CN104811153A - 随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，它涉及电子技术领域。输入缓冲级、可控增益电压放大级、可调阈值动态范围控制器、电流放大级、扬声器负载依次相连，可充电池分别与输入缓冲级、可控增益电压放大级、可调阈值动态范围控制器、电流放大级和电池电压监控和转换电路相连，电池电压监控和转换电路与可控增益电压放大级、可调阈值动态范围控制器相连。本发明使功率放大器在各个电压下始终都工作在可控的状态下，随着电池电压的降低其最大不失真功率虽然也随之下降，但功放没有进入失真状态，用户能始终获得悦耳的听音体验。

Description

随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器
技术领域
本发明涉及的是电子技术领域，具体涉及随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器。 
背景技术
目前在便携式的音响产品中大量使用了可充电电池，其大多为锂电池或者聚合物电池，电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的端电压将逐渐降低，通常从4.2V开始下降，当低于锂电池的最低工作电压时，如果还继续放电则会降低电池重复使用寿命甚至损坏电池。因此这类可充电池一般都加有低压保护板，保护板监测电池端电压一旦低于低压保护电压时，则断开输出端防止过度放电以起到保护作用。视各种情况而言保护电压一般可设定为2.5-3.5V。按3V算，相当于从4.2V降低了28％。 
在音响功率放大电路中，最大的不失真输出功率受供电电压的影响较大，通常为反平方特性，即电池降到最高电压的90％时，最大的不失真输出功率降低到81％，按上面的例子电压降低28％算，最大不失真功率也降到了51％。 
最大不失真功率在使用中随电池电压的下降，由于用户使用时并没有加以人工干预，所以功放将可能工作在严重的失真状态，声音变得非常难听和刺耳。 
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，在检测电池电压的同时，由电路自动产生两种干预，第一种干预是调整动态范围控制阈值，第二种是降低整体的增益，两种干预技术的加入，使功率放大器在各个电压下始终都工作在可控的状态下，随着电池电压的降低其最大不失真功率虽然也随之下降，但功放没有进入失真状态，用户能始终获得悦耳的听音体 验。 
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，包括输入缓冲级、可控增益电压放大级、可调阈值动态范围控制器、电流放大级、扬声器负载、可充电池和电池电压监控和转换电路，输入缓冲级、可控增益电压放大级、可调阈值动态范围控制器、电流放大级、扬声器负载依次相连，可充电池分别与输入缓冲级、可控增益电压放大级、可调阈值动态范围控制器、电流放大级和电池电压监控和转换电路相连，电池电压监控和转换电路与可控增益电压放大级、可调阈值动态范围控制器相连；所述的电池电压监控和转换电路包括第一电阻-第三电阻，第一运算放大器-第三运算放大器和逻辑电路，第一运算放大器-第三运算放大器的同相输出端分别通过第一电阻-第三电阻接至检测的电池电压端UBAT，第一运算放大器-第三运算放大器的反相输入端分别接第一参考电压端UREF1、第二参考电压端UREF2和第三参考电压端UREF3，第一运算放大器-第三运算放大器的输出端分别与逻辑电路的i1脚、i2脚和i3脚相连。 
所述的可控增益电压放大级2包括第一多掷继电器K1、第四运算放大器，输入信号端Ui通过第一多掷继电器分别与第四十一电阻-第四十五电阻、第五电阻及第四运算放大器的同相输出端相连，第四运算放大器的反相输入端接第六电阻和第七电阻，第六电阻和第四运算放大器的输出端接输出信号端Uo。 
