CN101040434A - 音频放大器和包括音频放大器的扬声器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种音频放大器，该音频放大器包括用于接收输入信号的输入端、输出端、与输入端耦合的调整器参考信号发生器，其中，该调整器参考信号发生器提供与输入信号相对应的电压调整器参考信号；与调整器参考信号发生器耦合的电压调整器，其中，电压调整器提供与电压调整器参考信号相对应的电源信号；补偿块，与输入端耦合，以基于输入信号来提供调制控制信号；调制器，与补偿块耦合，其中，调制器响应调制控制信号来提供调制信号；以及输出级，与调制器和电压调整器耦合，其中，输出级通过将调制信号与电源信号组合，以在输出端提供输出信号。在另一方面，提供了具有改进的物理安全隔离的扬声器。

Description

音频放大器和包括音频放大器的扬声器
本申请要求美国临时专利申请No.60/567,777的优先权，其全文合并于此作为参考。
技术领域
本发明涉及放大器电路。更具体的，本发明涉及改进的音频放大器电路和包括了该改进的音频放大器电路的扬声器。
背景技术
所有声音再现系统都使用一些装置，用于将代表所想要的音频内容的信息转换为可听见的声场。已经做出了很多努力来提高此类转换器的效率并降低此类转换器的成本。已知了具有调制的数字转换级的音频放大器。然而，这些放大器在各种条件下还保持着低效率，包括在访问它们来再现小幅度的音频信号时。
因此，期望提供一种运行效率高且低成本的切换放大器。此外，期望提供扬声器和扬声器组件、而不仅利用改进的切换放大器来提供改进的音频转换器。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种音频放大器，该音频放大器包括输入端，用于接收输入音频信号；输出端；调整器参考信号发生器，用于与输入端耦合，其中，该调整器参考信号发生器提供与输入音频信号相对应的电压调整器参考信号；电压调整器，用于与调整器参考信号发生器耦合，其中，该电压调整器提供与电压调整器参考信号相对应的电源信号；补偿块，用于与输入端耦合，以基于输入信号来提供调制控制信号；调制器，用于与补偿块耦合，其中，该调制器响应调制控制信号来提供调制信号；以及输出级，用于与调制器和电压调整器耦合，其中，输出级通过将调制信号与电源信号组合，以在输出端提供输出音频信号。
在另一方面，本发明提供了一种放大器，适于使用典型的AC电源(例如，市电)工作。在一个实施例中，利用主动地网络(active groundnetwork)来为推挽式输出级提供关于参考地的一对平衡的干线。在另一实施例中，使干线从参考地偏移，以减小在推挽式输出级中开关上的电压。
在另一方面，本发明提供了一种多通道音频信号放大器，用于放大两个或更多的音频通道，其中，每一条通道与一个输入音频信号相对应，该放大器包括：对于每一条通道：(i)输入端，用于为该通道接收输入音频信号；(ii)输出端；(iii)补偿块，用于与该通道的输入端耦合，以为该通道提供调制控制信号；(iv)调制器，用于与该通道的补偿块耦合，以响应调制控制信号，来为该通道提供调制信号；以及(v)输出级；调整器参考信号发生器，用于与每一条通道的输入端耦合，其中，调整器参考信号发生器提供与具有最大幅度的输入音频信号相对应的电压调整器参考信号；以及电压调整器，用于与调整器参考信号发生器耦合，其中，该电压调整器提供与电压调整器参考信号相对应的电源信号，其中，每一条通道的输出级与该通道的调制器和电压调整器连接，其中，每一条通道的输出级通过将该通道的调制信号与电源信号合并，在该通道的输出端处为该通道提供输出音频信号。
在另一方面，本发明提供一种扬声器，包括：电气元件，当使用扬声器时，该电气元件是带电(electrically live)的，该电气元件包括音圈；移动元件，该移动元件响应由音圈接收到的音频信号而移动，其中，该移动元件包括振动膜；以及隔离隔栅，安装在音圈与振动膜之间。
电气元件还可以包括集成在扬声器内的放大器。当扬声器安装到典型的扬声器外壳中时，隔离隔栅禁止在物理上触及电气元件。隔离隔栅包括中心隔栅，典型地位于扬声器的防尘盖之下，或在音圈线圈架内。隔离隔栅还包括安装在音圈线圈架周围的侧面隔栅。
在另一实施例中，隔离隔栅包括隔栅凸缘，该隔栅凸缘从扬声器的侧面延伸，以禁止触及扬声器侧面周围的电气元件。
在另一实施例中，隔离隔栅还可以包括筐隔栅，将该筐隔栅与扬声器筐集成、或安装到扬声器筐。筐隔栅包括足够小的孔，从而防止手指或其它被禁止的物体接触到电气元件。
在另一实施例中，隔离隔栅包括罐形隔栅，该罐形隔栅围住扬声器的所有电气元件。
根据这些实施例的扬声器可以集成到包括放大器的扬声器组件内。
在以下对各种详细实施例的说明过程中，本发明的这些及其它方面被进一步确定并详细描述。
附图说明
现在将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细描述，其中：
图1示出了根据本发明的第一放大器；
图2示出了根据本发明的第二放大器；
图3示出了在图2的放大器中的几个示例性信号；
图4示出了根据本发明的第三放大器；
图5示出了根据本发明的第四放大器；
图6示出了在图5的放大器中的几个示例性信号；
图7示出了根据本发明的第五放大器；
图8示出了根据本发明的第六放大器；
图9示出了图8的放大器的几个信号；
图10示出了根据本发明的第七放大器；
图11示出了图10的放大器的几个信号；
图12示出了根据本发明的第八放大器；
图13示出了根据本发明的第九放大器；
图14示出了根据本发明的第十放大器；
图15示出了图14的放大器的几个信号；
图16示出了根据本发明的第十一放大器；
图17示出了根据本发明的第十二放大器；
