CN102165690A - 具有负载匹配的音频放大器以及用于音频放大器的负载匹配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将输入信号放大成输出信号的音频放大器(1)，具有输出放大级(6)，其中，所述输出放大级(6)被构造用于作为以开关运行方式工作的放大器将中间信号放大成所述输出信号，所述音频放大器(1)还具有限幅器装置(4)，所述限幅器装置通过编程技术和/或电路技术构造用于基于所述输入信号产生所述中间信号，其中，根据可调节的最大功率和连接到和/或可连接到所述音频放大器上的负载阻抗或者等效参数极限，始终通过最大电平对所述中间信号的电平如此进行限幅，使得所述输出信号与所述输入信号无关地不超过在所述负载阻抗下的所述最大功率或者不超过所述等效参数极限。

Description

具有负载匹配的音频放大器以及用于音频放大器的负载匹配的方法

技术领域

本发明涉及一种用于将输入信号放大成输出信号的音频放大器，具有输出放大级，其中，所述输出放大级被构造用于作为以开关运行方式工作的放大器将中间信号放大成输出信号。此外，本发明还涉及一种用于音频放大器的负载匹配的方法。

背景技术

音频放大器用于将输入信号放大成输出信号，其中，输出信号通常通过扬声器以声音的方式辐射到周围环境中。例如，在所谓的家庭立体声设备中，或者在用于迪斯科舞厅、电影院等等或者也用于公共建筑物、中小学、大学等等以广播通知的扩音设备中，音频放大器是已知的。

由通常的音频放大通过信号技术供给的扬声器的数量、负载阻抗和电负载能力可以几乎任意地变化。为了可以为每个配置提供在总负载阻抗和所期望的输出功率方面调谐的音频放大器，在市场上通常提供具有离散分级的输出功率的不同音频放大器模型。

发明内容

本发明公开了一种具有权利要求1的特征的音频放大器以及一种具有权利要求12的特征的方法。本发明的优选的或者有利的实施方式由从属权利要求、以下说明以及附图给出。

根据本发明的音频放大器适用于和/或被构造用于将输入信号放大成输出信号。所述音频放大器例如可以应用在音乐设备中，或者优选地应用在扩音设备中，尤其是应用在用于复杂区域的扩音的公共广播系统中。所述音频放大器尤其被构造为低欧姆的受控电压源。所述音频放大器的输出信号优选地定义为输出给机电的声转换器和/或扬声器的信号。所述输入信号优选地被构造为例如来自麦克风或者其他音频源的模拟信号。

除其他可选部件外，音频放大器还包括至少一个输出放大级，所述至少一个输出放大级适用于和/或被构造用于将中间信号放大成输出信号。所述中间信号尤其被构造为基于输入信号产生的信号。

输出放大级被实现为以开关运行方式工作的放大器，尤其是放大经脉宽调制的信号的放大器，所述经脉宽调制的信号是基于输入信号和/或中间信号产生的或者表示输入信号和/或中间信号。

在本发明的范围内提出：限幅器装置集成到音频放大器中，所述限幅器装置通过编程技术和/或电路技术被构造用于基于输入信号产生中间信号，其中，中间信号的电平根据可调节的最大功率和连接到和/或可连接到音频放大器上的负载阻抗或者——替代地——等效的参数极限始终如此地位于最大电平以下，使得输出信号与输入信号无关地不超过在恰好所述负载阻抗时的最大功率或者不超过等效参数极限。优选地，所述限幅器装置仅仅在由输出电压产生的功率由此高于经调节的或者经编程的输出功率时对所述中间信号进行限幅。

在此，本发明的构思在于，提出一种音频放大器，其可灵活地匹配于不同的负载阻抗。通常，音频放大器的实际可实现的输出功率决定性地取决于三个因素：输出放大级的内部运行电压U₀、输出放大级的最大载流能力I_p以及负载的阻抗(例如，扬声器的阻抗)R_LSP。

传统的音频放大器在最低阻抗R_LSP时达到最大功率，在所述最低阻抗时末级恰好工作在载流能力I_p的极限上。但这相反意味着，在较高阻抗时末级在输出功率方面不能被完全利用。放大器——尤其是放大器的电源在此情况下过大。为了克服所述缺点，通常提供具有离散分级的输出功率的不同放大器模型。

