CN105811901B - 基于伺服驱动的音频功率放大器及其音频输出方法 - Google Patents

基于伺服驱动的音频功率放大器及其音频输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于伺服驱动的音频功率放大器及其音频输出方法，音频功率放大器包括依次连接的信号输入级、比较器、大功率开关电路、LC低通滤波器和负载。其音频输出方法是输入信号先由信号输入级将输入信号进行放大处理，并输入到比较器的正相端；来自大功率开关电路的模拟量信号输送至比较器的反相端；反相端的电压和正相端的电压进行比较产生初级PWM信号；再通过大功率开关电路中的驱动电路转变成大功率PWM信号；通过LC低通滤波器消除大功率PWM信号中的干扰成分，并输送至负载。与传统音频功率放大器相比，本音频功率放大器输出音质更好，应用范围更广。

Description

基于伺服驱动的音频功率放大器及其音频输出方法
技术领域
本发明涉及音频输出技术领域，特别涉及一种基于伺服驱动的音频功率放大器及其音频输出方法。
背景技术
传统的音频功率放大器在实际生活的应用中，常常存在以下不足：
(1)效率低，其输出的功率难以满足现代高级音响的需求；
(2)由于模拟功放中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载(即扬声器)大小的影响，输出不稳定；
(3)传统音频功率放大器多存在由于对管配对及各级调整不佳产生的过零、交越失真等现象，同时也存在由于晶体管在小电流时的非线性特性而引起的在输出波形正负交叉处的失真现象；
(4)大功率输出需要庞大的散热系统做后盾，但系统组织结构较大时，无法满足家庭AV对设备的要求，因此难以得到应用。
(5)D类数字功放采用高频三角锯齿波形形式，由于周期的频率固定，无法修正超调量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种输出音质好、应用范围广的基于伺服驱动的音频功率放大器。
本发明的另一目的在于提供一种上述基于伺服驱动的音频功率放大器的音频输出方法。
本发明的技术方案为：一种基于伺服驱动的音频功率放大器，包括依次连接的信号输入级、比较器、大功率开关电路、LC低通滤波器和负载；
信号输入级用于处理作为输入信号的音频功率放大器的各种音源信号，提高共模抑制比和抗干扰能力；
比较器用于输出正脉冲或负脉冲，以驱动大功率开关电路；当正相的电平高于反向的电平时，输出正脉冲；当正相的电平低于反向的电平时，输出负脉冲；
大功率开关电路输出两路信号，一路为通过大功率脉冲电流的整形恢复成与输入信号相同的音频信号提供给负载，另一路为通过积分器还原出与输入信号成相同幅值的模拟量信号提供给比较器；
LC低通滤波器用于消除大功率PWM信号的干扰成分，为负载提供音频驱动电流。
所述大功率开关电路包括相连接的放大电路和驱动电路；放大电路输出音频信号和模拟量信号，音频信号通过LC低通滤波器输送至负载，模拟量信号输送至比较器；驱动电路将经过比较器调制的初级PWM信号转变为大功率PWM信号。
所述放大电路内设有积分器，积分器用于将输入信号还原成相同幅值的模拟量信号。
所述负载与比较器模块之间还设有保护电路，用于防止音频功率放大器内电路出现故障对负载产生影响。
所述LC低通滤波器包括相连接的两个巴特沃斯滤波器，两个巴特沃斯滤波器为负载提供音频驱动电流，巴特沃斯滤波器保证了全频段内的平滑频响，可使音频功率放大器具有良好的动态响应。
所述音频功率放大器外接三相高速开关电源，为音频功率放大器内的各电路单元提供稳定的直流电源。
所述负载为扬声器。
所述信号输入级内设有运算放大器，该运算放大器采用差动的放大电路，对输入功率放大器的各种音源信号进行处理，提供共模抑制比和抗干扰能力。
上述基于伺服驱动的音频功率放大器的音频输出方法，包括以下步骤：
(1)作为输入信号的音源信号先进入信号输入级，由信号输入级将输入信号进行放大处理，并输入到比较器的正相端；
(2)来自大功率开关电路的模拟量信号输送至比较器的反相端；
(3)反相端的电压和正相端的电压进行比较，使比较器的状态发生翻转并调制成初级PWM信号；
(4)步骤(3)产生的初级PWM信号通过大功率开关电路中的驱动电路转变成大功率PWM信号；
