CN1066872C - 低输入信号带宽压缩器和放大器控制电路 - Google Patents

Abstract

一种具有响应于节目输入信号的前置放大器、滤波器电路和绝对值电路的放大器。前置放大器自动平衡高频和中频通道信号以提供补偿信号。滤波器电路耦合以接收和自动滤除补偿信号从而提供输出信号和经修正的补偿信号。滤波器电路具有随控制信号降低而自动减小带宽的可调带宽。滤波器电路用压控放大器或一光电元件与积分器相结合。绝对值电路检测到经修正的补偿信号提供正比于经修正的补偿信号振幅的平均峰值的控制信号。

Description

低输入信号带宽压缩器和放大器控制电路

本发明涉及电子放大器领域，尤其涉及用于音响娱乐系统中的信号压缩和扩展等信号调节领域。

作为信号压缩的一个例子，走带机构上磁带的动态范围可只有大约60分贝。信号源可供给磁带大约80分贝动态范围的信号。如果把源材料的信号电平调节到使最大的信号不被截去，那么得到的录音将具有再现时极柔和及可能无声的段落(passages)。为了以后重放时听到更柔和的段落，输出电平必须增加到可开始再现磁带上录音介质噪声层的电平。

压缩器将通过使大振幅信号而不是小振幅信号衰减从而把80分贝压缩到40分贝。然后调节信号源输出的信号振幅，使40分贝信号范围的最高值超出信号源从而达到与录音机中磁带的60分贝信号范围的峰值相匹配的电平。于是磁带上的信号范围位于未经截去的磁带动态范围上限和降低了40分贝余下20分贝包含不存在信号信息的噪声的信号动态范围之间。

大振幅低频信号在振幅上将与典型为高频信息的脉冲群或瞬变状态一起被压缩。压缩器示出的作用只使大振幅信号衰减而留下小振幅信号不受影响。变化范围越大，衰减得越多。

本发明把中音自动平衡的多通道前置放大器与高频通道结合了起来，后者具有作为信号振幅的函数的自动带宽扩展和压缩。于是本发明用作以相同的拓朴图提供压缩器和扩展器两种特征的简化的压扩器。

D.E.Blackmeer于1974年1月29日申请的3,789,143号的美国专利中提出了一种“控制信号与输入信号的瞬时均方根(RMS)的值为对数关系的压扩器”，其中示出的一个电路，其增益控制与其输入端接收到的声音信号的RMS值成比例。这个电路的拓朴图既未示出包含了带宽敏感特征，即根据接收小振幅信号而减小放大器的带宽，也未示出与在由前置放大器处理的信号的中频与高频范围之间具有自动平衡特征的适当前置放大相结合的电路。

Robert C.Crooks于1984年11月13日提出了名为“参考负载放大器修正系统”的4,482,866号美国专利，以及于1987年1月20日提出了名为“参考负载放大器修正系统”的4,638,258号的美国专利。这两个专利的受让人都是由本申请受让人加利福尼亚州亨廷顿海滩的BEE声音股份有限公司所拥有的加利福尼亚州亨廷顿海滩的巴克斯一贝里电子股份有限公司。′886′号专利和′258′号专利中的电路拓朴图可用作权利要求组合发明的前置放大器单元；然后，′258′号专利中的图8和图9的布局是最好的。上述参考资料没有示出或提出与前置放大器结合的提出权利要求的滤波器通道或绝对值电路的元件。

作为一个例子，走带机构上磁带的动态范围可能只有60分贝。你可用动态范围是80分贝的信号源给磁带提供信号。如果把源材料的信号电平调节到使最大的信号不被截去，那么你将得到柔和或低的段落，并且你将听到磁带机噪声层的声音。

压缩器将把80分贝压缩成40分贝。然后调节信号源输出的信号振幅，使40分贝信号范围的最高值超出信号源从而达到与录音机中磁带的60分贝信号范围匹配的电平。于是磁带上的信号范围位于未经截去的磁带动态范围上限和降低了40分贝余下20分贝的包含噪声和干扰的信号动态范围之间。