图18是示出根据本发明的第一扬声器组件和第一扬声器的截面图；
图19是示出根据本发明的第二扬声器组件和第二扬声器的截面图；
图20是示出根据本发明的第三扬声器组件和第三扬声器的截面图；
图21是示出根据本发明的第四扬声器的截面图；
图22是示出根据本发明的第五扬声器的截面图；以及
图23是示出根据本发明的第六扬声器的截面图。
在附图中，本发明不同实施例的相同部件一般用相同的参考数字标记来标识。
具体实施方式
首先参照图1，图1示出了根据本发明的第一音频放大器100。放大器100具有音频输入端102，参考信号发生器104，电压调整器106，补偿块108，调制器110，输出级112和音频输出端114。
在输入端102处接收输入音频信号120。输入信号120的特定特性将依据实现放大器的系统。例如，在一些系统中，输入信号120可以是具有随时间变化的幅度和随时间变化的频率的1伏峰峰值信号。
参考信号发生器104在输入端102与电压调整器106之间耦合。配置参考信号发生器104以处理输入信号120，并提供与输入120相对应的电压调整器参考信号122。例如，可以配置参考信号发生器104，以将函数f(n)应用于输入信号120，来产生电压调整器参考信号122。在第一示例性实施例中，参考信号发生器104将整流、或绝对值函数应用于输入信号120。电压调整器参考信号122是输入信号120的全波电压整流形式。
电压调整器106接收电压调整器控制参考信号122，并提供相应的电源信号124。电压调整器106可以是任何类型的电压调整器，该电压调整器可以接收参考信号，并作为响应产生一个或多个电压信号。
在本发明的实施例中，电压调整器可以是任何类型的调整器，例如线性或开关电源。
典型地，电压调整器106将会从电源(在图1中未示出)接收电能。技术人员将能够选择并配置适当的电压调整器106。
前向补偿块108与输入端102耦合，并提供与输入信号120相对应、并与参考信号发生器104的操作相对应的调制控制信号126。以下对前向补偿块108的操作进行更详细的说明。
调制器110接收调制控制信号126，并提供与输入音频信号120相对应的调制信号128。可以配置调制器110，以提供脉冲宽度调制信号，脉冲密度调制信号或另一类型的调制信号128。
输出级112接收电源信号124和调制信号128，将它们组合以在输出端114处提供输出音频信号130。调制器110和输出级112具有互补的结构和操作。
当使用放大器时，典型地，诸如扬声器132之类的负载与输出端114耦合。可选的，滤波器(未示出)可以在输出端114与扬声器之间耦合，以在输出音频信号130到达扬声器132之前，对该输出音频信号130进行平滑或重构。
接下来参照图2和3。图2示出了根据本发明的第二放大器200。图3示出了几个示例性信号。放大器200在输入端202处接收输入信号220。参考信号发生器204提供电压调整器参考信号222。响应电压调整器参考信号222，电源调整器206产生一对对称电压信号：正电压信号224+和负电压信号224-。该正负电压信号还可以被称为正负电压干线。
前向补偿块208的操作与放大器100的前向补偿块108相类似，并提供调制控制信号226。调制控制信号226保持输入信号的符号，但另外还具有统一的幅度。在图3的底部，示出了信号226的一部分和调制信号228及输出信号230的相应部分。调制信号228是数字信号。
放大器200具有推挽式输出级212，该推挽式输出级212包括反相器240，门驱动块224和一对开关246及248。开关246在正电压信号224+和输出端214之间耦合。开关248在负电压信号224-和输出端214之间耦合。调制信号228以由调制器210产生的原始形式、以及以通过反相器240的反相形式与门驱动块244耦合。门驱动块244响应调制信号228的原始形式来操作开关246，从而当调制信号228为高时，输出端214与正电压信号224+耦合。门驱动块244响应调制信号228的反相形式来操作开关248，从而当调制信号228为低时，输出端214与负电压信号224-耦合。在可选的实施例中，仅可以将调制信号228的原始形式提供给门驱动块，以及反相器244可以集成到门驱动块内。
输出级212通过根据调制信号，将正电压信号224+和负电压信号224-与输出端214耦合，来产生输出音频信号230。输出音频信号230是输入信号220在相应时间段内的调制放大形式。
扬声器232可以直接与输出端214耦合，或可选地，可以在输出端和扬声器232之间耦合滤波器(未示出)，以平滑输出音频信号230。
在根据本发明的放大器中，选择调制器、电压调整器(或多个调整器，如在以下所述的关于其它实施例的多于一个时)和输出级来共同操作。在放大器200中，推挽式输出级需要正电压信号和负电压信号，它们由电压调整器206产生。开关246和248可以是晶体管，以及选择门驱动块244，为开关提供适合的驱动信号。在该实施例中，调制信号228可以是脉冲密度调制(PDM)、脉冲宽度调制(PWM)或任何其它类型的调制信号。
图4示出了根据本发明的第三放大器300。在放大器300中，参考信号发生器304和前向补偿块308以与放大器100和200的相应部件相同的方式进行操作。电压调整器306在节点356处提供电源信号324。
放大器300具有桥式输出级312。桥式输出级312包括在桥式配置中的四个开关346、348、350和352。负载312在一对输出端314a和314b之间耦合。开关346在节点356和输出端314a之间耦合。开关348在节点356和输出端314b之间耦合。开关350在输出端314a和地之间耦合。开关352在输出端314b和地之间耦合。
