CN104365018B - 用于可变电源电压的开关放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将输入信号放大到输出信号的放大器，该放大器包括信号通路和负反馈连接部。信号通路包括接收输入信号并响应于接收到的输入信号生成开关信号的调制装置。此外，信号通路包括与电源电压连接的开关输出级。开关输出级包括根据由调制装置生成的开关信号进行切换的切换装置，并且生成输出信号，输出信号的振幅取决于电源电压。负反馈连接部反馈开关输出级的输出信号以与输入信号结合。信号通路和负反馈连接部形成具有环路增益的环路。该放大器的特征在于，该放大器包括补偿装置，其中，该补偿装置接收开关输出级的电源电压或者源自电源电压的信号，并且该补偿装置适合于至少部分地补偿因电源电压中的变化而产生的环路增益的改变。

Description

用于可变电源电压的开关放大器
技术领域
本发明涉及音频技术领域。具体地，本发明涉及适合于高能效操作的开关放大器以及用于高能效地放大音频信号的方法。
背景技术
在音频技术领域中采用电功率放大器以放大音频信号。放大的音频信号通过扬声器转换成声音信号，而声音信号随后可以被用户感知。这种电功率放大器通常用于已知的消费类电子装置(诸如CD播放器和电视机)中。
广泛使用的放大器的类型是所谓的D类放大器，其包括调制器和开关输出级。这种D类放大器的特征在于，开关输出级包括开关，该开关仅呈现两种不相关的切换状态并且(如与其他放大器中的情况那样)不会被连续地驱动。因此，这些开关放大器具有相对较高的效率。由于它们的高效率，开关放大器尤其使用在通常需要较高性能的专业领域中。一个示例为例如用于在机场或购物中心以供扬声器公告的电声系统。
开关输出级的开关的控制经由开关信号来实现，其中，开关信号是通过调制器响应于被放大的音频信号提供的。用于这种D类放大器的调制处理通常是Σ-Δ调制，其中开关信号生成自模拟输入信号或数字输入信号，并且开关信号可以是例如二元信号或三元信号。
在专利说明书US 2008/0042746 A1中描述了这种D类放大器的示例。该放大器包括Σ-Δ调制器、开关输出级和负反馈连接部，该负反馈连接部允许抑制信号通路中的噪声。开关输出级的输出信号基于开关输出级中的切换操作来生成。开关输出级中产生的切换损失与施加在开关输出级处的电源电压的平方成正比。所施加的电压的水平越高，切换损失相对越高。这对于放大器的能效而言具有负面效果，尤其是在弱输入信号的情况下。
在专利说明书US2006/0091945 A1中描述了D类放大器的另一示例。该D类放大器根据误差校正原理操作。在开关输出级中基于电源电压中的误差所产生的误差通过由数字电源电压值分割负反馈连接部之外的信号通路中的信号来最小化。
发明内容
本发明的目的在于，提供能够以比通常现有技术更高能效的方式工作的放大器。此外，将提供允许音频信号的高能效放大的方法。
通过根据权利要求1的放大器和根据权利要求21的方法实现了上述目的。在从属权利要求中记载了有利的进一步发展。
根据本发明的放大器用于将输入信号放大到输出信号，并且包括信号通路和负反馈连接部。该信号通路包括：
-适合于接收输入信号并且适合于响应于接收到的输入信号生成开关信号的调制装置；以及
-与电源电压连接的开关输出级，其中，开关输出级包括根据由调制装置生成的开关信号进行切换的切换装置，其中，开关输出级生成输出信号，输出信号的振幅取决于电源电压。
负反馈连接部适合于反馈开关输出级的输出信号，以与输入信号结合。信号通路和负反馈连接部形成具有环路增益的环路。
最终，放大器包括补偿装置，该补偿装置接收开关输出级的电源电压或者源自电源电压的信号，并且适合于至少部分地补偿因电源电压中的变化而产生的环路增益的改变。
包括开关输出级、调制装置和负反馈连接部的已知的放大器以恒定或基本恒定的电源电压操作。即使是对于输入信号的小振幅，也会将总电源电压施加到开关输出级，开关输出级的切换装置继续以一定的切换频率进行切换。输出信号的平均振幅通过输出信号中的脉冲的序列和符号来确定。输出信号中的脉冲的振幅基本上是恒定的并且与电源电压相关，但独立于输入信号的振幅。对于已知的放大器，因切换装置的切换而产生、并且以电源电压的平方增加的切换损失基本上独立于输入信号的振幅。因此，即使是在闲置或者在待机模式时，即，不存在输入信号 或者存在有振幅几乎为零的输入信号时，也会发生切换损失，而该切换损失与在具有最大振幅的输入信号的情况下发生的那些切换损失相当。因此，对于输入信号的小振幅，这些放大器的效率损失也是相对高的。
对于包括负反馈连接部并且由此包括具有环路增益的环路的、已知的开关放大器，当电源电压发生变化时，总增益可以在某些情况下因负反馈连接部而保持基本恒定。虽然无可否认的是，电源电压中的变化也导致了根据放大器的操作状态的、环路增益中的变化，而这可能导致不稳定的后果。因此，已知的开关放大器仅可以在基本恒定的电源电压下稳定操作。