大振幅低频信号在振幅上将与典型为高频信息的脉冲群或瞬变状态一起压缩。压缩器示出的作用只使大振幅信号衰减而留下小振幅信号不受影响。变化范围越大，衰减得越多。

压扩器芯片在同一块芯片上有压缩器和扩展器。压缩器压缩信号后，扩展器扩展信号。

因此，本发明的目的在于提供一种具有前置放大器、滤波器电路和绝对值电路的放大器电路。前置放大器响应于具有高、低和中频信号分量的节目输入信号以提供补偿信号。前置放大器具有用于平衡高频和中频信号分量的自动增益控制电路。

滤波器电路耦合到接收补偿信号和一控制信号并在输出处提供经修正的补偿信号。滤波器电路具有可调节的带宽，该滤波器电路响应于用于自动调节滤波器电路带宽的控制信号，从而响应于减小的振幅值或控制信号来减小滤波器电路的带宽。绝对值电路响应于经修正的补偿信号，以提供正比于经修正的补偿信号振幅的控制信号。

本发明的进一步目的是提供一种放大器电路，该放大器电路具有响应于节目输入信号以提供补偿信号的前置放大器以及耦合到接收自动滤波器补偿信号以提供输出信号和经修正的补偿信号。滤波器电路具有具有自动可调带宽，该滤波器电路响应于用于自动调节滤波器电路带宽的控制信号，从而响应于减小的控制信号值来获得输出信号。滤波器电路具有用于把补偿信号与积分器输出信号相加以提供经修正的补偿信号的输入放大器。提供了具有光敏电阻和发光二极管的光电元件，光敏电阻响应于从发光二极管发出的光，从而进一步把经修正的补偿信号修正成积分器输入信号，并把该积分器输入信号耦合至积分器输入端。发光二极管响应于控制电压，用于照亮光敏电阻。光敏电阻的阻值响应于较低的控制电压值而增加。绝对值电路响应于经修正的补偿信号，以提供正比于经修正的补偿信号振幅的控制信号。

依据本发明的再一个目的，提供了一种具有前置放大器、滤波器电路、输入放大器、电压控制放大器、积分器电路和绝对值电路的放大器电路。前置放大器响应于具有高、低和中频信号分量的节目输入信号以提供补偿信号。前置放大器具有用于平衡高频和中频信号分量的自动增益控制电路。

滤波器电路耦合到接收补偿信号和一控制信号并在提供经修正的补偿信号。滤波器电路具有可调节的带宽，该滤波器电路包括：输入放大器，用于把补偿信号与积分器输出信号相加以提供经修正的补偿信号的；压控放大器，其输入端响应于经修正的补偿信号和控制信号，用于提供积分器输入信号电流；积分器电路，其输入端耦合到接收积分器输入信号电流并对积分器输入信号求积分，从而提供积分器输出信号；以及绝对值电路，响应于经修正的补偿信号，用于提供一正比于经修正的补偿信号振幅的控制信号。

图1是放大器电路的方框图，示出具有用于平衡高中频信号分量的自动增益控制电路的三通道前置放大器和滤波器电路及绝对值电路的结合；

图2是示出具有用于平衡高中频信号分量的自动增益控制电路的三通道前置放大器的详细示意图；

图3是响应于前置放大器补偿信号的单级滤波器电路第一个实施例的示意图，单级滤波器电路使用了响应于控制信号提供输出信号的固态压控放大器；

图4是适用于超低噪声和失真的采用光电元件的单级滤波器电路另一个实施例的示意图；以及

图5是绝对值电路的示意图，用于连续检测修正的补偿信号的振幅，从而把代表了修正补偿信号的与时间相关的峰均值的控制信号提供给滤波器电路，用以连续调节和控制滤波器电路的带宽。

图1是本发明耦合的放大器电路10的方框图，它可接收节目输入信号，如来自磁带录音机或走带机构的低电平音频信号或来自数字信号源(未示出)在输入端12上的经数模转换的合成模拟信号等。放大器一般用于对供给扬声器16驱动信号的功率放大器14提供经调节的输出信号。

本发明的放大器具有前置放大器20、滤波器电路60和绝对值电路100，现在将参考图1的方框图和图2-5的连续详细示意图说明各部分的作用和特征。

方框20代表响应于端12处的节目输入信号的前置放大器，典型地该信号是具有30Hz到20KHz范围内高、低和中频信号分量的连续变化的合成信号。如图1及图2中详细示出的前置放大器20一般是一个三通道放大器，它在前置放大器输出端22提供一高度补偿的信号。