相反，根据本发明的音频放大器被如此构造，使得它可以在任意的负载阻抗下在宽的功率范围中输出最大的和/或所期望的或者可预给定的输出功率——以下也统称为最大输出功率。因此，借助于本发明能够构造在输出功率、尤其是最大输出功率方面可以在宽的范围中变化的音频放大器。在此，例如不需要内部供电电压的转换，这简化了放大器的结构开销。本发明不限于确定的、离散的输出功率，优选地，可以无级地调节输出功率。

本发明的可选有益优点是：

-可以在宽的范围内将放大器的最大可达到的输出功率输出到每个所期望的负载阻抗中；

-可以在预给定的负载功率下在宽的范围内自由地调节放大器的输出功率。由此在一些情形中不需要必须提供不同功率等级的放大器，可以使放大器灵活地匹配于相应的应用情形。

-在用于多路设备(例如，主音箱的放大器模块)的可能的发明构造中，可以使不同路径的输出功率几乎彼此独立地任意变化，而不必提供用于各个放大通道的不同的运行电压。例如，通常有意义的是，在中频和高频范围上选择比低频路径的功率更低的功率，因为这对应于语音和音乐信号的频率上的典型功率分布，或者因为低音扬声器的电负载能力通常比中音和高音扬声器的电负载能力高得多；

-在多通道放大器的发明构造中，可以通道式地调节到在宽的范围中任意的负载阻抗上的任意的不同输出功率上。实际上，在此由电源提供的功率形成所有通道的总功率的上极限；

-作为所连接的扬声器的过载保护，可以借助于限幅器装置——必要时暂时地或者持续地——进行或者调节输出功率的任意减小；

-在根据本发明的放大器中，可选地不需要使用外部的限幅器以限制音频放大器的输出功率，因为所述功能由限幅器装置负责。

在本发明的一个非常实际可行的实施方式中，限幅器装置被构造用于根据可调节的最大功率和连接到和/或可连接到音频放大器上的负载阻抗将中间信号的电平限制在最大电平以下。但在输出放大级的输出电压U_out、输出功率P_out和负载阻抗R_LSP通过方程

$U_{\mathrm{out}}=\sqrt{P_{\mathrm{out}}\·R_{\mathrm{LSP}}}$

连接之后，可以替代地使用输入参数——输出电压和负载阻抗或者输出电压和输出功率。

在本发明的一个优选的扩展方案中，设有控制单元，所述控制单元被构造用于接收最大功率的值、尤其是所期望的和/或可能的最大功率的值和/或负载阻抗的值和/或最大输出电压的值。通过传输装置将这些值输入到控制单元中，所述传输装置在一个替代方案中允许所需的值的手动输入。可以例如以模拟值或数字值的形式进行输入。在本发明的一个可能的替代方案或补充方案中，传输装置被构造用于自动地求得施加在音频放大器上的负载阻抗和/或输出功率和/或输出电压。替代和/或补充手动输入的值，自动地求得的值可以传输给控制单元并且用于限幅器装置的控制。

在一个优选的实施方式中，输出放大级由仅仅一个唯一的双极的电压供给装置供电和/或被构造为D类放大器和/或具有恒定的增益。所述优选的实施方式突出本发明的以下优点：可通过成本有利的电路表示音频放大器。输出放大级构造为D类放大器和/或具有恒定的增益基于：这样的放大器在中间信号的输入电平的宽的范围上示出恒定的高效率。

在本发明的一个扩展方案中，限幅器装置包括分析器单元和限幅器单元，其中，分析器单元基于施加的音频载波信号和最大电平将一个限幅信号输出给和/或反馈给限幅器单元。音频载波信号可以被构造为输入信号或者已经进一步处理的信号。分析器单元和限幅器单元形成调节回路，其中，如此设计调节，使得中间信号在小信号区域中不超过最大电平。

在此，限幅器单元可以被构造为前置放大装置和/或衰减装置，所述前置放大装置的增益根据所反馈的限幅信号被调节，而所述衰减装置基于所反馈的限幅信号衰减施加的音频载波信号。可选地，分析器单元同样可以被构造为限幅器组件，使得限幅器装置以两级实施限幅，其中，在第一级中——在限幅器单元中——控制或调节增益，并且在第二级中——在分析器单元中——控制或调节衰减。

