CN1292168A - 在放大器中补偿非线性的方法、一种放大器以及这种方法和放大器的应用 - Google Patents

Abstract

一种用来补偿D类型放大器的非线性的方法,放大器用一种三角波信号形式的载波信号对音频信号进行脉宽调制,提供一个脉宽调制小信号,用一个检测器(10)来检测在提供脉宽调制大信号(7)之前出现的所谓的增殖误差信号。值得注意的是,载波信号可以是模拟的也可以是数字的。来自检测器的信号是根据小信号的脉冲宽度和大信号的脉冲宽度之间的偏差获得的,它被用来改变载波信号,使放大器在整个音频范围内获得线性的恒定增益。另外,为了补偿脉宽调制大信号(7)的脉冲高度和脉冲宽度本身出现的增殖误差,按照这样一个函数来改变载波信号的值,该函数是脉宽调制小信号(5)乘以脉宽调制大信号和反向的脉宽调制小信号乘以反向的脉宽调制大信号。

Description

在放大器中补偿非线性的方法、 一种放大器以及这种方法和放大器的应用

本发明涉及到在放大器中补偿非线性的方法，用放大器构成一个脉宽调制器，对信号进行脉宽调制，提供一个脉宽调制的小信号，并且其中的脉宽调制器具有一个用来控制一组转换开关的输出，它利用电压源向负载提供脉宽调制的大信号。

本发明还涉及到构成脉宽调制器的一种放大器，适合对信号进行脉宽调制，提供一个脉宽调制的小信号，上述脉宽调制信号被提供给至少两个转换开关，用来连接和断开一个电压源，构成一个脉宽调制的大信号，并且具有用来补偿出现在脉宽调制的大信号和脉宽调制的小信号之间的信号路径中的误差信号的装置。

最后，本发明还涉及到这种放大器的应用。

传统的音频放大器被用来放大音频信号，并且在扬声器中形成声音图像。然而，这些放大器的效率不是很高。

因此，放大器是按照其他原理来设计的。这些高效的放大器包括那种基于脉宽调制的放大器。

这些放大器也被称为D类放大器。

这种放大器是由一个脉宽调制器，一组转换开关和一个低通滤波器构成的。

D类放大器的原理是根据一个信号例如是音频信号的振幅交替地将两个转换开关切换到导通和关断。这样就能把音频信号的信息转换成一系列脉冲，脉冲的宽度严格对应着音频信号的信息。

也可以用四转换开关代替两转换开关，让开关成对地导通和关断。

脉宽调制放大器从理论上说是完全线性的，因而具有很低的畸变，但是实际情况表明在这些放大器中也会令人遗憾地形成非线性，这可能是因为在使用它们作为High Fidelity(高保真)放大器时没有采用强大的负反馈系统。

然而，在脉宽调制放大器中建立反馈系统并不是一件容易的事，因为在低通滤波之前执行负反馈会给系统带来很大的噪声。

另外，在反馈系统的设计中需要纳入扬声器的负载阻抗，由于这一阻抗是随着扬声器的选择而变的，反馈系统对设计是一种补充。出现在脉宽调制放大器中的非线性主要是由于提供给转换开关的电压在放大器工作时不是恒定的。

这是因为脉宽调制放大器的增益是用放大器中包括的转换开关的电源电压除以载波的峰值电压而获得的，这种载波通常是一种锯齿波或是三角波信号。因此，放大器的增益与电源电压成正比，而电源电压的变化会给转换开关的输出信号带来一种所谓的增殖误差。

可以通过控制电源电压来消除非线性，但是需要很复杂的电源电路才能实现足够的线性，这样会明显增加放大器的成本。

另外，空载时间也就是转换开关不工作的那一段时间会造成放大信号畸变。

因而就需要在脉宽调制功率放大器中尽量缩短空载时间。不利的是，缩短空载时间会造成功率消耗增加并且给输出信号带来强振铃，因为两个转换开关都会直接将来自电源的电流接地。

