CN1332506C

CN1332506C - 放大电路

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Publication number: CN1332506C
Application number: CNB2003101232686A
Authority: CN
Inventors: 野吕正夫
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2023-12-23
Also published as: US20040135635A1; JP2004214793A; JP3922182B2; CN1512664A; US6980058B2

Abstract

提供一种放大电路，可以让最大输出与负荷阻抗的大小无关达到恒定。由输入放大器(1)放大的输入信号，通过电压限幅电路(2)后在功率放大器(3)进行放大，驱动扬声器(6)。在电阻(4)两端产生的与流经扬声器的输出电流成比例的电压，由电流检测放大器(5)检测，根据所检测的电流值由电压限幅电路(2)控制向功率放大器(3)输入的信号振幅。这样，与扬声器(6)的阻抗无关可以将最大输出功率控制成恒定值。并且，通过也利用输出电流的瞬时值控制电压限幅电路(2)，可以独立控制连续最大输出值和瞬时最大输出值。

Description

放大电路

技术领域

本发明涉及一种驱动扬声器等的放大电路。

背景技术

驱动扬声器等的放大电路(功率放大器)基本上属于电压输出，向负载供给电压信号。其时的电流值根据负载的阻抗来决定，对于扬声器，其阻抗依机种而不同，并且阻抗也因频率不同而不同。因此，功率放大器需要适用相当宽范围的负载阻抗。

功率放大器的输出功率为输出电压与输出电流的积。最大输出电压与电源电压有关，一般，电源电路具有调节特性，负载电流(输出电流)如果增大，电源电压也随着降低。所以，负荷阻抗变小，则负荷电流增加，虽然最大输出电压也降低，而最大输出功率不会完全与负荷阻抗成反比，但是，由于一般趋向最大输出功率增大的方向，如果不在某个地方设置限制输出信号的装置，放大器会因过电流或者电能性(热性)而遭到破坏。

因此，为了该目的，几乎所有的功率放大器出于保护的目的都具有某种限幅电路(保护电路)。

限幅电路中，有：(1)限制输出电压的电压限幅；(2)限制输出电流的电流限幅；(3)限制放大器的消费功率的PC限幅；等。

(1)电压限幅

对于放大器，即使没有限幅电路，电源电压也嵌位，因此，即使不特别设置电压限幅，亦无问题，实际上多种情况放大器没有电压限幅。此时，由于输出嵌位电压与电源电压有关，如果电源电压变动，嵌位电压也变动。如上所述，随着负载电流的增大，一般的电源电压也降低，因此嵌位电压也降低。这从理想放大器的观点看起来是缺点，而现实上并不如此。一般，恒定电压的限幅，除了为增大8Ω负荷与2Ω负荷之间的输出差(看起来，近似于理想放大器+理想电源的值)而有意这样的效果的情况以外，实用上效果很少。

(2)电流限幅

电流限幅，是在负载短路时保护输出元件的必不可少的功能，而负载短路时或者低阻抗负载时如果流过超过限幅值的输出电流则动作。但是，如果在电流上限流，则出现信号波形变得非常差(因为扬声器的阻抗中包括电抗成分)、输出成电流性而扬声器的阻尼也不起作用等诸问题，容易产生听觉上的异音，因此，音乐播放中并不是以功率控制的目的让其频繁动作，只不过以防止放大器破坏的目的，作为异常负载时的保护使用。

(3)PC限幅

PC限幅，让电流限幅的限幅电流值具有与输出电压的相关性。由于可以将负载短路时的电流限幅值设置得很小，因此具有输出元件的负担小的优点。对于输出元件的保护目的，比电流限幅有效，但是这也是电流限制动作，和电流限幅同样在音乐播放中如果动作而出现明显的异音。

再有，在为防止过大的输出而将功率放大部的输出电压与基准电压比较、如果输出电压比基准电压高则降低输入信号电平那样的功率放大器中，提出了根据按照负载向功率放大部供给的电流值、将上述基准电压设定成多段的功率放大器的技术方案(参照专利文献1)。

[专利文献1]特开平10-173446号公报

从理想的电源(完全恒定电压电源)接收电流供给的理想放大器，当8Ω负载时具有100W的最大输出，当4Ω负载时具有200W的最大输出，当2Ω负载时具有400W的最大输出。虽然简单按照具有接近理想放大器的输出特性的放大器就是好放大器的思想进行设计的放大器亦存在，对于音频放大器，在实用上由于需要适合到2Ω程度的负载，这种情况，作为放大器，需要设计成可以耐住400W，结果变成了非常大型的放大器。但是，在市场上最通行的驱动8Ω扬声器时只能输出100W，从合理性与实用性方面看，决不是所希望的放大器。