所述的可调阈值动态范围控制器包括第二多掷继电器、第五运算放大器、第六运算放大器，二极管正极、第六运算放大器的同相输出端均与输入信号端Ui相连，二极管负极通过第八电阻接至第一电容和第五运算放大器的一端，第五运算放大器的同相输出端通过第二多掷继电器接第九十一电阻-第九十五电阻任意相邻电阻间的触点，第五运算放大器的输出端通过第十电阻接至第二电容和场效应管，场效应管与第十二电阻和第十三电阻相连，第十二电阻接第十一电阻和第六运算放大器的反相输入端，第十一电阻接第六运算放大器的输出端和输出信号端Uo。 
本发明电路结构保持了处于前端的电压缓冲级和处于末端的电流放大级，在此之上，本专利将一般功率放大器的电压增益放大级改为可控 增益的电压放大级，并增加了可调阈值的动态范围控制器、电池电压监控和转换电路。在检测电池电压的同时，由电路自动产生两种干预，第一种干预是调整动态范围控制阈值，第二种是降低整体的增益，两种干预技术的加入，使功率放大器在各个电压下始终都工作在可控的状态下，随着电池电压的降低其最大不失真功率虽然也随之下降，但功放没有进入失真状态，用户能始终获得悦耳的听音体验。 
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明； 
图1为一般音频功率放大器的原理框图； 
图2为本发明的原理框图； 
图3为本发明的整体电路图； 
图4为本发明的电池电压监控和转换电路； 
图5为本发明的可控增益电压放大级的电路图； 
图6为本发明的可调阈值动态范围控制器的电路图。 
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。 
参照图1-6，本具体实施方式采用以下技术方案：随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，包括随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，包括输入缓冲级1、可控增益电压放大级2、可调阈值动态范围控制器3、电流放大级4、扬声器负载5、可充电池6和电池电压监控和转换电路7，输入缓冲级1、可控增益电压放大级2、可调阈值动态范围控制器3、电流放大级4、扬声器负载5依次相连，可充电池6分别与输入缓冲级1、可控增益电压放大级2、可调阈值动态范围控制器3、电流放大级4和电池电压监控和转换电路7相连，电池电压监控和转换电路7与可控增益电压放大级2、可调阈值动态范围控制器3相连；所述的电池电压监控和转换电路7包括第一电阻R1-第三电阻R3，第一运算放大器U1-第三运算放大器U3和逻辑电路A1，第一运算放大器 U1-第三运算放大器U3的同相输出端分别通过第一电阻R1-第三电阻R3接至检测的电池电压端UBAT，第一运算放大器U1-第三运算放大器U3的反相输入端分别接第一参考电压端UREF1、第二参考电压端UREF2和第三参考电压端UREF3，第一运算放大器U1-第三运算放大器U3的输出端分别与逻辑电路A1的i1脚、i2脚和i3脚相连。 
一般音频功率放大器的原理框图如图1，通常包括输入缓冲级、电压放大级和电流放大级，而可充电池提供电的电源。(横向线条为音频信号流动方向，斜线条为供电回路)。 
与一般功率放大器对比，参照图2，本电路结构保持了处于前端的电压缓冲级和处于末端的电流放大级，在此之上，本专利将一般功率放大器的电压增益放大级改为可控增益的电压放大级，并增加了可调阈值的动态范围控制器、电池电压监控和转换电路。 
本具体实施方式的可充电池电压监控部分负责监测科充电电池的端电压，并按设定的电池电压区间根据一定逻辑多个控制脚电平的高低，这些控制脚用于控制后面的可控增益电压放大级和可调阈值动态范围控制器。 
一般而言，对于常见的N节串联的可充锂或聚合物电池来说，其每节的工作电压一般在3-4.3V，则需要检测的电压范围从N*3到N*4.3伏特，其他的电池类型以此类推。因为最大不失真功率的降低和电压降低成平方特性，因此可以N*3到N*4.3V之间按平方特性分出多个个区间，但为更好表示和划分，可以用分贝来表示，这样电压的降低分贝数和功率降低分贝数是对应的。 
常用的区间间隔为0.5dB已经足够，举例划分如下(以0dB参考电压为4.3V算)： 
