CN111512544A - 可配置模态放大器系统 - Google Patents

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CN111512544A CN201880081258.5A CN201880081258A CN111512544A CN 111512544 A CN111512544 A CN 111512544A CN 201880081258 A CN201880081258 A CN 201880081258A CN 111512544 A CN111512544 A CN 111512544A
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Abstract

本文描述了可配置放大器系统，其中线性放大器(例如A类放大器)的电源轨道由切换放大器(例如D类放大器)调制，所述切换放大器还可以经配置以独立于所述线性放大器操作。本文还描述了基于到线性放大器的输入信号或基于所述线性放大器的所述电源轨道的调制来调制所述线性放大器的输出级的稳定电流的技术。

Description

可配置模态放大器系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年12月20日提交的美国临时专利申请号62/608,465号；和于2018年2月12日提交的欧洲专利申请号18156223.2的优先权权益，所述申请各自以引用方式全文并入于此。
技术领域
本申请涉及放大器。更具体来说，本发明的实施例涉及用于线性放大器的电源轨道的调制。
背景技术
可以使用各种放大器拓扑来实现用于驱动监视器或扬声器的音频信号的放大。线性拓扑(特别是A类拓扑)的特征在于高保真度(音频输入信号的高质量再现)。然而，A类放大器可能效率低下，尤其是在低信号电平下。另一方面，开关拓扑(例如D类拓扑)对于广范围的信号电平可以实现高的效率水平，但是通常特征在于较低保真度的声音再现。
提高某些线性拓扑(例如A类、B类和AB类)的效率的尝试包含基于输入信号电平在离散电平(G类)或连续(H类)之间操纵轨道电压。
附图说明
图1是放大器系统的框图。
图2是切换放大器的示意图。
图3是多通道放大器系统的框图。
图4是放大器系统的框图。
图5A是偏置控制电路的示意图。
图5B是偏置控制电路的另一示意图。
图6是用于演示放大器效率计算的放大器输出级的简化示意图。
图7是A类放大器的放大器效率对比输出信号电平的曲线图。
图8是B类放大器的放大器效率对比输出信号电平的曲线图。
具体实施方式
现在将详细参考具体实施方案。在附图中示出了这些实施方案的实例。应注意，这些实例是出于说明性目的而描述的，且不希望限制本公开的范围。相反，所描述的实施方案的替代物、修改和等同物包含在由所附权利要求书限定的本公开的范围内。另外，可以提供具体细节以便促进对所描述的实施方案的透彻理解。可在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践本公开的范围内的一些实施方案。此外，为了清楚起见，可能没有详细描述公知的特征。
本公开描述了可配置放大器系统，其中线性放大器(例如A类放大器)的电源轨道由切换放大器(例如D类放大器)进行调制，所述切换放大器也可经配置以独立于线性放大器操作。特定类型的这种放大器系统被设计用于放大音频信号。由本公开实现的系统包含可配置的多通道系统，其中一些通道可经配置以使用切换放大器来驱动负载，例如扬声器，而其它通道可经配置以使用线性放大器来驱动负载，所述线性放大器的电源轨道由一个或多个切换放大器来调制。本公开还描述了各种改进，通过所述改进可以提高各种放大器操作的效率。
图1是根据特定实施例实施的可配置放大器系统的实例的框图。放大器系统100包含线性放大器102和切换放大器104和106。线性放大器102(例如可以是A类放大器)经配置以放大输入信号并驱动负载(由扬声器108表示)。切换放大器104和106是双模式放大器，其可以在第一模式(在此称为轨道调制模式)中被配置(通过所描绘配置/通信链路)以分别调制线性放大器102的正电源轨道V+和负电源轨道V-。在第二模式(在此称为信号放大模式)中，切换放大器104和106可以各自被配置成独立于线性放大器102操作。例如，每个切换放大器可以被配置用于驱动其自己的负载，如虚线中的扬声器110和112所示。在另一实例中，在两种模式中驱动相同的负载，例如，当切换放大器处于信号放大模式时，扬声器108由切换放大器驱动，当切换放大器处于轨道调制模式时，扬声器108由线性放大器驱动。
在实例中，当切换放大器在轨道调制模式中操作时，输入信号被线性放大器放大，其中线性放大器的电源轨道被切换放大器调制。在这个实例中，当切换放大器在信号放大模式中操作时，输入信号被切换放大器放大，并且不使用线性放大器。
在轨道调制模式中，切换放大器104接收由线性放大器102接收的相同数字音频输入信号，并通过正峰值整流产生正轨道V+。切换放大器106通过负峰值整流基于相同的输入信号产生负轨道V-。在该模式中，所述两个切换放大器都在其输出处强加非零DC偏置，并且还可以具有最小容许电压，在所述最小容许电压以下(在绝对值方面)不允许相应轨道通过。这样，用于线性放大器102的电源轨道跟踪输入信号，提供足够的电源电压以处理具有低限幅风险的大瞬时信号电平，同时相对于具有固定轨道的设计极大地减少了低信号电平的功耗。
线性放大器102包含延迟电路114(或在其之前)，所述延迟电路在由线性放大器102放大之前对输入信号进行延迟，以确保与供电轨道的调制的适当同步。由延迟电路114引入的延迟确保由线性放大器102的输出级放大的输入信号中的点(在由数模(D/A)转换器116转换之后)与调制轨道电压V+和V-中的对应点充分对准。由于适当的偏置电压电平是可用的，所以适当的延迟确保了期望的效率增益，同时还降低了在信号没有被适当地对准的情况下可能发生限幅事件的可能性。可以从线性放大器102提供信号，所述信号指示用于与其它音频通道或伴随视频同步的延迟量。
