-1/3V_DD；当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值大于预设值V₂小于预设值V₃时，电荷泵102工作在±1/2X模式，从而使电荷泵102提供的HPV_DD=1/2V_DD、HPV_SS=-1/2V_DD；当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值大于预设值V₃小于预设值V₄时，电荷泵102工作在±2/3X模式，从而使电荷泵102提供的HPV_DD=2/3V_DD、HPV_SS=-2/3V_DD；当G类音频放大系统100的音频输入信号INL的瞬时值大于预设值V₄时，电荷泵102工作在±1X模式，从而使电荷泵102提供的HPV_DD=V_DD、HPV_SS=-V_DD。当G类音频放大系统100从高倍模式转换至低倍模式时，如果输出高于预设数值，则G类音频放大系统可以处于休眠状态，电荷泵不开关。图13描述的是判断音频输入信号INL的瞬时值大小，以使电荷泵102工作在相应模式，然而本领域的技术人员应该认识到，也可以判断音频输入信号INL的幅值，以使电荷泵102工作在相应模式。

图14为根据图13波形图要求的用于G类音频放大系统的电荷泵402。其中N为3，则飞电容C₁被替换为2个串联电容（第一飞电容C₁和第二飞电容C₄）。即第一飞电容C₁的一端耦接至内部电压源V_DD，其另一端耦接在电荷泵402的正电源输出端和电荷泵的负电源输出端；第二飞电容C₄与第一飞电容C₁并联耦接。如图14所示，电荷泵402包括开关S₁～S₁₀、第一飞电容C₁、负电压电容C₂、正电压电容C₃、第二飞电容C₄、内部电压源V_DD、节点1～7。与图7所示电荷泵202不同的是，电荷泵402在节点3和节点5之间还包括节点6和节点7。其中节点3和节点6之间耦接第一飞电容C₁，节点5和节点7之间耦接第二飞电容C4，节点3和节点7之间耦接开关S₈，节点5和节点6之间耦接开关S₉；节点6和节点7之间耦接开关S₁₀。电荷泵402的其他部分与图7所示电荷泵202相同，并采用相同的附图标记。通过采用不同的控制方式控制开关S₁～S₇闭合与断开，可在节点1与节点2得到不同的电压HPV_DD和HPV_SS。

如图15所示为当G类放大系统的输入小于预设值V₂时，电荷泵402工作在±1/3X模式时各开关的控制波形。

如图15所示，各开关的控制时序如下：

第一步，控制开关S₁、开关S₅和开关S₁₀闭合，控制其他开关断开，则内部电压源V_DD、开关S₁、第一飞电容C₁、开关S₁₀、第二飞电容C₄、开关S₅、正电压电容C₃形成串联闭合回路，第一飞电容C1两端电压被充至电压V_C1，负电压电容C₂两端电压被充至电压V_C2，正电压电容C₃两端电压被充电至V_C3，并且V_C1+V_C2+V_C3=V_DD，第一飞电容C₁、第二飞电容C₄、正电压电容C₃两端电压均为上正下负，即HPV_DD=+V_C3；

第二步，控制开关S₂、开关S₇、开关S₈和开关S₉闭合，控制其他开关断开，则开关S₂、开关S₈、第二飞电容C₄、开关S₇、负电压电容C₂构成闭合回路，同时开关S₂、第一飞电容C₁、开关S₉、开关S₇、负电压电容C₂构成闭合回路，第一飞电容C₁、负电压电容C₂、第二飞电容C₄彼此并联耦接，第一飞电容C₁和第二飞电容C₄向负电压电容C₂放电，使负电压电容C₂两端电压V_C2=V_C1=V_C4，并且负电压电容C₂两端电压极性为上负下正，即HPV_SS=-V_C1；

第三步，控制开关S₄、开关S₆、开关S₈和开关S₉闭合，其他开关断开，则开关S₆、开关S₉、第一飞电容C₁、开关S₄、正电压电容C₃构成闭合回路，同时开关S₆、第二飞电容C₄、开关S₈、开关S₄、正电压电容C₃构成闭合回路，第一飞电容C₁、正电压电容C₃、第二飞电容C₄彼此并联耦接，使得第一飞电容C₁、第二飞电容C₄、正电压电容C₃两端电压相等，即V_C1=V_C3=V_C4，而V_C1+V_C3+V_C4=V_DD，则V_C1=V_C3=V_C4=1/3V_DD，HPV_DD=V_C3=+1/3V_DD，HPV_SS=-V_C1=-1/3V_DD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPV_DD=+1/3V_DD、HPV_SS=-1/3V_DD，从而实现±1/3X工作模式。

