CN110692194B

CN110692194B - D类放大器和运行方法

Info

Publication number: CN110692194B
Application number: CN201880036019.8A
Authority: CN
Inventors: F·霍夫麦斯特; T·施泰因; G·绍尔; P·恩格尔; J·普拉格; M·曼德尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2024-04-30
Anticipated expiration: 2038-04-11
Also published as: EP3631977A1; EP3631977B1; CN110692194A; US11108365B2; US20210135638A1; DE102017209067A1; WO2018219537A1

Abstract

在一种用于运行用于音频信号(4)的D类放大器(2)——所述放大器在信号路径(6)中包含末级(10)和数字信号处理单元(12)——的方法的情况下，为所述末级(10)提供具有至少两个大小(U1，U2)的电压(U)；在所述信号处理单元(12)前的测量位置(14)上由所述音频信号(4)预测性地求取所述末级(10)的对于音频信号(4)的电压需求(B)；根据所述电压需求(B)来选择对于电压需求(B)是最小足够的大小(U1，U2)，并且将其在放大前施加到所述末级(10)上。用于音频信号(4)的D类放大器(2)——其含有具有末级(10)和数字信号处理单元(12)的信号路径(6)——包含电压源(16)，所述电压源用于末级(10)并具有至少两个大小(U1，U2)的电压(U)；在所述信号处理单元(12)前的测量位置(14)；控制和分析处理单元(18)，其在所述测量位置(14)上由所述音频信号(4)对于所述末级(10)预测性地求取用以适当地放大所述音频信号(4)的电压需求(B)，其中，控制和分析处理单元(18)根据所述电压需求(B)来选择对于电压需求(B)是最小足够的大小(U1，U2)并且将其在放大前施加到所述末级(10)上。

Description

D类放大器和运行方法

背景技术

由DE 10 2012 200 524 A1，在放大器类型中已知所谓的D类放大器，其首先借助脉冲宽度调制器将模拟信号转换成脉冲宽度调制的开关信号，然后将其放大并且随后通过滤波器转换回持续可变的电压。这种类型的放大器特别节能并且因此优选地应用在具有高功率的放大器的情况下。在此提出一种放大器设备，所述放大器设备具有控制装置，其中，控制装置具有用于音频信号的输入端接口，所述放大器设备具有连接在控制装置之后的放大器装置，所述放大器装置用于放大音频信号，其中，控制装置具有延迟模块，其中，该延迟模块构造用于将音频信号延迟一个延迟值地传递给放大器装置，并且在匹配阶段中将延迟值自动地和/或自主地从起始值减小到最终值。

节约能源的意识也已经实现专业的音频技术。

发明内容

在本发明的范畴内公开一种具有权利要求1的特征的用于运行D类的放大器(D类放大器)的方法。放大器用于放大音频信号。放大器包含音频信号的信号路径，在该信号路径上，音频信号被传导通过放大器并且放大。放大器在信号路径中包含末级。放大器在信号路径中包含数字信号处理单元。该数字信号处理单元在信号路径中布置在末级的上游。

在所述方法中，提供用于末级的功率供给的电压。在此如此提供电压，使得该电压可以具有至少两个不同的大小或电压值(尤其量值)。在信号路径中，测量位置存在于信号处理单元的上游。在该测量位置上，由音频信号预测性地求取末级的电压需求，也就是说，为此，在测量位置上分析处理音频信号，或者分析处理音频信号的在测量时刻(第一时刻)在测量位置上存在的时间区段。电压需求对于在末级中后续适当地放大在测量位置上存在或分析处理的音频信号是必需的。因此，所分析处理的信号区段在后续的第二时刻才到达末级。在所期望的规定的范畴内，“适当地”是指无干扰，例如没有失真、人为噪声(Artefakt)、爆裂噪声等或仅仅具有最大允许的失真、人为噪声、爆裂噪声等。

此外，在所述方法中还选择电压的可供使用的大小中的一个。这通过遵循预测性地求取的电压需求来实现。如此选择相应的大小，使得其对于电压需求是最小足够的。在以下时刻将相应大小的电压施加在末级：该时刻位于放大音频信号的时刻(第二时刻)前，即在第一时刻与第二时刻之间。在此，信号处理单元具有传播时间。传播时间是信号或确定的信号点或信号区段经过测量位置(第一时刻)与该信号区段或信号点在末级中的后续放大(第二时刻)之间的时间差。因此，关于该传播时间，电压需求的求取是预测性的。