根据一些实施方案，由延迟电路114表示的延迟可以在设计时被表征并且因此是固定的。可替换地，由延迟电路114表示的延迟可以是可编程的。这可以使得例如系统设计者和/或安装者能够测试和设置给定系统配置的最佳延迟。例如，在音频系统的设置期间，可以使用音调作为到通道放大器的输入，并且调整延迟直到放大的音调是正确的。设想不需要对线性放大器的输入信号进行延迟的实施方案。在此类情况下，延迟电路114可经配置或编程以引入大于或等于零的延迟。可替换地，延迟电路114可以具有允许延迟电路114被旁路的伴随切换电路(未示出)。
另外，设想还为独立可编程延迟电路提供切换放大器(未示出)的实施方案。这将在操纵两个信号路径之间的相对延迟方面提供额外的灵活性，以确保轨道电压与被放大的信号之间的正确对准。在这些情况中的任一情况下，可以从线性放大器102和/或切换放大器104(例如，通过其各自的配置/通信链路)提供指示用于与其它音频通道或伴随视频同步的当前延迟的信号。可以理解的是，延迟电路也可能需要配备有此类其它音频通道和/或伴随视频以支持同步。
表征切换放大器104和106在轨道调制模式中的操作的启动及衰减时间可以根据实施方案而变化。在轨道调制模式中，启动时间应当足够快，以确保轨道电压和放大信号的正确对准。另一方面，希望轨道电压尽可能慢地移动，以避免在线性放大器的输出中出现不可接受的切换假象。
在衰减时间上有更大的灵活性，其可以更慢但以效率为代价。即，如果信号电平下降得比轨道电压能够跟随的快，那么轨道电压(以及因此耗散的功率)将高于所需的，直到轨道电压追上。每个系统可以被设计成实现效率与保真度之间的期望平衡。另外，一些实施方案可以使得这些参数可由系统安装者或终端用户编程。
在图1所示的实例中，线性放大器102是A类放大器，其输出级由正和负电源轨道之间的推挽式配置的输出晶体管118和120实施。然而，应注意，设想采用其它线性放大器类型和配置的实施方案。例如，线性放大器102可以实施为A、B或AB类放大器。在另一实例中，输出级可以是单端配置而不是推挽式配置。在又一实例中，输出级可由具有AC耦合输出的以接地为参考的一个电源轨道(正或负)供电。因此，本公开的范围不应限于所描绘的特定放大器配置。
在图1所示的实例中，由切换放大器104和106所采用的调制方案导致以类似于例如H类放大器拓扑的连续方式跟踪输入信号的轨道电压。H类拓扑的实例描述于美国专利第6,373,335号、第6,166,605号、第4,445,095号和第4,218,660号中，其每一者的全部公开内容出于所有目的以引用的方式并入本文中。然而，应注意，可以设想采用其它调制方案的实施方案。例如，切换放大器可以使用某种形式的阶梯或量化电压轨道将线性放大器的电源轨道驱动到多个离散电压电平。这些离散电平可以被粗量化，例如像G类拓扑一样，G类拓扑的早期实例是Hitachi的Dynaharmony HMA 8300高功率音频放大器(1977)。可替换地，可以更精细地量化离散电平。因此，本公开的范围不应限于特定的轨道调制方案。
如上所述，线性放大器102可以是A类放大器，在这种情况下，偏置电路122被配置成使得两个输出晶体管100％的时间导通。在一些实施方案中，输出级的稳定电流或偏置电流由偏置电路122固定在预期峰值电流的大约一半处。可替换地，并且根据特定类型的实施方案，由偏置电路122设置的输出级的稳定电流也可以响应于输入信号而被调制，如分别接收调制轨道电压V+和V-作为输入的偏置控制块124和126所表示的。这允许在由电源轨道的调制所提供的功率效率之上的功率效率的额外增加。参考图4和5描述了此偏置控制电路的实施方案的实例。
图2是可用于一些实施例的双模式切换放大器200的实例的框图。所描绘的放大器拓扑具有与一些常规D类放大器相同的特征。数字输入信号(例如，N位音频流)由数模(D/A)转换器202转换为模拟域，其输出由积分器204积分。同步(sync)信号被注入积分器204的输出，用于由比较器206进行比较。比较器206的输出驱动输出级208，所述输出级208经由输出LC滤波器驱动负载(未示出)。经由在此实例中描绘为具有相应传递函数H1和H2的反馈元件210和212的一或多个反馈元件来提供反馈。
放大器200还包含环路配置逻辑214，其经配置以设置或控制放大器200的操作的各种环路参数和各方面。逻辑214可以是可编程的，并且可以用多种可编程逻辑装置(例如，现场可编程门阵列或FPGA)、固件控制的装置、离散电路和软件中的任一种来实施。逻辑214监视环路操作的各个方面(如虚输入线所示)，环路操作的各个方面可以包含例如数字输入信号、比较器206的1位输出、输出级208的功率晶体管的栅极驱动、LC滤波器之后的输出信号、负载特性等。逻辑214使用这些输入来控制环路操作的各个方面(如虚输出线所示)，包含例如同步控制(经由同步信号)、占空比监视和电平控制、死区定时、动态环路延迟控制(例如，使用可编程延迟线(未示出))、控制积分器204的传递特性、操纵反馈元件210和212的传递函数等。
逻辑214可以是可配置的(例如，通过配置/通信链路)，以使得放大器200以不同的操作模式(例如，本文中所描述的轨道调制模式和信号放大模式)不同地操作。逻辑214使用其各种输入来控制环路操作的各个方面的方式可针对与每一模式相关联的所需效率和保真度而被优化。例如，在信号放大模式中与音频信号的高保真度放大相关联的至少一些严格要求可以在轨道调制模式中放宽，以实现效率的进一步增益，超出由轨道调制实现的增益。