与此相反，根据本发明的放大器适合于通过可变电源电压进行操作，并且特别适合于比通常现有技术更高能效的操作。根据本发明的放大器通过补偿装置的辅助解决上面的问题，其中，补偿装置接收开关输出级的电源电压或者源自其的信号，并且适合于至少部分地补偿因电源电压中的变化而产生的环路增益中的变化。
在根据本发明的放大器中，即使电源电压发生变化，环路增益也因补偿装置而保持基本恒定。因此，放大器可以独立于施加到开关输出级的电源电压、以具有高环路增益的稳定的方式操作。
根据本发明的放大器因此适合于与适配输入信号的振幅的电源电压一同使用。例如，对于最大的输入信号，最大的电源电压可以施加到开关输出级，而对于最小的输入信号或者是在待机模式时，可以施加最小的电源电压或为零的电源电压。此处，输出信号的平均振幅的适配并不是、或者并不专门由输出信号中的脉冲的序列和/或符号的适配构成，而主要是由输出信号中的脉冲的振幅的适配构成。对于输入信号中的小振幅，输出信号中的脉冲的振幅也是小的，反之亦然。因为切换损失与电源电压的平方或者与输出信号中的脉冲的振幅的平方成比例，所以切换损失可以显著地减小。对于输入信号的小振幅的不必要地高的效率损失也因此可以通过根据本发明的放大器的辅助来避免。
然而，对于根据本发明的放大器的操作不必要的是将电源电压适配到输入信号的振幅。相反，根据本发明的放大器能够用电源电压的宽谱操作、而无需进行额外的适配，因为通过补偿装置确保了放大器的稳定 操作。通过这种方式，本发明的放大器可以被广泛使用。
放大器的有利的进一步发展包括用于根据输入信号使电源电压变化的装置。变化是以如下方式实现的，即，对于输入信号的小振幅，减小电源电压，而对于输入信号的相对较高的振幅，相应地增加电源电压。
优选地，补偿装置适合于根据电源电压来放大或减小环路的信号通路段中的信号，以通过这种方式抵消因电源电压的变化引起的环路增益的变化。因为在环路中的信号通路段上进行的信号放大相同程度地影响环路增益和正向增益两者，所以总增益不会因这种改变而变化、或者仅发生几乎可以忽略不计的变化。
原则上，存在有用于上述补偿目的的、技术上实现信号通路中的放大的多种可能性。在一个特别有利的实施方式中，放大器还包括调制器-负反馈连接部以将开关信号反馈到调制装置的输入，并且将反馈信号与调制装置的输入处的信号结合。在这种情况下，调制器-负反馈连接部上的信号可以根据电源电压、通过补偿装置的辅助放大或减小，通过这种方式抵消基于电源电压中的变化引起的环路增益的改变。
调制器-负反馈连接部上的信号的放大或减小优选地由与电源电压相乘或者与源自其的信号的相乘构成。调制器-负反馈连接部中的信号相乘功能上对应于信号通路的正向方向上的信号分割。正向方向是信号从放大器输入前进至放大器输出、而不在负反馈连接部上反馈的方向。相对于信号分割，信号相乘具有在技术上更容易实现的优点。
优选地，补偿装置包括在调制器-负反馈连接部上用于信号相乘的乘法器。乘法器具有用于开关信号的第一输入和用于电源电压或用于源自其的信号的第二输入。乘法器由反馈的开关信号控制，并且响应于开关信号生成输出信号。例如，开关信号可以是包括第一值和第二值的二元信号，其中，用于第一值的输出信号对应于电源电压的值或者对应于源自电源电压的值。对于开关信号的第二值，输出信号对应于例如相对应的反值。
开关信号也可以是三元信号。在这种情况下，乘法器的输出信号包括三个值。例如，乘法器的输出信号包括电源电压的值或者源自电源电压的值、相对应的反值和零值。
放大器的调制装置优选地包括二阶的Σ-Δ调制器。Σ-Δ调制器的阶越高，则能够更好地抑制调制器中生成的噪声。另一方面，由于升高的阶，而更加难以使Σ-Δ调制器稳定。对于比一阶的Σ-Δ调制器更高阶的Σ-Δ调制器，反馈的信号的相移以与Σ-Δ调制器的阶对应的因子增加。已发现，二阶的Σ-Δ调制器表现出相移与噪声抑制之间良好的折中。
Σ-Δ调制器的环路滤波器可以例如包括积分器和/或共鸣器，并且其具有对于0至20kHz之间的音频范围中的、待被放大的频率的高放大和对于该范围以外的频率的一或更小的放大。例如，作为积分器的输出信号，该环路滤波器的状态变量包括与在调制器-负反馈连接部上反馈的信号值相关的饱和行为。为了确保Σ-Δ调制器在所有操作状态中均保持稳定，环路滤波器的状态变量必须包括定义的饱和行为。这优选地实现成状态变量的限制值或饱和值通过补偿装置的辅助、响应于电源电压中的变化相对应地适配。环路滤波器的状态变量的数值对应于环路滤波器的阶，该阶与环路滤波器的积分器的数值匹配。
