CN102193018A - 用于感测放大器负载电流的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的系统和方法，包括：获取放大器的内部阻抗上的电压降；以及使用内部阻抗和内部阻抗上的电压降计算负载电流。

Description

用于感测放大器负载电流的系统和方法
技术领域
本发明的实施例总地涉及电子系统，更具体而言涉及用于感测放大器负载电流的系统和方法。
背景技术
从放大器流入放大器的负载的负载电流向负载提供功率。经常需要感测负载电流以保护放大器和负载。此外，负载电流的感测值可用于表征、预测和控制负载的行为。
传统的负载电流感测技术包括设置与负载串联的附加分路电阻器(shunt resistor)，并测量分路电阻器上的电压降。分路电阻器上的电压降与负载电流成正比，与分路电阻器的电阻值成反比。然而，添加附加分路电阻器增加了用于感测负载电流的组件成本。除了组件成本增加以外，分路电阻器一般还具有低电阻以便不对放大器和负载造成影响，因此通过放大器和负载发送的信号不受分路电阻器影响。此外，为了使用分路电阻器的电阻值计算负载电流，分路电阻器通常必须维持恒定的电阻值，即使环境温度可能改变也是如此。处理具有低电阻值的温度不敏感(temperature insensitive)分路电阻器需要特别小心费力，从而很难感测负载电流。因此，需要一种用于感测放大器负载电流而不使用分路电阻器的系统和方法。
发明内容
一种感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的系统和方法包括：获取放大器的内部阻抗上的电压降，并使用内部阻抗和内部阻抗上的电压降计算负载电流。与包括设置与负载串联的附加分路电阻器并测量分路电阻器上的电压降的传统负载电流感测技术相比，使用放大器的内部阻抗和内部阻抗上的电压降来计算负载电流不需要附加分路电阻器。去掉附加分路电阻器实现了简单经济地感测从放大器流入放大器的负载的负载电流。
在实施例中，一种用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的方法包括：获取放大器的内部阻抗上的电压降；以及使用内部阻抗和内部阻抗上的电压降计算负载电流。
在实施例中，一种用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的系统包括电压获取单元和计算单元。电压获取单元配置为获取放大器的内部阻抗上的电压降。计算单元配置为使用内部阻抗和内部阻抗上的电压降计算负载电流。
在实施例中，用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的系统包括数字信号源、数模转换器、模数转换器和数字信号处理模块。数字信号源配置为生成数字输入电压。数模转换器配置为将数字输入电压转为为模拟输入电压，其中模拟输入电压被施加到放大器以生成模拟输出电压。模数转换器配置为将模拟输出电压转换为数字输出电压。数字信号处理模块配置为：将数字输入电压乘以放大器的增益因子以产生电压乘积，计算数字输出电压与电压乘积之间的电压差作为放大器的内部阻抗上的电压降，以及使用内部阻抗上的电压降和内部阻抗计算负载电流。
附图说明
结合以示例的形式描述本发明原理的附图，通过以下详细描述将清楚本发明实施例的其他方面和优点。
图1是根据本发明实施例用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的系统的示意性框图。
图2示出了具有数字信号处理(DSP)组件的图1的系统的实施例。
图3A和3B示出了两个不同示例性扬声器的阻抗曲线。
图4是用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的方法的处理流程图。