如图16所示为当G类放大系统的输入大于预设值V₂小于预设值V₃，电荷泵402工作在±1/2X模式时各开关的控制波形。

如图16所示，各开关的控制时序如下：

第一步，控制开关S₁和开关S₅闭合，控制开关S₈和开关S₉持续闭合，控制其他开关断开，则内部电压源V_DD、开关S₁、第一飞电容C₁、开关S₉、开关S₅、正电压电容C₃形成串联闭合回路，同时内部电压源V_DD、开关S₁、开关S₈、第二飞电容C₄、开关S₅、正电压电容C₃形成串联闭合回路，即第一飞电容C₁和第二飞电容C₄并联耦接后与正电压电容C₃串联耦接在内部电压源V_DD和地之间，第一飞电容C₁两端电压被充电至V_C1，第二飞电容C₄两端电压被充电至V_C4，正电压电容C₃两端电压被充电至V_C3，并且V_C1=V_C4，V_C1+V_C3=V_DD，第一飞电容C1、正电压电容C₃、第二飞电容C₄两端电压极性均上正下负，即HPV_DD=+V_C3；

第二步，控制开关S₂、开关S₇闭合，继续控制开关S₈和开关S₉持续闭合，控制其他开关断开，则开关S₂、开关S₈、第二飞电容C₄、开关S₇、负电压电容C₂构成闭合回路，同时开关S₂、第一飞电容C₁、开关S₉、开关S₇、负电压电容C₂构成闭合回路，第一飞电容C₁、负电压电容C₂、第二飞电容C₄彼此并联，第一飞电容C₁和第二飞电容C₄向负电压电容C₂放电，使负电压电容C₂两端电压V_C2=V_C1=V_C4，并且负电压电容C₂两端电压极性为上负下正，即HPV_SS=-V_C1；

第三步，控制开关S₄、开关S₆闭合，继续控制开关S₈和开关S₉持续闭合，其他开关断开，则开关S₆、开关S₉、第一飞电容C₁、开关S₄、正电压电容C₃构成闭合回路，同时开关S₆、第二飞电容C₄、开关S₈、开关S₄、正电压电容C₃构成闭合回路，第一飞电容C₁、正电压电容C₃、第二飞电容C₄彼此并联，使得第一飞电容C₁、第二飞电容C₄、正电压电容C₃两端电压相等，即V_C1=V_C3=V_C4，而V_C1+V_C3=V_DD，则V_C1=V_C3=V_C4=1/2V_DD，HPV_DD=V_C3=+1/2V_DD，HPV_SS=-V_C1=-1/2V_DD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPV_DD=+1/2V_DD、HPV_SS=-1/2V_DD，从而实现±1/2X工作模式。

如图17所示为当G类放大系统的输入大于预设值V₃小于预设值V₄，电荷泵402工作在±2/3X模式时各开关的控制波形。

如图17所示，各开关的控制时序如下：

第一步，控制开关S₁、开关S₅、开关S₈和开关S₉闭合，控制其他开关断开，则内部电压源V_DD、开关S₁、第一飞电容C₁、开关S₉、开关S₅、正电压电容C₃形成串联闭合回路，同时内部电压源V_DD、开关S₁、开关S₈、第二飞电容C₄、开关S₅、正电压电容C₃形成串联闭合回路，即第一飞电容C₁和第二飞电容C₄并联耦接后与正电压电容C₃串联耦接在内部电压源V_DD和地之间，第一飞电容C₁两端电压被充电至V_C1，第二飞电容C₄两端电压被充电至V_C4，正电压电容C₃两端电压被充电至V_C3，并且V_C1=V_C4，VC1+V_C3=V_DD，第一飞电容C₁、正电压电容C₃、第二飞电容C₄两端电压极性均上正下负，即HPV_DD=+V_C3；