调制器310提供一对数字调制信号328+和328-，用于控制开关346-352。调制信号328+控制开关346和352。调制信号328-控制开关350和354。
在该实施例中，调制信号328+和328-是对称的，这表示它们中的一个是高，另一个是低。在具有桥式输出级的放大器的另一实施例中，调制信号328+和328-可以提供三重控制，该三重控制适用于BD类调制方案。
当调制信号328+是高时，开关346和352闭合，开关348和350打开，以及电流从节点356经过开关346、输出端314a，负载332，输出端314b和开关352流到地。当调制信号328-是高时，开关346和352打开，开关348和350闭合，以及电流从节点356经过开关348、端子314b、负载332、输出端314a和开关350流到地。
接下来参照图5和6。图5示出了根据本发明的第四放大器400。图6示出了在放大器400中产生的几个示例性信号。将与上述放大器的类似元件相应的放大器400的部件以类似的参考数字来标识。参考信号发生器404接收输入信号420，并提供电压调整器参考信号422。参考信号发生器404包括在输入端402和电压调整器406之间耦合的整流器418和峰值检测器419。参考信号发生器418提供输入信号420的整流形式421。峰值检测器419接收输入信号420的整流形式，并提供与输入信号420的包络相对应的电压调整器参考信号422。电压调整器406提供与整流输入信号421所输入的包络相对应的电源信号424。
可选的延迟块416在输入端402和反馈补偿块408之间耦合。延迟块416提供延迟输入信号423，该延迟输入信号423跟踪输入信号420，但在时间上被延迟。放大器400使用反馈补偿机制、而不是放大器100，200和300的前馈补偿机制。电源信号424通过定标器407与反馈补偿块408耦合。定标器407按比例调整电源信号424以提供按比例调整的电源信号425。在本实施例中，反馈补偿块408是除法器。反馈补偿块408产生的调制控制信号426等于：
Figure A20058001830500131
在根据本发明的放大器的实际实施例中，随着通过整流器418，峰值检测器419和电压调整器406来处理输入信号420，将会在电源信号424和输入信号420之间引入延迟。延迟块416用于延迟输入信号，从而使延迟输入信号423在时间上与按比例调整的电源信号425同步(或近似同步)。由延迟块416引入的延迟还可以考虑到在定标器407和放大器的其它相关部件中的任何延迟。
在本发明的另一实施例中，相移块可以在输入端402与调整器发生器404之间耦合。在这种情况下，可以省略延迟块416。在另一实施例中，相移块可以在调整器参考信号发生器404与电压调整器406之间耦合。
在本发明的另一实施例中，定标器407可以在调整器参考信号发生器404与补偿块408之间耦合。
图6示出了在放大器400中的几个典型信号。信号未按比例示出。在图6的顶部，示出了示例性的输入信号420。电压调整器参考信号422(在图6中未示出)通常跟随着整流输入信号421(在图6中未示出)的包络。峰值检测器419将具有启动(attack)和释放特性。下面更详细地讨论峰值检测器的这些特性。电压调整器406具有转换速率和调整特性，它们限制了电源信号424跟踪电压调整器参考信号422的精确性。
还示出了相应的按比例调整的电源信号425。
延迟输入信号423与输入信号420相对应，并略微滞后地跟踪该输入信号420。技术人员将会认识到，由于在电源信号中的延迟将会依赖于整流器418，峰值检测器419和电压调整器406的特性，所以延迟块416的延迟时间段将不会与延迟输入信号和电源信号精确同步。这些特性可以是幅度和频率相关的，结果，输入信号的不同分量的延迟可以不同。
调制控制信号426通过将延迟输入信号423除以按比例调整的电源信号425来产生。
调制控制信号426用于两个目的。
首先，调制控制信号426保持了延迟输入信号的符号。如果放大器实现推挽式输出级(如在放大器200(图2)中所示)，则该符号指示输出级是应处于“推”配置(正电压信号与输出端耦合)、还是应处于“挽”配置(负电压信号与输出端耦合)。如果放大器实现桥式输出级(如在放大器300(图4)中所示)，则该符号指示电流应当流经负载的方向。可选地，可以将推挽式或桥式输出级与在此所述的不同放大器共同使用。
其次，调制控制信号指示应当与输出端耦合的电源信号(或当有多个电源干线时的多个电源信号)的比例。在根据本发明的实际系统中，所产生的电源信号将会比所期望的输出信号430的幅度大，从而在输出级412中提供了一些净空(headroom)。例如，如果输入信号具有0.65伏的幅度，以及所期望的输出信号具有20伏的幅度，则可以产生具有25伏的幅度的电源信号。产生调制信号，使得输出信号的幅度将会是20伏，从而在电源信号与输出信号之间提供了5伏或20％的净空。实际上，调制信号的占空周期为80％。这个80％的比值可以被认为是具有这些示例性特征的放大器的目标比值。根据本发明的其它放大器可以具有不同的净空和占空周期目标值。
调制块将按比例调整的电源信号与延迟输入信号的幅度进行比较。如果实际电源信号具有可提供所期望的输出信号(具有所期望的净空)的正确幅度，则产生调制控制信号，从而使调制信号的占空周期将会具有目标比值。
然而，如果电源信号低于所期望的幅度，则调制控制信号的幅度较大，从而增加调制信号的占空周期，并补偿电源信号的低电平。使用上述示例，如果所期望的输出信号电平是具有20％净空的20伏，但电源信号仅有23.5伏的幅度，则调制信号的占空周期可以增加到85.1％，从而提供具有20伏幅度的输出信号。在图6中的450处示出了这种情况的示例。出现这种情况是由于峰值检测器或电压调整器(或二者)在输入信号的幅值上升时启动得不够快。