必须与滤波器电路60和绝对值电路100结合的前置放大器具有由图1中方框24代表的自动增益控制电路。图2中的虚线框24详细示出了由图1方框24代表的自动增益控制电路。在4,482,866号的美国专利的第23节，第30行和随后行说明了自动增益控制电路的特征和这个控制特征的优点。

这里结合参考了整个1984年11月13日提出的名为“参考负载放大器修正系统”的4,482,866号美国专利和1987年1月20日提出的名为“参考负载放大器修正系统”的4,638,258号美国专利。

参考图2，前置放大器输入放大器26对输入源提供阻抗匹配和缓冲。具有单位增益的反相放大器28接收来自输入放大器26输出的经缓冲的输入信号，并对输出加法放大器30提供反向的中频信号。

输入放大器26也把缓冲的输入信号提供给由虚线框32中无源滤波器电路代表的高通通道。高通滤波器的输出提供给由电阻36和结型场效应晶体管(J-FET)34形成的分频器，J-FET的栅极由方框24代表的自动增益控制电路控制。自动增益控制电路对由虚线框32的电路处理的处于2,500-20,000Hz范围内的高频信号分量与由反相放大器28输出的处于200-2,500Hz范围内的中频信号分量进行平衡。虚线框40包含一个具有低通通道的双极无源网络，用于处理30-200Hz范围内的信号分量。

虚线框24中自动增益控制电路感应在信号线42上来自高频通道输出的高频信号分量以及信号线44上来自中频反相放大器28输出的中频信号分量。高频通道信号分量传到负输出绝对值电路46，后者提供负向的输出控制信号从而增大取样高频信号分量的振幅。中频通道的中频信号分量传到正输出绝对值电路48，后者提供正向的输出控制信号从而增大取样中频信号分量的振幅。

由分压器59调节负向输出控制信号；由分压器52调节正向输出控制信号，并且当它们由控制加法放大器56加起来时，由平衡调节器54来平衡合成的控制信号，从而对J-FET34的栅极提供栅极控制信号，以减少或增加高频通道信号分量的振幅，使它们与中频通道分量的振幅相平衡。前置放大器的加法放大器30把平衡的高中频信号分量与低频信号分量相加，从而在端22处提供补偿的信号。

图3示出滤波器电路60的实施例。滤波器电路经耦合以接收和自动滤除端22处的补偿信号，从而在端62处提供输出信号。由滤波器输入放大器64在信号线66上为绝对值电路100的输入端提供经修正的补偿信号。

滤波器输入放大器的输出阻抗足够大，从而它也能对压控放大器68的输入端提供经修正的补偿信号。滤波器输入放大器64也通过输入电阻72接收从积分器70输出的反馈信号。应该理解，与端22处的补偿信号相比，从积分器输出的反馈信号变化较慢。因此，可在绝对值电路输入端处从分离的滤波器输入放大器(未示出)获得绝对值通道必需的经修正的补偿信号，附加的滤波器输入放大器电路经耦合，直接从端22接收补偿信号。

如果使用分离的滤波器输入放大器(未示出)，就可省去取自电阻72的反馈控制信号。如果采用分离的滤波器输入放大器，图1就可改变成使用虚线框74的信号通路而取消信号线66的信号通路。然而，我们相信图3所示的拓朴图更好，因为它的工作令人满意，且变更设计的变化布局需要较少的放大器。

在图3的实施例中，典型的压控放大器(VCA)68为THAT公司OEM工厂(dbx OEM Products)制造的2150A压控放大器(公司在马萨诸塞州Natick，Strathmore路15号，01760)。2150A与另一个能控制压缩的电路组合实现了压扩器的功能。2150A需要配其它电路才能实现扩展器的功能。2150A简单地控制着馈入积分电路70的馈电信号。

THD TRIM(总谐波失真微调)调节(总谐波失真)采用可变电阻69微调U2 VCA 2150A中两个内部电流源的电流值。此调节是一种工厂调节，一般需要使用一谐波失真分析仪。通过调节THD TRIM，图3的电路可获得低达0.02的谐波失真值。