“在该时刻前”可以如下理解：在末级为了实际地放大相应的信号或信号区段而在第二时刻需要来自电压的相应的功率之前，在末级上“及时提前地”提供相应于电压需求所需的大小的电压。

根据本发明确保：在末级中的功率需求增加的情况下，在末级上及时地提供足够高的电压用于无人为噪声地放大音频信号。同时，只要相应的功率变得不是必需，就可以以相应地更低的电压进行工作。一旦电压需求再次下降到确定的大小以下，就会切换回到下一个较小的大小上。

换句话说，只要电压需求不超过最小电压，末级就始终以尽可能最低的电压运行。否则连续地——例如尽可能慢地——切换到下一个更高的电压上。“连续”意味着尽可能斜坡状。如果维持超过两个电压，则在超过电压的第n个大小时分别升档到电压的第n+个大小或切换回到下一个较低的大小。

在一种优选的实施方式中，以每微秒5伏或每微秒3伏或每微秒1伏或每微秒0.5伏或每微秒0.25伏或每微秒0.1伏的最大斜度在不同大小之间升高和/或降低末级上的电压。换句话说，将末级上的电压上升或电压下降的边沿斜度限制在相应的最大值上。在相应小的边沿斜度的情况下可以因此确保：D类放大器可以无人为噪声地跟随其供电电压的相应的电压变化，而不显示例如失真、干扰或其他所不期望的效应。

在一种优选的实施方式中，如此选择边沿斜度，使得在预测性地求取电压需求(在测量位置上分析音频信号的时刻或由此求取电压需求的时刻，第一时刻)与音频信号在末级中后续放大(第二时刻)之间的时间差对于电压的大小的变化恰好足够。换句话说，因此从当前值出发到目标值尽可能慢地执行电压，使得具有根据电压需求的相应大小的电压恰好及时可供用于在末级上放大所述音频信号的相应区段。因此，可以尽可能大程度地降低边沿斜度，这进一步改善D类放大器的音频特性。必要时忽略在测量位置上量取音频信号之后用于计算电压需求的计算时间。否则，从已经求取(还始终是将来的)电压需求的时刻起开始电压的变化。

在一种优选的实施方式中，对于该电压的每个大小，持久地维持自身的或单独的或个体的该大小的固定电压。然后，分别通过在固定电压之间的连续切换来产生实际电压。“连续的”是指切换不是跳跃式地进行、而是以有限的边沿斜度受控地——尤其根据上述地——进行。因此，可供使用的固定电压的数目取决于电压的根据所述方法维持的不同大小的数目。

尤其根据方法提供两个不同大小的(双极性的)电压，例如+/-165伏和+/-20伏。因此，也维持两个固定电压(即230伏和40伏)，以便分别产生固定大小的双极性电压。

在本发明的范畴内，公开一种根据权利要求5的D类放大器。所述放大器用于放大音频信号。放大器包含用于传导和放大音频信号的信号路径。在信号路径中，放大器包含末级和布置在末级上游的数字信号处理单元。所述放大器包含用于以电压对末级进行功率供给的电压源，其中，该电压如上所述的那样可以具有至少两个不同的大小。放大器包含在信号路径中布置在信号处理单元上游的测量位置。

放大器包含控制和分析处理单元。所述控制和分析处理单元用于在测量位置上由音频信号对电压需求进行以上阐述的预测性的求取，其中，所述电压需求是在末级中后续所需的电压需求，其用于在末级中后续适当地放大音频信号。

此外，控制和分析处理单元设置用于根据预测性地求取的电压需求来选择电压的对于电压需求是最小足够的大小并且在末级中放大音频信号的时刻前将电压的大小施加到末级上。符合目的地，已经与根据本发明的方法相关联地阐述放大器及其实施方式的至少一部分以及相应的优点。