如果按比例调整的电源信号低于所期望的幅度，则调制控制信号的幅度较小，从而减小了调制信号的占空周期，并补偿电源信号的高电平。再次使用上述的示例，如果所期望的输出信号电平是具有20％净空的16伏，但电源信号的幅度为22伏(而不是20伏的目标幅度)，则调制信号的占空周期可以减小到72.7％，提供16伏的输出信号。在图6中的452处示出了这种情况。如果峰值检测器缓慢地释放、或者电压调整器的转换速率减缓了电源信号的幅度的减小，则会出现这种情况，从而将电源信号保持在比产生具有所期望幅度的输出信号所需的电平高的电平上。
考虑以下标准来选择峰值检测器的启动和释放特性。优选地(尽管不是必须地)，峰值检测器应当启动得足够快，以避免调制指数大于1，大于1的调制指数将会导致对输出信号的不期望的限幅。峰值检测器还应当释放得足够慢，以减小在电源信号中的不期望的音频频率分量的出现。在放大器400中，反馈补偿机制提供了一些电源抑制，减小了对于输出信号的电源提供的不精确和延迟的影响。如果峰值检测器释放得太快，则调整器参考信号会紧跟整流输入信号，以及电源信号将包括音频频率分量。反馈补偿机制可能不能完全对此进行补偿，这导致了输出信号中的失真。
本发明的一个优点在于，电源信号的幅度跟踪输出信号的幅度。这可以允许在二者之间的净空小于在一些现有技术系统中的净空，从而增加了放大器的功率效率。峰值检测器应当释放得足够快，以保持本发明的这个益处。
在实际系统中的电源信号还可以具有其它特性，例如，最小幅度或偏移电压。可以配置参考信号发生器或电压调整器(或二者)，以实现这些特性。根据本发明的放大器将会能够产生调制控制信号，以补偿这些特性。在前馈补偿配置中，可以对补偿块进行编程，以补偿这种特性。在反馈补偿配置中，当将按比例调整的电源信号与延迟输入信号进行比较以产生调制控制信号时，补偿块将会补偿这种特性。
以单个输入端和单个输出端示出了放大器100、200、300、400。本发明还适于与多通道音频系统一起使用。接下来参照示出了根据本发明的放大器500的图7。放大器500可以放大五个信号或通道a-e。放大器500具有五个输入端502a-502e，在这五个输入端502a-502e处接收五个输入信号520a-520e(为了清楚，仅示出了与通道a相关的信号。)。放大器500具有整流器518，该整流器518对输入信号520的每一个进行全波整流，并对信号进行二极管相或，以提供整流信号521，该整流信号521在任何时间都具有与具有最高幅度的输入信号520相对应的幅度。峰值检测器519提供与整流信号521的包络相对应的电压调整器参考信号522。电压调整器506提供放大电源信号524，该电源信号524与每条通道的输出级512耦合。
对于每条通道，存在延迟块516、反馈补偿器508、调制器510、输出级512和输出端514，它们以与如上描述的关于放大器(图5)所述相同的方式，对该通道的输入信号进行操作。
电压调整器506产生具有足够幅度的电源信号，以产生具有最高幅度(以及典型地，与具有最高幅度的输入信号相对应)的输出信号(524a至524e)。典型地，剩余的输出信号将会具有较小的幅度(与具有相对较小幅度的输入信号相对应)。为了使这易于实施，反馈补偿块508为每条通道产生调制控制信号526，该调制控制信号526反映了该通道的输出信号524的所期望的幅度和符号。每条通道的调制器510产生与该通道的调制控制信号526相对应的调制信号528。如上关于放大器400所述，每条通道的调制控制信号526会指引调制器510来产生具有适当占空周期的调制信号528，来为该通道的输出信号530提供所期望的幅度。
放大器500是可以实现本发明的多通道放大器的一个示例。上述及以下其它放大器也可以用于实现多通道放大器。
接下来参照图8，图8示出了根据本发明的另一个放大器600(在图8和随后的附图中，不再示出与在前示出并说明了的信号相对应的信号。)。放大器600包括参考信号发生器604和电压调整器606，该电压调整器606操作以产生电源信号624。可以用与放大器300或400的参考信号发生器相同的方式来构建参考信号发生器604。放大器600包括反馈补偿块608，以产生调制控制信号626。反馈补偿块608接收延迟输入信号623和输出音频信号630，并产生调制控制信号626，该调制控制信号626等于：
调制控制信号626＝∫(延迟输入信号623-输出信号630)dt.
图9示出了示例性调制控制信号626和相应的调制信号628。调制器610通过将调制控制信号626与可以为0的阈值进行比较，来产生调制信号628。当调制控制信号大于该阈值时，调制器610产生具有正脉冲的调制信号628。与此相反，当调制控制信号小于该阈值时，调制器610产生具有负脉冲的调制信号628。由调制器产生的实际的调制信号将依据为放大器所选择的调制技术。在放大器600中，基于输出音频信号630、而不是电源信号628，来产生调制控制信号626。这允许了在输出音频信号630中的不精确性，该输出音频信号630可以由输出级612引导，以通过包括反馈补偿块608的反馈补偿环路来补偿。此外，该实施方式会比除法器更易于实现，并且在调制器610中无需有斜坡。
接下来参照图10，图10示出了根据本发明的另一个放大器700。放大器700也使用反馈补偿机制来产生调制信号728。延迟输入信号723由延迟块716产生。输出音频信号730通过积分器732积分来产生积分输出信号734。积分输出信号通过定标器736来按比例调整，以产生按比例调整的积分输出信号738。选择定标器736的比例因子K，以将积分输出信号734的幅度减小到适于与延迟输入信号723进行比较的幅度。加法器产生的调制控制信号726等于：
调制控制信号726＝延迟输入信号723-K∫输出信号730dt.