优选地，Σ-Δ调制器是实现在硬件可编程部件上、特别是实现在FPGA(现场可编程门阵列)上的数字Σ-Δ调制器。所描述的发明(特别是实现在FPGA上时)提供优点。然而，本发明也能够通过集成电路的辅助、特别是通过ASIC(应用专用集成电路)的辅助实现。
此外，数字环路滤波器优选地布置在位于根据本发明的放大器的Σ-Δ调制器的上游的信号通路中，其适于接收与从负反馈连接部反馈的信号结合的输入信号。优选地，通过与Σ-Δ调制器相同的方式，数字环路滤波器实现在硬件可编程部件上，特别是FPGA上。数字环路滤波器导致对于被放大的频率的高环路增益，以使得噪声能够通过负反馈的辅助被有效地抑制。
优选地，放大器的负反馈连接部还包括模拟环路滤波器和第一模数转换器，特别是二阶的模数转换器，其输入与模拟环路滤波器的输出连接。通过模数转换器的辅助，模拟环路滤波器的输出信号被数字化并转发到FPGA。
另外，第一模数转换器的输出信号优选地经由数模负反馈连接部反馈，以与开关输出级的反馈的输出信号结合。数模负反馈连接部具有布 置在其中的数模转换器，其适合于在第一模数转换器的反馈的输出信号与经由负反馈连接部反馈的、开关输出级的模拟输出信号结合前，将第一模数转换器的反馈的输出信号转换成模拟信号。
优选地，1比特转换器用于第一模数转换器并用于数模转换器。由于在音频范围中使用通常具有高环路增益的模拟环路滤波器，第一模数转换器可以是简单低价的1比特转换器。
可选地，例如在较高品质要求的情况下，第一模数转换器和数模转换器可以是具有大于1比特字宽的转换器。在这种情况下，数字滤波器优选地布置在第一模数转换器的下游，其输出信号经由数模负反馈连接部反馈。数字滤波器可以有助于减少高频率信号分量。模拟环路滤波器、第一模数转换器、数字滤波器、数模转换器和数模负反馈连接部一同形成用于开关输出级的反馈的输出信号的低价转换器。
为了使开关输出级的输出信号平稳，放大器优选地包括在信号通路中以正向方向布置在开关输出级之后的滤波器。在开关输出级的输出之后且在滤波器的输入之前，负反馈连接部在输出侧与信号通路连接。可选地，在滤波器的输出之后，负反馈连接部可以与信号通路连接。负反馈连接部由此适合于在滤波器的上游或下游反馈开关输出级的输出信号。
优选地，放大器包括适合于将电源电压转换成数字信号并且将转换后的数字信号转发到补偿装置的第二模数转换器。由此，因电源电压中的变化而产生的环路增益的改变的至少部分补偿可以数字化地实现在FPGA上。该信号为对于在开头提及的、“源”自电源电压的信号的示例。
优选地，放大器包括制成为通过网络部件可用的、用于电源电压的连接部，在本发明的一个实施方式中连接部不是放大器的一部分。电源电压设置在放大器之外，并且连接至以这种目的提供的放大器的连接部。
放大器的开关输出级优选地由H电桥形成。放大器的切换装置优选地由通过开关信号进行切换的功率MOSFET晶体管构成。
对于数字信号处理和数字信号生成，放大器优选地包括时钟源。对于第一模数转换器的操作，该时钟源优选地提供100kHz以上的采样频率，优选地提供1MHz以上的采样频率，更优选地提供10MHz以上的采样频 率。不同的所需时钟频率可以直接通过时钟源提供、或者可以源自FPGA中的时钟源。
在根据本发明的放大器的可选实施方式中，补偿装置适合于根据电源电压增加或减小负反馈连接部上的信号，通过这种方式其抵消基于电源电压中的变化引起的环路增益的改变。当干扰负反馈连接部时，该改变仅影响环路增益，而不影响正向增益。为了抵消总增益中产生的改变，所述环路外侧段中的信号通路上的信号通过补偿装置的辅助附加地适当增加或减小，由此仅改变正向增益，而不改变环路增益。通过这种方式，能够正确地补偿上述总增益中的改变。
在可选实施方式中，负反馈连接部上的信号的增加或减小优选地通过补偿装置的辅助经由与开关输出级的电源电压的、或者与源自电源电压的信号的相乘来实现。
在根据本发明的放大器的第二个可选实施方式中，补偿装置适合于通过开关输出级的电源电压或者通过源自其的信号分割环路中的信号通路上的信号。环路中的信号通路上的分割以相同的程度改变环路增益和正向增益，以使得总增益保持基本不变。
此外，本发明涉及用于通过放大器的辅助将输入信号放大到输出信号的方法，其中放大器包括信号通路和负反馈连接部，信号通路和负反馈连接部形成具有环路增益的环路，其中该方法包括以下步骤：
-接收输入信号；
-通过调制装置的辅助生成开关信号；
-通过与电源电压连接的开关输出级的辅助生成输出信号，其中，开关输出级包括切换装置，切换装置响应于由调制装置生成的开关信号进行切换，其中，输出信号的振幅取决于电源电压；
-通过负反馈连接部的辅助反馈开关输出级的输出信号；
-将反馈的输出信号与输入信号结合，
-通过使用补偿装置至少部分地补偿因电源电压中的变化而产生的环路增益的改变，其中，补偿装置接收开关输出级的电源电压或者源自其的信号。
优选地，该方法通过根据上面提及的实施方式中的一个的放大器执 行。