在一种优选的实施方式中，信号处理单元包含数字/模拟转换器(英语digital-analog-converter，DAC)。信号处理单元尤其是数字/模拟转换器。相应的DAC通常具有数百微秒的运行时间或延迟时间。相应的时间延迟已经足够用于根据上述方法在DAC上游在测量位置上对音频信号针对其在放大器中的功率需求进行分析并且相应地及时匹配放大器上的电压。此外，可以在直接在DAC前的测量位置上执行末级中的功率需求的高质量的预测，因为像这样的信号(仅仅以数字形式而不是以模拟形式)已经确定。因此，DAC在放大器中为根据本发明的方法的应用提供合适的区域或位置。

在该实施方式的一种优选的变型方案中，信号处理单元包含布置在DAC上游的电平控制器。信号处理单元尤其是由电平控制器和连接在之后的DAC构成的组合。相应的电平控制器也再次包含一定的延迟时间。这提供还更多的时间余量，以便在末级上执行还更慢的电压匹配。尽管如此，也可以在电平控制器前的测量位置上执行功率需求的高质量的预测。

在一种优选的实施方式中，电压源具有用于电压的输出端。对于电压的每个大小，电压源还具有固定电压输入端。电压源包含能够连续切换的至少一个开关元件，以便将固定电压输入端中的不同的、即至少一个、尤其一个唯一的固定电压输入端有选择地连接到输出端上。开关元件可以是一个唯一的部件，但也可以是电路装置，例如开关元件和二极管。

在这样的电压源中，可以特别简单地提供不同的电压值并且也可以特别简单地在这些不同的电压值之间连续地进行切换，而不产生电压跳变。通过能够连续切换的开关元件可以如上所述那样实现任意快或慢的斜坡过程，以便在不同大小的电压之间进行切换。开关元件尤其是场效应晶体管(FET，field-effect-transistor)。因此，根据电压斜坡的类型进行连续的切换。

在该实施方式的一种优选的变型方案中，电压源是双极性电压源，即该电压源分别提供+/-X伏的两个电位。因此，输出端和每个固定电压输入端分别具有两个极。电压源对于输出端的每个极包含至少一个开关元件。因此，对于双极性的电压源也可以实现上述优点：简单的提供以及在不同大小的电压之间的无跳变的切换。

在一种优选的实施方式中，电压源仅仅在固定电压输入端的背向输出端的一侧上包含用于电压U的缓冲电容器。因为始终持久地维持固定电压，所以这些缓冲电容器持久地充电并且在任何情况下都不会由于由开关元件引起的开关过程而再充电。在此，缓冲电容器中的每一个分配给相应的固定电压。换句话说，电压源朝输出端无缓冲电容器地实施。在不同大小之间切换电压时不必对缓冲电容器进行再充电，这导致放大器在电网侧或在输入端侧的特别均匀的功率特性。因此，在不同电压之间切换时在输入端侧、例如在电网侧不可预期在放大器的输入端上的负载跳变。

在根据本发明的方法的一种优选的实施方式中，所述方法借助根据本发明的放大器来执行。

在放大器的一种优选的实施方式中，所述放大器构造用于执行根据本发明的方法。

本发明基于以下知识、观察或考虑并且还具有以下实施方式。在此，实施方式也部分简化地称为“本发明”。在此，实施方式也可以包含或相应于以上提及的实施方式的部分或组合和/或必要时也包括目前为止未提及的实施方式。

本发明基于以下考虑：

在专业的音频设备——例如用于中型足球场的数量等级中，在常见的使用特征(Nutzungsprofil)的情况下(每周5小时的满运行，7×5小时/周的10％的部分运行)能源成本的大致超过90％由部分运行或空载运行造成。相应地，单单末级的空载运行造成电力成本的超过66％。为了降低放大器的运行成本，尤其必须减少在轻载和空载情况下的功率消耗。该认识原则上不是新的。在市场上，降低这些运行类型下的能量需求的不同的解决方案可供使用。但是，在大多数情况下这些解决方案引起限制，下面简要说明这些限制。

对音频放大器的尽可能高的效率的追求与电子音频放大器的发展一样久远。近几十年来，D类放大器的出现尤其显著地改善音频放大器的效率。但是在使用这种类型的放大器的情况下也存在具有不同效率的多个种类。D类放大器与A/B类放大器的各种组合或多或少都有成功希望。博士论文《HIGH EFFICIENCY AUDIO POWER AMPLIFIERS design andpratical use》(Ronan van der Zee，特温特大学，1999年5月21日)提供关于该现有技术的良好概述。