例如，D类放大器的特征在于与切换频率相关的切换损耗。保真度还与切换频率相关，这意味着在效率与保真度之间存在折衷。对于轨道调制模式，逻辑214可以优化切换放大器200的切换特性以实现最大功率转换而不是高保真度。这可包含实施所谓的“软切换”；选择切换输出级的功率晶体管的最佳时间以最小化其切换损耗。即，在轨道调制模式中，可以切换功率晶体管，使得其在“理想”时刻或接近“理想”时刻在通过监视LC输出滤波器所确定的每个晶体管两端的瞬时电压和电流方面进行转变。可通过逻辑214针对给定操作模式优化的回路操作参数的其它实例包含切换频率(低频率改善效率)、启动时间、衰减时间和软切换(例如，零电压切换(ZVS)和零电流切换(ZCS))等。
在另一实例中，逻辑214可(例如)通过切换放大器信号链内的适当信号处理(例如，强加产生净DC输出电位的最小占空比，或将DC偏移注入到闭环伺服系统的前端中)在轨道调制模式中对调制器输出强加非零DC偏置。
例如，切换放大器可经配置以在轨道调制模式中具有比在信号放大模式中更低的切换频率。在另一实例中，可替换地或附加地，切换放大器可经配置以在轨道调制模式中具有比在信号放大模式中更短的衰减时间。在另一实例中，可替换地或附加地，切换放大器可经配置以将其输出级的软切换应用于轨道调制模式，而不应用于信号放大模式。在另一实例中，可替换地或附加地，切换放大器可经配置以在轨道调制模式中而不是在信号放大模式中在其输出级处强加非零DC偏置。
本公开实现的实施方案包含其中仅提供单个放大通道的系统，以及其中提供多个通道并且其中维持通道之间的至少某一同步水平的系统。此类多通道系统的实例包含家庭和影院系统。
用于为电影创建内容的技术涉及混合数字音频信号以产生数字音频音轨，以用于与整个电影放映的可视组件相结合地放映。混合音频信号的部分被分配给所有工业标准的特定数量的预定通道并在其上播放，例如，在杜比数字5.1的情况下为6个、在杜比环绕7.1的情况下为8个以及在杜比全景声的情况下多至64个。
图3示出了其中可实践特定实施方案的电影环境300的实例(从顶部视角看)。投影仪302、声音处理器304和音频功率放大器组306协同操作以提供电影放映的视频和音频组件，其中功率放大器306驱动在环境周围部署的扬声器和超低音扬声器(为清楚起见未示出连接)。声音处理器304可以是各种计算装置或声音处理器中的任何一种，包含例如一或多个个人计算机或一或多个服务器，或者一或多个影院处理器，例如杜比实验室有限公司(Dolby Laboratories,Inc)的杜比全景声影院处理器CP850。声音工程师与声音处理器304的交互可以经由例如基于浏览器的html连接通过膝上型计算机308、平板计算机、智能电话等来完成。音频测量和声音处理通常将使用声音处理器完成，声音处理器包含模拟或数字输入以接收麦克风馈送，以及到驱动扬声器的功率放大器的输出。
所描绘的环境可以经由声音处理器304和放大器配置接口310来配置，以便回放具有不同数目的音频通道(例如6、8、10、14等)的音轨，其中放大器和扬声器的不同子集对应于不同的通道。配置接口310(具有例如来自膝上型计算机308的输入)和适当的互连电缆布线(为清楚起见未示出)可以配置功率放大器306的子集，以根据各种数字音频格式(例如，杜比5.1、7.1或全景声)中的任一种来驱动具有用于相应声道的音频的扬声器的每个子集或阵列。
功率放大器306包含切换放大器312和线性放大器314。切换放大器312可以在单独的底架和外壳中实施(例如，用于安装在机架中)，或者包含在单个底架和外壳中(如虚线框316所示)。每个线性放大器314可具有其自己的底架和外壳(如虚线框318所示)。这样的配置可以允许例如现有的放大器产品改变为向外部线性放大器提供轨道调制。在另一替代案中，每个线性放大器314可以与影院环境300中的对应的一个扬声器集成，所述扬声器由分布在整个环境中的阴影块表示。作为另一替代案，每个线性放大器314可以与一或多个切换放大器312集成。该主题的其它合适的变化对于本领域技术人员是显而易见的。
利用经由接口310进行的适当的互连电缆布线和配置，一或多个切换放大器312可以被配置成调制线性放大器314之一的供电轨道，其本身可以被配置成驱动影院环境300中的扬声器之一，例如屏幕监视器320之一。由于这些监视器倾向于在这样的环境中支配声音体验，所以可以以功率效率为代价来保证对线性放大器的选择以用于更高保真度的声音再现。
这种配置可以包含调制线性放大器的正电源轨道的一个切换放大器(在轨道调制模式中操作)和调制负轨道的另一切换放大器(也在轨道调制模式中操作)，例如参考图1所描述。例如，如参考图2所描述，可以通过与每个放大器相关联的配置接口310和配置/通信链路来实现在优化的轨道调制模式中操作的每个切换放大器的配置。
与屏幕监视器频道相比，例如由顶部(322)、左侧(324)、右侧(326)和后部(328)监视器或超低音扬声器(330)表示的环绕通道可以保证功率效率与保真度之间的不同平衡，导致使用切换放大器312来直接驱动相应的监视器。例如，如参考图2所描述，可以通过与每个放大器相关联的配置接口310和配置/通信链路来实现在优化的信号放大模式中操作的每个切换放大器312的配置。如将了解的，可以针对每个切换放大器的不同操作模式中的每个模式来优化每个切换放大器的操作的实施方案在配置例如图3所示的多通道放大器系统时提供了相当大的灵活性。
根据各种实施方案，图3所示的系统可经配置以使得一或多个扬声器对应于特定的音频通道。此外，放大器306可以以各种方式组合(通过适当的互连电缆布线和配置接口310)以支持特定的音频通道。例如，当在信号放大模式中操作时，切换放大器312可各自经配置以放大对应通道的音频信号。可替换地，切换放大器312可经配置以对于给定音频通道以并行、半桥或全桥配置进行操作。类似地，线性放大器314(具有由一或多个切换放大器312调制的电源轨道)可经配置以对于给定音频通道以并行、半桥或全桥配置操作。另外，切换放大器312可经配置以在轨道调制模式中以并行、半桥或全桥配置操作，以调制线性放大器314之一的一个轨道。这种配置例如可以提供更大的功率处理灵活性或高效率操作。