附图说明
在下文中参照附图通过优选的示例性实施方式对本发明进行了详细说明，通过这样的说明显露了本发明的进一步的优点和特征，在附图中：
图1示出了根据本发明的具有数字环路滤波器和数字Σ-Δ调制器的放大器的电路框图；
图2示出了内部Σ-Δ调制器的电路框图；以及
图3示出了具有合适的饱和度的数字积分器的电路框图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的放大器8的示例性实施方式。放大器8包括信号通路10，在信号通路10上以正向方向连续布置有数字环路滤波器12、数字Σ-Δ调制器14、开关输出级16和滤波器18。开关输出级16由H电桥形成。此外，描绘了负反馈连接部20，该负反馈连接部20在其输入端与位于开关输出级16与滤波器18之间的信号通路10连接、或者可选地与滤波器18后的信号通路10连接。另外，在负反馈连接部20中，模拟环路滤波器22、第一模数转换器24和数字滤波器25连续地布置在信号方向上。数模负反馈连接部26在其输入端与数字滤波器25的输出连接，并且在其输出端与模拟环路滤波器22的输入连接。数模负反馈连接部26还包括数模转换器28。放大器8通过电源电压30运行，其中，电源电压30可以是可变的，并且可以与开关输出级16连接以及经由第二模数转换器32与数字Σ-Δ调制器14连接。数字输入34形成信号通路10的输入，而信号通路10在经过开关输出级16后提供输出信号36。数字环路滤波器12、Σ-Δ调制器14和数字滤波器25在硬件可编程部件38上实现，其中硬件可编程部件38由FPGA构成并且与时钟源40连接。负反馈连接部20与信号通路10一同形成环路42。
开关输出级16的模拟输出信号36或者可选地输出信号经由负反馈连接部20反馈至滤波器18的下游，以与输入信号结合。结合通常是以如下方式进行的，即，将对输入信号相移180°的反馈信号添加到输入信号。这 对应于信号减法。通过负反馈的辅助来排除或者至少抑制发生在环路42内的信号通路10上的噪声影响。这种噪声影响的一个示例为开关输出级16中的非线性特性，其会导致声音失真。
在反馈信号与输入信号结合之前，通过模拟环路滤波器22的辅助使反馈信号放大，随后通过第一模数转换器24的辅助使其数字化。此外，在经过第一模数转换器24后，通过数字滤波器25的辅助减少数字化的信号中的高频信号部分。第一模数转换器24优选为二阶的Σ-Δ模数转换器，其中二阶的Σ-Δ模数转换器优选地以大于10MHz的时钟频率操作。
对于所要求的频率范围，与反馈的输出信号结合的输入信号由数字环路滤波器12放大，而对于比该频率范围更高的频率，则结合的输入信号不放大或衰减地转发至数字Σ-Δ调制器14。
数字滤波器25的输出信号通过数模负反馈连接部26的辅助进行反馈，以与开关输出级16的反馈的输出信号36结合。在数字滤波器25的数字输出信号进行结合前，通过数模转换器28的辅助将该数字输出信号转换成模拟信号。通过与第一模数转换器24相同的方式，数模转换器28也以大于10MHz的时钟频率操作。由于大于10MHz的时钟频率的使用，在数字信号与模拟信号之间的转换期间不会发生误差或者仅会发生非常少的误差，由此不需要混叠滤波或者仅需要非常简单的混叠滤波，其中，混叠滤波通常用于减少在数字信号与模拟信号之间的转换期间因时钟频率不足而引起的影响(所谓的混叠影响)。
响应于数字环路滤波器12的输出信号，Σ-Δ调制器14生成开关信号，而开关信号是能够呈现例如值“0”和值“1”的数字信号。
开关信号由开关输出级16接收，而开关输出级16响应于开关信号生成输出信号36。开关输出级16包括根据开关信号进行切换并且呈现两个不相关的切换状态中的一种状态的切换装置。开关输出级16的切换装置可以例如采用功率-MOSFET-晶体管的形式。考虑到相应的切换装置，当控制切换装置时，开关信号的信号值“0”对应于“关闭的”切换状态，而开关信号的信号值“1”对应于“打开的”切换状态，反之亦然。由此，开关输出级16的切换装置响应于开关信号进行切换，并且响应于切换操作在输出信号中生成单独的脉冲。输出信号36中的脉冲的振幅和符号取 决于所施加的电源电压30的值和开关信号的值。例如，对于与电源电压30对应的开关信号的值“1”，在输出信号36中生成脉冲或脉冲贡献。对于开关信号的值“0”，则在输出信号36中生成例如对应地反转的脉冲或脉冲贡献。由此，对应于开关信号的两个信号值，输出信号36还包括两个不相关的值，而其量取决于施加到开关输出级16的电源电压30。