如上所提及的那样，在许多情况下，根本并非放大器在额定运行期间的效率对于能量成本是决定性的，而是空载运行或轻载运行情况下的功率损耗。与运行类型无关地，所有音频放大器都共有的是：在空载/轻载情况下，功率损耗取决于内部的运行电压。该运行电压越高，功率损耗越大。该关系根据放大器类型在线性至平方之间变化。

出于该原因，按照根据本发明的考虑，值得期望的是，在空载和轻负载情况下降低运行电压。在线性放大器领域中，广为流传的拓扑是H类末级，其在两个或更多个按等级分的运行电压之间进行切换。在轻负载情况中，放大器以最低运行电压来运行并且由此降低功率消耗。运行电压调制的基本原理原则上可以转移到现代的开关放大器(D类)上。但是，在此出现一些由原理决定的困难连同相关的缺点：

-与线性放大器相反，开关放大器不具有固有的运行电压抑制。运行电压的每个变化都必须通过负反馈来补偿，以便运行电压变化不作为干扰影响放大器输出端。由于负反馈的有限有效性，运行电压的硬切换导致切换瞬间在放大器输出端上或多或少可听见的干扰。同时，运行电压的硬切换由于缓冲电容器的再充电而通常导致放大器的电网供给装置上的电流冲击，这尤其在同时运行多个设备的情况下可能导致触发电网熔丝。

-对于在开关放大器的情况下该问题的解决方案是相对慢地升高内部运行电压。一种可能的实现方案是受控电源。在空载或轻载情况下，放大器级的电源提供低的供电电压。一旦输出电压上升，电源就提高内部运行电压。实际上，在此出现不可克服的折衷：如果非常慢地升高电源电压，则放大器的负反馈可以将输出端上的干扰限制在可接受的水平上。同时，可以将电网供给装置上的短期增加的电力消耗限制在可接受的程度上。但是，这种方法的大的缺点是：在放大器突然达到全调节(Vollaussteuerung)时，电源电压不能够足够快地升高。由此，放大器输出电压对于一段时间将不跟随放大器输入电压，不可避免地出现放大器输出端上的非线性失真，该非线性失真可能在听觉上进行干扰。这可以通过以下方式来抵消，即电源更快地升高运行电压，这又通过快速改变运行电压的大小而引发上述问题。

如上所述，音频放大器在低负载运行和空载运行情况下的损耗基本上取决于功率部分的运行电压。本发明的思想在于，根据当前的工作点来选择放大器块的运行电压。

-如果仅仅施加低输出电平(背景音乐、导频音，......)，则放大器切换到低供电电压(例如称为“低轨(Low Rail)”)上。

-如果输出电平现在上升超过某个阈值，则设置“升轨(RAIL_UP)”信号并且因此给放大器供给满的供电电压(“高轨(High Rail)”)。

根据应用和电设计，可以频繁地或很少地实现运行电压的开关过程。

以下几点是本发明的另一思想：

a.在供电电压升档时，无缓冲电容器再充电，由此在电网供给装置上也不产生电流冲击(Stromstoβ)。在此，升档足够慢地进行，从而在升档瞬间在末级输出端上不出现可听见的人为噪声。

b.对于通过预测输出电压来升档的赢得时间：为了使点a起作用，需要的是，能够足够早地产生用于升档的信号。通常，通过末级输出电压与极限值的比较来产生这种信号。但是恰好存在如下问题：在实践中必须几乎立即使内部运行电压升档，这导致上述问题。

现在，本发明涉及如下途径：将预测的输出电压用作比较信号。

本发明公开一种新型的方法，所述方法在轻负载和空载情况下大大降低功率放大器的能量需求。在此，通过此方法不出现对于运行中的应用和客户的任何限制。因为可以单独在末级中实现本发明，所以在系统层面也不需要开支。

本发明是用于在空载和轻载情况下音频放大器的节能运行的实现方案，而不随之带来如下缺点：

在空载和轻载情况下，放大器级在较低的运行电压上运行。因此，例如在空载和轻载情况下将正常运行电压从+/-165V降低到+/-20V。在该示例中，放大器通道的功率损耗降低80％。在空载情况下通过使用本发明可以使整个功率放大器的功率损耗减少一半以上。

