CN101627639B - 具有合成的正阻抗的音频系统 - Google Patents

Abstract

一种音频系统，包括音频功率放大器、电连接到音频功率放大器的换能器、耦合到换能器的外壳和耦合到外壳的辅助共振元件。代表换能器电流的电反馈信号被负反馈到音频功率放大器以合成正输出阻抗。

Description

具有合成的正阻抗的音频系统

技术领域

本说明书主要地涉及具有放大器和扬声器的音频再现系统。 

发明内容

一般而言，在一个方面中，一种音频系统装置包括：音频功率放大器、电连接到音频功率放大器的换能器、耦合到换能器的外壳以及耦合到外壳的辅助共振元件。代表换能器电流的电反馈信号被负反馈到音频功率放大器以合成正输出阻抗。 

实施包括以下特征中的一个或者多个特征。音频功率放大器可以是开关放大器。合成正输出阻抗可以无损耗。合成正输出阻抗可以在换能器的整个操作范围内为正。电反馈信号可以由电流传感器产生，诸如电阻器、霍尔效应传感器、闭环磁传感器、电流感测变换器或者感测场效应晶体管。电反馈信号可以由音频功率放大器用来减少辅助共振系统的Q，该辅助共振系统包括外壳和辅助共振元件。辅助共振元件可以包括端口。辅助共振元件可以包括空纸盆。外壳可以耦合到换能器的第一或者第二侧。也可以有耦合到换能器第二侧的第二外壳和耦合到第二外壳的第二辅助共振元件。音频功率放大器的合成的正输出阻抗可以用来减少空纸盆偏移。合成的正输出阻抗的范围可以为0.1欧姆到100欧姆。 

一般而言，在一个方面中，一种音频系统装置包括：音频功率放大器、电耦合到音频功率放大器的换能器以及耦合到换能器的包括波导的外壳。代表换能器电流的电反馈信号被负反馈到音频功率放大器以合成正输出阻抗。 

实施可以包括以下特征中的一个或者多个特征。音频功率放大器可以是开关放大器。合成的正输出阻抗可以无损耗。外壳可以耦 合到换能器的第一或者第二侧。外壳可以耦合到换能器的第二侧，第二外壳可以耦合到换能器的第一侧，而辅助共振元件可以耦合到第二外壳。第二外壳可以包括波导。 

一般而言，在一个方面中，一种用于再现声音的方法包括：放大电音频信号；将放大的电信号施加到包括换能器、外壳和辅助共振系统的扬声器系统；以及使用代表流过换能器的电流的电反馈信号以合成用于放大的正输出阻抗。 

实施可以包括以下特征中的一个或者多个特征。合成的正输出阻抗可以用来减少空纸盆偏移。合成的正输出阻抗可以无损耗。 

一般而言，在一个方面中，一种用以感测经过负载的电流的电子装置包括：第一输入端子，具有相对于参考的第一输入电压；第二输入端子，具有相对于参考的第二输入电压；负载的第一负载端子，具有相对于参考的第一负载电压；负载的第二负载端子，具有相对于参考的第二负载电压；第一电流感测元件，连接于第一输入端子与第一负载端子之间；以及第二电流感测元件，连接于第二输入端子与第二负载端子之间。根据第一输入电压与第二负载电压之间的关系来确定第一感测电压，以及根据第二输入电压与第一负载电压之间的关系来确定第二感测电压。 