配置调制器710以将调制控制信号726与在调制器内部产生的三角波740(或锯齿波)进行比较。当调制控制信号大于三角波740时，产生正脉冲。当调制控制信号小于三角波740时，产生负脉冲。如上所述，调制信号728的形式将由为特定放大器选择的调制方案来规定。在图11中示出了调制控制信号726、三角波740和调制信号728的调制指数。
放大器700包括全波整流器718和单个电源调整器706。可以配置电源调整器706来产生对称的正负电源信号，以与推挽式输出级(如在放大器200(图2)中所示的)一起使用；或者如果放大器包括桥式输出级(在放大器300(图4)中所示的)，则产生单个电源信号。
接下来参照图12，图12示出了根据本发明的放大器800，其中，产生了与推挽式输出级一起使用的独立的正和负电源信号。
放大器800包括两个半波整流器804+和804-。整流器804+在输入端802和电压调整器806+之间耦合。整流器804+对在输入端802处接收的输入信号820进行半波整流，并提供与输入信号820的正半波相对应的正调整器参考信号822+。整流器804-与此类似地向电压调整器806-产生与输入信号820的负半波相对应的负调整器参考信号822-。
电压调整器806+产生正电源信号824+，该正电源信号824+通过开关846与输出端814耦合。正电源信号824+与正调整器参考信号822+相对应，因此包括一系列正向半波。
电压调整器806-与此类似地产生负电源信号824-，该负电源信号824-通过开关848与输出端814耦合。负电源信号824-与负调整器参考信号822-相对应，因此包括一系列负向半波。
延迟块816和反馈补偿块808以与放大器500(图7)的延迟块516和反馈补偿块508相同的方式进行操作。调制器810产生调制信号828，该调制信号828用于通过门驱动电路844来控制开关846和848，如以上关于放大器300(图4)所述。
已经在没有用于电压调整器的电源提供的细节的情况下示出了放大器100-800。
根据本发明的放大器可以实现为独立扬声器的一部分，例如有源亚低音扬声器。接下来参照图13，图13示出了适用于独立扬声器的放大器电路900。
放大器900在输入端902处接收输入信号920。安全隔离块903在输入端902和节点905之间耦合。安全隔离块903在输入端902和节点905之间提供物理隔离。可以使用光隔离、RF隔离、隔离变压器或任何其它用于物理隔离在电路中的两个节点的技术，在安全隔离块903中提供安全隔离。安全隔离块903在节点905处提供隔离输入信号(未示出)。
由电压调整器参考信号发生器904来接收隔离输入信号，电压调整器参考信号发生器904向电压调整器906提供电压调整器参考信号922。电压调整器906从DC电源955接收电能。DC电源955可以通过插头954插入典型的AC市电电源(或另一种AC电源)。DC电源955对由AC电源提供的AC电源信号进行整流，并通过节点956和957向电压调整器906提供DC整流电源。电压调整器906响应参考信号922，在节点958处提供电源信号924。当跨接节点958和957测量时，电源信号924具有两倍于在输出端912处的输出信号930的所期望幅度的幅度(加上任意净空并考虑到峰值检测器和电压调整器的特性)。
延迟块916在节点905和反馈补偿块908之间耦合。包括积分器933、定标器938和反馈补偿块908的反馈补偿环路按照以上关于放大器700(图10)的所述来进行操作，以向调制器910提供调制控制信号926。调制器910响应调制控制信号926，来提供调制信号928。由包括门驱动块944和一对开关946和948的推挽式输出级912来接收调制信号928。门驱动块944响应调制信号928的原始形式来操作开关946，并响应在门驱动块内部产生的调制信号928的反相形式来操作开关948。
推挽式输出级912在端子912处提供输出信号930。扬声器932在端子912和参考节点959之间耦合。将节点959指定为放大器900的参考地，从而相对于参考地来有效地分割电源信号924，并允许输出级以推挽式配置进行操作。
放大器900还包括主动地电路960。主动地电路960包括在节点958和957之间耦合的一对等值电阻961和962。加法器963在电阻之间的节点964处耦合。电阻961和962分割电源信号，以在节点964处提供参考地的参考中点。加法器963还在节点959处与参考地耦合，并提供与在节点964处的电压和参考地之间的差值相等的差错信号。门驱动块965响应该差错信号来操作一对开关，该对开关通过滤波器968，将节点958或节点957与节点959处的参考地耦合。门驱动块965可以以锯齿波或三角波发生器和比较器来实现。锯齿波或三角波以参考地为中心。如果参考地具有高于在节点964处的参考点的电压，则通过闭合开关967，将参考地拉向在节点957处的低电压。与此相反，如果参考地具有低于在节点964的参考点的电压，则通过闭合开关966来增加参考地的电压。通过这个过程，主动地电路960主动地将参考地保持在节点958和957处电压之间的中心。
在具有推挽式输出级(例如，输出级912)的放大器中，在任何时间点只有一个开关(开关946或948)是闭合的，以及只有一个电源干线(在节点958或节点957处)与负载(扬声器932)连接。没有与负载连接的电源干线会由于充电而增大量值。主动地电路960缓和了该影响。参考地不是固定的，而是移向正负电压干线之间的中心。通过在两个干线之间的等分，有效地消除了充电电流。
接下来参照图14，图14示出了根据本发明的另一个放大器1000，该放大器1000可以由外部AC电源供电。
放大器1000没有主动地电路。作为代替，开关1066与开关1048一起切换。开关1067与开关1046一起切换。如下所述，这具有偏移节点1059处的参考地的效果。在图14中，门驱动块1044被示为直接与开关1066和1067耦合。在可选实施例中，可以为开关1066和1067提供独立的门驱动块。独立的门驱动块可以由门驱动块1044的输出、或由调制器1010产生的调制信号1028来驱动。
还参照图15，图15示出了该偏移的效果。图15示出了在节点1058处的电压V1058、在节点1057处的电压V1057、在输出端1014处测量的输出信号1030的幅值和在输入端1002处测量的输入信号1020的幅值。相对于在节点1059处的参考地来测量这些信号中的每一个。