由本公开实现的各种实施方案允许设计者和/或系统安装者在特定应用的放大器失真与功率效率之间达到适当的平衡。在音频放大的情况下，使用线性输出级达到有利于更高保真度声音再现的平衡。然而，即使是最佳线性放大器的保真度，系统中的其它因素仍然可能是非期望伪像的来源。例如，由音频放大器驱动的监视器中的换能器是由纸、橡胶、塑料、聚酰亚胺(kapton)、铝和各种其它材料构成的机械系统，每种材料具有其自身的谐振和产生非期望伪像的可能性。此外，这种伪像的产生通常在更高的功率电平下更显著。
根据特定实施方案，线性放大器(例如，图1的放大器102或图3的放大器314)可以具有用于接收换能器反馈的相关联的反馈端子，使得来自这种换能器的非期望伪影可随着包含放大器和扬声器的整个系统环路的线性化的一部分减少。如本领域的技术人员将了解的，存在可以引入这种换能器反馈的多种方式。例如，根据一些实施方案，可以使用输出级本地的嵌套环路来引入反馈。可以经由各种机械、电、声或其它机制中的任何一种来获取这种换能器反馈。实例包含邻近音圈的单独绕组、跟踪扬声器纸盆运动的电容或其它换能器、邻近纸盆的隔板上的压力传感器等。
将切换放大器和线性放大器与不同的底架集成在一起的实施方案提供了将线性放大器放置在其正在驱动的扬声器附近的机会。即，如果线性放大器外壳与调制其电源轨道的切换放大器分离，那么线性放大器外壳可以被放置得更靠近，甚至紧邻其正在驱动的扬声器。因此，其外壳外部的换能器反馈端子可以通过非常短的电缆连接到与扬声器相关联的换能器反馈机构。这在例如图3的影院环境的应用中可能是有利的，因为在设备机架与一些扬声器之间可能有几十英尺(否则几百英尺)的电缆。接近意味着要线性化的环路越短，因此性能越好。扬声器也不可能包含有源电子器件来为任何换能器反馈传感器供电或在任何有效距离上发送换能器反馈。
根据一些实施方案，线性放大器可以在与扬声器相同的外壳中实施；即，正由外部切换放大器供电的电动扬声器。这将消除将扬声器的换能器反馈和线性放大器的换能器反馈端子带到外壳之外的需要，从而允许更多种类的方法使用反馈，并且潜在地改进换能器伪像的线性化。
图4示出了放大器400的实施方案的实例，其中，输出级的供电轨道电压和偏置电流都被调制。如上所述，调制轨道电压导致刚好大到足以支持放大信号的摆动的电源电压。输出级的稳定电流的调制进一步降低了功率损耗。
在图4所示的实例中，放大器400的输出级使用正电源轨道V+与负电源轨道V-之间的推挽式配置的输出晶体管418和420实施，并且被配置用于负载408的驱动中的A类操作。然而，应注意，设想采用其它配置和偏置方案的实施方案。例如，放大器400的输出级可以被配置用于A、B或AB类操作。在另一实例中，输出级可以是单端配置而不是推挽式配置。在又一实例中，输出级可由以接地为参考的一个电源轨道(正或负)供电。因此，本公开的范围不应限于所描绘的特定放大器配置。
放大器400包含轨道调制电路404和406，其可经配置以根据多种调制方案中的任何一种来调制其各自的电源轨道。例如，合适的轨道调制方案可能导致以类似于例如H类放大器拓扑的连续方式跟踪输入信号的轨道电压。在另一实例中，轨道调制电路可以使用某种形式的量化电路将线性输出级的电源轨道驱动到多个离散电压电平。这些离散电平或阶梯轨道可以被粗略量化，正如(例如)G类拓扑，或者被更精细地量化。因此，本公开的范围不应限于特定的轨道调制方案。
根据实施方案的特定子集，轨道调制电路404和406可以用切换放大器(例如D类放大器)来实施。这些放大器可以是可配置的，如本文别处所述，但也可以是为轨道调制而特意建造的。可替换地，轨道调制电路可以是用于调制线性放大器的轨道的多种常规电路中的任何一种。放大器400可以包含延迟电路414(或在其之前)，所述延迟电路在由线性输出级放大之前对输入信号进行延迟，以确保与供电轨道的调制的适当同步。
根据实施方案的特定子集，输出级偏置电流包含静态分量和动态分量。基于期望驱动的最小负载放大器400来设置静态分量。例如，如果放大器400是音频放大器，那么可期望驱动2到8欧姆的扬声器负载。如果已知放大器400将不会看到低于8欧姆的负载，那么可以设置偏置电流的静态分量以支持基于8欧姆的最大偏置电流，而不是驱动2欧姆所需的高得多的最大值。输出级偏置电流的动态分量可以基于调制的电源轨道，从而在对应于静态分量的电平附近调制稳定电流。可替换地，输出级偏置电流的动态分量可基于对应于或基于输入信号(如由虚线所示)的前馈信号。另外，输出级偏置电流的控制的静态分量和动态分量都可以是可配置的，使得一个或两个可以在建立时间被接通或断开。
在图5A中示出偏置电路422的特定实施方案。在所描绘的实施方案中，R4表示扬声器负载(在此实例中为8欧姆)，并且Q1、Q2和Q3形成三重达林顿(例如，代替图4的输出晶体管418)，其中Q3是在正循环上向负载提供电流的输出装置。Q4、Q5和Q6形成另一个三重达林顿(例如，代替图4的输出晶体管420)，其中Q4是在负循环上从负载吸收电流的输出装置。V1和V2是用于输出级的正电源轨道和负电源轨道，其可以是例如来自如上所述的调制器模式中的D类级的调制轨道(例如图4的V+和V-)，R1和R2结合偏置设置网络确定输出级中的偏置电流。R3两端的电压调制电阻器R1和R2两端的电压。这进而调制输出级中的偏置电流。二极管D1-D6旨在抵消输出装置Q1-Q6的VBE电压降。
虚线框中的有源分量包含允许R3相对于电路接地浮动的电流源。当输出级的正轨道和负轨道被调制时，通过由Q8、Q10和R5形成的支路的电流确定通过电流镜(到Q7、Q9和Q11、Q12)反射的电流。这进而被转换成R3两端的电压。因为R3与R1和R2并联，所以相同的电压调制输出级偏置电流。应注意，图5A中所示的电路可以被设计成在A类、B类或A/B类中操作。