-示出一种解决方案，该解决方案在内部供电电压升档时不引起在升档瞬间电网电流供给的增加。

-示出一种解决方案，该解决方案在升档瞬间不导致在放大器输出端上的可听见的人为噪声。

-该解决方案自主地工作。也就是说，节能功能由放大器完全自动地执行，客户和系统都不必进行任何开支或调节等。

-在节能运行期间，放大器可以不受限制地正常工作。

所描述的发明可以概括为以下几点：

-在多通道放大器的情况下，可以要么对于一组通道逐通道地升高运行电压，要么对于所有通道同时地升高运行电压。

-以具有双极性的供电电压的D类放大器为例来描述本发明。但是本发明也可以无问题地转移到具有单极性的供电电压的放大器方案。

-出于清楚的原因，以D类半桥为例描述本发明。本发明也可以转移到全桥拓扑。

-同样出于清楚的原因，以接地的供电电压为例来描述本发明。但是，本发明也可以转移到不接地(浮动的)的电源方案上。因此，也能够实现应用在接地的全桥(接地桥)或不接地的放大器中。

-根据具有模拟音频输入端的放大器描述本发明。但是，音频信号是以模拟的方式、数字的方式还是其他途径输送给放大器对于本发明是无关紧要的。

-要么可以以固定的阈值对算出的输出电压(功能块“升轨产生”)进行比较，要么可以在运行期间动态地改变阈值。一种有利的变型方案是，根据低供电电压+/-低轨的实际电压来跟踪阈值。由此实现：在实践中不会过早(产生不必要的高的功率损耗)或过晚(导致失真)地升档。

-在具有双极性供电电压的放大器的情况下也可能的是，一直仅仅使分别所需的运行电压侧升档。因此可能的是，不是同时地、而是在时间上错位地切换两个(正分支和负分支)开关。

-本发明可以要么应用到上述替代方案中的一个上，要么应用到上述替代方案的任意组合(例如具有单极供电电压的接地全桥)上。

附图说明

由本发明的优选实施例的后续描述以及附图得出本发明的另外的特征、作用和优点。在此以示意性的原理图示出：

图1示出根据本发明的放大器；

图2详细示出图1中的末级和电压源；

图3示出用于相对少地切换电压大小的信号的时间变化过程；

图4示出相对频繁切换的可比较的时间变化过程。

具体实施方式

图1示出D类的放大器2、即D类放大器，用于对音频信号4进行(数字处理和)放大。放大器2包含如下的信号路径6：在音频信号4在扬声器8上输出之前，音频信号4在该信号路径上从未处理的未放大的状态直至经放大的经处理的状态地通过放大器2。在信号路径6中，放大器2包含末级10，其用于音频信号4的实际功率放大。在信号路径6中在末级的上游布置有数字信号处理单元12，在此是数字/模拟转换器(DAC，digtal-analog-converter)。在放大器2中提供用于末级10的功率供给的电压U。在此，电压U可以采用两个不同的大小U1、U2。在此，电压U是双极性的电压，大小U1是+/-20伏而大小U2是+/-165伏。电压U由电压源16提供。因此，电压源16用于以电压U对末级10进行功率供给。在信号路径6中，测量位置14位于数字信号处理单元12的上游。

放大器2包含控制和分析处理单元18。所述控制和分析处理单元用于在测量位置14上由音频信号4——即音频信号的在时刻t1在测量位置14上存在的信号区段——来预测性地求取电压需求B。预测性地进行电压需求B的求取，也就是说，电压需求B是后续在时刻t2在末级10中需要的电压需求，即用于在末级10中后续适当地放大音频信号4的相关的信号区段所需的电压U的大小。

此外，控制和分析处理单元18设置用于根据预测性求取的电压需求B来选择电压U的对于电压需求B是最小足够的相应大小U1或U2，并且将相应大小U1、U2的电压U在放大音频信号4的时刻前施加在末级10上。根据图1执行以下的方法：

