CN101325407B - 放大器 - Google Patents

Abstract

放大器包括使用运算放大器的反相负反馈放大器电路、用于比较运算放大器的反相输入端的电位与比较器的参考电位Vref的比较器、以及低通滤波器。当在输出信号上发生限幅时不再有运算放大器的虚短路状态。因此，有可能通过监控反相输入端的电位而检测限幅。

Description

放大器

技术领域

本发明涉及放大器，并且具体涉及用于在预定电平检测过度输入并且控制输入信号的衰减的放大器。

背景技术

相关领域中的放大器被设计为：当检测到输出电位超过预定值，例如超过电源电位时，通过衰减输入信号来防止由过度输入所导致的限幅(clipping)。根据JP-A-10-163769中所描述的技术，由于对输出电位的单独检测得不到关于限幅存在性的可靠确定，在的确检测到限幅的发生之后才会衰减输入信号。

上述的技术关注于限幅的防止。因此，当发生限幅或者有很大概率将发生限幅的时候，立即衰减输入信号。该控制太早触发了衰减，并且有些缺乏考虑对音量的感觉。因此，需要对输入信号进行衰减控制，以防止过度输入导致的过度失真，同时保持对音量的感觉。

发明内容

考虑到上述问题而完成了本发明。发明目的在于通过定量地掌握过度输入的程度而控制限幅。

为了解决问题，本发明提供了一种放大器，包括：

可变增益单元，其调节输入信号的幅度并输出输出信号；

负反馈放大单元，其包括用于放大可变增益单元的输出信号的运算放大器；以及

控制器，其比较运算放大器的正相输入端和反相输入端之间的电位差与参考电位，并且基于比较的结果而检测负反馈放大单元的输出信号中是否存在限幅以控制可变增益单元，由此控制限幅。

通过本发明，有可能通过比较运算放大器的正相输入端和反相输入端之间的电位差与比较器的预定参考电位而定量地掌握过度输入。允许达到在预设电平的过度输入的限幅。这防止了不合理过度输入，而不会削弱对音量的感觉。

更精确地说，优选地，所述控制器包括用于比较反相输入端的电位与参考电位的比较器，以及

当负反馈放大单元的输出信号的幅度增大并变得大到足以在输出信号中产生限幅时，所述参考电位变为几乎与运算放大器的反相输入端的电位相同。

所述可变增益装置优选地根据控制信号来调节输入信号的幅度。优选地，所述控制装置包括用于积分所述比较装置的输出信号的积分装置，所述控制装置将所述积分装置的输出信号作为控制信号提供给可变增益装置。因此，有可能提供反馈系统的稳定性。

在这个例子中，所述积分装置使用不同的时间常数用于比较装置的输出信号的上升沿和拖尾沿。特别地，用于上升沿的时间常数小于用于拖尾沿的时间常数。这确保相对快的增高时间以防止不合理过度输入，还确保相对慢的释放时间以逐步恢复可接受的电平。

附图说明

图1是示出根据实施例的放大器的配置的电路图。

图2示出放大器的负反馈放大器电路。

图3示出输入信号Vs和输出信号Vo与负反馈放大器电路的反相输入端的电位Vi之间的关系。

图4示出过度输入的程度与反相输入端的电位Vi之间的关系。

10：放大器

20：负反馈放大器电路

21：运算放大器

30：压控衰减器(VCA)

40：控制电路

41：比较器(Comp)

42：低通滤波器

具体实施方式

将参考附图来描述本发明的实施例。图1是示出根据实施例的放大器的配置的电路图。如图1中所示，用于放大输入信号Vin并且输出放大后的信号作为输出信号Vo的放大器10包括：反相负反馈放大器电路20，其具有工作在电源电位±Vcc的运算放大器21、电阻R1和电阻R2；压控衰减器(VCA)30，用于按需要衰减输入信号Vin；以及控制电路40，用于控制VCA 30。

VCA 30的输出Vs输入到负反馈放大器电路20。控制电路40包括比较器41，该比较器用于比较运算放大器21的反相输入端的电位Vi与运算放大器21的参考电位Vref，控制电路40还包括低通滤波器42。低通滤波器42用作积分器并且包括二极管D1、电阻R3、以及电容C1和电阻R4，其中二极管D1的阳极接收比较器41的输出，电阻R3位于节点Z和二极管D1的阴极之间，电容C1和电阻R4位于节点Z和地电位GND之间。从低通滤波器42的节点Z提取的信号被输入到VCA 30。如稍后所述，低通滤波器42可以单独地设置对比较器41的输出信号的上升沿和对比较器41的输出信号的拖尾沿(trailing edge)的响应。