本部分的参考电路如下，UBAT为检测的电池电压，UREF1-UREFN按实际划分区间的下限电压值提供多个不同的参考电压。R1-RN为缓冲电阻，U1-UN为运算放大器，它组成了多个电压比较器，当输入电压比该级的参考电压高时，则U1输出高电平。 
A1为逻辑电路，它的输入端il-iN接多个电压比较器输出，并转换成用于控制的输出端o1-oN，其真值表如下(以按6个电压区间划分为例) 
本具体实施方式的可控增益电压放大级2，它不但负担一般功率放大器所需要的总电压增益，还提供一个调整引脚以在某一个范围内调整总体增益。 
从电路结构看，简单的可控增益电压放大级可以通过一组可控的多掷继电器(或类似的电子开关)和运算放大器组成，Ui为输入信号端，Uo为输出信号端。K1为多掷继电器，它和R41-R4N及R5组成可调增益的部分，运算放大器U4和电阻R6、R7组成了常见的电压放大级，当K1打在直通档位时，电路增益为(R6+R7)/R7，而通过控制K1则可以获得不 同的增益。 
本具体实施方式的可调阈值动态范围控制器3从功率放大器来看，当负载和供电电压恒定时，最大不失真输出功率也恒定，最大功率输出时对应的输入电压成为额定输入电压。一旦输入电压超过额定输入电压，放大器的输出波形会削波，产生大量的失真成分而使声音变得很难听。 
动态范围控制器可解决这个问题，当输入电压超过设定的阈值时(阈值设置的稍微比额定输入电压小)，放大器的增益开始衰减，并一直衰减到预设的值，以使放大器的输出波形不出现失真。如果动态范围控制器的阈值是固定的，在使用电池供电的场合，当供电电压下降时，最大不失真输出功率会跟着下降，此时仍然会出现失真。 
本具体实施方式中采用的动态范围控制器的阈值是可调整的，其控制阈值端接收电池电压监控和转换电路传送过来的信号，根据电池电压的高低来调整动态范围控制器的阈值高低。这样可以避免固定阈值时由于电池电压下降带来的提前的失真。其包含重要元件的简单电路结构如下：Ui为信号输入端，Uo为信号输出端。输入信号经过D1、R8、C1组成的峰值检出电路(该电路可以改为有效值检出电路)，检出的信号峰值送入由运放U2组成的电压比较器，电压比较器的另一端的为可调整阈值电压，通过多掷开关K2来选择，UREF2为一参考电压，通过R91-R9N个分压电阻分成多个值。 
电压比较器输出端接第十电阻R10和第二二极管C2组成的积分电路。积分电路输出到由场效应管J1组成控制电路，J1源极接地，其漏极与R13并联，并与R12串联组成运放U3的对地电路。第十一电阻R11为第六运算放大器U6的反馈电阻。 
其工作原理如下：当输入电压Ui小于K2对应阈值电压时，第五运算放大器U5输出高电平，J1导通，此时J1呈现很小的等效电阻。整个电路的增益为： 
Uo/Ui＝(R11+R12)/R12 
当输入电压Ui大于K2对应的阈值电压是，U2输出低电平，J1截止， 整个电路的增益降低为： 
Uo/Ui＝(R11+R12+R13)/(R12+R13) 
输出信号变小，相当于调整了动态范围。 
通过合理调整三个电阻的值来选择恰当的正常增益和动态范围压缩的比例。 
同时，调整第八电阻R8和第一电容C1可改变电路动作的时间，调整第十电阻R10和第二二极管C2可改变电路的释放时间。 
本具体实施方式的整个电路架构如图6所示，其中K1、K2为多掷继电器或者电子开关，其动作由A1来控制。从整个通路来说，在输入可能产生过载时，电池电压监控和转换电路不但电池电压的高低来控制电压放大级的增益，还根据电池电压的高低来调整动态范围控制器的阈值高低。这样可避免电池电压较低时引起功放过载失真，还避免了仅调整动态范围控制器阈值引起动态过度压缩导致的听感不良。 
其调整方法举例如下： 
上述的电路架构还可以在数字信号处理器里面通过程序来完成，其原理是一样的。 
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范 围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (6)