实施可以包括以下特征中的一个或者多个特征。参考可以是电路共接、电路接地或者地连接。第一电流感测元件可以是电阻性元件。第一电流感测元件可以具有基本上为零的电阻。可以有形成分压器的两个电阻元件的组，而第一感测电压可以由分压器感测。两个电阻性元件可以具有近似相等的电阻。第一输入电压和第二输入电压可以具有基本上恒定的共模电压。第一输入电压和第二输入电压的平均值可以在操作范围内基本上恒定。可以有感测第一感测电压与第二感测电压之差的电压差分放大器。电压差分放大器可以具有比第一输入电压的电压范围更小的共模范围。可以有具有桥式放大器输出的桥式放大器，其中第一和第二输入电压根据桥式放大器输出来导出。桥式放大器输出可以由滤波器修改并且耦合到第一输 入端子和第二输入端子。负载可以包括换能器。可以有音频放大器。音频放大器可以包括开关放大器。负载可以包括耦合到低音反射外壳的换能器。负载可以包括耦合到波导外壳的换能器。可以有将第一电流感测元件耦合到负载的电滤波器模块。 

附图说明

图1是扬声器模块的图； 

图2是具有反馈的音频系统的框图； 

图3是具有反馈的音频系统的电示意图； 

图4是音频系统的音频输出对输入信号的音频频率的曲线图；以及 

图5是音频系统的空纸盆(drone)运动对输入信号的音频频率的曲线图。 

具体实施方式

共振系统的Q比较系统振荡的频率与其耗散能量的速率。在共振系统的频谱曲线图上，共振峰的宽度由被Q除的共振中心频率(也称为共振频率)给定。 

在一些实施例中，扬声器包括：换能器，比如移动线圈或者移动磁体换能器，该换能器将输入电功率转换成隔膜的机械运动；以及外壳，用以限制来自隔膜的至少一侧和至少第一辅助共振元件的辐射。低音反射式扬声器(除了来自隔膜前部的声音外还)利用来自换能器隔膜后部的声音，从而与闭箱扬声器相比增加系统在低频的效率。低音反射外壳并入辅助共振元件，比如空纸盆或者端口。可以认为空纸盆是换能器的如下简化形式，该简化形式具有换能器的某些活动部分、但是没有电部分。空纸盆也称为无源辐射器。可以通过调整放大器的输出阻抗来改变低音反射式音频系统的Q。通过合成正输出阻抗，放大器可以减少低音反射式系统的Q。上述辅助共振元件与外壳中的空气体相互作用以形成辅助共振系统。该辅 助共振系统具有与换能器分离的共振性能。可以通过更改驱动扬声器系统的放大器的输出阻抗来修改此辅助共振系统的Q。增加放大器的输出阻抗可以减少辅助系统共振的Q。 

在其它实施例中，可以使用附加共振元件。例如，外壳和端口或者空纸盆可以耦合到换能器隔膜的前部或者第一侧，与第一端口或者空纸盆分离的第二外壳和端口或者空纸盆可以耦合到换能器隔膜的后部或者第二侧。在一些实施例中，波导外壳可以耦合到换能器隔膜的前部、后部或者前侧和后侧两者。波导外壳在如下频率具有多个共振，在这些频率处在波导内支持驻波。其他实施例可以使用外壳、端口或空纸盆、以及波导外壳的组合。在这些实施例中增加驱动换能器的放大器的输出阻抗可以减少辅助系统共振和波导共振的Q。 

在无源扬声器系统中，设计者通常会为换能器选择参数以实现辅助共振的所需阻尼，从而实现所需频率响应。通过选择效率，设计者可以控制辅助共振的Q。为了降低Q，设计者需要减少换能器的效率。前文描述了增加对具有辅助共振的扬声器进行驱动的放大器的输出阻抗可以用来减少辅助共振的Q。增加驱动放大器的输出阻抗允许使用比典型情况高效得多的换能器。在具有辅助共振的扬声器实施例中使用高效率换能器通常会获得高Q共振和非最优输出频率响应。使用负电流反馈来控制辅助共振的Q以增加放大器输出阻抗，从而Q可以减少至所需水平。这允许在原本获得不可接受的频率响应的系统中使用高效率换能器。 