第二步，控制开关S₂、开关S₇和开关S₁₀闭合，控制其他开关断开，则开关S₂、第一飞电容C₁、开关S₁₀、第二飞电容C₄、开关S₇、负电压电容C₂构成闭合回路，第一飞电容C₁与第二飞电容C₄串联耦接后与负电压电容C₂并联耦接，第一飞电容C₁和第二飞电容C₄向负电压电容C₂放电，使负电压电容C₂两端电压V_C2=V_C1+V_C4，并且负电压电容C₂两端电压极性为上负下正，即HPV_SS=-V_C2；

第三步，控制开关S₄、开关S₆和开关S₁₀闭合，控制其他开关断开，则开关S₆、第二飞电容C₄、开关S₁₀、第一飞电容C₁、开关S₄、正电压电容C₃构成闭合回路，第一飞电容C₁与第二飞电容C₄串联耦接后与正电压电容C₃并联，使得V_C3=V_C1+V_C4，而V_C1=V_C4，V_C1+V_C3=V_DD，因此，V_C1=V_C4=1/3V_DD，V_C3=2/3V_DD，V_C2=2/3V_DD。因此，HPV_DD=+V_C3=+2/3V_DD，HPV_SS=-V_C2=-2/3V_DD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPV_DD=+2/3V_DD、HPV_SS=-2/3V_DD，从而实现±2/3X工作模式。

如图18所示为当G类放大系统的输入大于预设值V₄、电荷泵402工作在±1X模式时各开关的控制波形。

如图18所示，各开关的控制时序如下：

第一步，控制开关S₁和开关S₆闭合，控制S₃、开关S₈和开关S₉持续闭合，控制其他开关断开，则内部电压源V_DD持续给正电压电容C₃充电，以得到HPV_DD=+V_DD，同时内部电压源V_DD、开关S₁、第一飞电容C₁、开关S₉、开关S₆形成串联闭合回路，内部电压源V_DD、开关S₁、开关S₈、第二飞电容C₄、开关S₆形成串联闭合回路，即第一飞电容C₁和第二飞电容C₄并联耦接在内部电压源V_DD和地之间，因此第一飞电容C₁和第二飞电容C₄两端电压被充电至V_DD，并且第一飞电容C₁和正电压电容C₃两端电压极性均上正下负；

第二步，控制开关S₂和开关S₇闭合，继续控制开关S₃、开关S₈和开关S₉持续闭合，控制控制其他开关断开，则开关S₂、第一飞电容C₁、开关S₉、开关S₇、负电压电容C₂构成闭合回路，同时开关S₂、开关S₈、第二飞电容C₄、开关S₇、负电压电容C₂也构成闭合回路，第一飞电容C₁、第二飞电容C₄和负电压电容C₂彼此并联耦接，第一飞电容C₁和第二飞电容C₄向负电压电容C₂放电，使负电压电容C₂两端电压值达到V_DD，并且负电压电容C₂两端电压极性为上负下正，即HPV_SS=-V_DD。上述过程循环进行，以得到稳定的HPV_DD=+V_DD、HPV_SS=-V_DD，从而实现±1X工作模式。

如上所述的电荷泵402，其中开关S₁和开关S₃工作在开关状态。但本领域的技术人员应该认识到，开关S₁和开关S₃也可以工作为可控电流源模式。即，当开关S₁被控制导通时，内部电压源V_DD和开关S₁等效为一可控电流源，使得第一飞电容C₁和第二飞电容C₂两端电压以一定速率上升而不会突变；当开关S₁被控制断开时，内部电压源V_DD和飞电容C₁的耦接被断开。同理，当开关S₃被控制导通时，内部电压源V_DD和开关S₃等效为一可控电流源，使得正电压电容C₃两端电压以一定速率上升而不会突变；当开关S₃被控制断开时，内部电压源V_DD和正电压电容C₃的耦接被断开。

当需要其他电压等级的供电电压时，本领域技术人员可参照图13所示，将图7电荷泵202中电容改为相应串联电容即可，这里不再详述。

上述图8、图9、图11、图12、图15、图16、图17和图8的开关控制波形为电压波形，但是本领域的技术人员应该认识到，开关控制波形也可为电流波形及其他相关控制信号。