通过放大器8实现了将输入信号放大到输出信号36，以使得输出信号36的平均振幅基本上对应于以特定因子放大的输入信号的平均振幅。如果在特定长度的时间段上的输出信号36仅包含正脉冲或者负脉冲，则在该时间段上的输出信号36的平均振幅分别呈现其对于所施加的电源电压30的最大值或最小值。这分别被称为100％正输出耦合或者100％负输出耦合。如果在特定长度的时间段上的输出信号36包含大致相同数量的正脉冲和负脉冲，则在该时间段上的输出信号36的平均振幅呈现零值。在这种情况下，输出耦合量为0％。输出信号36的平均振幅由此通过输出耦合的程度和所施加的电源电压30来确定。输出耦合的程度通过开关信号来确定，其中开关信号响应于输入信号、通过数字Σ-Δ调制器14的辅助生成。
应认识到，对于弱输入信号，将存在相对较低的输出耦合，以生成与输出信号36相对应的、相对较低的平均振幅。然而，这意味着在这种情况下开关输出级16的电源电压30高于实际需要。与此同时，因为开关输出级16的切换损失以电源电压30的平方增加/减小，所以用于弱输入信号的高电源电压36表现出有关能效的问题。
本发明人已认识到，如果输入信号上的电源电压30(对于不变的总增益)可以适配到能够改善能效，则由此可以避免对于较弱的输入信号的不必要的高电源电压30。
所示的结构有利于这种功能，即总增益由于负反馈连接部20而基本上独立于电源电压30。不可否认的是，将在下文中进一步详细说明的电源电压30中的改变导致了环路增益的改变，而环路增益的改变接着导致负反馈中的不稳定性。本发明因此提出了，通过适当的方式补偿因本发明中可能发生的电源电压30中的改变而产生的环路增益中的变化，从而确保了负反馈的稳定性。下文中将对其进行详细说明。
供输入信号放大到输出信号的总增益AG基于下式、由正向增益AV和 环路增益AS得出：
环路增益AS为供信号在经过环路42的单次往返中放大的增益，正向增益AV为供输入信号在没有输出信号36的负反馈情况下放大的增益。对于0至10kHz的音频范围，根据本发明的放大器优选地包括30dB以上的环路增益，优选地包括40dB以上的环路增益，并且特别优选地包括50dB以上的环路增益。
由于负反馈，没有与正向增益AV对应的负反馈的总增益AG以因子(1+AS)-1减小，从而使放大行为以总增益AG的代价线性化和稳定化。
因为开关输出级16位于环路42内的信号通路10中，所以环路增益AS和正向增益AV两者均与所施加的电源电压成正比。即，
AS＝KU·Asu和Av＝Ku·Avu,
其中，KU为与电源电压30相关的比例因子，并且，ASU或AVU为环路增益或正向增益的百分比，其不随电源电压30而变化。
因为用于被放大的输入信号的正向增益AV和环路增益AS两者均基本上大于1((AV,AS)>>1)，所以总增益AG大致对应于正向增益AV与环路增益AS的商数g，并且独立于所施加的电源电压30：
因此，在电源电压30因负反馈连接部20而变化的情况下，供输入信号放大到输出信号36的总增益AG也基本上保持不变。对于减小的电源电压30，环路增益AS和正向增益AV也随之减小，以使得总增益AG基本上保持不变。输出耦合的程度相应地自动提升。
对于高能效操作，电源电压30由此可以对弱输入信号进行适配，从而保持输出耦合的程度。
通过具有负反馈的、已知的开关放大器，环路增益AS将随着电源电压30中的变化而改变。然而，对于某些信号频率，这将导致反馈的输出 信号的相移，并由此导致放大器的不稳定性。
为了消除这种不稳定性，根据本发明的放大器8包括补偿装置，该补偿装置接收施加到开关输出级16的电源电压30或者源自电源电压的信号并且适合于至少部分地补偿因电源电压30中的变化而产生的环路增益的改变。
在根据本发明的放大器8的优选实施方式中，在Σ-Δ调制器14中实现对于环路增益AS中的改变的至少部分补偿。这被示出在图2中。
图2示出了由信号通路10经过的Σ-Δ调制器14。在Σ-Δ调制器14内的信号通路10上连续地布置有第一积分器44、第二积分器46和量化器48。此外，Σ-Δ调制器14包括调制器-负反馈连接部50，调制器-负反馈连接部50在本描述中被考虑为信号通路的一部分并且其上布置有乘法器52。此外，图2示出了第二模数转换器32，第二模数转换器32接收电源电压30并且与第一积分器44和第二积分器46以及附加地与乘法器52连接。
通过调制器-负反馈连接部50的辅助，开关信号从Σ-Δ调制器14的输出反馈，并且随后与通过第二模数转换器32的辅助生成的、源自电源电压30的数字信号相乘。通过乘法器52的辅助实现了信号相乘，以使得乘法器52通过包括例如值“0”或值“1”的开关信号的辅助进行切换，并且使得该乘法器52响应于开关信号提供源自电源电压30的数字信号的值或反值。由此，通过乘法器52提供的信号经由调制器-负反馈连接部50反馈并且与数字环路滤波器12的输出信号结合。调制器-负反馈连接部50中的与源自电源电压30的信号相乘有效地对应于信号通路10的正向方向上的信号分割。调制器-负反馈连接部50的信号方向对应于信号通路10的逆向方向。由于该分割，在开关输出级16处由于电源电压30中的变化产生的、与电源电压30成正比的环路增益的改变被至少部分地补偿。因此，用易于执行的信号相乘替代了昂贵的信号分割，其中该信号相乘仅基于二元或三元开关信号，并且仅由通过乘法器52的辅助的相乘构成而易于执行。