如上所述，线性脉宽调制放大器的现有方法需要有强大的负反馈。这种方法不适合用于设计要求简单的用户放大器，并且对宽范围的负载要求不起作用。

最后，0503571A1公开了一种D类放大器，在其中是按照电源电压误差的函数来改变载波信号，从而补偿电源电压的变化。

另一方面，在补偿中没有包括可能给脉宽调制的大信号的脉冲宽度带来误差的其他误差。

因此，本发明的目的是提供一种方法，它能够线性补偿出现在脉宽调制的小信号和脉宽调制的大信号的信号路径之间的所有误差。

本发明的目的是由权利要求1前序部分中所限定的方法实现的，其特征在于将脉宽调制大信号的脉冲宽度本身所出现的不同于脉宽调制小信号的脉冲宽度的必然误差作为一个用于改变脉宽调制的误差信号来检测，按照一种对应着检测的误差信号的方法来改变上述的脉宽调制小信号。

如果按照权利要求2中所述将误差信号作为增殖误差信号来检测，就比较容易把载波信号作为增殖误差信号的函数来调制。

按照权利要求3，将检测的增殖误差信号确定为脉宽调制小信号乘以脉宽调制大信号和反向的小信号乘以反向的脉宽调制大信号。

进而在电路技术上取得的优点是这种补偿电路可以同时补偿脉冲宽度的增殖误差和转换开关中附带出现的脉冲高度误差。另外还可以用简单的方式实现本发明。

应当注意，该方法特别适用于补偿工作在AD类下的H-桥中增殖误差。

权利要求4的有利之处在于脉宽调制是利用载波信号来执行的，这样做的益处是，如果载波信号是模拟信号，还可以在模拟信号的脉宽调制中使用。

然而，也可以使用数字的载波信号。

权利要求5有利于简化脉宽调制的电路结构，可以使用锯齿波或是三角波载波信号。

如果按照权利要求6的方式用一个外部信号来调节载波的转换速率，就能保证在大范围内改变补偿放大器的增益。

如上所述，本发明还涉及到一种放大器。

这种放大器的特征在于用一个检测器构成用来补偿误差信号的装置，检测器适合检测大信号和小信号的脉冲宽度之间的偏差，并且检测器的输出连接到一个受控的载波发生器。

本发明提供了一种放大器，不需要复杂的反馈级就能够消除本身是由脉宽调制小信号和脉宽调制大信号之间的差别所产生的必然的非线性。

在权利要求8-10中限定了这种放大器的有利的实施例。

最后，本发明还涉及到所述方法和放大器的应用。

按照权利要求11的应用可以提供一种比传统的脉宽调制放大器中使用的负反馈简单得多的结构。

按照权利要求12的应用可以用这种放大器控制电阻和电感性负载，例如电动机，物理实验室设备，测量设备等等负载。

以下要参照附图中所示的本发明的实施例提供更加充分的解释，在附图中

图1用框图的形式表示了本发明的基本结构，

图2表示一种载波信号，

图3表示可以用图2的信号来调制的一种信号，

图4表示图3的脉宽调制的信号，

图5表示放大器的电压源作为图3信号的函数的一种变化，

图6表示图2的载波信号的调制，

图7和7A表示特性可以改变的一种三角波载波信号，

图8和8A表示特性可以改变的一种锯齿波载波信号，

图9表示用来检测增殖误差的第一例电路阵列，

图10表示第一检测电路中的一例信号形状，以及

图11表示在半桥或是全桥电路中用来检测增殖误差的第二例电路阵列。

在图1中，标号2表示可以在脉宽调制器4中用所示的载波信号3进行脉宽调制的一个信号，其中的载波信号除了图示的三角波形状之外还可以是锯齿波。脉宽调制可以提供图示的小信号脉宽调制信号5，它可以控制一组转换开关6。电源电压12被提供给转换开关6，由开关提供脉宽调制大信号7，它的幅值是由电源电压12和转换开关6的位置来确定的。脉宽调制大信号7通过一个低通滤波器8滤波，将所得的信号提供给负载，在此处是一个扬声器9。

图1还表示了一个由电压传感器10和一个可控载波调制器11构成的补偿电路30。值得注意的是，这种载波调制器可以用模拟方式或数字方式来实现。用电压传感器10检测电源电压12，为载波调制器11提供一个控制信号。载波调制器11用电压传感器产生的这一信号调制载波信号3，用来补偿放大器中由于电源电压变化而产生的必然的非线性。