当负电流反馈用来合成模拟(即线性)放大器的正输出阻抗时，其效果类似于与无反馈的模拟放大器的输出端电串联放置物理电阻器。当电阻器与输出端串联时，在电阻器与负载(例如扬声器)之间有分压器效果。一些可用放大器功率在电阻中耗散而一些在负载中耗散。然而当负电流反馈施加到模拟放大器而不是在物理电阻器中耗散功率时，功率以在放大器输出级中耗散而告终。当高效率换能器与模拟放大器和负电流反馈一起使用时，使用效率增加的换能 器的益处被在放大器输出级中耗散的额外功率所抵消。反馈确实仍然提供对系统频率响应的有用控制并且补偿了系统中的参数变化(如后文所解释)，但是没有明显地提高总效率。 

当根据前述实施例之一，将负电流反馈用来合成开关型放大器(其用于驱动扬声器系统)的正输出阻抗时，获得又一益处。将换能器的效率选择成与实际一样高。负电流反馈用来合成正输出阻抗以提供用于辅助系统共振的阻尼。然而与在模拟放大器情况下不同，当施加负电流反馈时，在开关放大器的输出器件中耗散的功率没有明显地改变。除了输出器件中无论是否使用电流反馈均未明显改变的切换和传导损耗之外，开关放大器的合成正输出阻抗不会有效地耗散任何功率。把具有上文提到的特征的合成输出阻抗称为无损耗，即使在输出器件中耗散了一些有限功率。系统效率极大地提高，因为对换能器参数的选择与需要减少辅助共振元件的Q以实现所需频率响应无关。通过使用并未耗散实际功率的合成正输出阻抗将Q减少至所需值，从而在获得所需频率响应之时保留系统效率。 

参照图1，示出了扬声器模块100的绘图。扬声器模块100从放大的电音频信号产生声音。扬声器模块100包括外壳102、空纸盆104和110、换能器106以及放大器108。在图1中仅一个空纸盆104可见。空纸盆110位于与可见空纸盆装配于其中的壁相反的壁上。放大器108附着到外壳102的外侧。 

参照图2，示出了音频系统200的框图。图2中的系统是一个模拟系统实施例。音频系统200放大音频信号并且将其供应给扬声器，诸如扬声器模块100。音频系统200包括求和模块202、功率放大器204、电流传感器210、放大器212、滤波器214、空纸盆209、换能器208和外壳206。音频系统200也包含用于修改放大器204的有效输出阻抗的电路。外壳206、空纸盆209和换能器208一起形成扬声器模块100的一种实施。 

音频系统200接受音频输入信号201并且将其耦合到求和器202的一个输入。求和器202的输出耦合到放大器204的输入。放大 器204的输出耦合到换能器208。换能器208产生到达收听者耳朵的声音振动。换能器208还在外壳206内造成气压振动。这些内部气压振动在空纸盆209中造成运动，从而空纸盆209帮助从音频系统200提供所需输出。代表换能器208中的电流的电反馈信号由电流传感器210感测。电流传感器210的输出通过放大器212放大、滤波器214滤波并且差动耦合到求和模块202的第二输入。通过将电流信号差动耦合到求和器202，负电流反馈被施加到放大器204。 

功率放大器204为输入信号201提供增益。在一些实施例中，功率放大器204可以是模拟放大器。在一些实施例中，功率放大器204可以是开关放大器。在一些实施例中，放大器204可以是任何已知放大器类型，比如A类、AB类、B类、C类、AD类、BD类、D类、G类或者T类。放大器可以具有单极或者双极电源电压。 

图2的系统允许控制放大器204的输出阻抗。放大器204的输出阻抗是施加的电流反馈的函数。通过以所需方式变化放大器输出阻抗，可以实现空纸盆运动的有效阻尼。放大器212和滤波器214可以被配置用于为空纸盆209提供所需阻尼，如下文将具体描述的。 

参照图3，示出了另一实施例的电示意图。在此实施例中，图2的放大器204是开关型放大器324。注意，使用放大器324的简化示意表示。开关放大器是众所周知的，并且可以使用多个不同开关放大器类型中的任何类型。为求简洁，仅示出了开关放大器的相关细节。 