本发明还提供了一种G类音频放大方法，包括通过输入电平检测单元检测音频输入信号INL，得到电平检测信号；通过电荷泵响应所述电平检测信号，并提供相应电压级别的正电源信号和负电源信号；通过G类音频放大级接收所述音频输入信号、所述正电源信号和所述负电源信号，并提供音频放大信号。其中在一个实施例中，所述电荷泵包括内部电压源、正电压电容、负电压电容和飞电容，所述正电压电容耦接在电荷泵的正电源输出端和地之间；负电压电容耦接在电荷泵的负电源输出端和地之间飞电容的一端耦接至所述内部电压源，其另一端耦接在所述电荷泵的正电源输出端和电荷泵的负电源输出端。其中在另一个实施例中，所述电荷泵包括内部电压源、正电压电容、负电压电容、第一飞电容和第二飞电容，所述正电压电容耦接在电荷泵的正电源输出端和地之间；负电压电容耦接在电荷泵的负电源输出端和地之间；第一飞电容的一端耦接至所述内部电压源，其另一端耦接在所述电荷泵的正电源输出端和电荷泵的负电源输出端；第二飞电容与第一飞电容并联耦接。

本发明的G类音频放大方法利用上述电路通过上述开关时序的控制，可以针对G类放大系统的不同输入，提供不同的供电电压，从而使得G类放大系统降低了功率损耗，提高了效率。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (10)

1. G 类音频放大系统，包括：

输入端，接收音频输入信号；

音频放大级，耦接至所述输入端，输出音频放大信号；

输入电平检测单元，耦接至所述输入端，检测所述音频输入信号的大小，输出电平检测信号；

电荷泵，耦接至所述输入电平检测单元的输出端，接收所述电平检测信号，所述电荷泵根据所述音频输入信号的瞬时值提供高倍或低倍的工作模式，输出正电源信号和负电源信号，其中，若所述音频输入信号瞬时值小于一预设值，所述电荷泵工作于所述低倍模式,若所述音频输入信号瞬时值大于所述预设值，所述电荷泵工作于所述高倍模式；

所述正电源信号和所述负电源信号向所述音频放大级供电。

2. 如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述高倍模式为±1倍工作模式，所述低倍模式为±1/2倍工作模式。

3. 如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，当所述电荷泵从高倍模式转换至低倍模式时，若所述G类音频放大系统的输出大于预设值，所述G类音频放大系统处于休眠模式。

4. 如权利要求2所述的G类音频放大系统，其特征在于，当所述电荷泵从±1模式转换至±1/2倍模式时，如果所述正电源信号和所述负电源信号的绝对值均大于内部电压源的1/2，所述电荷泵处于休眠状态。

5. 如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述电荷泵包括：

内部电压源，其正端通过第三开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；

正电压电容，耦接在所述电荷泵的正电源输出端和地之间；

负电压电容，耦接在所述电荷泵的负电源输出端和地之间；

飞电容，其一端通过第一开关可控地通断于所述内部电压源的正端，通过第二开关可控地通断于地，通过第四开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；其另一端通过第五开关与所述电荷泵的正电源输出端耦接，通过第六开关可控地通断于地，通过第七开关与所述电荷泵的负电源输出端耦接；

所述第一开关至第七开关都是可控开关。

6. 如权利要求5所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述第一开关至所述第七开关都是可控半导体开关器件。

7. 如权利要求5所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述第一开关和所述第三开关为可控电流源开关。

8. 如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述电荷泵包括：

内部电压源，其正端通过第三开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；

正电压电容，耦接在所述电荷泵的正电源输出端和地之间；

负电压电容，耦接在所述电荷泵的负电源输出端和地之间；

飞电容，其一端通过第一开关可控地通断于所述内部电压源的正端，通过第二开关可控地通断于地，通过第四开关可控地通断于所述电荷泵的正电源输出端；其另一端通过第一二极管与所述电荷泵的正电源输出端耦接，通过第六开关可控地通断于地，通过第二二极管与所述电荷泵的负电源输出端耦接；

其中，所述飞电容与正电源输出端之间的第一二极管的阳极接飞电容，阴极接正电源输出端；所述飞电容与负电源输出端之间的第二二极管的阳极接负电源输出端，阴极接飞电容。

9. 如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述电平检测信号的大小与所述音频输入信号的大小成正比变化。

10. 如权利要求1所述的G类音频放大系统，其特征在于，所述正电源信号与所述负电源信号幅值相等，并与所述电平检测信号的大小成正比变化。