在一个可能的实施方式中，限幅器装置连接在输出放大级前面，并且对模拟的音频载波信号进行分析或限幅，并且以此方式形成中间信号。在本发明的一个替代的实施方式中，限幅器装置通过电路技术如此集成，使得首先对音频载波信号进行脉宽调制并且随后对经脉宽调制的音频承载信号进行限幅并且由此形成中间信号。

在本发明的一个扩展方案中，音频放大器具有输入放大器装置，所述输入放大器装置被构造用于输入信号的调整，尤其是用于输入阻抗和输入电平的匹配。可选地，音频放大器还包括电平调节器装置，用于声强和/或增益的匹配。电平调节器装置优选被如此连接，使得其在小信号区域中作用于音频载波信号。

尽管在此仅仅根据一个输出放大级和一个限幅器装置对本发明进行了描述，但在本发明的范围中，音频放大器具有多个通道，这些通道分别具有输出放大级，这些输出放大级分配有一个或多个限幅器装置，其中，限幅器装置可以通过不同的最大电平实施限幅。借助这样的多通道音频放大器可以实现在具有不同的负载阻抗的扬声器配置之间的混合运行，并且以此方式从一个唯一的音频放大器结构出发以最大输出功率和/或所选择的最大输出功率选择性地加载不同的负载阻抗。在重新配置时，仅须调整负载阻抗或者最大输出功率或者等效的极限参数。

本发明的另一主题涉及一种用于重新配置优选根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器的方法，其特征在于以下步骤：将具有第一负载阻抗的第一扬声器系统与音频放大器分离；将音频放大器的最大输出功率从第一值转换到第二值上，并且可选地转换负载阻抗；连接具有第二负载阻抗的第二扬声器系统，其中，所述第一负载阻抗和所述第二负载阻抗被不同地构造。

附图说明

本发明的其他特征、优点和效果从以下对本发明的优选实施例的描述以及附图中得出。在此示出：

图1：根据本发明的音频放大器的框图；

图2：图1中的音频放大器中的分析器单元的电路图。

具体实施方式

图1以示意性框图示出音频放大器1，所述音频放大器1被构造用于将一个施加在输入接口2上的输入信号放大成一个施加在输出接口3上的输出信号。这样的音频放大器1例如用在扩音设备(例如，公共广播系统)或者音乐放大器中。如此实现音频放大器1，使得可以在输出接口3上以可调节的最大功率输出用于具有不同负载阻抗的扬声器系统(未示出)的输出信号。为了匹配，手动地调节和/或自动地检测负载阻抗和所期望的最大功率。取代负载阻抗-最大功率的参数组，也可以使用等效的参数组。基于参数组在内部如此控制音频放大器1，使得不超过在相应的负载阻抗下的最大功率。

在框图中以实线表示出最重要的组成部分，以虚线示出音频放大器1的可选组成部分。从输入接口2起，输入信号可选地经过其他的功能组件——以原始状态或者以经处理的状态也称作音频载波信号——传导到限幅器装置4，所述限幅器装置4根据控制单元5的控制信号将音频载波信号限幅到最大电平以上或者最大电平上，并且作为经限幅的中间信号转送给输出放大级6。

音频放大器1的构思在于，不是通过音频放大器1的内部供电电压的大小而是通过在小信号区域中中间信号的限幅来确定输出接口3处的最大输出电压。如此选择供电电压，使得输出放大级6可以将所期望的最大输出功率输出到最大所期望的负载阻抗中。如果音频放大器1例如应设计用于向8欧姆的负载阻抗输出1000瓦特，则有效供电电压必须是126.5V，其中，实际上由于真实部件上的电压降需要更高的电压。如果音频放大器1应向低负载阻抗输出相同的输出功率和/或应输出小于最大功率的输出功率，则在本发明的音频放大器1中不需要改变内部供电电压的大小，而是通过借助于限幅器装置4在小信号区域中对中间信号进行限幅来实现对输出电压并且因此对输出功率的限制。在此，如此调节限幅装置4中的削波界限(Clipgrenze)，使得输出接口3处可由此实现的最大输出电压与所选择的配置输出功率-负载阻抗相适应。控制单元5的用于限幅器装置4的控制信号可以被构造为用于中间信号的最大电平的期望值或者被构造为用于确定最大电平的参数。