当开关S1闭合时，偏置电流的静态控制由与R7并联的R5设置。在要支持多个负载阻抗(例如，2、4、8欧姆等)的情况下，可以使用多个开关和电阻器。已知放大器的最大输出功率和与其连接的负载阻抗，可以选择输出偏置以避免浪费过多的能量。偏置电流的动态控制由通过电流镜的增益以及电流源的设计来设置，所述增益是R5(和R7)的因子。
图5B示出了图5A的电路的修改版本，其中(可选的)运算放大器U1和U2被用作缓冲器以确保输出级不加载经调制的偏置电压。这些对于一些实施方案可能不是必需的。在一些实施方案中，U1和U2可以用更简单的电路(例如发射极跟随器)来代替。
图6是作为下述放大器输出级效率计算的基础的电路图。V2和V3分别是正电压轨道和负电压轨道，并且通常大小相等但符号相反。Q1和Q2是用于将功率从电源(V2，V3)传送到负载R3(也称为RL)的输出级装置。在以下实例中：V2＝-V3＝30V；且RL＝8欧姆。V1、R1和R2的组合确定输出级的偏置电流。V1确定输出级的操作类别。V4是AC输入信号源。对于下面的计算，效率由负载所消耗的RMS功率与电源(其包含用于双极设计的两个轨道)所输送的平均功率的比率确定。
效率的定义：
Figure BDA0002541302490000101
以下的计算是针对使用如图6所示的用于正弦波的推挽输出级的传统静态(非调制)轨道情况(A类和B类)。这些计算提供了调制轨道情况的基础，并且将示出，仅在最大输出电压下利用静态轨道可以实现的最大效率对于调制情况的所有信号电平而言属实。
VOUT＝VCC的A类推挽效率计算
电源电压轨道
VCC＝30V
VCC＝-VEE
负载的峰值输出电压
Vo_pk＝VCC
(针对最大效率设置为等于轨道电压)
负载阻抗
RL＝8Ω
从电源汲取的平均电流
Figure BDA0002541302490000102
由电源提供的功率(修改的下标“A”表示A类操作)：
PSA＝VCC·ICC＝112.5W
普通信号的RMS-峰值比(反波峰因子)：
Figure BDA0002541302490000111
方波＝1(例如，参见维基百科条目波峰因子https://en.wikipedia.org/wiki/Crest_factor和根均方https://en.wikipedia.org/wiki/Root_mean_square)。
Figure BDA0002541302490000112
传递到负载的RMS功率(修改的下标“A”表示A类操作)：
Figure BDA0002541302490000113
A类最大效率
Figure BDA0002541302490000114
注意，效率随着RMS-峰值比的增加而提高。图7是示出A类输出级效率作为三角波、正弦波和方波的输出电平的函数的曲线图。
VOUT＝VCC的B类推挽效率计算(假设以下变量与上述A类实例计算相同)。
电源电压轨道
VCC＝30V
VCC＝-VEE
负载的峰值输出电压
Vo_pk＝VCC
(针对最大效率设置为等于轨道电压)
负载阻抗
RL＝8Ω
当Vout,pk＝Vcc时的情况：普通信号的平均-峰值比：三角波＝0.5；正弦波＝2/π；方波＝1
Figure BDA0002541302490000115
从电源汲取的平均电流
Figure BDA0002541302490000116
由电源提供的功率(修改的下标“B”表示B类操作)：
Figure BDA0002541302490000121
传递到负载的RMS功率(修改的下标“B”表示B类操作)
Figure BDA0002541302490000122
B类最大效率
Figure BDA0002541302490000123
再次注意，效率随着RMS-峰值比和平均-峰值比的增加而提高。图8是示出B类输出级效率作为三角波、正弦波和方波的输出电平的函数的曲线图。
关于A类操作期间的电源电流，从电源汲取的电流是恒定的，并且由偏置网络确定，所述偏置网络被设计成考虑到预期的最坏情况的负载。输出装置根据输入信号控制负载所需的电流。然而，电源具有恒定电流。在B类操作中，电源主要具有流经电源滤波电容器的负载电流。
以上对A类输出级和B类输出级的静态电压轨道情况的分析显示了两件重要的事。首先，效率是输出信号电平的函数，并且当输出电平等于轨道电压(Vcc、Vee)时效率最大。第二，效率与被放大的信号的RMS-峰值比(反波峰因子)成比例(例如，
Figure BDA0002541302490000124
Figure BDA0002541302490000125
方波＝1；粉红噪声～4(或更高，取决于分布)。
理论上，接下来无论输入信号电平如何，调制的轨道情况都努力在这些线性推挽拓扑所允许的所有时间实现最大效率情况。然后进一步的损耗取决于信号波峰因子(例如，参见上文计算中所示的“k”因子)。
例如，为了理解这种改进，如果输入信号RMS电平在所有时间都是轨道电压90％的10％，则总效率不会高于10％。然而，如果调制电压轨道，那么信号的峰值电平在100％的时间内几乎等于轨道。接着所得到的效率将取决于输入信号的波峰因子。由于音频具有3dB或更大的典型波峰因子，这意味着当针对A类操作进行偏置时对于所有信号电平的效率接近50％。
此外，且如本文别处所述，通过以以下方式中的一种或两种来修改偏置电流，可以实现进一步的效率改进：(1)基于已知负载阻抗进行静态偏置电流调整；和/或(2)基于轨道调制的调制偏置电流。根据偏置电流调制的精度和允许调制电压轨道保持输出装置接通的下限，可以获得更高的效率。
本文公开的实施方案包含以下实施方案：
实施方案1是一种包含线性放大器的放大器系统。线性放大器具有电源轨道。放大器系统进一步包含第一切换放大器。第一切换放大器可配置以在第一模式中基于线性放大器的输入信号调制线性放大器的电源轨道。第一切换放大器可配置以在第二模式中独立于线性放大器操作。
实施方案2是实施方案1的放大器系统，其中第一切换放大器是D类放大器。