将音频信号4在放大器2中进行放大。提供具有两个大小U1、U2的电压U。由音频信号4在测量位置14(在时刻t1)预测性地求取在末级10中后续放大(在时刻t2)该音频信号所需的电压需求B。根据所述电压需求B来选择电压U的对于电压需求B是最小足够的相应大小U1或U2，并且在放大音频信号4的时刻(t2)前将该电压U或大小U1或U2施加到末级10上。

因此具体而言，音频信号4的确定的区段或确定的位置在时刻t1到达测量位置14并且在那里被分析处理。根据该分析处理来确定：当音频信号4的该区段到达末级10时，末级10在时刻t2将需要多大的电压需求，以便在那里被放大。就此而言，预测性地进行求取，因为在时刻t1已经预测了末级10在时刻t2将具有多大的电压需求B。因此，剩余时间差t2-t1(减去用于求取电压需求B的可能的计算时间)，以便使电压U达到相应的大小U1或U2。

Ul<U2适用。因此，当电压需求B小于等于大小U1时，选择大小U1。当电压需求B大于大小U1时，选择大小U2。在此，在电压U1与U2之间的转变以每微秒一伏的最大边沿斜度进行。因为时间差t2-t1相应于音频信号4在数字时间处理单元12中的处理时间并且在此是几百微秒，所以剩余足够的时间用于在必要时以给定的边沿斜度在大小U1、2之间来回变换或切换，其中，切换在此不是跳跃式地而是以给定的最大边沿斜度进行。

尤其如此选择边沿斜度，使得时间差t2-t1恰好足够用于在可用的时间t2-t1内在大小U1和U2之间进行变换。

在电压源16内，对于电压U的大小U1和U2中的每一个持久地维持相应大小U1、2的自身的固定电压UF1、2，并且通过在固定电压UF1、2之间的连续切换来产生电压U。

此外，信号路径6在下游按顺序包含未详细阐述的如下单元：模拟/数字转换器ADC、输入处理装置(Input-Processing)34、阵列控制装置(Array-Control)36和扬声器处理装置(Speaker-processing)38。最后三个提及的组件连同控制和分析处理单元18(在此也称为“升轨产生(Rail-Up-Generation)”)组合成数字信号处理器DSP 20。扬声器处理装置38也称为“电平控制器”或可以包括“电平控制器”。

图2分别详细示出末级10以及图1中的电压源16。电压源8包含输出端22，由于电压源在此实施成双极性，所以该输出端被划分成分别用于上电位(+)和下电位(-)的两个子输出端22a、b。因此，电压源16是双极性电压源。对于电压的每个大小U1、U2，电压源18具有固定电压输入端F1和F2，其在此同样由于双极性而实施为各两个部分输入端F1a、b和F2a、b。固定电压输入端F1a称为“+低轨”，F1b称为“-低轨”，F2a称为”+高轨”，F2b称为“-高轨”。

电压源16包含能够连续切换的两个开关元件24a、b，其可以通过由控制和分析处理单元18产生的升轨信号26来切换。

因此，根据通过升轨信号26的控制可以将不同的固定电压输入端Fl、2有选择地连接到输出端22上。在激活“高轨”的情况下，由于开关元件26的二极管，电压“低轨”被停用或受到保护。因此，输出端22和固定电压输入端F1、2分别具有所提及的两个极(接口、连接端)。对于输出端22a、b的每个极包含开关元件24a、b。

在此，放大器2仅仅在固定电压输入端F1、2的背向输出端22的一侧上包含仅仅象征性地表示的缓冲电容器28，该缓冲电容器用于电压U或大小U1、2的固定电压。因为始终持久地维持固定电压，所以这些缓冲电容器持久地被充电并且在任何情况下都不会由于由开关元件24a、b引起的开关过程而再充电。

以未进一步阐述的和常见的方式，末级10包含低频输入端NFI并且由该低频输入端产生PWM信号PWM，该PWM信号被放大并且通过低通滤波器30引导到低频输出端NFO上。

因此，图2示出具有可切换的运行电压的D类放大器的可能的示意性的实现方式。在此示出具有以双极性的供电电压(电压U)馈电的D类半桥(末级10)。在缓冲电容器不进行再充电的情况下供电电压(电压U从大小U1到大小U2)升档的功能如下：