为了确保Σ-Δ调制器14保持稳定，对第一积分器44和第二积分器46的状态变量进行适配。下文中将通过图3对其进行说明。
图3示出了数字积分器的电路框图，该数字积分器例如可用作第一积分器44和第二积分器46，并且实现在硬件可编程部件38上，尤其是实现 在FPGA上。图3示出了与第二模数转换器32连接的电源电压30和包括延迟元件54、积分器饱和部56、加法器57和积分器反馈部58的数字积分器。在数字积分器的输入处设有积分系数60。积分器饱和部56通过饱和值62确定。
积分器在每个时钟周期将其经由积分器反馈部58反馈给加法器57的输出值提高与积分系数60相乘的积分器输入值。积分器饱和部56确保了积分器的输出值不超过饱和值62。为了确保Σ-Δ调制器14的稳定性，有必要使第一积分器44和第二积分器46的状态变量以及其输出值包括独立于电源电压30的、定义的饱和行为。因为调制器-负反馈连接部50上的信号反馈根据电源电压30而改变，积分器输入值也根据电源电压30而改变，并且由此饱和根据电源电压30而发生。为了确保第一积分器44和第二积分器46的饱和行为也保持由电源电压30中的变化限定，根据电源电压30中的变化对第一积分器44和第二积分器46的饱和值62进行适配。因此，也确保了Σ-Δ调制器14对于电源电压30中的变化的稳定性。
因为通过与仅具有1比特字宽的开关信号进行的信号相乘而进行的信号适配可使硬件费用被最小化并且可以通过简单的乘法器52的辅助实现，所以图1中、尤其是在图2和图3中描述的放大器表现出了本发明的特别有利的实施方式。此外，因为调制器-负反馈连接部50中的噪声在该位置处通过负反馈连接部20抑制，所以用于提供源自电源电压30的数字信号的第二模数转换器32的解析度不需要特别高。
作为FPGA的替代，根据本发明的放大器能够可选地通过ASIC的辅助来实现，其中，在上面描述中的分配给FPGA的切换分量随后数字化地实现在ASIC中。
然而，根据本发明的放大器并不限于上面描述的示例性实施方式。适配环路增益AS的另一种可能性由负反馈连接部20中的信号相乘构成。然而，这将会改变总增益AG，由此使得在环路42之外的信号通路10中相对应的信号适配是必要的，而这仅影响正向增益AV，但不影响环路增益AS。因此，通过在放大器中的不同的位置处使用两种适配，对于施加到开关输出级16的电源电压30中的变化，环路增益AS和总增益AG两者(至少大致)保持恒定。
另一种可能性由环路42内的信号通路10的正向方向上的信号分割构成。然而，被分割的信号的字宽是相对较高的，由此相比于优选的实施方式必要的硬件费用也是较高的。
虽然已在附图和上面的描述中公开和描述了优选的实施方式，但这仅仅应当被视为示例而不是约束本发明。应注意，仅对优选的实施方式进行了详细示出和描述，并且落于本发明的范围内的现在和未来所进行改变和修改都应被保护。重要的是，所示出的特征可以随机组合。
参考符号列表
8：放大器
10：信号通路
12：数字环路滤波器
14：数字Σ-Δ调制器
16：开关输出级
18：滤波器
20：负反馈连接部
22：模拟环路滤波器
24：第一模数转换器
25：数字滤波器
26：数模负反馈连接部
28：数模转换器
30：可变电源电压
32：第二模数转换器
34：数字输入
36：输出信号
38：硬件可编程部件
40：时钟源
42：环路
44：第一积分器
46：第二积分器
48：量化器
50：调制器-负反馈连接部
52：乘法器
54：延迟元件
56：积分器饱和部
57：加法器
58：积分器反馈部
60：积分系数
62：饱和值

Claims (25)

1.一种用于将输入信号放大到输出信号(36)的放大器(8)，其中，所述放大器(8)包括信号通路(10)和负反馈连接部(20)，
其中，所述信号通路(10)包括：
-调制装置，适合于接收所述输入信号并且适合于响应于接收到的所述输入信号生成开关信号；以及
-开关输出级(16)，与电源电压(30)连接，其中，所述开关输出级(16)包括根据由所述调制装置生成的开关信号进行切换的切换装置，并且所述开关输出级(16)生成输出信号(36)，其中，所述输出信号(36)的振幅取决于所述电源电压(30)，以及
其中，所述负反馈连接部(20)适合于反馈所述开关输出级(16)的所述输出信号(36)以与所述输入信号结合，
其中，所述信号通路(10)和所述负反馈连接部(20)形成具有环路增益的环路(42)，