(5)通过LC低通滤波器消除大功率PWM信号中的干扰成分，并输送至负载。
其中，大功率开关电路采用了四个MOSFET，输出两路信号，一路通过大功率脉冲电流的整形恢复成与输入信号相同的音频信号，另一路通过积分器还原出与输入信号成相同幅值的模拟量信号，但由于积分电路的存在，远离音频信号的某些频段会产生相位差，当这个相位差足够大时，会令整个电路产生震荡，但是没有固定的震荡频率，比一般的数字功放相比，会获得更大的驱动能力。
本音频功率放大器基于伺服驱动技术，利用PFM与PWM(即宽度与频率)的复合调制开关式，没有固定的采样频率，其载波脉冲调制宽度随信号的复制变化而变化，具体原理为：当输入信号为零时，由于电路元器件自身的噪音或误差，令二阶积分电路产生在某个频率上相位滞后180度，比较器的误差处于不稳定状态，从而令自身状态反正翻转，产生正脉冲或负脉冲，从而驱动开关电路产生状态翻转，而这个脉冲信号通过积分电路形成并与输入信号相比较，当驱动开关电路的状态令这个电路的脉冲放大，这个被放大的脉冲信号经过积分器还原出相应的模拟量信号，并送到比较器的反相端继续与输入信号进行比较；当反相端的电压比正相端的电压高时，比较器状态发生翻转从而驱动开关电路，由于积分器在高频端存在信号滞后，在电路中会产生自激振荡，自激振荡的中心频率将由积分电路决定。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本音频功率放大器成功将伺服驱动技术应用于扬声器的驱动系统，与传统的音频功率放大器相比较，取消了三角波采样的频率，利用低通滤波器产生的相移，没有固定的载波频率，大功率开关电路可以以更快的速度将输出偏差值向相反的方向修正。克服了D类放大器失真大、由于周期的频率固定而无法修正超调量的现象，也克服了传统开关电路需要等待时钟信号的下个周期去修正的缺陷。从而使本音频功率放大器输出的声音定位更清晰，音场更宽阔。
附图说明
图1为本音频功率放大器的原理示意图。
图2为信号输入级与比较器的电路原理示意图。
图3为大功率开关电路中放大电路的原理示意图。
图4为大功率开关电路中驱动电路的原理示意图。
图5为保护电路的原理示意图。
图6为三相高速开关电源提供的供电系统电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种基于伺服驱动的音频功率放大器，如图1所示，包括依次连接的信号输入级、比较器、大功率开关电路、LC低通滤波器和负载；
信号输入级用于处理作为输入信号的音频功率放大器的各种音源信号，提高共模抑制比和抗干扰能力；
比较器用于输出正脉冲或负脉冲，以驱动大功率开关电路；当正相的电平高于反向的电平时，输出正脉冲；当正相的电平低于反向的电平时，输出负脉冲；
大功率开关电路输出两路信号，一路为通过大功率脉冲电流的整形恢复成与输入信号相同的音频信号提供给负载，另一路为通过积分器还原出与输入信号成相同幅值的模拟量信号提供给比较器；
LC低通滤波器用于消除大功率PWM信号的干扰成分，为负载提供音频驱动电流。
其中，大功率开关电路包括相连接的放大电路(其电路原理如图3所示)和驱动电路(其电路原理如图4所示)；放大电路输出音频信号和模拟量信号，音频信号通过LC低通滤波器输送至负载，模拟量信号输送至比较器；驱动电路将经过比较器调制的初级PWM信号转变为大功率PWM信号。
放大电路内设有积分器，积分器用于将输入信号还原成相同幅值的模拟量信号。
负载与比较器模块之间还设有保护电路(其电路原理如图5所示)，用于防止音频功率放大器内电路出现故障对负载产生影响。该保护电路可采用与现有音频功率放大器相同的保护电路。
LC低通滤波器包括相连接的两个巴特沃斯滤波器，两个巴特沃斯滤波器为负载提供音频驱动电流，巴特沃斯滤波器保证了全频段内的平滑频响，可使音频功率放大器具有良好的动态响应。
音频功率放大器外接三相高速开关电源(形成的供电系统原理如图6所示)，为音频功率放大器内的各电路单元提供稳定的直流电源。
负载为扬声器。
信号输入级内设有运算放大器，该运算放大器采用差动的放大电路，对输入功率放大器的各种音源信号进行处理，提供共模抑制比和抗干扰能力。如图2所示，为信号输入级与比较器连接的电路原理。
上述基于伺服驱动的音频功率放大器的音频输出方法，包括以下步骤：