如在时间段1070期间所示，为了产生正向输出信号，输出端1014与在节点1058处的电源信号1024耦合的时间比输出端1014与节点1057耦合的时间长。这通过将开关1046比开关1048闭合的时间更长来实现。当开关1046闭合时，开关1067也闭合。闭合开关1067具有减小跨过电容器1072的电压的作用。在图15中，这通过V1057上升到在节点1059的参考地来示出。同时，跨过电容器1071的电压增大(这是由于在节点1058和1057之间的电位由音频输出信号1024的幅度来确定)。这通过V1058相对于参考地上升来示出。
与此相反，当开关1048闭合时，开关1066闭合，以及开关1067断开。这在时间段1071期间示出。在节点1058和1057处的电压偏移到相对于参考地更低的电压。
通过与输出信号1030同步地偏移在节点1058和1057处的电压，可以产生具有较大电压摆动的输出信号，以及相应地更大的功率输出，该功率输出比若在节点1058和1057处的电压相对于在节点1059处的参考地对称的可能输出大。典型地，开关1046和1048将会以功率晶体管来实现。
放大器1000还缓和了充电的问题，并以高达系数2的比例减小在晶体管1046、1048、1066和1067上的电压。
其它控制方案也可以用于控制开关1066和1067的操作，以偏移在节点1058和1057处的电压。
接下来参照图16，图16示出了根据本发明的另一个放大器1100。放大器1100具有推挽式输出级1112，并使用上述关于放大器400(图5)所述的反馈补偿方案。放大器1100具有电压调整器1106，该电压调整器1106从在插头1154处的AC电源接收AC电源信号。AC电源通过整流器1155整流以提供DC电源信号。开关1181接收DC电源信号，并向变压器1182提供调整后的DC电源信号。变压器1182具有分离的第二绕组，并通过正向半波整流器1184+和开关1185+提供正电压干线1183+。变压器1183还通过负向半波整流器1184-和开关1185-提供负电压干线1183-。正电压干线1183+和负电压干线1183-通过一对滤波电容器1190+和1190-耦合。
通过反馈环路来调整干线1183+和1183-的电压。通过反相器1186，对负电压干线进行反相，以及反相的负干线与正干线通过二极管1187和1188进行二极管相或。两个干线中较低的一个与由调整器参考信号发生器1104产生的调整器参考信号1122进行比较，以提供电压干线差错信号1189。电压干线差错信号1189用于控制开关1181，从而调整在干线1183+和1183-上的电压。差错信号可以经过光耦合器或RF耦合器(未示出)来提供输入端和输出端与插头1154的物理隔离。可选地，从差错信号产生的门控制信号可以通过隔离机制，与开关1181耦合。
在使用中，只有正电压干线1183+或负电压干线1183-中的一个将会与输出端1114和负载1132耦合。随着由于电源电路的非理想特性(例如，在变压器中的泄漏电感、变压器的DC电阻和其它因素)而对相应电容器1190进行充电，在没有加载的干线1183上的电压会有上升的趋势。开关1185用于对此进行处理。正电压干线1183+与比较器1191+耦合，该比较器1191+将正电压干线1183+上的电压与最大电压Vmax+进行比较。如果在正电压干线上的电压超过最大电压，则比较器打开开关1185，阻断流向电容器1190+的电流，并将正电压干线上的电压限制为Vmax+。类似地，在负电压干线1183-上的电压通过比较器1191-限制到最小电压Vmax-。
通过限制在没有与负载耦合的干线上的电压，放大器1100允许在变压器1181的初级侧处的单个控制点用于调整在正和负电压干线上的电压。
还可以使用其它技术来限制在正和负电压干线上的电压。例如，电压钳位电路可以在每个电压干线与地之间耦合；跨接调整器可以用于从一个干线向另一个传递电流，或者可以将线性或后置调整器插入每个电压干线与输出级1112之间，以限制在干线上的电压。此外，主动地电位电路960(图13)可以用于同样的目的。这些可选方案还允许将电感器与每个电压干线各自的整流器1184与电容器1190之间耦合，这在一些电压调整方案中是所期望的。
接下来参照图17，图17示出了根据本发明的另一个放大器1200。放大器1100的电压调整器可以与其它类型的放大器一起使用。放大器1200包括与电压调整器1106相同的电压调整器1206，因此没有详细示出。电压调整器1206用于向线性放大器1212供电。放大器1212包括模拟驱动级1292和包括一对晶体管1294和1295的输出级1293。模拟驱动级1292从延迟块1216接收延迟输入信号，并响应该延迟输入信号来驱动晶体管。放大器1200不包括补偿块。
接下来参照图18，图18示出了包括放大器900的扬声器组件1300(图13)。扬声器组件1300包括扬声器932，与输出端914和参考地959跨接耦合。放大器的输入端902安装在扬声器组件1300的外壳1302上。还示出了插头954，该插头954通过软线1304与放大器900的剩余部分耦合。不单独示出放大器900的剩余部分。
扬声器932包括安装到扬声器组件外壳1302的筐1306。扬声器932的部件安装在筐1304上。扬声器932包括平台1308，在其上安装了磁体1310。扬声器932具有振动膜1312和防尘盖1314。振动膜1312与音圈线圈架1316耦合，在音圈线圈架1316上缠绕了音圈1318。音圈的末端终止于音圈引线1320和1322。音圈引线与输出端914和节点959耦合，以接收由放大器900产生的输出信号930(图13)。外伸支架1324支撑扬声器932的移动部件，该移动部件包括振动膜1312、防尘盖1314、音圈线圈架1316和音圈1318。扬声器932响应输出信号930，以传统方式进行操作。
如上所述，安全隔离块903(图9)将输入端902与墙壁插头954物理隔离。典型地，电气安全管理机制要求这种隔离。典型地，此类管理机制还要求扬声器组件必须包括物理安全隔栅，该物理安全隔栅防止了从扬声器932的外部到音圈1316的物理接触、以及对扬声器组件1300内的其它带电元件的物理接触。图19示出了用于完成以上所述的方法。障碍隔栅1326安装在扬声器外壳1302上，以防止对扬声器组件1300内部的物理接触。在障碍隔栅1326中的开口做得足够小，以使手指和其它物体(典型地，这由电气安全管理机制指定)不能到达在扬声器部件1300内的带电部件。