输出放大级6被构造成D类放大器。所述D类放大器以开关运行方式工作，其中，效率在理论上为100％，实际上由于切换与导通损耗达到大约90％的效率。在一个示例性的实施方式中，D类放大器可被划分成三个区域，其中，第一区域包括用于中间信号的输入端、三角信号发生器和比较器，第二区域包括开关放大级并且第三区域包括低通滤波器。

在第一区域中，由信号发生器产生的优选三角形式的信号由中间信号进行调制，其中，比较器将中间信号的电压值与信号发生器的信号的电压值进行比较，随后其输出端根据两个信号中的哪一个恰好具有较高的电压而接通或者关断。因此，第一区域是脉宽调制(PWM)，其作为输出信号提供具有与信号发生器的信号相同的频率但具有不同宽度的矩形、即脉宽的矩形信号。脉宽反映关于音频信号的振幅和频率的信息。在第二区域中，PWM信号例如由晶体管增强，其中，晶体管完全导通或者关断，所述晶体管因此或者接通或者关闭，所述电路设计的高效率的原因也在于此。在第三区域中，由信号发生器产生的载波信号被滤除，其中，通常使用无源的LC滤波器。由于内部结构以及效率与调制的无关性，D类放大器也可以在仅仅是实际可用的运行电压的一部分的输出电压区域中运行。此外，应当注意，本发明并不限于D类放大器的确定的拓扑，并且尤其是不束缚于D类放大器的确定的调制方案或反馈方案。

通过可由控制单元5调节或控制的限幅装置4实现音频载波信号的对称的限幅，从而在后面的输出放大级6处施加限幅到最大电平上的中间信号。

因为后面的D类放大器具有恒定的增益并且由于所选择的供电电压的大小而始终在线性区域中工作，所以整个音频放大器1从外部观察表现得如同常规的放大器，其中，内部供电电压可被虚拟地、无级地调节。

在一个可能的实施方式中，限幅装置4可以如图1中所示的那样由分析器单元7和限幅器单元8构成。从功能方面来看，分析器单元7分析施加的音频载波信号并且向限幅器单元8输出限幅信号，使得所述限幅器单元8可以匹配地放大或衰减音频载波信号。可选地，分析器单元7也限制音频载波信号的占空比(Duty Cycle)。

在图2中，以示意性电路图示出分析器单元7的可能的实现方式。音频载波信号在输入端E处通过电阻R1输送给分析器单元7。电阻R1与电阻R2一起形成分压器。所述分压器的共同的中点M作为节点同时连接到晶体管T1和T2的发射极上，其中，信号限幅通过两个晶体管T1和T2进行。如果两个晶体管处于截止状态，则音频载波信号的电流通过电阻R1流到运算放大器IC 2的负输入端上，所述运算放大器IC 2接虚地。因为运算放大器IC 2通过R1+R2负反馈，所以限幅器的增益为0dB。限幅装置4的工作区域由来自控制单元5的正控制电压预给定，所述正控制电压施加在输入端S上。为了实现对称的信号限幅，借助于运算放大器IC 1反转控制信号S。经反转的控制信号输送给T1的基极，未经反转的控制信号输送给T2的基极。如果分压器R1和R2的中点处的音频载波信号比控制电压高出基极-中点正向电压(Basis-Mitte-Flussspannung)，则T2导通。由此T2将正电压区域中的输入电平钳位到控制电压的大小加上二极管路径上。T1以相同的方式钳位负电压区域中的输入信号。通过这种方式，通过选择控制电压进行后面的输出放大级6的控制信号的对称的信号限幅。仅仅当存在限幅器单元8时才需要两个晶体管T3和T4。这些晶体管T3和T4在分析器单元7中进行信号限幅的情况下向限幅器单元8提供控制信号。所述控制信号在静态时为0伏，在进行信号限幅时达到正UB，因为T4变为导通。由于所述控制回路，在限幅器装置4中不出现音频信号的硬削波，而是前置的限幅器单元8相应地减小增益直到通过分析器单元7恰好达到限幅的使用极限。