图3的电路包括开关功率放大器324、输出滤波器308、感测电阻器310和311、求和模块328、RC网络330以及滤波器214。放大器324包含调制器集成电路(IC)302、求和模块304、输出开关P沟道晶体管306和输出开关N沟道晶体管307。调制器IC 302包含调制振荡器318和FET控制电路332。求和模块328接受跨传感电阻310和311出现的代表流过换能器208的电流的信号，并且将这些信号施加到由电阻器312、313和C1组成的输入RC网络330。RC网络330的输出连同输入音频信号201一起被施加到差动求和放 大器326。下文更具体地说明RC网络330和差动求和放大器326的操作。求和模块304接受从滤波器214输出的组合音频和反馈信号并且将它与来自调制振荡器318的信号组合。该组合输出用来构造用以驱动输出开关晶体管的信号。开关晶体管的输出在施加到换能器208之前由滤波器308进行滤波。 

在图3中所示实施例中，功率放大器324是由单极或者双极电压源316操作的全桥BD类开关放大器。BD调制(也称为载波抑制调制和无滤波调制)优选用以使输出滤波要求最小化。滤波器214和308可以被构造以提供所需频率响应。在如下文所述图4中示出了所需频率响应的例子。滤波器308具有如下响应，该响应被设计成阻止音频频带以外频率以减少射频频带中的电磁发射。滤波器214有助于电流反馈的稳定性并且减少与换能器的频率范围对应的音频信号带宽，从而减少输出噪声。功率放大器324的各输出将在无输入信号(零伏特)时处于近似于50％的占空比而平均值近似于电源电压的一半，并且将在输入信号电平改变时在相反方向上同等地移动。这一平均值成为用于差动放大器的参考电压。一个放大器输出的占空比将增加，同时另一放大器输出的占空比将减少相似数量。一个滤波器输出的平均电压将增加，同时另一滤波器输出的平均输出将减少相似数量。当输入音频信号为零伏特时，放大器324的各输出线在电源干线与地之间切换，其占空比近似于50％。对于大输出信号电平，跨各感测电阻器310和311的共模电压将改变近似于电源电压316的量值，其中一个感测电阻器朝着电源电压316移动而另一电阻器朝着更低电压干线移动。感测电阻器310和311的值应当非常低以最小化功率损耗并且保留音频信号的动态范围。低感测电阻器值获得小感测电压。具有指数共模范围的高性能仪表级差动放大器通常用来放大共模变化大而差模电平小的差动信号，比如跨这些感测电阻器的信号。 

图3还示出了一种减少共模信号电平对放大器326的影响的感测技术。使用各自与相应扬声器或者负载端子串联的感测电阻器310和311。这些感测电阻器通过由电阻器312和313以及电容器C1构成的RC网络330连接到放大器326。感测电阻器310在输入端子312a与负载端子312b之间连接到网络330，而感测电阻器311在输入端子313b与负载端子313a之间连接到网络330。电阻器R_C、312、313和Rf用来设置放大器326的电流感测增益。电阻器Ra和Rf用来设置放大器326的音频通路增益。放大器326的各输入326a、326b通过电阻器312和313连接到感测电阻器。这些电阻器312和313中的各电阻器连接到不同感测电阻器310和311以及扬声器端子。由于滤波器308的各输出将在无输入信号时近似于电源电压的一半，并且将在输入信号电平改变时在相反方向上同等地移动，所以在放大器326的各输入处的共模信号电平将总是处于近似于电源电压的一半。这一感测技术减少了共模电平的改变并且允许在求和模块328内在差分配置中使用共模输入范围比在任一扬声器端子的音频信号的电压范围更小的常规运算放大器。为了获得差分配置中的最佳操作，平衡电阻器312和313应当在数值上紧密匹配。