其中，所述放大器包括补偿装置，所述补偿装置接收所述开关输出级(16)的所述电源电压(30)或者源自所述电源电压的信号，并且所述补偿装置适合于至少部分地补偿因所述电源电压(30)中的变化而产生的所述环路增益的改变，
其中，所述补偿装置适合于根据所述电源电压(30)来放大或减小所述环路(42)的信号通路段中的信号，以通过这种方式抵消基于所述电源电压(30)中的变化而产生的环路增益的改变，
其中，所述的放大器还包括：调制器-负反馈连接部(50)，其适合于将所述开关信号反馈到所述调制装置的输入，以在所述调制装置的输入处与信号结合，以及
其中，所述补偿装置适合于根据所述电源电压(30)来放大或减小所述调制器-负反馈连接部(50)上的信号，以通过这种方式抵消基于所述电源电压(30)中的变化而产生的环路增益的改变。
2.根据权利要求1所述的放大器(8)，还包括：用于根据所述输入信号来改变所述电源电压(30)的装置。
3.根据权利要求1或2所述的放大器(8)，其中，所述补偿装置适合于将所述开关输出级(16)的所述电源电压(30)或者源自所述电源电压的信号与所述调制器-负反馈连接部(50)上的信号相乘。
4.根据权利要求3所述的放大器(8)，其中，所述补偿装置包括乘法器(52)，并且其中，所述开关输出级(16)的所述电源电压(30)或者源自所述电源电压的信号通过所述乘法器(52)与所述开关信号相乘以形成具有所述电源电压(30)的值或反值、或者具有源自所述电源电压(30)的信号的值或反值的信号。
5.根据权利要求4所述的放大器(8)，其中，所述调制装置包括Σ-Δ调制器(14)，其中，所述Σ-Δ调制器(14)优选地包括具有两个或更多积分器的环路滤波器(44、46)。
6.根据权利要求5所述的放大器(8)，其中，所述环路滤波器(44、46)能够呈现受至少一个状态变量影响的状态，对于所述至少一个状态变量，所述环路滤波器(44、46)包括限制值(62)，其中，所述补偿装置适合于响应于所述电源电压(30)中的变化相应地适配所述限制值(62)。
7.根据权利要求5所述的放大器(8)，其中，所述Σ-Δ调制器(14)在硬件可编程部件(38)上实现。
8.根据权利要求7所述的放大器(8)，其中，所述Σ-Δ调制器(14)优选在FPGA上实现。
9.根据权利要求7所述的放大器(8)，还包括：
数字环路滤波器(12)，布置在所述信号通路(10)中所述Σ-Δ调制器(14)的上游，并且适合于在所述输入信号与通过所述负反馈连接部(20)反馈的所述输出信号(36)结合后接收并放大该输入信号，其中，所述数字环路滤波器(12)在所述硬件可编程部件(38)上实现。
10.根据权利要求9所述的放大器(8)，其中，所述数字环路滤波器(12)优选在FPGA上实现。
11.根据权利要求7所述的放大器(8)，其中，所述负反馈连接部还包括：
-模拟环路滤波器(22)；以及
-二阶的第一模数转换器(24)，其输入与所述模拟环路滤波器(22)的输出连接。
12.根据权利要求11所述的放大器(8)，还包括：
-数模负反馈连接部(26)，其适合于反馈所述第一模数转换器(24)的输出信号，以与所述开关输出级(16)的反馈的输出信号(36)结合；以及
-数模转换器(28)，其适合于将所述第一模数转换器(24)的反馈输出信号转换成模拟信号。
13.根据权利要求12所述的放大器(8)，还包括：
数字滤波器(25)，其输入与所述第一模数转换器(24)的输出连接，其中，所述数模负反馈连接部(26)适合于反馈所述数字滤波器(25)的输出信号，以与所述开关输出级(16)的反馈的输出信号(36)结合。
14.根据权利要求11所述的放大器(8)，还包括：
时钟源(40)，用于数字信号处理和/或用于数字信号生成，其中，所述第一模数转换器(24)被布置成以100kHz以上的采样频率操作。
15.根据权利要求14所述的放大器(8)，其中，所述第一模数转换器(24)优选布置成以1MHz以上的采样频率操作。
16.根据权利要求15所述的放大器(8)，其中，所述第一模数转换器(24)优选布置成以10MHz以上的采样频率操作。
17.根据权利要求1或2所述的放大器(8)，还包括：
滤波器(18)，其输入与所述开关输出级(16)的输出连接，其中，所述负反馈连接部(20)适合于反馈位于所述滤波器(18)的上游或下游的所述开关输出级(16)的输出信号(36)。
18.根据权利要求7所述的放大器(8)，还包括：
第二模数转换器(32)，其适合于将所述电源电压(30)转换成数字信号并且适合于将所转换的数字信号转发到所述补偿装置。
19.根据权利要求1或2所述的放大器(8)，其被布置成通过外部连接的电源电压(30)操作。
20.根据权利要求1或2所述的放大器(8)，其中，所述开关输出级(16)由H电桥形成，和/或所述切换装置由功率MOSFET晶体管形成。