整个说明书中，相似的附图标记可以用于标识相似的部分。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例用于感测从放大器102流入放大器的负载104的负载电流的系统100的示意性框图。放大器可以直接电耦合到放大器的负载。放大器的负载是由负载电流供电的电器件。例如，放大器的负载是扬声器。如图1所示，系统包括电压获取单元106和计算单元108。虽然在图1的实施例中，电压获取单元与计算单元相分离，但是在其他实施例中，电压获取单元可以与计算单元集成在一起。
在图1的实施例中，电压获取单元106耦合到放大器102的输入端子110和输出端子112。放大器具有内部阻抗114，也称为放大器的输出阻抗。在图1的实施例中，内部阻抗是放大器的内部电阻抗。放大器的内部阻抗可以是依赖于频率的。换言之，放大器的内部阻抗可以依赖于内部阻抗的工作频率。或者，放大器的内部阻抗可以独立于内部阻抗的工作频率。例如，内部阻抗可以是电阻。在此情况下，放大器的内部阻抗由独立于频率的电阻表示。电压获取单元配置为获取放大器的内部阻抗上的电压降。
计算单元108耦合到电压获取单元106。计算单元配置为使用内部阻抗114和放大器的内部阻抗上的电压降计算负载电流。例如，计算单元使用内部阻抗模型和放大器的内部阻抗上的电压降计算负载电流，其中内部阻抗模型与放大器102的工作频率有关。内部阻抗上的电压降是由负载电流造成的。在时域中，内部阻抗上的电压降、负载电流和放大器的内部阻抗可以表示为：
V＝I*Z，(1)
其中V表示放大器的内部阻抗上的电压降，I表示负载电流，*表示卷积运算符，Z表示放大器的内部阻抗。V、I和Z可以是连续时间表达式或离散时间表达式。例如，内部阻抗Z可以由频域传递函数Z(ω)、或时域脉冲响应Z(t)、或离散时间等效量Z[k]来表征。
电压获取单元106还可以配置为：在放大器102的输入端子110处测量放大器的输入电压，在放大器102的输出端子112处测量放大器的输出电压，将输入电压乘以放大器的增益因子以产生电压乘积，以及计算输出电压和电压乘积之间的电压差作为内部阻抗114上的电压降。在时域中，负载电流、内部阻抗、内部阻抗上的电压降、输入电压、输出电压和增益因子可以表示为：
V＝Vin×G-Vout＝I*Z，(2)
其中V表示内部阻抗上的电压降，Vin表示输入电压，×表示乘法运算符，G表示增益因子，-表示减法运算符，Vout表示输出电压，I表示负载电流，*表示卷积运算符，Z表示内部阻抗。V、Vin、Vout、Z和I可以是连续时间表达式或离散时间表达式。
在实施例中，计算单元108还配置为在校准阶段获取放大器102的内部阻抗114的值，或者从放大器放大器102的制造商处获取与放大器的工作频率有关的内部阻抗模型。在图1的实施例中，计算单元包括可选的存储器116，可选的存储器116配置为存储放大器的内部阻抗值和负载电流值。存储的负载电流可用于表征、预测和控制负载104的行为。
可以感测负载电流，而不设置与负载104串联的分路电阻器并测量分路电阻器上的电压降。例如，图1的实施例中的系统100不包括与负载串联的分路电阻器。在图1的实施例中，通过获取放大器102的内部阻抗114上的电压降并使用内部阻抗和内部阻抗上的电压降计算负载电流，来感测负载电流。与包括设置与负载串联的附加分路电阻器并测量分路电阻器上的电压降的传统负载电流感测技术相比，获取放大器的内部阻抗上的电压降并使用内部阻抗和内部阻抗上的电压降计算负载电流使得不需要附加分路电阻器。添加与负载串联的附加分路电阻器增加了用于感测负载电流的组件成本。通过去掉附加分路电阻器，降低了用于感测负载电流的组件成本。此外，附加分路电阻器一般是温度不敏感的并且一般具有低电阻值。处理具有低电阻值的温度不敏感分路电阻器需要特别小心费力，这增加了感测负载电流的难度。通过去掉附加分路电阻器，可以不必特别小心费力地处理具有低电阻值的温度不敏感分路电阻器，降低了感测负载电流的难度。
