CN1326613A - 多基准高精度开关放大器 - Google Patents

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Abstract

一种在桥式结构中使用许多独立输出级的开关放大器,每个输出级将一独立占空因数和两个或多个静态或动态基准电压、电流或功率的积提供给共用输出负载的信号端。许多电控开关(207,208,209,210,211,212)将基准与负载(218)相连接,波形发生器(220)控制对负载功率进行粗略和精确控制的开关。波形发生器最好使用脉冲编码调制器(PCM),虽然本发明在这方面不受限制,它可应用于适合使电控开关排序的任何调制方案或波形。负载最好在任一侧经过滤波,电源(例如,接地)的回路经过独立的开关和滤波器(213,214,215,216,217)与负载相连接。这种放大器可用于声频或其它得益于本设计的应用中。

Description

多基准高精度开关放大器
本发明总的来说涉及一种开关放大器，特别是一种在桥式结构中使用许多独立基准输出级而具有较高精度的低成本的开关放大器。
开关放大器过去是依据单极或双极电源基准和负载之间固定控制周期中的调制连接时间的原理设计而成的。可用于负载的电压或电流本质上是所连接电源乘以连接占空因数(导通时间与总时间之比)的值。因此，输出电压，电流或功率通过随每个控制周期修改一次的调制输入以比例的方式进行控制。控制周期通常使用在有价值的最高频率第1/20至1/2周期的范围内。
开关放大器的输出在作用于负载前要经过滤波。这就减少了调制源和控制周期之间的外差积(图象失真)。使用较短的控制周期就容许使用较低的Q输出滤波器，而较长的控制周期对锐截止滤波器斜率有要求。因此滤波器成本促使使用较短的控制周期。
在过去的十年中，放大源的动态范围已被显著地增加。现在典型的数字声频源具有一个96dB的动态范围和一个20kHz带宽。为了精确地放大这样的信号，一典型的放大器输出级就需要40kHz控制频率中大致为1/65,000的最大定时分辨率，分辨率实质上小于一毫微秒。
图1表示一种两个输出驱动器使用单个基准的典型现有技术的桥式开关放大器。图2表示放大器输出级的定时要求，其中波形202-205对应于作用于图1中电控开关102-105的(有源高)驱动器。电源101与开关102和104相连接以便于通过滤波器106或107控制负载108的电压。电源101的返回路径与开关103和105相连接以便于构成通路。
开关102至105的控制是由控制电路109执行的。滤波器106和107用于去除输出端的开关分量。开关102和103用一比占空因数专门启动，而开关105被启动以经过滤波器106和107提供一极性给负载108。可替换地，开关104和105用一比占空因数专门启动，而开关103被启动以经过滤波器106和107提供一反极性给负载108。
即使图1的输出级以100kHz的典型频率工作，也要注意精确放大96dB动态范围(65536分之一)信号的时间分辨率为100kHz的倒数除以65536，或为153微微秒。这就超出了通用硅半导体的能力。为了以合理的成本精确地放大高带宽高精度信号，就需要一种不同的方法。
本发明属于一种在桥式结构中包括许多独立输出级的开关放大器。概括的说，每个输出级将一独立占空因数和两个或多个静态或动态基准电压，电流或功率的积提供给共用输出负载的信号端。这种结构通过使用多基准以产生具有松弛定时要求的输出电压，电流或功率就能实现比常用设计的精度更高和制造的成本更低。
在最佳实施例中，使用第一和第二电压基准，第一基准的电压高于第二基准的电压。第一电压基准高于第二基准电压一个因数，该因数为2的幂。许多电控开关与负载的基准相连接，波形发生器以第一电压作用于负载实现功率的粗略控制和第二电压作用于负载实现功率的精确控制的方式控制开关。波形发生器最好使用脉冲编码调制器(PCM)，虽然本发明在这方面不受限制，它可应用于适合使电控开关排序的任何调制方案或波形。
负载最好在任一侧要经过滤波，电源的回路通过所连接的独立开关与滤波过的负载相连接。在使用两个基准的实施例中，根据本发明的一种系统最好包括第一对电控开关，用于将一个基准与负载每侧进行串联，第二对电控开关，用于将另一个基准与负载每侧进行串联和第三对电控开关，一个在负载的任一侧用于构成回路。在此情况下，波形发生器包括足够的输出端以能适当地控制每个开关。
图1表示一种对于两个输出驱动器使用单个基准的典型桥式开关放大器输出级；
图2表示一种典型桥式开关放大器输出级的定时要求；
图3表示每个输出驱动器具有两个动态基准的本发明的一个最佳实施例；
图4表示图3所示的最佳实施例的定时要求。
本发明概括地说属于一种在桥式结构中包括两个独立输出级的开关放大器。每个输出级将一独立占空因数和两个或多个静态或动态基准电压、电流或功率的积提供给共用输出负载的信号端。这种结构通过使用多基准以产生具有松弛定时要求的输出电压、电流或功率就实现比常用设计的精度更高和制造成本更低。
通过插入，负载在桥式结构中跨接在两个(或多个)独立开关放大器输出级以能接收它们输出差；即两个独立基准/占空因数积之间的差。与现有的开关放大器一样，其中单个基准的独立占空因数用于桥的每个输出级，定时分辨率的限制影响低电平调制。
由于每个输出级产生一个积，可以明白基准的降低要求占空因数的增加以保持相同的输出。还可明白基准以任何系数的降低而没有相当的占空因数增加以该系数降低该级的输出。
由于最后输出给桥式结构负载的是一差信号，可以明白两个输出级不会产生相同量，或基准/占空因数积。高基准的粗信息在具有较低基准精信息的负载求和。粗信息与数字数据流中的精信息相分离只是简单的比特字段选择的问题。通过使用微分器模拟分离是可能的。
为了提供较宽的动态范围，每个基准本身可以是动态的。放大分辨率要求通常是电流电平的函数，与固定绝对的基准情况相反。使用动态基准容许分辨率跟随电位。例如对于动态基准，作用于负载的电能可根据输入信号的瞬时值而变化，正如U.S.专利第5,610,553号所描述，它是作为参考用在此全部引入的。
通过使用独立基准和单个负载的控制占空因数，因此就能够从单个开关放大器输出级中改变定时分辨率的要求。注意任何基准所作的改变是适合于现有的瞬时值以增加动态范围，基准不作单独地改变以使输出减弱。
图3表示每个输出驱动器包括两个动态基准的本发明一个最佳实施例的附图。图4表示与该系统相关的定时波形图。第一基准VR1与开关207和210相连接以通过负载任一侧的滤波器使用图中所示电容器和电感器将电能提供给负载218。第二基准VR2通过负载任一侧的滤波器和控制开关208、211将电能提供给负载218。电源的回路经过开关209和212相连接。开关的控制是通过图4所示定时图的控制电路220实现的。开关可以通过使用工业使用的功率MOSFET或其它任何适用设备执行。
基准VR1最好高于VR2一个因数，该因数为2的幂，以能容许对粗略/精确控制的比特字段进行直接提取。取决于输出极性，同时被控制的开关对或是207/208(粗略控制)与208/209(精确控制)，或是210/211(粗略控制)与212/211(精确控制)。这种方式的控制就会使VR2在相对侧成为一个具有下沉(sinking)和源极(sourcing)的”伪接地”。占空因数的瞬时差不能通过负载看出，因为它们的频率高于输出滤波器的频率是容许的。
信号401-406反射通过节点201-206提供的控制信号。调制从降低的粗略和精确值开始，然后改变符号为随精确降低粗略增加，继之是随精确增加粗略降低。注意分子部分(有源)信号在它们的补数前如图示激活。为了方便起见显示微分两端比特检测的反向(“一”在一侧表示源极，但在另一侧表示下沉)。
刚才所描述的放大器输出级例如是以100kHz的频率工作时，精确放大具有96dB动态范围信号的占空因数的定时分辨率也可以通过100kHz的倒数除以65536和乘以50而得出8毫微秒(假定基准出现相同的比率50∶1)而获得。这正好在工业可用半导体设备容量范围内。