即，放大器的最大输出，即使在负载电抗从2Ω到8Ω之间变化，也希望不要有太大的变化。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种即使负载阻抗变化也可以将最大输出功率控制成大致恒定的放大电路。

为达到上述目的，本发明的放大电路，包括：限制输入信号的振幅的电压限幅电路；通过介入该电压限幅电路后对所输入的信号进行放大的放大器；检测从该放大器向负载供给的输出电流，输出相应的信号的检测装置。上述电压限幅电路，按照随着所述检测装置的输出电流的增大而限幅电路的限幅电压下降的方式，限制向上述放大器输入的输入信号振幅。

再有，上述电压限幅电路，可以根据上述检测装置的输出的平均值或者有效值、和上述检测装置的输出的峰值中的任一方或者两方，限制向上述放大器输入的输入信号振幅。

进一步，上述放大器是数字放大器。

进一步，本发明的另一放大电路，包括：限制输入信号的振幅的电压限幅电路；通过介入该电压限幅电路后对所输入的信号进行放大的放大器；检测该放大器的输出电压的检测装置。上述电压限幅电路，当由上述检测装置所检测的输出电压的平均值在规定基准值以上时限制向上述放大器输入的输入信号振幅，或者当上述检测的输出电压的峰值在规定基准值以上时限制向上述放大器输入的输入信号振幅。

本发明的又一放大电路，包括：限制输入信号的振幅的电压限幅电路；通过介入该电压限幅电路后对所输入的信号进行放大的放大器；检测从该放大器向负载供给的输出电流的第1检测装置；检测该放大器的输出电压的第2检测装置；根据上述第1检测装置的检测值和上述第2检测装置的检测值计算上述放大器的输出功率的计算装置。上述电压限幅电路，当由上述计算装置计算出的输出功率的平均值在规定基准值以上时限制向上述放大器输入的输入信号振幅，或者当上述计算出的输出功率大于规定基准值时限制向上述放大器输入的输入信号振幅。

附图说明

图1表示本发明的放大电路的第1实施方式的构成方框图。

图2表示本发明的放大电路的第2实施方式的构成方框图。

图3表示本发明的放大电路中电压限幅电路一构成例的电路图。

图4表示本发明的放大电路中其它实施方式的构成的方框图

图中：1-输入放大器，2-电压限幅电路，3-功率放大器，4-电阻，5-电流检测放大器，6-扬声器，21-正输出检波电路，22-正侧平均值检测电路，23-正侧峰值检测电路，24-正侧限幅电路，25-负输出检波电路，26-负侧平均值检测电路，27-负侧峰值检测电路，28-负侧限幅电路，31-PWM调制电路，32-驱动电路，33、34-MOSFET。

具体实施方式

图1中，本发明的放大电路的第1实施方式的概略构成方框图。该图中，1表示对输入信号进行电压放大的输入放大器，2表示根据电流检测放大器5的输出限制该输入放大器1的输出信号电压的电压限幅电路，3表示对该电压限幅电路2的输出进行功率放大的功率放大器，4表示为了检测流经负载(扬声器)6的输出电流(负载电流)而在功率放大器3的输出与扬声器6之间串联插入的小电阻值的电阻，5表示由将上述电阻4的两端所产生的电压进行放大的差动放大器等所构成的电流检测放大器，6表示扬声器。此外，上述功率放大器3既可以是模拟放大器，也可以是数字放大器。

在此，上述电流输出放大器5，具有输出与输入电压的平方根大致成比例的电压的输入输出电压特性，并且，其增益并不大。进一步，上述电压限幅电路2，根据采用积分电路等对上述电流检测放大器5的输出平均化的输出，实现动作。

然后，上述电流检测放大器5的增益与上述积分电路等的时间常数，按照随着输出电流的增加而让上述电压限幅电路2的限幅电压逐渐降低那样稳缓动作(反馈量少的动作)，而进行设定。当反馈量设定成非常多时，电流超过基准值后急剧被限流，而成为急剧的动作，而在本发明的放大电路中，有意不增大电流检测放大器的增益，而将反馈量调小，例如，当扬声器6时的阻抗为2Ω时，与8Ω时相比，通过设定在大电流(约2倍的电流)下进行限流，可以控制成让最大输出大致恒定。