作为其他的功能模块，音频放大器1可选地具有以下部件：输入放大装置9负责输入信号在阻抗和电平方面与音频放大器1的后面的级的匹配。在此，对于根据本发明的放大器而言，输入放大器是构造用于对称的输入信号还是非对称的输入信号是不重要的。电平调节器10用于声强与增益匹配。对于音频放大器1的功能而言，电平调节器10不是必需的，并且也可以可选地取消。限幅器单元8作为可选的补充功能确保输出信号的失真在所有情况下都不超过一定的百分比(例如1％)。如果音频放大器1例如在达到运行电压极限时或者在通过分析器单元7进行限幅时必需离开其线性区域，则限幅器单元8降低增益，使得所产生的输出信号失真受限。在可替代的运行方式中，也可能有利的是，控制单元5在限幅器单元8中执行整个音频放大器1的增益匹配。

关于音频放大器1的结构，控制单元5可以是离散地构造的或者是通过诸如微控制器电路的集成电路实现的。也可以考虑的是，控制单元5设计成外部的设备，并通过信号技术有线地或无线传输用于限制装置4的控制信号。

Claims (12)

1.用于将输入信号放大成输出信号的音频放大器(1)，具有输出放大级(6)，其中，所述输出放大级(6)被构造用于作为以开关运行方式工作的放大器将中间信号放大成所述输出信号，

其特征在于限幅器装置(4)，所述限幅器装置通过编程技术和/或电路技术构造用于基于所述输入信号产生所述中间信号，其中，根据可调节的最大功率和连接到和/或可连接到所述音频放大器上的负载阻抗或者等效参数极限，始终通过最大电平对所述中间信号的电平如此进行限幅，使得所述输出信号与所述输入信号无关地不超过在所述负载阻抗下的所述最大功率或者不超过所述等效参数极限。

2.根据权利要求1所述的音频放大器(1)，其特征在于，所述等效参数极限被构造为参数组输出电压-负载阻抗或者输出电压-输出功率。

3.根据权利要求1或2所述的音频放大器(1)，其特征在于控制单元(5)，所述控制单元被构造用于接收所述最大功率和/或所述负载阻抗和/或所述最大输出电压的值。

4.根据权利要求3所述的音频放大器(1)，其特征在于传输装置，所述传输装置被构造用于通过测量技术求得和/或手动地输入在所述音频放大器(1)上施加的负载阻抗和/或所述输出功率和/或所述输出电压，以及用于向所述控制单元(5)进行传输。

5.根据权利要求3或4所述的音频放大器(1)，其特征在于，所述控制单元(5)被构造用于调节所述最大电平，以及控制所述限幅器装置(4)。

6.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于，所述输出放大级(6)由一个唯一的双极的电压供给装置供电和/或所述输出放大级被构造为D类放大器和/或具有恒定的增益。

7.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于，所述限幅器装置(4)具有分析器单元(7)和限幅器单元(8)，其中，所述分析器单元(7)基于施加的音频载波信号将限幅信号输出给和/或反馈给所述限幅器单元(8)。

8.根据权利要求6所述的音频放大器(1)，其特征在于，所述限幅器单元(7)被构造为前置放大装置和/或衰减装置。

9.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于输入放大装置(9)，所述输入放大装置用于所述输入信号的调整。

10.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于电平调节器装置(10)，所述电平调节器装置用于所述音频放大器(1)的声强和/或增益匹配。

11.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于多个通道，其中，每个通道都具有一个输出放大级(6)和一个所分配的限幅器装置(4)。

12.用于重新配置根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)的方法，其特征在于以下步骤：

将具有第一负载阻抗的第一扬声器系统与所述音频放大器(1)分离；

将所述音频放大器(1)的最大输出功率从第一值重新配置到第二值上并且将所述第一负载阻抗重新配置到第二负载阻抗上；

连接具有所述第二负载阻抗的第二扬声器系统，其中，所述第一负载阻抗和所述第二负载阻抗被不同地构造。

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