CN1516336A - 音频功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种功率放大器，它通过将位于扬声器(LS1)的两个同轴的线圈上的线性放大器(Hd_lin)和转换放大器(Hd_sw)磁连接而构成的混合结构实现，或通过将线性放大器(Hd_lin)和转换放大器(Hd_sw)电连接而构成的混合结构实现。这些解决方案可以获得具有线性放大器的所述低失真的特征和具有转换放大器的所述高效率的特征的放大器。

Description

音频功率放大器

技术领域

本发明涉及音频功率放大器。

背景技术

如同我们已知的，音频功率放大器已经在各个消费电子学领域中得到了广泛的使用。

由于具有高的性能和低的制造成本，转换放大器(switchingamplifier)近来变得流行起来。

作为输入信号，转换放大器(也称为D类放大器)接收经过调制的PWM(脉宽调制)信号；为了得到放大效果，就使用输入信号来抑制(choke)等于可用电源电压的高电平电压，这个可用电源电压在输出电压上产生高的脉动(ripple)，这个脉动会转换成由扬声器产生的声音的高的谐波失真。

此外，转换(D类)放大器的频宽是与PWM调制频率绑定的，这是由于静态开关有限的转换速度不能太高。

这就造成这样一种情况，对于转换放大器而言，要获得高的性能就会产生显著的失真，并因此难以获得高的频宽。

另一方面，(在A、AB和B类放大器技术中已知的)通常所使用的线性放大器的失真相对来说比较低，但是他们的效率要比D类放大器低很多。

D类(转换)放大器的优点是具有高的性能(即，它们提供给负载的实际功率与电源(supply)所实际吸收的功率的比值较大)，但是它们的频宽有限并且它们的失真会随着信号频率的增加而增大。此外，当需要放大的信号宽度比阈值低的时候D类放大器会产生显著的失真，这个阈值则依赖于开关频率(switching frequency)、调制器的拓扑结构和开关元件[MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，IGBT(绝缘栅双极晶体管)]的一些固有的参数(充电/放电的时间常数和转换时间)。

线性放大器具有失真非常低、频宽非常高(按A类、AB类和B类的顺序频宽依次下降)的特征，但是它们的效率非常低(按B类、AB类和A类的顺序效率依次下降)。

现在，在这项技术领域中和市场上可以找到许多用以解决下列问题的解决方案：

-关于线性放大器的效率问题，

-D类放大器中的失真问题，

-D类放大器中的频宽限制问题。

但是这些解决方案之间是互相分离的，即，它们将线性放大器和转换(D类)放大器分离开来。

发明内容

本发明的目的是除去上述的缺点。

在本发明中，通过这样一种音频功率放大器来实现下面描述的这些和其它的目标，这种音频功率放大器的特征是具有将线性放大器(Hdlin)和转换放大器(Hdsw)进行磁或电连接而构成的混合结构。

在第一解决方案中，其中所述元件是磁性连接(“磁串联(MagneticTandem”)具有线性放大器的低失真特征的一个音频功率放大器与具有转换放大器的高效率的放大器的；所得到的整个系统具有比线性放大器更高的效率。这个目标是通过在扬声器的移动线圈(mobile coil)上将线性音频放大器和转换音频放大器进行磁连接来实现的；如果扬声器使用的是两个同轴缠绕的线圈，就可以分别对这两个线圈进行控制：一个用线性放大器控制，另一个用转换放大器控制。

在第二解决方案中，其中所述元件是电连接(“电串联”)的，线性放大器用于为转换放大器提供支持，以补偿它固有的非线性和频宽局限性，转换放大器提供高的功效来补偿线性放大器在这方面的缺陷；这样就获得了在第一种放大器的低失真和第二种放大器的高效率之间的一种好的折中结果。