图2表示一例没有补偿的载波信号，可以通过脉宽调制器4调制图3所示的信号2，从而提供图4所示的脉宽调制信号。

如果从一个不受控制的电压源为转换开关6供电，电源电压可能具有图5中用12表示的波形。从图中可见，这种电源电压是由一个DC值再叠加上一个整流正弦电压构成的。本身就存在明显非线性的这种电源电压会给放大器带来严重的非线性。因而必须为这些偏差提供补偿。

图6表示一例补偿的载波信号15。这一信号15的峰值变化是图5所示的提供给转换开关的电源电压变化的函数。图6所示的补偿的载波信号15的特征是具有恒定的频率，但是不会妨碍执行补偿，因此，载波信号的电压在调制边上的偏差在数值上是恒定的，而载波信号的频率是可以改变的。

从图7和7A中可见，可以按照另一种原理来补偿载波3，基本的载波可以是一种截头圆锥形的载波信号29。这种信号在调制边上的第一偏差在数值上大于上述三角波信号的调制边。因此，虽然能够维持峰-峰值，放大器的增益低。这样就能看出，对于维持的载波信号的峰-峰值，载波信号的第一偏差的数值是可以改变的，因此，所得的载波信号的形状会在16和17所示的信号形状之间变化。

图8和8A表示例如21所示的载波信号的第二种补偿原理。从图中可见，这一载波信号在调制边上的第一偏差大于锯齿载波信号的第一偏差，虽然能够维持峰-峰值，仍然会造成放大器增益降低。这样就能看出，对于维持的载波信号的峰-峰值，载波信号的第一偏差的增益是可以改变的，因此，所得的载波信号的形状会在19和20所示的信号形状之间变化。

图9表示一种电路的基本结构，与图1相比，这种电路可以和一个H-桥一起用脉宽调制小信号5放大脉宽调制大信号7。

电路的结构是这样的，控制每个半桥A和B的脉宽调制小信号被连接到开关的控制腿39和40，每个上述开关是由大致可以作为一组理想转换开关来切换的两个高速开关构成的。

转换开关的输入31和32分别连接到H-桥的输出37和38，而开关的输出33和36与34和35连接成对。在端子41和42之间所得的差分电压就是H-桥的脉宽调制大信号乘以脉宽调制小信号5。

如果H-桥的脉宽调制大信号7的脉冲宽度与脉宽调制小信号相同，端子41和42之间的差分信号与电源电压12成正比，因此，如果将这一差分信号提供给载波调制器，就能够补偿电源电压12的变化。

另外，端子41和42之间的差分信号与可能的空载时间造成的误差(实际中不可避免)成比例地变化，这就意味着，如果将图9的电路连接到载波调制器11，还可以补偿H-桥中由于空载时间而产生的非线性。

图10的顶上表示一例三角波载波信号3和按照接近理想的高线性度产生的一个结果的小信号43。另外，图的下面表示转换开关(未示出)用小信号43产生的脉宽调制大信号44。从图中可见，小信号的脉冲宽度和大信号的脉冲宽度不同，这是在切换顺序中由于上述的空载时间所造成的。如果用脉宽调制小信号43乘以脉宽调制大信号44，就能获得图10底部所示的一个脉宽调制差分信号45。这一信号的振幅与提供给转换开关的电源电压成正比，而占空周期和脉宽调制小信号和脉宽调制大信号44的脉冲宽度之间的差成反比。只要适当地处理差分信号45，就可以将这一信号作为载波调制器11的控制信号，与图1中来自电压传感器11的信号具有相同的性质。值得注意的是，如果将差分信号45连接到载波调制器11，就可以校正放大器的脉冲宽度误差，还可以校正脉宽调制大信号的脉冲高度误差。