从滤波器输入放大器64到积分器70的输出的电路包括简单的一阶滤波器。滤波器具有可移动并由控制信号控制进入VCA 2150A68的脚3的折点频率(break frequency)。折点频率由压控放大器68的有效电阻有效地控制，压控放大器68的作用是在脚1和8之间建立控制电阻。

滤波器电路60响应于用于自动调节滤波器电路带宽的控制信号，依据信号线76上控制信号减小的振幅值减小滤波器电路的带宽。滤波器电路60的自动可调节带宽响应于信号线76上从绝对值电路100来的控制信号，用于根据控制信号减小的值来自动减小滤波器电路的带宽，从而在端62得到输出信号。输出放大器78对积分器输出信号进行缓冲和标定并在端62提供输出信号。

图4示出滤波器电路60的另一个实施例，其中用光电元件80替代了图3中示出的固态压控放大器68。图4的另一个实施例与图3的电路性能相比，具有噪声和失真更低的优点，但在目前，驱动发光二极管(LED)82和体积更大的光电元件80必须消耗更大的功率。

在图4的实施例中，光电元件80是响应于LED82发出的光的与光有关的电阻83。由输入其阳极的电流驱动LED。因为光电元件匹配得不好，可调电阻89是用于双通道系统中的调节件，从而使两个通道平衡。

总增益由反馈电阻87与输入电阻88的比值大致设定为1。通过非反向第一级的增益大致为2。该增益由(R17+R19)/R17的比值确立。由于积分器有一些损耗，结果使总增益为1。

随着通过二极管的电流的增加，其亮度增大了，从而减小了光电阻83的阻值。电流和电阻间的关系是非线性的。光电元件的使用减少了其上有信号通过的元件数，从而减少了信号上的噪声。

2150A等复合的固态压控放大器有许多二极管，而潜在的非线性元件会增加信号的噪声。可以相信，使用光电元件比起使用压控放大器的噪声可降低15-20分贝。

由图4的滤波器输入放大器84实现图3的滤波器输入放大器64的功能。滤波器输入放大器84具有附加的分压电阻85和86的非反相反馈网络，从而对输入端22处的补偿信号提供+2的增益。如图3电路的情况，图4电路的总增益也接近1，每个都分别由反馈电阻87和88的比值来确定。积分器70的折点频率由其反馈电容的值和滤波器输入放大器的输出端与积分放大器脚6之间的等效电阻控制。

在图3的固态压控放大器68的情况下，规定器件对积分放大器脚6的虚地输送一电流。该电流是一个与输入压控放大器68脚1的电流和信号线76上的控制信号电压有关的电流变量。输入压控放大器脚1的电流是滤波器输入放大器64的输出电压和电阻Rin90的函数。最后的结果可近似表示为Iin=V1/Rin，则V1=Rin*Iin。同样，流出压控放大器的电流，I0=K1*Iin*V2，这里V2是控制电压的值，而K1是压控放大器的增益。V1/I₀是代表滤波器输入放大器的输出和脚6虚地间的电阻的比值。代数式Iin*Rin/K1*Iin*V2=Rin/K1*V2=(1/V2)*Rin/K1=滤波器输入放大器的输出和积分器脚6处输入之间的电阻值。关系式示出，通过增加信号线76上的控制电压V2的值可减小此阻值。

光电元件具有类似的性质，即增加从LED86发出的光的值可减小光敏度的值或光敏电阻89。

图5示出绝对值电路100，它响应于信号线66上经修正的补偿信号，用于在信号线76上产生控制信号，它与经修正的补偿信号的振幅成正比。绝对值电路100具有包含电容102和电阻104的输入直流(dc)隔离和超前网络。大多数由电容102和电阻104组合等建立的滤波和折点(break point)由实验确定，从而找到听上去最好的值。

阈值控制，即调节绝对值电路输入放大器108上的可变电阻106，使它可适合一小振幅的高频输入信号。绝对值电路输入放大器是一个经耦合的高通放大器，用以接收来自信号线66的经修正的补偿信号，并且在其输出端109输出第一放大信号。