图2表示本发明的放大电路的第2实施方式的构成框图。该图中，输入放大器1、电压限幅电路2、功率放大器3、电阻4、电流检测放大器5及扬声器6，与上述图1所示相同。在此，示出了作为功率放大器3采用数字放大器时的情况，功率放大器3，由PWM调制电路31、驱动器电路32、及由该驱动器电路32来开关的MOSFET33、34构成，由正负电源驱动。再有，在上述PWM调制电路31中，从上述MOSPET33、34的输出施加数字反馈、从到扬声器6的输出端子施加模拟反馈，可以得到高品质的输出。

如图所示，该实施方式中的电压限幅电路2，在正侧和负侧分别设置对上述电流检测放大器5的输出进行检波的检波电路、检测该检波电路输出的峰值的峰值检测电路、检测平均值的平均值检测电路、根据峰值检测电路和平均值检测电路的输出，限制上述输入放大器1的输出电压的振幅的限幅电路。

即，在正侧设置输出将上述电流检测放大器5的输出全波整流后的正侧信号的正输出检波电路21、检测该正输出检波电路21的输出的平均值的正侧平均值检测电路22、检测上述正输出检波电路21的输出峰值的正侧峰值检测电路23、以及由上述正侧峰值检测电路23的输出和上述正侧平均值检测电路22的输出来控制的正侧限幅电路24，在负侧也同样设置负输出检波电路25、负侧平均值检测电路26、负侧峰值检测电路27以及负侧限幅电路28。

在此，上述峰值检测电路(23，27)，检测上述检波电路(21，25)的输出的瞬时值，上述平均值检测电路(22，26)检测上述检波电路(21，25)的输出的平均值或者有效值。

在这样构成的放大电路中，输入信号由上述输出放大器1进行电压放大后被输入到PWM调制电路31，在此被变换成脉冲调幅信号。由PWM调制电路31的输出对驱动器31进行驱动，对输出晶体管33、34进行导通、截止控制，经过由电感L和电容C构成的滤波器后驱动扬声器6。在上述电阻4的两端产生与流经该扬声器6的负载电流成比例的电压，由增益并不大的电流检测放大器5放大后，输入到电压限幅电路2。从电压限幅电路2的正输出检波电路21，输出将上述电流检测放大器5的输出全波整流后的正侧的信号，在正侧峰值检测电路23与正侧平均值检测电路22分别检测其峰值和平均值，这些在预先分别确定的给定基准值以上时，让正侧限幅电路24动作，限制输入放大器1的电压输出的正侧振幅。

同样，通过负输出检波电路25、负侧平均值检测电路26、负侧峰值检测电路27以及负侧限幅电路28对输入放大器1的输出电压的负侧振幅进行限制。

这样，在该实施方式中，上述正侧平均值检测电路22与负侧平均值检测电路26，当检测到负荷电流的平均值在给定基准值以上时，限制输入电压的振幅，同时由正侧峰值检测电路23及负侧峰值检测电路27检测到负荷电流的瞬时值在给定基准值以上时，也限制输入电压的振幅。这样，可以独立控制连续最大输出和动态功率两者。

再有，正侧和负侧分别设置检波电路、平均值检测电路、峰值检测电路，由这些控制正侧限幅电路与负侧限幅电路。这样，可以可靠进行限幅处理。

图3表示上述图2中的电压限幅电路的具体构成例。在该图中，输入放大器1、电压限幅电路2、功率放大器3、电阻4、电流检测放大器5，和上述电路同样。

在前述电阻4的两端所产生的、与负荷电流成比例的电压，由电流检测放大器5放大后，其交流成分在经过电容C1和电阻R1的串联电路后向放大器A4的反相输入供给。在放大器A4的输出端和上述反相输入之间连接电容C2。此外，与上述同样，电流检测放大器5的增益不让太大。

在正电源+V和负电源-V之间，串联连接电阻R2、npn晶体管T1的集电极、晶体管T1的发射极、电阻R3、电阻R4、pnp晶体管T2的发射极、晶体管T2的集电极、电阻R5。在上述晶体管T1的基极和晶体管T2的基极上连接上述放大器A4的输出(电容C2的一端)，上述电阻R3和R4的连接点与上述电容C2的另一端连接。

再有，上述电阻R2与上述晶体管T1的集电极之间的连接点(a点)、和上述放大器A4的输出端之间，串联连接npn晶体管T4的集电极、晶体管T4的发射极、电阻R7，在上述电阻R5与上述晶体管T2的集电极之间的连接点(b点)、和上述放大器A4的输出端之间，串联连接pnp晶体管T3的集电极、晶体管T3的发射极、电阻R6。然后，上述晶体管T3与T4的基极相互连接后，与上述电容C2的另一端连接。