21.一种用于将输入信号放大到输出信号(36)的放大器(8)，其中，所述放大器(8)包括信号通路(10)和负反馈连接部(20)，
其中，所述信号通路(10)包括：
-调制装置，适合于接收所述输入信号并且适合于响应于接收到的所述输入信号生成开关信号；以及
-开关输出级(16)，与电源电压(30)连接，其中，所述开关输出级(16)包括根据由所述调制装置生成的开关信号进行切换的切换装置，并且所述开关输出级(16)生成输出信号(36)，其中，所述输出信号(36)的振幅取决于所述电源电压(30)，以及
其中，所述负反馈连接部(20)适合于反馈所述开关输出级(16)的所述输出信号(36)以与所述输入信号结合，
其中，所述信号通路(10)和所述负反馈连接部(20)形成具有环路增益的环路(42)，
其中，所述放大器包括补偿装置，所述补偿装置接收所述开关输出级(16)的所述电源电压(30)或者源自所述电源电压的信号，并且所述补偿装置适合于至少部分地补偿因所述电源电压(30)中的变化而产生的所述环路增益的改变，
其中，所述补偿装置适合于根据所述电源电压(30)来放大或减小所述环路(42)的信号通路段中的信号，以通过这种方式抵消基于所述电源电压(30)中的变化而产生的环路增益的改变，
其中，所述补偿装置适合于通过所述开关输出级(16)的所述电源电压(30)或者源自所述电源电压的信号分割所述信号通路(10)上的信号。
22.一种通过放大器(8)的辅助将输入信号放大到输出信号(36)的方法，其中，所述放大器(8)包括信号通路(10)和负反馈连接部(20)，所述信号通路(10)和所述负反馈连接部(20)形成具有环路增益的环路(42)，其中所述方法包括以下步骤：
-接收所述输入信号；
-通过调制装置的辅助生成开关信号；
-通过与电源电压(30)连接的开关输出级(16)的辅助生成输出信号(36)，其中，所述开关输出级(16)包括切换装置，所述切换装置根据由所述调制装置生成的所述开关信号进行切换，其中，所述输出信号(36)的振幅取决于所述电源电压(30)；
-通过所述负反馈连接部(20)的辅助反馈所述开关输出级(16)的输出信号(36)；
-将反馈的所述输出信号(36)与所述输入信号结合，
其中，所述方法包括以下步骤：
-通过使用补偿装置至少部分地补偿因所述电源电压(30)中的变化而产生的所述环路增益的改变，其中，所述补偿装置接收所述开关输出级(16)的所述电源电压或者源自所述电源电压的信号，
其中，所述补偿装置根据所述电源电压(30)来放大或减小所述环路(42)的信号通路段中的信号，以通过这种方式抵消基于所述电源电压(30)中的变化而产生的环路增益的改变，
其中，所述的放大器(8)还包括调制器-负反馈连接部(50)，所述开关信号被反馈到所述调制装置的输入，以在所述调制装置的输入处与信号结合，以及
其中，所述补偿装置根据所述电源电压(30)来放大或减小所述调制器-负反馈连接部(50)上的信号，以通过这种方式抵消基于所述电源电压(30)中的变化而产生的环路增益的改变。
23.根据权利要求22所述的方法，其使用根据权利要求1或2所述的放大器(8)。
24.一种通过放大器(8)的辅助将输入信号放大到输出信号(36)的方法，其中，所述放大器(8)包括信号通路(10)和负反馈连接部(20)，所述信号通路(10)和所述负反馈连接部(20)形成具有环路增益的环路(42)，其中所述方法包括以下步骤：
-接收所述输入信号；
-通过调制装置的辅助生成开关信号；
-通过与电源电压(30)连接的开关输出级(16)的辅助生成输出信号(36)，其中，所述开关输出级(16)包括切换装置，所述切换装置根据由所述调制装置生成的所述开关信号进行切换，其中，所述输出信号(36)的振幅取决于所述电源电压(30)；
-通过所述负反馈连接部(20)的辅助反馈所述开关输出级(16)的输出信号(36)；
-将反馈的所述输出信号(36)与所述输入信号结合，
其中，所述方法包括以下步骤：
-通过使用补偿装置至少部分地补偿因所述电源电压(30)中的变化而产生的所述环路增益的改变，其中，所述补偿装置接收所述开关输出级(16)的所述电源电压或者源自所述电源电压的信号，
其中，所述补偿装置根据所述电源电压(30)来放大或减小所述环路(42)的信号通路段中的信号，以通过这种方式抵消基于所述电源电压(30)中的变化而产生的环路增益的改变，以及
其中，所述补偿装置通过所述开关输出级(16)的所述电源电压(30)或者源自所述电源电压的信号分割所述信号通路(10)上的信号。
25.根据权利要求24所述的方法，其使用根据权利要求1或2所述的放大器(8)。
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