实施方案3是实施方案1或2的放大器系统，其中线性放大器是A类放大器、B类放大器或AB类放大器。
实施方案4是实施方案1到3中任一项的放大器系统，其中第一切换放大器可配置以在第一模式中以第一平均功率效率操作，并且在第二模式中以低于第一平均功率效率的第二平均功率效率操作。
实施方案5是实施方案1到4中的任一项的放大器系统，其中第一切换放大器可配置以在第一模式中以第一切换频率操作，并且在第二模式中以高于第一切换频率的第二切换频率操作。
实施方案6是实施方案1到5中任一项的放大器系统，其中第一切换放大器可配置以在第一模式中以第一失真电平操作，并且在第二模式中以低于第一失真电平的第二失真电平操作。
实施方案7是实施方案1到6中任一项的放大器系统，其中第一切换放大器的第一模式的特征在于第一切换放大器的输出级的软切换。
实施方案8是实施方案1到7中的任一项的放大器系统，其中第一切换放大器的第一模式的特征在于在第一切换放大器的输出处强加非零DC偏置。
实施方案9是实施方案1到8中任一项的放大器系统，其进一步包含第一延迟电路，所述第一延迟电路经配置以在输入信号被线性放大器放大之前对输入信号进行延迟。
实施方案10是实施方案9的放大器系统，其中第一延迟电路可编程以引入大于或等于零的延迟，或者其中第一延迟电路可配置以被旁路。
实施方案11是实施方案9或10的放大器系统，其进一步包含第二延迟电路，所述第二延迟电路经配置以在输入信号被第一切换放大器放大之前对输入信号进行延迟，其中第一延迟电路和第二延迟电路两者都是独立可编程的。
实施方案12是实施方案1到11中的任一项的放大器系统，其进一步包含第一底架和第二底架，线性放大器与第一底架集成，并且第一切换放大器与第二底架集成。
实施方案13是实施方案12的放大器系统，其进一步包含一或多个感测端子，所述一或多个感测端子与第一底架集成并经配置以从由线性放大器驱动的负载向线性放大器提供反馈。
实施方案14是实施方案12的放大器系统，其中由线性放大器驱动的负载与第一底架集成。
实施方案15是实施方案1到14中的任一项的放大器系统，其进一步包含偏置调制电路，所述偏置调制电路经配置以基于到线性放大器的输入信号或基于电源轨道的调制来调制线性放大器的稳定电流。
实施方案16是实施方案15的放大器系统，其中偏置调制电路可配置以基于指定负载阻抗来调制线性放大器的稳定电流。
实施方案17是实施方案1到16中的任一项的放大器系统，其中电源轨道是正电源轨道，并且线性放大器还具有负电源轨道，所述放大器系统进一步包含第二切换放大器，所述第二切换放大器可配置以在第一模式中基于到线性放大器的输入信号来调制线性放大器的负电源轨道，第二切换放大器可配置以在第二模式中独立于线性放大器操作。
实施方案18是实施方案1到17中任一项的放大器系统，其中第一切换放大器经配置以按大体上连续的方式调制线性放大器的电源轨道。
实施方案19是实施方案1到17中任一项的放大器系统，其中第一切换放大器经配置以将线性放大器的电源轨道驱动到多个离散电压。
实施方案20是一种包含多个线性放大器的放大器系统。每个线性放大器具有一或多个电源轨道。放大器系统进一步包含多个切换放大器。每个切换放大器可配置以在第一模式中基于到相应线性放大器的输入信号来调制相应线性放大器之一的电源轨道之一。每个切换放大器可配置以在第二模式中独立于线性放大器和其它切换放大器操作。控制接口经配置以使得能够将放大器系统配置为多个通道。通道的第一子集中的每一个包含经配置以在第二模式中操作的切换放大器之一。通道的第二子集中的每一个包含线性放大器中之一和经配置以在第一模式中操作的切换放大器中的一或多个。
实施方案21是实施方案20的放大器系统，其中线性放大器是A类放大器、B类放大器或AB类放大器，并且切换放大器是D类放大器。
实施方案22是实施方案20或21的放大器系统，其中每个切换放大器可经由控制接口配置以在第一模式中以第一平均功率效率和第一失真电平操作，以及在第二模式中以第二平均功率效率和第二失真电平操作，第一平均功率效率高于第二平均功率效率，并且第一失真电平高于第二失真电平。
实施方案23是实施方案20到22中任一项的放大器系统，其中每一切换放大器的第一模式的特征在于切换放大器的输出级的软切换。
实施方案24是实施方案20到23中的任一项的放大器系统，其中每一切换放大器的第一模式的特征在于在切换放大器的输出处强加非零DC偏置。
实施方案25是实施方案20到24中任一项的放大器系统，其进一步包含与每个线性放大器相关联的延迟电路，所述延迟电路经配置以对相应输入信号进行延迟。
实施方案26是实施方案25的放大器系统，其中延迟电路可经由控制接口编程以引入大于或等于零的延迟，或者其中延迟电路可经由控制接口配置以被旁路。
实施方案27是实施方案20到26中任一项的放大器系统，其进一步包含多个底架，每个线性放大器与对应的一个底架集成，所有切换放大器与一个底架集成。
实施方案28是实施方案27的放大器系统，其中与相应的一个线性放大器集成的每个底架包含一或多个感测端子，所述感测端子经配置以从由线性放大器驱动的负载向相应的线性放大器提供反馈。
实施方案29是实施方案20到28中任一项的放大器系统，其中控制接口经配置以使得放大器系统的两个通道的配置能够并行地、以半桥模式或以全桥模式操作。
实施方案30是实施方案20到29中任一项的放大器系统，其中控制接口经配置以使得两个或两个以上切换放大器的配置能够调制线性放大器之一的电源轨道之一，两个或两个以上切换放大器是并联的、处于半桥配置或全桥配置。
实施方案31是一种包含线性放大器的放大器系统。线性放大器具有电源轨道。放大器系统进一步包含第一轨道调制电路，所述第一轨道调制电路经配置以基于到线性放大器的输入信号来调制线性放大器的电源轨道。放大器系统进一步包含偏置调制电路，所述偏置调制电路经配置以基于到线性放大器的输入信号或基于电源轨道的调制来调制线性放大器的稳定电流。