接下来参照图19，图19示出了根据本发明的另一方面的另一个扬声器组件1400。也用放大器900来说明扬声器组件1400。扬声器组件1400包括根据本发明制作的扬声器1405。扬声器组件1400不包括障碍隔栅。作为代替，扬声器组件1400包括隔离隔栅，该隔离隔栅包括中央隔栅1430和侧面隔栅1432。中央隔栅1430安装在位于防尘盖1414之下的平台1408上。中央隔栅1430的外边缘与音圈线圈架1416的内部相邻。侧面隔栅1432围绕着音圈线圈架1416。优选地、尽管不是必须地，在中央隔栅与音圈线圈架之间、以及在侧面隔栅与音圈线圈架之间的空间比由电气安全管理机制设置的标准所允许的小。侧面隔栅1432安装到筐1406的筐底部。侧面隔栅1432具有延伸超过筐1406底部的隔栅凸缘1436。
在扬声器1405中，音圈线圈架由不导电材料制成。
音圈引线1420和1422位于侧面隔栅之下。音圈引线1420和1422通过导线1440和1442与放大器耦合。在根据本发明的扬声器的另一个实施例中，音圈引线可以集成到外伸支架1424内，该外伸支架1424也在侧面隔栅1432之下。扬声器1405包括第二可选的外伸支架1450，该第二可选的外伸支架1450辅助支撑扬声器的移动部件。
扬声器1405包括可选的EMI屏蔽1444。依据将会使用此类扬声器的应用，根据本发明的扬声器的其它实施例可以不包括EMI屏蔽。
中央隔栅1430和侧面隔栅1432禁止手指或其它物体穿过防尘盖或振动膜并触及音圈引线、音圈或扬声器1405或扬声器组件1400的其它带电元件。
隔栅凸缘1436有助于禁止人通过筐并接触到任何带电元件。隔栅凸缘是可选的，并且可以不包括在根据本发明的包含了隔离隔栅的一些扬声器中。
接下来参照图20，图20示出了根据本发明的另一个扬声器组件1500和另一个扬声器1505。扬声器1500不具有EMI屏蔽。扬声器1500的隔离隔栅包括中央隔栅1530和侧面隔栅1432。然而，侧面隔栅不包括隔栅凸缘。扬声器1505具有筐隔栅1552。筐隔栅1552可以作为筐1506的一部分而整体形成、或者可以安装到筐1506上。筐隔栅1552包含孔1556，该孔1556允许空气随振动膜1412移动而移动经过筐隔栅。然而，孔1556足够小，以致于手指和由安全管理机制标识的其它物体不能通过筐隔栅接触到扬声器组件1500的带电部件。
扬声器组件1500还包括可选的安全插头1560。延长电线用于将电能提供给安全插头1560。
接下来参照图21，图21示出了根据本发明的另一个扬声器1605。扬声器1605包括隔离隔栅，该隔离隔栅包括中央隔栅1630和侧面隔栅1632。扬声器1605的隔离隔栅还包括罐形隔栅1670，该罐形隔栅1670环绕扬声器1605的底部延伸。扬声器1605的所有带电元件被隔离隔栅所包围。扬声器1605具有安全插头1670，扬声器1605在安全插头1670处接收电能。扬声器1605还具有输入端1672，该输入端1672与集成在扬声器内的放大器900的输入端902耦合。
已经用放大器900来示出了扬声器组件1400和1500。这些扬声器组件可以与任何放大器一起使用，包括没有在此描述的、使用了隔离隔栅或筐隔栅、或者使用二者的放大器。此外，扬声器1400和1500可以与其它放大器和扬声器组件一起使用，以提供隔离隔栅或筐隔栅或二者的益处。类似地，扬声器1605可以与另一放大器和任何扬声器组件一起使用。在扬声器1400，1500和1600中的每一个中，隔离隔栅(或隔离隔栅的至少一部分)位于扬声器的音圈和其它移动元件之间。
接下来参照图22，图22示出了根据本发明的扬声器1805的一部分。示出了部分音圈线圈架1816、音圈1818、磁体1810和防尘盖1814。还示出了安装在音圈线圈架1816内的内部绝缘体1880和安装在音圈线圈架之外的外部绝缘体1882。内部绝缘体1880和外部绝缘体1882与音圈线圈架1816在空间上隔开。在内部和外部绝缘体之间形成绝缘体间隙1886。该间隙小于音圈的厚度1888，从而防止了音圈被拉出绝缘体间隙。扬声器1805减小了人将扬声器的音圈拉出扬声器从而露出带电音圈的机会。
接下来参照图23，图23示出了根据本发明的另一个扬声器1905。扬声器1905与扬声器1805相类似，以及还包括安装在音圈线圈架上的阻挡环1890。优选地，阻挡环由不导电材料制成。阻挡环的厚度1892也大于绝缘体间隙1986。在扬声器1805中，音圈能被分解并以多片或线束或导线形式拉过绝缘体间隙。通过提供禁止音圈到达绝缘体间隙的内部障碍物，阻挡环1892有助于防止以上情况。
扬声器1805和1905的小绝缘体间隙和阻挡环可以与扬声器1400、1500、1600和1700、以及与不包括隔离隔栅的扬声器一起使用。
在此仅通过示例来说明了本发明。可以对这些示例性实施例做出各种修改和变化，而不会脱离本发明的精神和范围，其仅由所附的权利要求所限定。

Claims (30)

1、一种音频信号放大器，包括：
(a)输入端，用于接收输入音频信号；
(b)输出端；
(c)调整器参考信号发生器，所述调整器参考信号发生器与所述输入端耦合，其中，所述调整器参考信号发生器提供与所述输入音频信号相对应的电压调整器参考信号；
(d)电压调整器，所述电压调整器与所述调整器参考信号发生器耦合，其中，所述电压调整器提供与所述电压调整器参考信号相对应的电源信号；
(e)补偿块，所述补偿块与所述输入端耦合，以基于所述输入信号来提供调制控制信号；
(f)调制器，所述调制器与所述补偿块耦合，其中，所述调制器响应所述调制控制信号来提供调制信号；以及
(g)输出级，所述输出级与所述调制器和所述电压调整器耦合，
其中，所述输出级通过将所述调制信号与所述电源信号组合，以在所述输出端处提供输出音频信号。
2、如权利要求1所述的音频放大器，其中，所述补偿块是前馈补偿器。
3、如权利要求1所述的音频放大器，其中，所述补偿块是反馈补偿器，以及还与所述电压调整器耦合，以基于所述输入信号和所述电源信号来提供所述调制控制信号。
4、如权利要求1所述的音频放大器，其中，所述补偿块是反馈补偿器，以及还与所述输出端耦合，以基于所述输入信号和所述输出音频信号来提供所述调制控制信号。