由这些晶体管T1～T4、电阻R2～R7的电路，对上述放大器A4的输出全波整流。即，上述放大器A4的输出为正时，上述晶体管T1导通，晶体管T3也导通。而上述放大器A4的输出为负时，上述晶体管T2导通，晶体管T4也导通。这样，在a点产生从正电源减去将上述放大器A4的输出全波整流后的输出之后的电压(正侧的检波输出)，而在b点产生从负电源加上将上述放大器A4的输出全波整流之后的电压后的电压(负侧的检波输出)。

上述a点，与集电极接地的pnp晶体管T5的基极连接，同时与集电极接正电源+V的npn晶体管T7的基极连接。然后，上述npn晶体管T7的发射极与电阻R8的一端连接，该电阻R8的另一端与其阴极连接在上述npn晶体管T5的发射极上的二极管D1的阳极连接。上述电阻R8和上述二极管D1的阳极的连接点(c点)与接地之间，电阻R10和电容C3并联连接，并且c点与其发射极通过电阻R12与正电源+V连接、集电极接地的pnp晶体管T9的基极连接。然后，pnp晶体管T9的发射极与其阳极与上述输入放大器1的输出连接的二极管D3的阴极连接。

这样，实现上述图2所示的电压限幅电路中的正侧平均值检测电路22、正侧峰值检测电路23以及正侧限幅电路24。

另一方面，上述b点，与集电极接地的npn晶体管T6的基极连接，同时与集电极连接负电源-V的pnp晶体管T8的基极连接。然后，上述pnp晶体管T8的发射极与电阻R9的一端连接，该电阻R9的另一端与其阳极连接在上述npn晶体管T6的发射极上的二极管D2的阴极连接。在上述电阻R9与上述二极管D2的阴极之间的连接点(d点)和接地之间，串联连接电阻R11和电容C4，d点与集电极接地的，发射极通过电阻R13与负电源-V连接的npn晶体管T10的基极连接。然后，上述晶体管T10的发射极与阴极连接在上述输出放大器1的输出上的二极管D4的阳极连接。

这样，实现上述图2中的负侧平均值检测电路26、负侧峰值检测电路27以及负侧限幅电路28。

在这样构成中，按照上述a点的电压，晶体管T7导通的期间，正电源+V由电阻R8和R10分压后的电压对电容C3充电。并且，晶体管T7非导通的期间，充电到该电容C3上的电压通过电阻R10而放电。这样，c点的电压成为在a点产生的与正侧全波整流电压的平均值对应的电压。然后，上述输入放大器1的输出电压与上述c点的电压之差在(二极管D3的正方向电压降+晶体管T9的发射极-基极间电压＝约1.2V)以上时，该二极管D3及晶体管T9导通，限制输入放大器1的输出电压不比(c点的电压+二极管D3的正方向电压降+晶体管T9的发射极-基极间电压)大。这样，当输出电流的平均值在由上述电阻R8、R9及电容C3确定的给定基准值以上时，限制输入放大器1的输出的正侧振幅。

再有，上述a点的电压瞬间降低过大降低到给定基准值以下时，晶体管T5导通，限制上述输入放大器1的输出电压不比(二极管D3的正方向电压降+晶体管T9的发射极-基极间电压+a点的电压)大。这样，可以控制瞬时最大功率(动态功率)不大于给定值。此外，上述基准值可以通过上述二极管D1的个数变更。

另一方面，在负侧，由上述晶体管T6、T8、T10，二极管D2、D4、电阻R9、R11、R13、电容C4构成的电路，也同样动作，可以将额定输出(连续最大输出)及瞬时最大功率(动态功率)控制在不大于各自设定的值。

在此，如上所述，上述电流检测放大器5的增益(不让太大)、和由上述电阻R8、R10、电容C3构成的电路的时间常数，或者由电阻R9、R11，电容C4构成的电路的时间常数，按照随着输出电流的增大而逐渐降低限幅电压，减少反馈量那样进行设定。

这样，额定输出以及动态功率与负载阻抗无关，可以大致成恒定，并且可以独立设定各自的值。

此外，在上述实施方式中，虽然是检测负荷电流，独立控制额定输出及动态功率，但也可以检测负荷电压，独立控制额定输出及动态功率。即，检测上述功率放大器3的输出电压，当其平均值在给定基准值以上时，控制上述电压限幅电路2，限制向功率放大器3输入的电压振幅，或者当上述功率放大器3的输出电压的峰值(瞬时值)在给定基准值以上时，控制上述电压限幅电路，限制向功率放大器3输入的电压振幅。