Claims (20)

1.一种开关放大器，它包括：
一负载；
第一和第二基准，第一基准的值高于第二基准的值；
许多电控开关，它们与负载的基准相连接；和
一波形发生器，它以第一基准作用于负载实现粗略的功率控制和第二基准作用于负载实现精确的功率控制的方式控制开关。
2.如权利要求1所述的开关放大器，它还包括一串联在负载任一侧的滤波器，开关与负载相连接。
3.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：基准是电压基准。
4.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：基准是电流基准。
5.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：基准是功率基准。
6.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：基准是静态的。
7.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：基准是动态的。
8.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：第一电压基准高于第二电压基准一因数，该因数为2的幂。
9.如权利要求1所述的开关放大器，它还包括一串联在负载任一侧接地的电控开关。
10.一种开关放大器，它包括：
一具有滤波器的负载，该滤波器串接在任一侧；
许多基准，每个基准具有不同的值；
许多电控开关，它们通过两个滤波器将每个基准与负载相连接；
一输入端；和
将输入转换为许多调制信号的电路，调制信号控制开关以便通过滤波器对负载的电能进行粗略和精确的控制。
11.如权利要求10所述的开关放大器，其特征在于：基准是电压、电流或功率基准。
12.如权利要求10所述的开关放大器，其特征在于：基准是静态的。
13.如权利要求10所述的开关放大器，其特征在于：基准是动态的。
14.如权利要求10所述的开关放大器，其特征在于：第一电压基准高于第二电压基准一因数，该因数为2的幂。
15.如权利要求10所述的开关放大器，它还包括一串联在负载任一侧接地的电控开关。
16.如权利要求10所述的开关放大器，其特征在于：调制信号是脉冲编码调制(PCM)信号。
17.一种开关放大器，它包括：
一滤波过的负载；
第一和第二电压基准，第一基准的电压高于第二基准的电压；
第一对电控开关，一个串接在滤波过的负载每侧，每个开关的另一侧与第一电压基准相连接；
第二对电控开关，一个串接在滤波过的负载每侧，每个开关的另一侧与第二电压基准相连接；
第三对电控开关，一个串接在滤波过的负载每侧，每个开关的另一侧形成接地的通路；
波形发生器，根据调制的输入信号控制每个开关。
18.如权利要求17所述的开关放大器，其特征在于：输入信号是声频信号。
19.如权利要求17所述的开关放大器，其特征在于：输入信号是脉冲编码调制信号。
20.如权利要求17所述的开关放大器，其特征在于：波形发生器是作为调制输入信号的一个函数以第一基准作用于负载实现粗略的功率控制和第二基准作用于负载实现精确的功率控制的方式控制每个开关的。
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