未示出的电源永久地提供双极性的较低的(“小”)供电电压”+低轨(F1a)”和“-低轨(F1b)”以及双极性的高的(更大的)供电电压“+高轨(F2a)”和“-高轨(F2b)”。

在末级10的轻载或空载情况下，D类半桥(其由所示的、未进一步标记的场效应晶体管和重构滤波器(低通滤波器30)组成)通过所示的二极管以大小U1的低供电电压U进行供电。

如果末级10必须输出更高的输出电压，即音频信号4的到达部分为了其适当的放大而需要大于大小U1的电压U的电压需求B，则通过信号升轨26来接通开关元件24a、b(实际上同样包含要连接的场效应晶体管)。因此，给D类半桥供给更高的供电电压(大小U2的电压U：+高轨和-高轨)。

D类半桥不具有对能量存储作出值得一提的贡献的本地缓冲电容器28。在供电电压U升档的瞬间，无增大的充电电流从那流过。结果，通过升档，在供电电网上(尤其在电源的输入侧)不出现电流脉冲。

如上已经实施的那样，在D类放大器的情况下供电电压(大小U1到大小U2)的升高必须相对慢地实现，以便在升档瞬间在末级输出端(NFO或扬声器8)上不出现可听见的人为噪声。在此使用该技术：驱动器级(开关元件24a、b的FET)或用于开关元件24a、b的开关信号(升轨信号26)确保供电电压的运行电压从大小U1足够慢地上升到U2，其方式是，将场效应晶体管(在开关元件24a、b中)限定地慢地接通。

为了现在没有如上所述的那样具有非线性失真的问题，进行如下：如进一步在下面实施的那样，前瞻性地或预测性地产生升轨信号26。由此，在末级10需要高的运行电压(U2)之前，运行电压(电压U)已经开始从大小U1缓慢地升高到大小U2上。通过该技术，末级10在正确的时刻t2准备好高的电压(U2)，而不会在末级输出端(NFO)上出现可听见的切换人为噪声。

图1示出具有数字信号处理功能(DSP 20)的现代音频功率放大器2内的信号流的基本功能块。因此，图1示出具有数字处理功能的音频功率放大器的信号流程图。输入信号(音频信号4，未经处理，未经放大)通过输入端(INPUT)32输送给放大器。该信号借助模拟/数字转换器ADC转换成数字信号。然后，在功能块DSP 20中进行各种信号处理过程。在测量位置14上量取功能块的输出(或扬声器处理装置38(SPEAKER PROCESSING)的输出)。功能块“升轨产生”(控制和分析处理单元18)使用该信号并且在考虑末级10的增益(D类AMP)的情况下算出所预期的输出信号。如果所计算的输出信号(在低频输出端NFO上的可能的经放大和处理的音频信号4)超过定义的阈值，则产生信号升轨26，该信号如上所述那样使内部供电电压的相对慢的升高开始。

因此，在音频信号4在通过数字/模拟转换器(DAC，信号处理单元12)后在时刻t2到达实际的放大器(末级10)之前，已经在时刻t1(延迟计算时间地，参见以上)存在信号升轨26。市场上常见的用于音频应用的数字/模拟转换器通常具有几百微秒的延迟时间。在音频信号4通过数字/模拟转换器DAC期间，必要时运行电压已经并行地从大小U1向U2升档。因此，在正确的时刻t2(或在测量位置14上分析处理的音频信号4或信号区段到达)时，大小U2的较高的运行电压可供D类放大器(末级10)使用，而不出现所不期望的副作用。

图3示出音频信号4以及在时间T毫秒上信号的每个时刻的相应求取的电压需求B，以及在相对慢的开关模式下在输出端22a、b上的电压U或电位的变化过程。图3示出实现少的切换的示意图。仅仅为了定性地阐述而绘出输出端22a、b在时间t上的电位([U])。

图4示出快速的开关模式的相应过程，其中，分别非常快速地遵循相应的需求B。总体上，相比于根据图3，根据图4产生更多的能量节省。因此，图4示出用于频繁的切换的实现的示意图。该示图相应于图3。

Claims

1.一种用于运行D类的放大器(2)以放大音频信号(4)的方法，其中，所述放大器(2)在所述音频信号(4)的信号路径(6)中包含末级(10)和数字信号处理单元(12)，所述数字信号处理单元布置在所述末级(10)的上游，其中：