附图说明

下面将根据上述实施例来详细地描述本发明，这些实施例仅仅是以一种非限制性的例子的形式给出的，其中参考了下列附图：

图1现示了一种具有磁性连接“磁串联”和双线圈扬声器的放大器的原理图；

图2现示了由“磁串联”放大器供电的双线圈扬声器的电流波形与线性放大器和转换放大器中的电流波形的比较；

图3现示了“磁串联”放大器的电路示意图；

图4现示了在“磁串联”放大器中装备的双线圈扬声器上，在纯电阻负载上电压相等的情况下，随频率变化的失真波形与转换(D类)放大器中的失真波形的比较图；

图5现示了一种具有“电串联”电连接结构的放大器的原理图；

图6现示了“电串联”放大器的电流波形与线性放大器和转换放大器各自的电流波形的比较；

图7现示了“电串联”放大器的电路示意图；和

图8现示了在“电串联”放大器中，在纯电阻负载上电压相等的情况下，随频率变化的失真波形与线性(AB类)放大器和转换(D类)放大器中的失真波形的比较图。

具体实施方式

参看关于具有“磁串联”磁连接的放大器的解决方案的示意图1，如果通过串联(in series)分路(shunt)对电流拾音(pick up)并让它通过具有传递函数Hr(ω)的模块，属于转换放大器的线圈上的电流就反馈到具有传递函数Hd_lin(ω)的线性放大器上了。

传递函数Hr(ω)在频率上具有特殊的波形、可以扩展频宽，并且它还将电流连接到附属于转换放大器的线圈和输入信号上。

具有传递函数Hd_sw(ω)的转换放大器作为电压生成器使用，并且它由音频输入信号直接控制。

相反地，线性放大器Hd_lin对由转换放大器Hd_sw产生的无法避免的电流脉动进行补偿。

电流系统以类似于在电机的扭矩控制中所使用的方式反馈，在电机中电流环是封闭的以对扭矩进行控制。实际上，电机的扭矩是与定子(异步马达)中或转子(直流电动机)中的电流成比例的：如果可以对电流进行调制，扭矩也就被成比例地调制了；此外，这与马达的负载状态是没有联系的，并且在对电压或功率频率进行调制的普通操作中这种情况是不会发生的。

如果在扬声器上完成相同的操作，由放大器提供的电流就与作为相同负载的导纳(admittance)的负载的电压-电流传递函数无关。

假定V_out(ω)是放大器的输出电压，I_out(ω)是放大器的输出电流，而Z_out(ω)是负载阻抗(即，扬声器的电阻)(还有Y_out(ω)是相关的导纳)：

$\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{Z}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)}={\stackrel{\‾}{Y}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

扬声器的阻抗Z_out(ω)在不同的频率上不是一个常数，因此就会引入失真。

(根据所讲过的与电机的扭矩控制相关的类似方法)检测电流就意味着检测施加在扬声器的锥筒(cone)上的机械力。实际上，就是推动扬声器锥筒移动的力(即，声压)和进入线圈的电流之间的直接成比例：

F＝(B·l)·I_out

其中(B·l)表示扬声器的力因子，它定义为磁通量密度乘以移动线圈的长度。

在图2中显示了在本发明中的混合放大器中由正弦曲线输入励磁(excite)的电流：应当特别注意，线性放大器的输出电流(线性电流)是作为对以正弦曲线显示并伴有由转换放大器的固有失真造成的重叠的脉动的转换放大器的输出电流(转换电流)的实际补偿的。

现在磁性地(即，这是通过混合它们所产生的磁场来产生的)产生的电流的混合称为“虚“混合(即，考虑到两个电流之间实际发生的相互的作用，被看成好象在一个单一的线圈中有一个电流一样)。

如同可以注意到的那样，电流并没有产生失真，并且它以正弦曲线的波形再现了由扬声器中的磁场产生的正弦曲线的电流，而没有由转换放大器Hd_sw产生的不可避免的波形。此外，“虚电流“还与输入信号(即，需要重现的信号)成比例。