将参考图2来描述实施例的概念，图2示出了放大器10的负反馈放大器电路20。一般而言，在反相负反馈放大器电路20中存在下面的关系，其中A表示运算放大器21的增益。

表达式1

$\left\{\begin{array}{c}\frac{(\mathrm{Vs}-\mathrm{Vi})}{R1}+\frac{(\mathrm{Vo}-\mathrm{Vi})}{R2}=0\\ \mathrm{Vo}=-A\·\mathrm{Vi}\end{array}\right.$

因此，如下所示，假设输入/输出增益所处的状态为：放大器10用作典型负反馈放大器电路。放大器10用作典型负反馈放大器电路的状态指的是输出Vo在±Vcc的范围内且不存在限幅的状态。

表达式2

$\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{Vs}}=-\frac{\mathrm{AR}2}{\mathrm{AR}1+(R1+R2)}$

以及

表达式3

$\mathrm{Vi}=\frac{R2}{\mathrm{AR}1+(R1+R2)}\·\mathrm{Vs}$

得到上述表达式。在增益A足够大的情况下，存在下面的关系：

表达式4

$\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{Vs}}=-\frac{R2}{R1}$

在放大器10用作典型负反馈放大器电路的状态中，运算放大器21的正相输入端和反相输入端处于相同电位的虚短路状态。正相输入端连接到地电位GND，因此Vi被设置为0。

接下来，假设这样的状态：其中，输入电位Vs是过度的，在负反馈放大器电路20中出现了限幅。在这个例子中，为简便起见，电位Vs在正方向过度。当发生限幅时，运算放大器21的输出电位Vo变得几乎等于电源电位-Vcc。在该状态下，不再是虚短路了。反相输入端的电位Vi的值对应于输出电位Vo(＝-Vcc)和输入电位Vs之差被电阻R1和R2分压所得到的值。也就是，存在下面的关系：

表达式5

$\mathrm{Vi}=\mathrm{Vs}-(\mathrm{Vs}+\mathrm{Vcc})\·\frac{R1}{R1+R2}$

在此情况下，输出信号的电位Vo是使用符合规范但不满足电源电位-Vcc的运算放大器得到的，Vi是使用存在限幅的输出信号的电位Vo计算的。或者，Vi可以通过试验得到。

图3示出输入信号Vs和输出信号Vo与负反馈放大器电路20的反相输入端的电位Vi之间的关系。在所示的例子中，直到时刻t1，限幅不会出现，进行正常负反馈放大。因此，在运算放大器21的正相输入端和反相输入端之间建立虚短路，反相输入端的电位Vi几乎为0。输出电位Vo相对于反相的输入电位Vs而被放大。

从时刻t1到时刻t2，输入信号Vs的幅度变得过度，输出信号Vo限幅于-Vcc。该时期中，不再是虚短路，而是应用表达式5的关系。因此，反相输入端的电位Vi对应于输入信号Vs的电位。也就是说，有可能通过检测反相输入端的电位Vi而检测到输出信号Vo被限幅。

通过修改表达式5，得到下面的表达式：

表达式6

$\mathrm{Vi}=\frac{R2}{R1+R2}\mathrm{Vs}-\frac{R1}{R1+R2}\mathrm{Vcc}$

电阻R1和R2的电阻值以及电源电位Vcc是常数。在反相输入端出现的电位Vi在限幅时与输入信号的电位Vs成正比例。

将使用更多的具体值来进行进一步的描述。假设负反馈放大器电路20的R1为1kΩ、R2为10kΩ，放大系数为10。假设运算放大器21的增益A为80dB(10000倍)且电源电位±Vcc为±10V。

通过放大系数10和电源电位±10V，用作典型负反馈放大器电路而无限幅的最大输入信号Vs是1V。在此情况下，应用表达式3，由此存在下面的表达式：

表达式7

$\mathrm{Vi}=\frac{10k}{10000\×1k+(1k+10k)}\·1$

$=\frac{10}{10000+11}$

$=0.0009989V$

$=0.9989\mathrm{mV}$

换句话说，建立虚短路，由此反相输入端的电位Vi等于或小于1mV，并且可以被假设为几乎为0。

接下来，提供10％的过度输入Vs＝1.1V作为输入信号Vs，以产生限幅。在此情况下，应用表达式5，存在下面的关系：

表达式8

$\mathrm{Vi}=1.1-(1.1+10)\·\frac{1k}{1k+10k}$

$=0.0909091V$

$=90.909\mathrm{mV}$

当由于10％的过度输入而出现限幅时，反相输入端的电位Vi大约为不存在限幅时的假设电位的90倍之大。类似地，对于20％、30％、40％和50％的过度输入所得到的反相输入端电位Vi分别为181.82mV、272.73mV、363.64mV和454.55mV。如从图4所理解的，过度输入的程度具有与反相输入端的电位Vi的线性关系。因此，有可能从反相输入端的电位Vi中定量地掌握过度输入的程度。