对可变电阻106的阈值控制调节是由使用者采取的拆衷办法，从而获得高频信息连同一些杂音或噪声。输入电容102和电阻104是用于减小低频增益的要素。频率较高时，由R104、可变电阻106和电容110组合形成的电极引入了一折点或极点，它展开了输入放大器的增益，从而形成其增益由可变电阻106控制的高通放大器。

如图所示，输入放大器108的可能的增益为25。该增益必须足够大，可允许使用者把输出端122处峰值检测电路120的输出调到可接受的电平。

从输入放大器108的输出端109到峰值检测器120的输入端的电路包括响应于输出端109处第一放大信号的绝对值电路，用于在绝对值电路输出端114处提供绝对值信号。紧接着绝对值电路的峰值检测电路120响应于绝对值信号提供一峰值绝对值信号。

有源滤波器116是一个低通滤波器和偏压电路，它响应于端122处的峰值绝对值信号对信号线76提供控制信号。有源滤波器116也是一个加法放大器，它通过可变电阻118调节偏压调整(BIASADJ)，使LED达到起始亮度或使压控放大器进入它的有效范围。在本发明放大器的单通道形式中，把有源滤波器116的输出调节到参考点，从而当输入系统的输入信号超出预定的振幅电平时，滤波器通道开得很大，滤波器通道频率的折点达到它的上限。

可变电阻118是一个直流偏压调节控制件，用于给信号线76上的控制信号加上直流偏压电平。BIAS ADJ调节118让使用者控制滤波器移动的地方及在哪个信号电平上它开始移动。例如，如果在端22上用10mV的1000个循环信息作为补偿信号，则使用BIASADJ控制的使用者可调节滤波器，从而可实现在1000个循环处开始的，频率向上增加的6分贝/倍频程的滚降。

因为较大振幅的信号会覆盖或遮蔽存在的低电平噪声，所以，如果信号从10mV增加到40mV，则滤波器会打开并使20-20KHz左右的任何信号通过而不受滚降。因为噪声将被更高频率范围内更高电平的声频信号遮蔽，所以听不到系统中存在的任何噪声。随着信号电平的降低，减小了滤波器的折点频率，使使用者首次检测到杂音或噪声处的高频衰减。

相应地这里描述了一个放大器和控制电路。虽然已详细地揭示和示出了本发明，必须知道，同样的结构只是用来图示和举例，而不是用于限制。本发明的精神和范围只由附加的权利要求的内容所限制。

Claims (15)

1．一种放大器电路，其特征在于包括：

一响应于具有高、低和中频信号分量的节目输入信号并用于提供补偿信号的前置放大器，该前置放大器具有用于平衡高频和中频信号分量的自动增益控制电路；

一滤波器电路，耦合到接收补偿信号和一控制信号并提供经修正的补偿信号和输出信号，滤波器电路具有可调节的带宽，该滤波器电路响应于用于自动调节滤波器电路带宽的控制信号，从而依据控制信号减小的振幅值来减小滤波器电路的带宽；