1.随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，其特征在于，包括输入缓冲级(1)、可控增益电压放大级(2)、可调阈值动态范围控制器(3)、电流放大级(4)、扬声器负载(5)、可充电池(6)和电池电压监控和转换电路(7)，输入缓冲级(1)、可控增益电压放大级(2)、可调阈值动态范围控制器(3)、电流放大级(4)、扬声器负载(5)依次相连，可充电池(6)分别与输入缓冲级(1)、可控增益电压放大级(2)、可调阈值动态范围控制器(3)、电流放大级(4)和电池电压监控和转换电路(7)相连，电池电压监控和转换电路(7)与可控增益电压放大级(2)、可调阈值动态范围控制器(3)相连；所述的电池电压监控和转换电路(7)包括第一电阻(R1)-第三电阻(R3)，第一运算放大器(U1)-第三运算放大器(U3)和逻辑电路(A1)，第一运算放大器(U1)-第三运算放大器(U3)的同相输出端分别通过第一电阻(R1)-第三电阻(R3)接至检测的电池电压端UBAT，第一运算放大器(U1)-第三运算放大器(U3)的反相输入端分别接第一参考电压端UREF1、第二参考电压端UREF2和第三参考电压端UREF3，第一运算放大器(U1)-第三运算放大器(U3)的输出端分别与逻辑电路(A1)的i1脚、i2脚和i3脚相连。
2.根据权利要求1所述的随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，其特征在于，所述的可控增益电压放大级(2)包括第一多掷继电器(K1)、第四运算放大器(U4)，输入信号端Ui通过第一多掷继电器(K1)分别与第四十一电阻(R41)-第四十五电阻(R45)、第五电阻(R5)及第四运算放大器(U4)的同相输出端相连，第四运算放大器(U4)的反相输入端接第六电阻(R6)和第七电阻(R7)，第六电阻(R6)和第四运算放大器(U4)的输出端接输出信号端Uo。
3.根据权利要求1所述的随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，其特征在于，所述的可调阈值动态范围控制器(3)包括第二多掷继电器(K2)、第五运算放大器(U5)、第六运算放大器(U6)，二极管(D1)正极、第六运算放大器(U6)的同相输出端均与输入信号端Ui相连，二极管(D1)负极通过第八电阻(R8)接至第一电容(C1)和第五运算放大器(U5)的一端，第五运算放大器(U5)的同相输出端通过第二多掷继电器(K2)接第九十一电阻(R91)-第九十五电阻(R95)任意相邻电阻间的触点，第五运算放大器(U5)的输出端通过第十电阻(R10)接至第二电容(C2)和场效应管(J1)，场效应管(J1)与第十二电阻(R12)和第十三电阻(R13)相连，第十二电阻(R12)接第十一电阻(R11)和第六运算放大器(U6)的反相输入端，第十一电阻(R11)接第六运算放大器(U6)的输出端和输出信号端Uo。
4.根据权利要求1所述的随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，其特征在于，所示的电池电压监控和转换电路(7)负责监测科充电电池的端电压，并按设定的电池电压区间根据一定逻辑多个控制脚电平的高低，这些控制脚用于控制后面的可控增益电压放大级和可调阈值动态范围控制器。
5.根据权利要求1所述的随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，其特征在于，可控增益电压放大级(2)，它不但负担一般功率放大器所需要的总电压增益，还提供一个调整引脚以在某一个范围内调整总体增益。
6.根据权利要求1所述的随电池电压变动而调整增益和动态范围的功率放大器，其特征在于，动态范围控制器(3)的阈值是可调整的，其控制阈值端接收电池电压监控和转换电路传送过来的信号，根据电池电压的高低来调整动态范围控制器的阈值高低。这样可以避免固定阈值时由于电池电压下降带来的提前的失真。
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