参看图1，当比较器41被设置为工作在±90.9mV时，也就是，当Vref被设置为90.9mV时，有可能检测到由于过度输入10％而建立限幅。通过以比较器41的输出信号控制VCA 30且衰减输入信号Vin，获得允许达到10％的过度输入的限幅并且在高于10％的过度输入时衰减输入信号Vin的放大器。类似地，通过调节比较器41的工作电位，也就是，Vref的电位，可以检测20％、30％、40％或50％的过度输入所导致的限幅。通过该方法，在检测到由预定程度的过度输入所导致的限幅的情况下，操作VCA 30以衰减输入信号Vin。

在实施例中，有可能做到定量地掌握过度输入，由此允许达到预定程度过度输入的限幅。进行这样的控制是因为，作为听觉测试的结果，证明了达到某些程度的失真的限幅对于人耳来说并不总是讨厌的。通过本实施例，有可能防止不合理过度输入，而不会削弱对音量的感觉。

在比较器41的输出端配置低通滤波器42(积分器电路)用于稳定反馈系统，有可能做到单独地调节增高时间(attack time)和释放时间(release time)。换句话说，电阻R4的值被设置为比电阻R3的值足够大。电阻R3和电容C1的时间常数所确定的增高时间应用于比较器41的输出信号的上升沿。

电阻R4和电容C1的时间常数所确定的释放时间应用于比较器41的输出信号的拖尾沿，这是因为，由于二极管D1的存在而没有电流流过电阻R3。一般而言，希望设置用于上升沿的时间常数比用于拖尾沿的时间常数短，以便提供相对快的增高时间，从而防止不合理过度输入，提供相对慢的释放时间，从而逐步恢复可接受的电平。

尽管在上述实施例中使用压控衰减器(VCA)30作为输入信号的衰减器，本发明并不限于此。例如，可以使用电阻分压型电子容量(electronic volume)。或者，可以使用用于调节输入信号的幅度并且输出得到的信号的任何类型的可变增益装置。本发明可适用于放大器的各种操作模式，不仅是甲类、甲乙类、丁类等。用于检测反相输入端的电位Vi的比较器41或控制电路40在限幅时可能单独地为电位Vi的正和负值中的每一个而提供。

在上述实施例中，运算放大器21的正相输入端的电位是0V(地电位)，由此，当反相输入端的电位Vi＞0时不再虚短路，因此允许对限幅的检测。更一般地，当运算放大器的正相输入端和反相输入端之间的电位差超过了0V时，检测到限幅。也就是说，控制电路40可以检测运算放大器的正相输入端和反相输入端之间的电位差，比较器41可以比较检测到的电位差与参考电位Vref。

尽管在上述实施例中使用反相放大器作为负反馈放大器电路20，也可以替代地使用在其中使用运算放大器的非反相放大器。在此情况下，VCA 30的输出信号Vs提供给运算放大器的正相输入端。然后，电阻R1被配置在运算放大器的反相输入端和地电位GND之间，电阻R2被配置在运算放大器的反相输入端和输出端之间。还是在该情况下，只在不再虚短路的时候才发生限幅。

因此，有可能通过监控运算放大器的正相输入端和反相输入端之间的电位差而检测限幅，与上述实施例相同。可以检测运算放大器的正相输入端和反相输入端之间的电位差，通过比较器41可以将检测到的电位差与参考电位Vref进行比较。在参考电位Vref被设置为0V的情况下，比较器41的输入端之一连接到运算放大器的正相输入端，比较器41的另一输入端连接到运算放大器的反相输入端。

Claims (7)

1.一种放大器，包括：

可变增益单元，其调节输入信号的幅度并输出输出信号；

负反馈放大单元，其包括用于放大可变增益单元的输出信号的运算放大器；

比较器，其比较运算放大器的正相输入端和反相输入端之间的电位差与参考电位；以及

控制器，其基于比较器的比较的结果而控制可变增益单元的增益，使得允许发生达到基于参考电位的程度的过度输入的限幅并且不发生超过基于参考电位的程度的过度输入的限幅。

2.根据权利要求1所述的放大器，其中所述参考电位是可调节的。

3.根据权利要求1或2所述的放大器，其中

所述可变增益单元根据控制信号来调节输入信号的幅度，以及

所述控制器包括用于积分所述比较器的输出信号的积分器，所述控制器将所述积分器的输出信号作为控制信号提供给可变增益单元。

4.根据权利要求3所述的放大器，其中所述积分器使用不同的时间常数用于所述比较器的输出信号的上升沿和拖尾沿。

5.根据权利要求4所述的放大器，其中所述的用于上升沿的时间常数小于所述的用于拖尾沿的时间常数。

6.根据权利要求1或2所述的放大器，其中所述负反馈放大单元是反相放大器。

7.根据权利要求1或2所述的放大器，其中所述负反馈放大单元是非反相放大器。

Images