在一些实施例中，放大器102的内部阻抗114是独立于频率的电阻。计算单元108可能不知道放大器的电阻，或者计算单元对放大器的电阻的了解可能不够精确。在此情况下，图1的系统100只能计算与负载电流成正比的信号。虽然不能计算负载电流，但是对于某些应用而言，与负载电流成正比的信号可能就足够。例如，在扬声器线性化应用中，知道与负载电流成正比的信号足以估计扬声器阻抗曲线中谐振峰的位置和宽度。谐振峰的位置和宽度可以产生足够的信息以执行线性化操作。
可以方便地利用DSP组件实现图1的系统100。图2示出了具有DSP组件的图1的系统的实施例。如图2所示，系统200包括数字信号源(DSS)202、数模转换器(DAC)204、模数转换器(ADC)206和DSP模块208。系统配置为感测从放大器210流入负载212(在此情况下是扬声器)的负载电流。DSS、DAC、ADC和DSP模块执行与图1的实施例的电压获取单元106的功能类似的功能，DSP模块执行与图1的实施例的计算单元108的功能类似的功能。
在图2的实施例中，DSS 202配置为生成数字输入电压“Vin[k]”，其中k表示离散时间索引(index)。将数字输入电压“Vin[k]”提供给DSP模块208，并施加到DAC 204。虽然在图2的实施例中，DSS与DSP模块分离，但是在其他实施例中，DSS可以与DSP模块集成在一起。
DAC 204耦合到DSS 202和放大器210。DAC配置为将数字输入电压Vin[k]转换成模拟输入电压“Vin(t)”，其中t代表时间。将模拟输入电压Vin(t)施加到放大器以生成模拟输出电压“Vin(t)”。
放大器210具有内部阻抗214和电压增益因子。在图2的实施例中，放大器的内部阻抗是内部电阻抗。放大器耦合到扬声器212。如图2所示，放大器使用“理想”放大器216(即具有零内部阻抗的放大器)，以电压增益因子“G”对输入电压Vin(t)进行缩放。该理想放大器对内部阻抗施加电压。所施加的电压具有与模拟输入电压Vin(t)和电压增益因子G的乘积相等的值。当放大器用于头戴式耳机(headphone)或扬声器电话(speakerphone)时，可以将放大器集成到DAC 204中。在一些实施例中，可以将放大器和系统200集成到单个集成电路(IC)中，以减少制造成本和放大器以及系统的尺寸。
ADC 206耦合在放大器210和扬声器212之间，并且配置用于将模拟输出电压Vout(t)转换为数字输出电压“Vout[k]”。将数字输出电压Vout[k]提供给DSP模块208用于计算负载电流。
DSP模块208配置用于：将数字输入电压Vin[k]乘以放大器210的增益因子以产生电压乘积，计算数字输出电压Vout[k]与电压乘积之间的电压差作为放大器的内部阻抗214上的电压降，使用内部阻抗上的电压降和内部阻抗计算负载电流。在时域中，负载电流、内部阻抗、内部阻抗上的电压降、数字输入电压、数字输出电压和增益因子可以表示为：
V[k]＝Vin[k]×G-Vout[k]＝I[k]*Z[k]，(3)
其中V[k]表示离散时间的内部阻抗上的电压降，×表示乘法运算符，G表示放大器的电压增益因子，Vin[k]×G表示电压乘积，-表示减法运算符，I[k]表示离散时间的负载电流，*表示卷积运算符，Z[k]表示离散时间的内部阻抗。
图1和2的实施例中的系统100、200可以用于例如放大器保护、扬声器保护、扬声器输出最大化、扬声器响应线性化和扬声器音圈(voice coil)温度检测。图1和2的实施例中的系统可以用于生成阻抗曲线，所述阻抗曲线表示放大器102、210的负载104、212的电阻抗与负载的工作频率之间的函数。例如，DSS 202向DSP模块208和DAC 204提供测试信号，例如白噪声片段。将来自DAC的输出施加到放大器210。将放大器的输出电压提供给ADC 206并施加到负载212。DSP模块使用来自ADC的输出Vout[k]和来自DSS的测试信号计算负载电流I[k]。可以将输出电压Vout[k]和负载电流I[k]变换为频域等效量Vout(ω)和I(ω)，其中ω表示放大器和负载的工作频率。当将负载端接到地时，在频域中，负载的阻抗、输出电压Vout(ω)和负载电流I(ω)可以表示为：