一响应于经修正的补偿信号以提供正比于经修正的补偿信号振幅的控制信号的绝对值电路。

2．如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于前置放大器还包括：

一响应于节目信号用于提供高频补偿信号的高频修正通道；

一响应于节目信号用于提供低频补偿信号的低频修正通道；

一响应于节目信号用于提供中频信号的中频通道；

一用于自动调节高频补偿信号和中频信号间平衡的自动调节装置；以及

一用于把高频补偿信号、低频补偿信号和中频信号相加并提供补偿信号的加法电路。

3．如权利要求2所述的放大器电路，其特征在于中频通道还包括反相放大器。

4．如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于绝对值电路还包括：

一耦合到接收经修正的补偿信号以提供第一放大信号的高通放大器；

一响应于第一放大信号并提供绝对值信号的绝对值电路；

一响应于绝对值信号并提供峰值绝对值信号的峰值检测电路；

一响应于峰值绝对值信号并提供控制信号的低通滤波器和偏压电路。

5．如权利要求4所述的放大器电路，其特征在于高通放大器还包括增益调节器。

6．如权利要求4所述的放大器电路，其特征在于低通滤波器和偏压电路还包括用于把直流偏压电平加到控制信号的直流偏压调节控制。

7．如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于滤波器电路还包括：

一用于对补偿信号与积分器输出信号求和并提供经修正的补偿信号的输入放大器；

一压控放大器，其输入端响应于经修正的补偿信号和控制电压，以提供积分器输入信号电流；

一积分器电路，其输入端耦合到接收积分器输入信号电流并对积分器输入信号求积分，以提供积分器输出信号；

一响应于积分器输出信号并提供输出信号的低通有源滤波器。

8．如权利要求1所述的放大器电路，其特征在于所述滤波器电路还包括：

一输入放大器，用于对补偿信号和积分器输出信号求和，从而提供经修正的补偿信号；

一光电元件包括：

一光敏电阻和一发光二极管，光敏电阻响应于从发光二极管发出的光，从而进一步把经修正的补偿信号修正成积分器输入信号，并把该积分器输入信号耦合至积分器输入端，以及

一积分器电路，其输入端耦合到接收积分器输入信号电流并对积分器输入信号求积分，从而提供一积分器输出信号；以及

一响应于积分器输出信号并提供输出信号的低通滤波器。

9．一种放大器电路，其特征在于包括：

一响应于节目输入信号并提供补偿信号的前置放大器；

一滤波器电路，耦合到接收和自动滤除补偿信号，以提供一输出信号和一经修正的补偿信号，滤波器电路具有自动可调节的带宽，滤波器电器响应于控制信号，用于根据控制信号值的减小而自动减小滤波器电路的带宽，从而获得输出信号；

该滤波器电路具有，

一输入放大器，用于对补偿信号和积分器输出信号求和，从而提供一经修正的补偿信号；

一光电元件具有；

一光敏电阻和一发光二极管，光敏电阻响应于从发光二极管发出的光，用于进一步把经修正的补偿信号修正为积分器输入信号并把该积分器输入信号耦合至积分器输入端；以及

一发光二极管，响应于控制电压，用于照亮光敏电阻，光敏电阻的阻值依据低的控制电压值而增加；以及

一绝对值电路，响应于经修正的补偿信号，以提供正比于经修正的补偿信号振幅的控制信号。

10．如权利要求9所述的放大器电路，其特征在于前置放大器还包括：

一响应于节目信号并提供一高频补偿信号的高频修正通道；

一响应于节目信号并提供一低频补偿信号的低频修正通道；

一响应于节目信号并提供一中频信号的中频通道；

一自动调节装置，用于自动调节高频补偿信号和中频信号间的平衡；

一加法电路，用于把高频补偿信号、低频补偿信号与中频信号相加，从而提供补偿信号。

11．如权利要求10所述的放大器电路，其特征在于中频通道还包括一反相放大器。

12．如权利要求10所述的放大器电路，其特征在于绝对值电路还包括：

一高通放大器，耦合到接收经修正的补偿信号从而提供第一放大信号；

一响应于第一放大信号并提供绝对值信号的绝对值电路；

一响应于绝对值信号并提供一峰值绝对值信号的峰值检测电路；

一响应于峰值绝对值信号并提供控制信号的低通滤波器和偏压电路。

13．如权利要求12所述的放大器电路，其特征在于高通放大器还包括增益调节。

14．如权利要求12所述的放大器电路，其特征在于低通滤波器和偏压电路还包括一直流偏压调节控制，用于把直流偏压电平加入控制信号。

15．一种放大器电路，其特征在于包括：

一前置放大器，响应于具有高、低和中频信号分量的节目输入信号以提供补偿信号，其自动增益控制电路用于平衡高频和中频信号分量；

一滤波器电路，耦合到接收补偿信号和控制信号并提供经修正的补偿信号和输出信号，该滤波器电路具有可调节的带宽，该滤波器电路还包括：

一输入放大器，用于对补偿信号和积分器输出信号求和并提供一经修正的补偿信号；

一压控放大器，其输入端响应于经修正的补偿信号和控制信号，用于提供积分器输入信号电流；

一积分器电路，其输入端耦合到接收积分器输入信号电流并对积分器输入信号求积分，从而提供积分器输出信号；

一绝对值电路，响应于经修正的补偿信号，以提供一正比于经修正的补偿信号振幅的控制信号。

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