图11表示构成一个检测器10的基本电路结构，它和两个MOSFET一起构成一个半桥式电路，与图1相比，它能够用脉宽调制大信号7乘以脉宽调制小信号5。

电路的结构是这样的，把原理控制半桥的脉宽调制小信号连接到开关的控制腿46，上述开关55是由大致可以作为一组理想转换开关来切换的三个高速开关构成的。

转换开关的端子49连接到半桥的输出37，而开关的端子60和61分别连接到零电位导体和一个纯DC电压，它和转换开关的无负载电源电压成正比，而开关的端子51和50，59和60，以及57和58连接成对。开关62提供一个接近理想的脉宽调制大信号，它所具有的特性和一个理想半桥相同。因此，所得的增殖误差信号可以独一无二地精确代表半桥的误差。这样在53和54之间所得的差分电压就是半桥的脉宽调制大信号7乘以脉宽调制小信号5，和反向脉宽调制小信号乘以接近理想的反向脉宽调制大信号。

如果半桥的脉冲宽度与脉宽调制小信号5的脉冲宽度相同，端子54和53之间的差分信号就与电源电压12成正比，由此可以看出，如果将其提供给载波调制器，就能够补偿电源电压12的变化。

另外，端子54和53之间的差分信号与转换开关23和24中产生的增殖误差成比例地变化，这就意味着，如果将图11的电路当作图1中的检测器10，还可以补偿H-桥中由于空载时间，导通电阻，和电源电压12的变化给转换开关带来的所有增殖误差信号。

如上所述，本发明提供了一种广泛通用并且非常简单的放大器。

这种放大器的结构可以适用于多种类型的负载，不会干扰放大器的指标。

另外，与传统的放大器相比，由于效率高，这种放大器的尺寸比较小，因而不会有过高的发热。

图1中用30表示的补偿电路可以用非常简单的电路结构来实现，仅仅与传统的载波发生器稍有不同。

Claims (12)

1．一种在构成一个脉宽调制器(4)的放大器中补偿非线性的方法，对信号进行脉宽调制，提供一个脉宽调制小信号(5)，并且其中的脉宽调制器(4)具有一个用来控制一组转换开关(6)的输出，它利用一个电压源(12)向负载(9)提供脉宽调制大信号(7)，其特征在于将脉宽调制大信号(7)的脉冲宽度本身所出现的不同于脉宽调制小信号(5)的脉冲宽度的必然误差作为一个用于改变脉宽调制的误差信号来检测，按照一种对应着检测的误差信号的方法来改变上述的脉宽调制小信号。

2．按照权利要求1的方法，其特征是将误差信号作为增殖误差信号来检测。

3．按照权利要求2的方法，其特征是，将检测的增殖误差信号确定为脉宽调制小信号乘以脉宽调制大信号和反向的小信号乘以反向的脉宽调制大信号。

4．按照权利要求1-3的方法，其特征在于脉宽调制是利用载波信号来执行的。

5．按照权利要求4的方法，其特征是使用锯齿波或是三角波载波信号。

6．按照权利要求5的信号，其特征是用一个外部信号来调节载波的转换速率。

7．一种放大器包括适合对一个信号进行脉宽调制的脉宽调制器(4)，提供一个脉宽调制小信号(5)，上述脉宽调制信号被提供给至少两个转换开关(6)，用来连接和断开一个电压源(12)，构成一个脉宽调制大信号，并且具有用来补偿出现在脉宽调制大信号(7)和脉宽调制小信号(5)之间的信号路径中的误差信号的装置，其特征在于用一个检测器(10)构成用来补偿误差信号的装置，检测器适合检测大信号和小信号的脉冲宽度之间的偏差，并且检测器(10)的输出连接到一个受控的载波发生器(11)。

8．按照权利要求7的放大器，其特征是检测器(10)适合用脉宽调制小信号乘以脉宽调制大信号，并且用反向的脉宽调制小信号乘以反向的脉宽调制大信号。

9．按照权利要求7或8的放大器，其特征是可控的载波发生器(11)适合保持载波的频率恒定。

10．按照权利要求7-9的放大器，其特征是可控的载波发生器(11)适合根据检测的增殖误差信号来改变载波的转换速率。

11．按照权利要求1-10的方法和放大器在负反馈系统中的应用。

12．将按照权利要求1-10的方法和放大器用于电阻和电感性负载的功率控制。

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