提供具有至少两个不同大小(U1，U2)的电压(U)用于所述末级(10)的功率供给；

在所述信号路径(6)中在所述数字信号处理单元(12)的上游的测量位置(14)上由所述音频信号(4)预测性地求取所述末级(10)的对于在所述末级(10)中后续放大所述音频信号所需的电压需求(B)；

根据预测性地求取的所述电压需求(B)来选择所述电压(U)的对于所述电压需求(B)是最小足够的相应的大小(U1，U2)并且将其在放大所述音频信号(4)的时刻(t2)前施加到所述末级(10)上，

其中，对于所述电压(U)的每个大小(U1，U2)，持久地维持所述大小(U1，U2)的自身的固定电压(UF1，2)并且通过在所述固定电压(UF1，2)之间的连续切换来产生所述电压(U)，其中，所述放大器(2)的电压源(16)具有用于所述电压(U)的输出端(22)，并且对于所述电压(U)的每个大小(U1，U2)具有固定电压输入端(F1，2)，并且包含能够连续切换的至少一个开关元件(24a，b)，以便将不同的固定电压输入端(F1，2)有选择地连接到所述输出端(22)上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以5V/μs或3V/μs或lV/μs或0.5V/μs或0.25V/μs或0.1V/μs的最大边沿斜度在不同的大小(U1，U2)之间升高和/或降低所述末级(10)上的电压(U)。

3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如此选择边沿斜度，使得在预测性地求取所述音频信号(4)的电压需求(B)与在所述末级(10)中后续放大所述音频信号之间的时间差(t2-t1)对于所述电压(U)的大小(U1，U2)的变化恰好足够。

4.一种D类的放大器(2)，所述放大器用于放大音频信号(4)，其中，所述放大器(2)在所述音频信号(4)的信号路径(6)中包含末级(10)和数字信号处理单元(12)，所述数字信号处理单元布置在所述末级(10)的上游，所述放大器：

具有电压源(16)，其用于以具有至少两个不同大小(U1，U2)的电压(U)对所述末级(10)进行功率供给；

具有在所述信号路径(6)中布置在所述数字信号处理单元(12)的上游的测量位置(14)；

具有控制和分析处理单元(18)，其在所述测量位置(14)上由所述音频信号(4)预测性地求取电压需求(B)，其中，所述电压需求(B)是在所述末级(10)中后续所需的电压需求(B)，其用于在所述末级(10)中后续适当地放大所述音频信号(4)；

其中，所述控制和分析处理单元(18)还设置用于根据预测性地求取的所述电压需求(B)来选择所述电压(U)的对于所述电压需求(B)是最小足够的相应大小(U1，U2)，并且将其在所述末级(10)中放大所述音频信号(4)的时刻(t2)前施加到所述末级上，

其中，对于所述电压(U)的每个大小(U1，U2)，持久地维持所述大小(U1，U2)的自身的固定电压(UF1，2)并且通过在所述固定电压(UF1，2)之间的连续切换来产生所述电压(U)，其中，所述电压源(16)具有用于所述电压(U)的输出端(22)，并且对于所述电压(U)的每个大小(U1，U2)具有固定电压输入端(F1，2)，并且包含能够连续切换的至少一个开关元件(24a，b)，以便将不同的固定电压输入端(F1，2)有选择地连接到所述输出端(22)上。

5.根据权利要求4所述的放大器(2)，其特征在于，所述数字信号处理单元(12)包括数字/模拟转换器(DAC)。

6.根据权利要求5所述的放大器(2)，其特征在于，所述数字信号处理单元(12)包含布置在所述数字/模拟转换器(DAC)上游的电平控制器。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的放大器(2)，其特征在于，所述电压源(16)是双极性电压源，并且所述输出端(22)和每个固定电压输入端(F1，2)分别具有两个极(22a，b，F1a，b，F2a，b)，并且所述电压源(16)对于所述输出端(22)的每个极(22a，b)包含至少一个开关元件(24a，b)。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的放大器(2)，其特征在于，所述电压源(16)仅仅在所述固定电压输入端(F1，2)的背向所述输出端(22)的一侧上包含用于所述电压(U)和/或所述固定电压(UF1，2)的缓冲电容器(28)。