5、如权利要求4所述的音频放大器，其中，所述补偿块包括积分器，以及通过对所述输入信号与所述输出信号之间差值进行积分，来提供所述调制控制信号。
6、如权利要求1或2或3或4所述的音频放大器，还包括延迟块，所述延迟块在所述输入端与所述调制器之间耦合，以向所述调制器提供所述输入信号的延迟形式，以及其中，所述调制器基于所述输入信号的延迟形式来产生所述调制信号。
7、如权利要求1所述的音频放大器，其中，所述调整器参考信号发生器包括整流器，以及所述电压调整器参考信号是所述输入音频信号的整流形式。
8、如权利要求1所述的音频放大器，其中，所述调整器参考信号发生器包括整流器和峰值检测器，以及所述电压调整器参考信号与所述输入音频信号的整流形式的包络相对应。
9、如权利要求1所述的音频放大器，其中，所述输出级是推挽式输出级，以及所述电压调整器响应所述电压调整器参考信号来产生对称的正负电源信号，以及所述正负电源信号与所述推挽式输出级跨接耦合。
10、如权利要求9所述的音频放大器，其中，所述输出级还包括门驱动块，用于接收所述调制信号，以及用于交替地将所述正负电源信号与所述输出端耦合。
11、如权利要求3所述的音频放大器，还包括电源信号定标器，所述电源信号定标器在所述电压调整器与所述反馈补偿器之间耦合，用于向所述反馈补偿器提供所述电源信号的按比例调整形式。
12、如权利要求11所述的音频放大器，其中，所述反馈补偿器是除法器，以及所述反馈补偿器通过将所述输入信号除以所述电源信号的按比例调整形式，来提供所述调制控制信号。
13、如权利要求11所述的音频放大器，还包括延迟块，所述延迟块在所述输入端与所述调制器之间耦合，以向所述调制器提供所述输入信号的延迟形式，以及所述调制器基于所述输入信号的延迟形式和所述电源信号，来产生所述调制信号，以及所述反馈补偿器是除法器，以及所述反馈补偿器通过将所述输入信号的延迟形式除以所述电源信号的按比例调整形式来提供所述调制控制信号。
14、一种多通道音频信号放大器，用于放大两个或多个音频通道，其中，每条通道与一个输入音频信号相对应，所述放大器包括：
(a)对于每条通道：
(i)输入端，用于为该通道接收输入音频信号；
(ii)输出端；
(iii)补偿块，所述补偿块与所述通道的所述输入端耦合，来为所述通道提供调制控制信号；
(iv)调制器，所述调制器与所述通道的补偿块耦合，以响应所述调制控制信号，来为所述通道提供调制信号；以及
(v)输出级
(b)调整器参考信号发生器，所述调整器参考信号发生器与每条通道的所述输入端耦合，其中，所述调整器参考信号发生器提供与具有最大幅度的所述输入音频信号相对应的电压调整器参考信号；以及
(c)电压调整器，所述电压调整器与所述调整器参考信号发生器耦合，其中，所述电压调整器提供与所述电压调整器参考信号相对应的电源信号，
其中，每条通道的所述输出级都与该通道的所述调制器、以及所述电压调整器耦合，以及每条通道的所述输出级通过将所述通道的所述调制信号与所述电源信号组合，以在所述通道的所述输出端处，为所述通道提供输出音频信号。
15、如权利要求14所述的音频放大器，其中，每条通道的所述补偿块是前馈补偿器。
16、如权利要求14所述的音频放大器，其中，每条通道的补偿块是反馈补偿器，以及还与所述电压调整器耦合，以基于所述输入信号和所述电源信号，来为所述通道提供所述调制控制信号。
17、如权利要求14所述的音频放大器，其中，每条通道的补偿块是反馈补偿器，以及还与所述通道的所述输出端耦合，以基于所述通道的所述输入信号和所述通道的所述输出音频信号，来为所述通道提供所述调制控制信号。
18、如权利要求14或15或16或17所述的音频放大器，还包括每条通道的延迟块，所述延迟块在所述通道的输入端与所述通道的调制器之间耦合，以向所述通道的所述调制器提供所述通道的所述输入信号的延迟形式，以及所述通道的所述调制器基于所述通道的所述输入信号的延迟形式，来为所述通道产生所述调制信号。
19、如权利要求14所述的音频放大器，其中，所述调整器参考信号发生器包括整流器，以及所述电压调整器参考信号是具有最大幅度的输入音频信号的整流形式。
20、如权利要求14所述的音频放大器，其中，所述调整器参考信号发生器包括整流器和峰值检测器，以及所述电压调整器参考信号与具有最大幅度的输入音频信号的整流形式的包络相对应。
21、如权利要求16所述的音频放大器，还包括电源信号定标器，所述电源信号定标器在所述电压调整器与每条通道的所述反馈补偿器之间耦合，以向每条通道的所述反馈补偿器提供所述电源信号的按比例调整形式。
22、如权利要求21所述的音频放大器，其中，每条通道的所述反馈补偿器是除法器，以及每条通道的所述反馈补偿器通过将所述通道的所述输入信号除以所述电源信号的按比例调整形式，来为所述通道提供所述调制控制信号。
23、如权利要求21所述的音频放大器，还包括每条通道的延迟块，所述延迟块在所述通道的所述输入端与所述通道的所述调制器之间耦合，以向所述通道的所述调制器提供所述通道的所述输入信号的延迟形式，以及所述通道的所述调制器基于所述通道的所述输入信号的延迟形式和所述电源信号，来产生所述通道的所述调制信号，以及每条通道的所述反馈补偿器是除法器，以及每条通道的所述反馈补偿器通过将所述通道的输入信号的延迟形式除以所述电源信号的按比例调整形式，来为所述通道提供所述调制控制信号。
24、一种扬声器，包括：
(a)电气元件，当使用所述扬声器时，所述电气元件是带电的，所述电气元件包括音圈；
(b)移动元件，所述移动元件响应由所述音圈接收到的音频信号而移动，其中，所述移动元件包括振动膜；以及
(c)隔离隔栅，安装在所述音圈和所述振动膜之间。
25、如权利要求24所述的扬声器，其中，所述音圈在音圈线圈架上形成，以及所述隔离隔栅包括安装在所述音圈线圈架内的中央隔栅、以及安装在所述音圈线圈架外的侧面隔栅。
26、如权利要求24所述的扬声器，其中，所述隔离隔栅包括隔栅凸缘，所述隔栅凸缘从扬声器的侧面横向延伸。
27、如权利要求24所述的扬声器，还包括筐隔栅。
28、如权利要求24所述的扬声器，还包括罐形隔栅。
29、如权利要求24至28之一所述的扬声器，还包括在所述扬声器内的放大器。
30、一种扬声器组件，包括扬声器外壳、放大器和根据权利要求24至28之一所述的扬声器。
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