在一些实施例中，可以省略感测电阻器310和311之一(在数值上减少为0欧姆)。省略一个感测电阻器并不明显地影响共模电压稳定性。在这种实施例中，在负担仅为一个感测电阻器而不是两个的情况下维持小共模摆动的益处，并且可以通过重新按比例改变其它电路值来补偿增益的改变。将来自放大器326的输出端的组合音频和感测电流信号经过滤波器214(该滤波器施加低通滤波以减少反馈增益并且有助于回路稳定性)进行馈送、然后到达功率放大器324，从而实现电流信号的负反馈。此配置将为功率放大器204建立基本上无功率耗散的合成输出阻抗2×R_s×K₁×K₂，其中R_s是电阻器310和311的电阻(单位为欧姆)，K₁是功率放大器324的增益，而K₂是放大器326的增益。这一简化的合成输出阻抗方程假设滤波器214和308的增益基本上为一，这通常在扬声器模块100的有效操作频率范围内成立。虽然它随着音频频率而变化，但是合成输出阻抗总是为正。 

电流测量可以由电阻器、霍尔效应、闭环磁传感器、电流感测变换器、感测场效应晶体管(感测FET)进行。这些备选电流感测器件可以取代图2中的元件210。在图3中，备选电流感测器件将取代感测电阻器310和311以及电阻器312和313。 

除了滤波器308之外，在一些实施例中还可以在感测电阻器310、311与换能器208之间添加滤波器。 

将音频系统200的合成输出阻抗定义为跨换能器208连接到电子电路的两点而测量的阻抗。合成输出阻抗的范围可以为0.1欧姆到100欧姆。在图3中所示实施中，放大器合成输出阻抗可以被设计成等于换能器直流DC电阻。输出阻抗在低频为数十毫欧姆并且随着频率增加而增加。典型放大器的低电压源输出阻抗减少空纸盆阻尼从而使其具有更多偏移。 

参照图4，针对音频系统200在与换能器208相距1米处的一种实施示出了音频输出(单位为dB SPL)对频率(单位为赫兹Hz)的曲线图。使用已知建模技术根据音频系统200的数学模型来计算图4中的曲线。曲线400示出了无反馈的音频系统200的频率响应，曲线402示出了具有负电流反馈的音频系统200的频率响应。曲线400和402的形状依赖于所用换能器的参数以及所用外壳和辅助共振元件的细节。曲线402的形状还依赖于为音频系统200选择的电流感测电路和滤波器214的增益和频率响应。在假设将由于施加负电流反馈而获得正合成放大器输出阻抗的情况下计算曲线402。此合成输出阻抗与换能器208的阻抗的组合为空纸盆209提供增加的电阻尼。在辅助共振系统(图2的外壳206和空纸盆209)的共振频率处，扬声器系统200的输入阻抗是局部最小值。当施加负电流反馈时，相对较多的电流存在于这一频率范围中导致更大的反馈信号，该反馈信号继而在此频率范围中比在扬声器系统的输入阻抗更高的其他范围中相对更多地减少对系统的驱动。空纸盆与外壳的共振频率处的对系统的驱动被减少，并且对空纸盆的驱动由于施加负电流反馈而减少(有效地降低空纸盆外壳共振的Q)。曲线402示出了 比曲线400更平坦的频率响应曲线，这是许多应用所期望的。 

曲线400在与空纸盆共振对应的39Hz区域中具有高Q峰值。此峰值可以随着扬声器模块的声学和机械部件的制造变化而明显地移位。峰值也可能在扬声器模块的寿命期内移位。为了利用常规均衡来实现所需频率响应，必须定制式均衡各单元的放大器。这些响应变化使得使用均衡处理来实现所需频率响应不切实际。通过使用电流反馈，系统可以随着扬声器模块参数的变化而补偿部件的变化并且实现平坦化响应。 