Vout(ω)＝Zload(ω)×I(ω)，(4)
其中Zload(ω)表示负载的阻抗，×表示乘法运算符，因为频域的乘法运算对应于时域的卷积运算。当负载是扬声器时，阻抗曲线产生与扬声器的电声(electro-acoustical)特性有关的信息，该信息可用于预测和控制扬声器的行为。
图3A和图3B示出了两个不同的示例性扬声器与传统分路电阻器相对比的阻抗曲线，其中所述两个不同的示例扬声器使用图1和2的实施例中的系统100、200。对于所有阻抗曲线，X轴表示负载的工作频率，Y轴表示扬声器的电阻抗的幅度“|z|”。两个不同示例性扬声器的阻抗曲线分别由实线和虚线表示。图3A示出了使用图1和2的实施例中的系统生成的两条阻抗曲线。图3B示出了使用传统分路电阻器生成的另两条阻抗曲线。如图3A和图3B所示，使用图1和2的实施例中的系统生成的两条阻抗曲线与使用传统分路电阻器生成的另两条阻抗曲线几乎相同。与使用传统分路电阻器生成阻抗曲线相比，使用图1和2的实施例中的系统生成阻抗曲线利用更少的组件获得了相同的效果。
图4是用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的方法的处理流程图。在框402，获取放大器的内部阻抗上的电压降。在框404，使用内部阻抗和内部阻抗上的电压降计算负载电流。
以上描述或图示的实施例的各种组件或单元可以由存储在计算机可读介质、硬件、或存储在计算机可读介质中的软件与硬件的组合来实现。例如，图1的实施例中的计算单元和图2的实施例中的DSP模块可以由处理器实现。
虽然以特定顺序示出和描述了本文的方法的操作，但是该方法的操作顺序可以改变，从而特定的操作可以以相反的顺序执行，或者可以至少部分地与其他操作同时执行。在另一实施例中，可以以间歇或交错方式执行不同操作的指令或子操作。
此外，虽然以上描述或图示的本发明的特定实施例包括本文描述或图示的几种组件，但是本发明的其他实施例可以包括更少或更多的组件以实现更少或更多的功能。
此外，虽然已经描述和图示了本发明的特定实施例，但是本发明不限于这样描述和图示的部分的特定形式或布置。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的方法，该方法包括：
获取放大器的内部阻抗上的电压降；以及
使用内部阻抗和内部阻抗上的电压降计算负载电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将内部阻抗上的电压降、负载电流和内部阻抗表述为：
V＝I*Z，
其中V表示内部阻抗上的电压降，I表示负载电流，*表示卷积运算符，Z表示内部阻抗。
3.根据权利要求1所述的方法，其中感测负载电流而不测量分路电阻器上的电压降。
4.根据权利要求1所述的方法，其中获取内部阻抗上的电压降包括：
测量放大器的输入电压；
测量放大器的输出电压；
将输入电压乘以放大器的增益因子以产生电压乘积；以及
计算输出电压与电压乘积之间的电压差作为内部阻抗上的电压降。
5.根据权利要求4所述的方法，其中将负载电流、内部阻抗、内部阻抗上的电压降、输入电压、输出电压和增益因子表述为：
V＝Vin×G-Vout＝I*Z，
其中V表示内部阻抗上的电压降，Vin表示输入电压，G表示增益因子，Vout表示输出电压，I表示负载电流，*表示卷积运算符，Z表示内部阻抗。
6.根据权利要求1所述的方法，其中获取内部阻抗上的电压降包括：