(1)作为输入信号的音源信号先进入信号输入级，由信号输入级将输入信号进行放大处理，并输入到比较器的正相端；
(2)来自大功率开关电路的模拟量信号输送至比较器的反相端；
(3)反相端的电压和正相端的电压进行比较，使比较器的状态发生翻转并调制成初级PWM信号；
(4)步骤(3)产生的初级PWM信号通过大功率开关电路中的驱动电路转变成大功率PWM信号；
(5)通过LC低通滤波器消除大功率PWM信号中的干扰成分，并输送至负载。
其中，大功率开关电路采用了四个MOSFET，输出两路信号，一路通过大功率脉冲电流的整形恢复成与输入信号相同的音频信号，另一路通过积分器还原出与输入信号成相同幅值的模拟量信号，但由于积分电路的存在，远离音频信号的某些频段会产生相位差，当这个相位差足够大时，会令整个电路产生震荡，但是没有固定的震荡频率，比一般的数字功放相比，会获得更大的驱动能力。
本音频功率放大器基于伺服驱动技术，利用PFM与PWM(即宽度与频率)的复合调制开关式，没有固定的采样频率，其载波脉冲调制宽度随信号的复制变化而变化，具体原理为：当输入信号为零时，由于电路元器件自身的噪音或误差，令二阶积分电路产生在某个频率上相位滞后180度，比较器的误差处于不稳定状态，从而令自身状态反正翻转，产生正脉冲或负脉冲，从而驱动开关电路产生状态翻转，而这个脉冲信号通过积分电路形成并与输入信号相比较，当驱动开关电路的状态令这个电路的脉冲放大，这个被放大的脉冲信号经过积分器还原出相应的模拟量信号，并送到比较器的反相端继续与输入信号进行比较；当反相端的电压比正相端的电压高时，比较器状态发生翻转从而驱动开关电路，由于积分器在高频端存在信号滞后，在电路中会产生自激振荡，自激振荡的中心频率将由积分电路决定。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (7)

1.基于伺服驱动的音频功率放大器，其特征在于，包括依次连接的信号输入级、比较器、大功率开关电路、LC低通滤波器和负载；
信号输入级用于处理作为输入信号的音频功率放大器的各种音源信号，提高共模抑制比和抗干扰能力；
比较器用于输出正脉冲或负脉冲，以驱动大功率开关电路；当正相的电平高于反向的电平时，输出正脉冲；当正相的电平低于反向的电平时，输出负脉冲；
大功率开关电路输出两路信号，一路为通过大功率脉冲电流的整形恢复成与输入信号相同的音频信号提供给负载，另一路为通过积分器还原出与输入信号成相同幅值的模拟量信号提供给比较器；
LC低通滤波器用于消除大功率PWM信号的干扰成分，为负载提供音频驱动电流；
所述大功率开关电路包括相连接的放大电路和驱动电路；放大电路输出音频信号和模拟量信号，音频信号通过LC低通滤波器输送至负载，模拟量信号输送至比较器；驱动电路将经过比较器调制的初级PWM信号转变为大功率PWM信号；
所述负载为扬声器。
2.根据权利要求1所述基于伺服驱动的音频功率放大器，其特征在于，所述放大电路内设有积分器。
3.根据权利要求1所述基于伺服驱动的音频功率放大器，其特征在于，所述负载与比较器模块之间还设有保护电路。
4.根据权利要求1所述基于伺服驱动的音频功率放大器，其特征在于，所述LC低通滤波器包括相连接的两个巴特沃斯滤波器。
5.根据权利要求1所述基于伺服驱动的音频功率放大器，其特征在于，所述音频功率放大器外接三相高速开关电源。
6.根据权利要求1所述基于伺服驱动的音频功率放大器，其特征在于，所述信号输入级内设有运算放大器。
7.权利要求1～6任一项所述基于伺服驱动的音频功率放大器的音频输出方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)作为输入信号的音源信号先进入信号输入级，由信号输入级将输入信号进行放大处理，并输入到比较器的正相端；
(2)来自大功率开关电路的模拟量信号输送至比较器的反相端；
(3)反相端的电压和正相端的电压进行比较，使比较器的状态发生翻转并调制成初级PWM信号；
(4)步骤(3)产生的初级PWM信号通过大功率开关电路中的驱动电路转变成大功率PWM信号；
(5)通过LC低通滤波器消除大功率PWM信号中的干扰成分，并输送至负载。
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