实施方案32是实施方案31的放大器系统，其中偏置调制电路可配置以基于指定负载阻抗来调制线性放大器的稳定电流。
实施方案33是实施方案31或32的放大器系统，其中第一轨道调制电路经配置以按大体上连续的方式调制线性放大器的电源轨道。
实施方案34是实施方案31或32的放大器系统，其中第一轨道调制电路经配置以将线性放大器的电源轨道驱动到多个离散电压。
实施方案35是实施方案31到34的放大器系统，其中第一轨道调制电路是切换放大器。
实施方案36是实施方案35的放大器系统，其中线性放大器是A类放大器、B类放大器或AB类放大器，并且切换放大器是D类放大器。
实施方案37是实施方案35或36的放大器系统，其中切换放大器可配置以在第一模式中基于输入信号调制线性放大器的电源轨道，并且可配置以在第二模式中独立于线性放大器操作。
实施方案38是实施方案37的放大器系统，其中所述切换放大器可配置以在第一模式中以第一平均功率效率操作且在第二模式中以低于第一平均功率效率的第二平均功率效率操作。
实施方案39是实施方案37或38的放大器系统，其中切换放大器可配置以在第一模式中以第一切换频率操作，并且在第二模式中以高于第一切换频率的第二切换频率操作。
实施方案40是实施方案37到39中任一项的放大器系统，其中切换放大器可配置以在第一模式中以第一失真电平操作，并且在第二模式中以低于第一失真电平的第二失真电平操作。
实施方案41是实施方案37到40中任一项的放大器系统，其中切换放大器的第一模式的特征在于切换放大器的输出级的软切换。
实施方案42是实施方案37到41中的任一项的放大器系统，其中切换放大器的第一模式的特征在于在切换放大器的输出处强加正DC偏置。
实施方案43是实施方案31到42中任一项的放大器系统，其进一步包含第一延迟电路，所述第一延迟电路经配置以在输入信号被线性放大器放大之前对输入信号进行延迟。
实施方案44是实施方案43的放大器系统，其中第一延迟电路可编程以引入大于或等于零的延迟，或者其中第一延迟电路可配置以被旁路。
实施方案45是实施方案43或44的放大器系统，其进一步包含第二延迟电路，所述第二延迟电路经配置以在输入信号被第一轨道调制电路用于调制线性放大器的电源轨道之前对输入信号进行延迟，其中第一延迟电路和第二延迟电路是独立可编程的。
实施方案46是实施方案31到45中任一项的放大器系统，其进一步包含第一底架和第二底架，线性放大器与第一底架集成，并且第一轨道调制电路与第二底架集成。
实施方案47是实施方案46的放大器系统，其进一步包含一或多个感测端子，所述一或多个感测端子与第一底架集成并经配置以从由线性放大器驱动的负载向线性放大器提供反馈。
实施方案48是实施方案46的放大器系统，其中由线性放大器驱动的负载与第一底架集成。
实施方案49是实施方案31到48中任一项的放大器系统，其中所述电源轨道是正电源轨道，且所述线性放大器还具有负电源轨道，所述放大器系统进一步包含第二轨道调制电路，所述第二轨道调制电路经配置以基于到所述线性放大器的输入信号来调制所述线性放大器的所述负电源轨道，并且其中偏置调制电路经配置以基于正电源轨道和负电源轨道的调制来调制线性放大器的稳定电流。
实施方案50是一种包含第一放大器的放大器系统。第一放大器是具有电源轨道的线性放大器。放大器系统进一步包含第二放大器。第二放大器可配置以在第一模式中基于到第一放大器的输入信号来调制第一放大器的电源轨道。第二放大器可配置以在第二模式中独立于第一放大器操作。
实施方案51是实施方案50的放大器系统，其中第二放大器是切换放大器。
实施方案52是实施方案50或51的放大器系统，其中第一放大器是A类放大器、B类放大器或AB类放大器。
实施方案53是实施方案50到52中任一项的放大器系统，其中第二放大器可配置以在第一模式中以第一平均功率效率操作并且在第二模式中以低于第一平均功率效率的第二平均功率效率操作。
实施方案54是实施方案50到53中任一项的放大器系统，其中所述第二放大器是切换放大器，且可配置以在第一模式中以第一切换频率操作并且在第二模式中以高于第一切换频率的第二切换频率操作。
实施方案55是实施方案50到54中任一项的放大器系统，其中第二放大器可配置以在第一模式中以第一失真电平操作并且在第二模式中以低于第一失真电平的第二失真电平操作。
实施方案56是实施方案50到55中任一项的放大器系统，其中第二放大器是切换放大器，并且第一模式的特征在于切换放大器的输出级的软切换。
实施方案57是实施方案50到56中任一项的放大器系统，其中所述第二放大器是切换放大器，且所述第一模式的特征在于在所述切换放大器的输出处强加非零DC偏置。
实施方案58是实施方案50到57中任一项的放大器系统，其进一步包含第一延迟电路，所述第一延迟电路经配置以在输入信号被第一放大器放大之前对输入信号进行延迟。
实施方案59是实施方案58的放大器系统，其中第一延迟电路可编程以引入大于或等于零的延迟，或者其中第一延迟电路可配置以被旁路。
实施方案60是实施方案58或59的放大器系统，其进一步包含第二延迟电路，所述第二延迟电路经配置以在输入信号被第二放大器放大之前对输入信号进行延迟，其中第一延迟电路和第二延迟电路两者都是独立可编程的。
实施方案61是实施方案50到60中的任一项的放大器系统，其进一步包含第一底架和第二底架，第一放大器与第一底架集成，并且第二放大器与第二底架集成。
实施方案62是实施方案61的放大器系统，其进一步包含一或多个感测端子，所述一或多个感测端子与第一底架集成并经配置以从由第一放大器驱动的负载向第一放大器提供反馈。
实施方案63是实施方案61的放大器系统，其中由第一放大器驱动的负载与第一底架集成。
实施方案64是实施方案50到63中的任一项的放大器系统，其进一步包含偏置调制电路，所述偏置调制电路经配置以基于到第一放大器的输入信号或基于电源轨道的调制来调制第一放大器的稳定电流。
实施方案65是实施方案64的放大器系统，其中偏置调制电路可配置以基于指定负载阻抗来调制第一放大器的稳定电流。