这样，可以独立控制额定功率和动态功率。

或者，也可以检测负荷电流与输出电压两者，根据所检测的负荷电流与输出电压求出输出功率，根据该输出功率控制电压限幅电路2。

图4表示计算输出功率，用所计算的输出功率控制电压限幅电路的实施方式的概略构成框图。在该图中，和上述图1相同的构成要素采用相同的编号，并省略其说明。

在图4中，与功率放大器3的输出连接的缓冲放大器11，输入放大器3的输出电压，向A/D变换器12输出。并且，来自电流检测放大器5的、在上述电阻4的两端产生的、与输出电流对应的电压，输入到A/D变换器13中。从A/D变换器12输出的、与功率放大器3的输出电压对应的数字数据，和从A/D变换器13输出的、与输出电流对应的数字数据，被输入到微型计算机等构成的运算部14中，在此，相乘后作为放大器功率3的输出功率求出。运算部14，计算所算出的输出功率的平均值，与基准值进行比较，如果在该基准值以上，则向电压限幅电路2输出控制信号，限制向上述功率放大器3输入的输入信号的振幅，例如，在上述图3中将让晶体管电路T9及T10导通的信号向电压限幅电路2输出。再有，当所计算的输出功率(的瞬时值)比给定基准值大时，也同样向电压限幅电路2输出控制信号。

依据该实施方式，根据功率放大器3的输出功率，可以控制电压限幅电路2，可以更正确控制额定功率及动态功率。此外，当设置由为控制放大器的微型计算机时，该微型计算机可以作为上述运算部14使用。

如以上说明的那样，依据本发明的放大电路，例如，对于从2Ω到8Ω的负荷，可以输出几乎相同的最大输出功率。因此，放大器的发热等负担减少。相反，在发热量同等的情况下，8Ω时的最大输出可以设定成更大。

另外，由于利用电压限幅电路限制最大输出，因此获得和通常的放大器的电压嵌位同样的嵌位波形。然后，在嵌位时放大器的输出也保持恒定电压特性，嵌位波形好，即使在音乐播放中进行嵌位，具有和通常的放大器的嵌位时同等的音质，不会出现这之上的异音。

进一步，由于可以独立控制连续最大输出与动态功率，可以进行适合放大器用途的设定。

Claims

1.一种放大电路，其特征在于，

包括：限制输入信号的振幅的电压限幅电路；

通过介入该电压限幅电路后对所输入的信号进行放大的放大器；

检测从该放大器向负载供给的输出电流，输出相应的信号的检测装置，

所述电压限幅电路，按照随着所述检测装置的输出电流的增大而限幅电路的限幅电压下降的方式，限制向所述放大器输入的输入信号振幅。

2.根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，所述电压限幅电路，根据所述检测装置的输出的平均值或者有效值，限制向所述放大器输入的输入信号振幅。

3.根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，所述电压限幅电路，根据所述检测装置的输出的峰值，限制向所述放大器输入的输入信号振幅。

4.根据权利要求1所述的放大电路，其特征在于，所述电压限幅电路，根据所述检测装置的输出的平均值或者有效值，以及所述检测值的峰值，限制向所述放大器输入的输入信号振幅。

5.根据权利要求1～4任一项所述的放大电路，其特征在于，所述放大器是数字放大器。

6.一种放大电路，其特征在于，

包括：限制输入信号的振幅的电压限幅电路；

检测该放大器的输出电压的检测装置，

所述电压限幅电路，当由所述检测装置所检测的输出电压的平均值在规定基准值以上时限制向所述放大器输入的输入信号振幅，或者当所述检测的输出电压的峰值在规定基准值以上时限制向所述放大器输入的输入信号振幅。

7.一种放大电路，其特征在于，

包括：限制输入信号的振幅的电压限幅电路；

检测从该放大器向负载供给的输出电流的第1检测装置；

检测该放大器的输出电压的第2检测装置；

根据所述第1检测装置的检测值和所述第2检测装置的检测值计算所述放大器的输出功率的计算装置，

所述电压限幅电路，当由所述计算装置计算出的输出功率的平均值在规定基准值以上时限制向所述放大器输入的输入信号振幅，或者当所述计算出的输出功率大于规定基准值时限制向所述放大器输入的输入信号振幅。