使用数字信号源生成数字输入电压；
使用数模转换器将数字输入电压转换为模拟输入电压；
将模拟输入电压施加到放大器，并且生成模拟输出电压；
使用模数转换器将模拟输出电压转换成数字输出电压；
使用数字信号处理模块将数字输入电压乘以放大器的增益因子以产生电压乘积；以及
使用数字信号处理模块计算数字输出电压与电压乘积之间的电压差作为内部阻抗上的电压降。
7.根据权利要求6所述的方法，其中将负载电流、内部阻抗、内部阻抗上的电压降、数字输入电压、数字输出电压和增益因子表述为：
V[k]＝Vin[k]×G-Vout[k]＝I[k]*Z[k]，
其中V[k]表示离散时间的内部阻抗上的电压降，k表示离散时间的索引，Vin[k]表示数字输入电压，G表示增益因子，Vout[k]表示数字输出电压，I[k]表示离散时间的负载电流，*表示卷积运算符，Z[k]表示离散时间的内部阻抗。
8.根据权利要求1所述的方法，其中放大器的负载包括扬声器。
9.根据权利要求2所述的方法，其中放大器的内部阻抗是依赖于频率的。
10.根据权利要求2所述的方法，其中放大器的内部阻抗是独立于频率的电阻。
11.一种用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的系统，该系统包括：
电压获取单元，配置用于获取放大器的内部阻抗上的电压降；以及
计算单元，配置用于使用内部阻抗和内部阻抗上的电压降计算负载电流。
12.根据权利要求11所述的系统，其中将内部阻抗上的电压降、负载电流和内部阻抗表述为：
V＝I*Z，
其中V表示内部阻抗上的电压降，I表示负载电流，*表示卷积运算符，Z表示内部阻抗。
13.根据权利要求11所述的系统，其中该系统不包括与负载串联的分路电阻器。
14.根据权利要求11所述的系统，其中电压获取单元还配置用于：
测量放大器的输入电压；
测量放大器的输出电压；
将输入电压乘以放大器的增益因子以产生电压乘积；以及
计算输出电压与电压乘积之间的电压差作为内部阻抗上的电压降，其中将负载电流、内部阻抗、内部阻抗上的电压降、输入电压、输出电压和增益因子表述为：
V＝Vin×G-Vout＝I*Z，
其中V表示内部阻抗上的电压降，Vin表示输入电压，G表示增益因子，Vout表示输出电压，I表示负载电流，*表示卷积运算符，Z表示内部阻抗。
15.根据权利要求11所述的系统，其中放大器的内部阻抗由独立于频率的电阻表示。
16.根据权利要求11所述的系统，其中放大器的负载包括扬声器。
17.一种用于感测从放大器流入放大器的负载的负载电流的系统，该系统包括：
数字信号源，配置用于生成数字输入电压；
数模转换器，配置用于将数字输入电压转换为模拟输入电压，其中将模拟输入电压施加到放大器，以生成模拟输出电压；
模数转换器，配置用于将模拟输出电压转换为数字输出电压；以及
数字信号处理模块，配置用于将数字输入电压乘以放大器的增益因子以产生电压乘积，计算数字输出电压与电压乘积之间的电压差作为放大器的内部阻抗上的电压降，以及使用内部阻抗上的电压降和内部阻抗计算负载电流。
18.根据权利要求17所述的系统，其中将负载电流、内部阻抗、内部阻抗上的电压降、数字输入电压、数字输出电压和增益因子表述为：
V[k]＝Vin[k]×G-Vout[k]＝I[k]*Z[k]，
其中V[k]表示离散时间的内部阻抗上的电压降，k表示离散时间的索引，Vin[k]表示数字输入电压，G表示增益因子，Vout[k]表示数字输出电压，I[k]表示离散时间的负载电流，*表示卷积运算符，Z[k]表示离散时间的内部阻抗。
19.根据权利要求17所述的系统，其中该系统不包括与负载串联的分路电阻器。
20.根据权利要求17所述的系统，其中放大器的负载包括扬声器。
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