参照图5，根据音频系统200的一种实施示出了空纸盆209振动位移(单位为毫米)对频率(单位为Hz)的曲线图。同样使用已知建模技术根据音频系统200的数学模型来计算图5中的曲线。曲线500示出了无反馈的音频系统200的空纸盆的位移频率响应，而曲线502示出了有反馈的音频系统200的空纸盆的位移频率响应。曲线500和502的形状依赖于所用换能器的参数以及所用外壳和辅助共振元件的细节。曲线502的形状还依赖于为音频系统200选择的电流感测电路和滤波器214的增益和频率响应。与在图4中一样，曲线502示出了在空纸盆基频共振周围与曲线500的系统的空纸盆位移相比减少的空纸盆位移。 

扬声器系统的性能依赖于所选换能器的参数以及辅助共振系统的参数。设计者可能希望开发效率高、尺寸小的换能器。为了实现这点，设计者可能选择具有高动力的换能器。当在具有小外壳的系统中使用这样的换能器时，结果可能是在辅助系统共振的频率范围中输出峰化SPL。辅助共振系统可以具有高Q。 

对于辅助共振系统具有高Q而空纸盆用作辅助共振元件的系统，在辅助共振频率比在其它频率可能更容易过驱动空纸盆。当空纸盆的活动部分的位移超过最大预计位移并且空纸盆的材料变形至超出其设计目标时，会出现过驱动。当发生过驱动时，空纸盆可能产生不希望的噪声或者可能受损。具有高Q的系统容易被过驱动。为了避免此过驱动状况，音频系统200可以增加其合成正阻抗，从 而减少辅助共振系统的Q。通过使用负电流反馈来增加输出阻抗可以使扬声器系统的声压输出在辅助共振周围的频率响应平坦化，并且也可以减少空纸盆的移位，从而改进可靠性。当针对放大器为开关型的一个实施例而合成正输出阻抗时，频率响应被改善而不影响系统效率，因为在物理阻抗中无实际功率耗散。使用由电流控制的合成输出阻抗技术允许进行空纸盆阻尼控制而无需使用功率耗散元件。因为这是使用反馈系统来实现的，所以如果换能器和辅助共振系统的参数由于生产容差或者随时间老化而变化，则可以获得频率响应改进。 

其它实施也在所附权利要求的范围内。 

Claims (13)

1.一种用以在桥式配置中感测经过开关放大器的负载的电流的电子装置，所述装置包括：

第一输入端子(312a)，具有相对于参考的第一输入电压；

第二输入端子(313b)，具有相对于所述参考的第二输入电压；

第一负载端子(312b)，具有相对于所述参考的第一负载电压；

第二负载端子(313a)，具有相对于所述参考的第二负载电压；

第一电流感测元件(310)，连接于所述第一输入端子与所述第一负载端子之间；以及

第二电流感测元件(311)，连接于所述第二输入端子与所述第二负载端子之间，

其中根据所述第一输入电压与所述第二负载电压之间的关系来确定第一感测电压(326a)，根据所述第二输入电压与所述第一负载电压之间的关系来确定第二感测电压(326b)。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述参考选自于电路共接、电路接地和地连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电流感测元件是电阻性元件。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电流感测元件具有基本上为零的电阻。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括形成分压器的两个电阻性元件的组，其中所述第一感测电压由所述分压器感测。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述两个电阻性元件具有近似相等的电阻。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一输入电压和所述第二输入电压具有基本上恒定的共模电压。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一输入电压和所述第二输入电压的平均值在所述开关放大器的操作范围内基本上恒定。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括电压差分放大器，其中所述电压差分放大器感测所述第一感测电压与所述第二感测电压之差。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述电压差分放大器具有比所述第一输入电压的电压范围更小的共模范围。

11.根据权利要求1所述的装置，还包括开关放大器，其中所述放大器包括桥式放大器输出组，其中所述第一输入电压和所述第二输入电压根据所述桥式放大器输出组来导出。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括滤波器，其中所述桥式放大器输出组由所述滤波器修改并且耦合到所述第一输入端子和所述第二输入端子。

13.根据权利要求1所述的装置，还包括将所述第一电流感测元件耦合到输出端子以便耦合到所述负载的电滤波器模块。

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