实施方案66是实施方案50到65中的任一项的放大器系统，其中电源轨道是正电源轨道，并且第一放大器还具有负电源轨道，所述放大器系统进一步包含第三放大器，所述第三放大器可配置以在第一模式中基于到第一放大器的输入信号来调制第一放大器的负电源轨道，第三放大器可配置以在第二模式中独立于第一放大器操作。
实施方案67是实施方案50到66中任一项的放大器系统，其中第二放大器经配置以按大体上连续的方式调制第一放大器的电源轨道。
实施方案68是实施方案50到66中任一项的放大器系统，其中第二放大器经配置以将第一放大器的电源轨道驱动到多个离散电压。
本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文所描述的实施方案的形式和细节进行改变。另外，尽管已参考各种实施方案描述了各种优点、方面和目的，但本公开的范围不应限于参考此类优点、方面和目的。相反，本公开的范围应当参考所附权利要求书来确定。

Claims (19)

1.一种放大器系统，其包括：
用于放大输入信号的线性放大器，所述线性放大器具有电源轨道；以及
第一切换放大器，所述第一切换放大器可配置以在第一模式中基于到所述线性放大器的所述输入信号来调制所述线性放大器的所述电源轨道，所述第一切换放大器可配置以在第二模式中用于信号放大，其中所述第一切换放大器经配置以仅在其第一模式中调制所述线性放大器的所述电源轨道。
2.根据权利要求1所述的放大器系统，其中所述第一切换放大器是D类放大器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的放大器系统，其中所述线性放大器是A类放大器、B类放大器或AB类放大器。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的放大器系统，其中所述第一切换放大器可配置以在所述第一模式中以第一平均功率效率操作且在所述第二模式中以低于所述第一平均功率效率的第二平均功率效率操作。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的放大器系统，其中所述第一切换放大器可配置以在所述第一模式中第一切换频率操作且在所述第二模式中以高于所述第一切换频率的第二切换频率操作。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的放大器系统，其中所述第一切换放大器可配置以在所述第一模式中以第一失真电平操作且在所述第二模式中以低于所述第一失真电平的第二失真电平操作。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的放大器系统，其中所述第一切换放大器的所述第一模式的特征在于所述第一切换放大器的输出级的软切换。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的放大器系统，其中所述第一切换放大器的所述第一模式的特征在于在所述第一切换放大器的输出处强加非零DC偏置。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的放大器系统，其进一步包括第一延迟电路，所述第一延迟电路经配置以在所述输入信号被所述线性放大器放大之前对所述输入信号进行延迟。
10.根据权利要求9所述的放大器系统，其中所述第一延迟电路可编程以引入大于或等于零的延迟，或其中所述第一延迟电路可配置以被旁路。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的放大器系统，其进一步包括第二延迟电路，所述第二延迟电路经配置以在所述输入信号被所述第一切换放大器放大之前对所述输入信号进行延迟，其中所述第一延迟电路和所述第二延迟电路两者都是独立可编程的。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的放大器系统，其进一步包括第一底架和第二底架，所述线性放大器与所述第一底架集成，并且所述第一切换放大器与所述第二底架集成。
13.根据权利要求12所述的放大器系统，其中所述放大器系统进一步包括一或多个感测端子，所述一或多个感测端子与所述第一底架集成并且经配置以从由所述线性放大器驱动的负载向所述线性放大器提供反馈。
14.根据权利要求12所述的放大器系统，其中由所述线性放大器驱动的负载与所述第一底架集成。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的放大器系统，其进一步包括偏置调制电路，所述偏置调制电路经配置以基于到所述线性放大器的所述输入信号或基于所述电源轨道的调制来调制所述线性放大器的稳定电流。
16.根据权利要求15所述的放大器系统，其中所述偏置调制电路可配置以基于指定的负载阻抗来调制所述线性放大器的所述稳定电流。
17.根据权利要求1到16中任一项所述的放大器系统，其中所述电源轨道是正电源轨道，并且所述线性放大器还具有负电源轨道，所述放大器系统进一步包括第二切换放大器，所述第二切换放大器可配置以在第一模式中基于到所述线性放大器的所述输入信号来调制所述线性放大器的所述负电源轨道，所述第二切换放大器可配置以在第二模式中用于信号放大，其中所述第二切换放大器经配置以仅在其第一模式中调制所述线性放大器的所述负电源轨道。
18.根据权利要求1到17中任一项所述的放大器系统，其中所述第一切换放大器经配置以按大体上连续的方式调制所述线性放大器的所述电源轨道。
19.根据权利要求1到17中任一项所述的放大器系统，其中所述第一切换放大器经配置以将所述线性放大器的所述电源轨道驱动到多个离散电压。
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