在图3中显示了本发明中的“磁串联”放大器的布线图。线性放大器Hd_lin提供发送到扬声器LS1上附属于它的的线圈的电流I_lin，而转换放大器通过两个功率转换元件M1和M2(一般是功率MOSFET)为扬声器LS1上附属于它的线圈提供电流I_sw和电压V_sw。转换放大器Hd_sw的增益由两个电阻R2和R3决定。磁场由在扬声器的气隙中的两个电流I_lin和I_sw之和决定，因此所提供的磁场与电流I_out成比例并与两个电流I_lin和I_sw之和完全对应。然后电流I_sw通过分路R1和差分放大器AI1(即，Hr(ω))反馈回来：将差分放大器的输出信号与输入信号相减并把结果发送到线性放大器Hd_lin的输入端。在图2中以结果电流I_out的形式高亮显示了电流I_lin和I_sw的混合结果，其中I_lin是“线性电流”，I_sw是“转换电流”，而I_out是在扬声器LS1的气隙中产生的“虚电流”。

通过传递函数Hr(ω)，反馈电流I_sw让带有传递函数Hd_lin(ω)的线性放大器以尽可能让电流I_out(ω)仿效输入电压(设置点(setpoint))的方式工作。具体地说，通过这种反馈就可以产生错误信号，这种误差信号可以让线性放大器Hd_lin生成包含有用的电流I_out(ω)的一部分和由转换放大器Hd_sw产生的不可避免的脉动(确切地说在推挽式(push-pull)中)的复制品。

图4显示了在“磁串联”放大器的双线圈扬声器上具有相同的功率的情况下相应于频率的总体调谐失真加噪音THD+N(总体调谐失真+噪音)与转换(D类)放大器中的情况的比较图。从它可以推断出“磁串联”放大器保持了线性放大器的低失真，并同时具有转换放大器的高效率。

测量是在DIN 51435隔板上的消音室中进行的。

参看关于具有“电串联”电连接的放大器的解决方案的示意图5，如果通过串联分路R1对电流拾音(pick up)并将它通过转换模块Hr(ω)发送到具有传递函数Hd_lin(ω)的线性放大器上，扬声器LS1上的电流就反馈回来了。传递函数Hr(ω)具有决定本发明的放大器的频宽的特殊频率的波形，并且还提供与穿过扬声器的电压和电流绑定的混合的电压-电流反馈。

具有传递函数Hr_sw(ω)的转换放大器作为电流生成器使用并由线性放大器控制：转换放大器明显地帮助了线性放大器达到所需要的电流电平。

线性放大器Hd_lin对由转换放大器Hd_sw产生的不可避免的电流波形进行补偿。

电流系统以类似于在电机的扭矩控制中所使用的方式反馈，在电机中电流环是封闭的以对扭矩进行控制。实际上，电机的扭矩是与定子(异步马达)中或转子(直流电动机)中的电流成比例的。

如果可以对电流进行调制，扭矩也就被成比例地调制了；此外，这与马达的负载状态是没有联系的，并且在对电压或功率频率进行调制的普通控制中这种情况是不会发生的。

如果在扬声器上完成相同的操作，由放大器提供的电流就与作为相同负载的导纳的负载的电压-电流传递函数无关。

假定V_out(ω)是放大器的输出电压，I_out(ω)是放大器的输出电流，而Z_out(ω)是负载阻抗(即，扬声器的电阻)(还有Y_out(ω)是相关的导纳)：

$\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{Z}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)}={\stackrel{\‾}{Y}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

扬声器的阻抗Z_out(ω)不是常数，因此就会引入失真。

(根据上面讲过的与电机的扭矩控制相关的类似方法)检测电流就意味着检测施加在扬声器的锥筒上的机械力。实际上，推动扬声器锥筒移动的力(即，声压)和线圈中的电流的直接成比例：

F＝(B·l)·I_out

其中(B·l)表示扬声器的力因子，它定义为磁通量密度乘以移动线圈的长度。

在图6中显示了在本发明中的混合放大器中由正弦曲线输入励磁(excite)的电流：应当特别注意，线性放大器的输出电流(线性电流)是作为以正弦曲线波形显示并伴有由转换放大器的固有失真造成的重叠的脉动的转换放大器(转换电流)的输出电流的实际补偿器的。它们的组合就生成了本发明的“电串联”放大器的实际输出电流，即，它产生流入扬声器的电流。如同可以注意到的，输出电流没有失真并且看上去像重新生成的正弦曲线。

在图7中显示了本发明中的“电串联”放大器的布线图。用Hd_lin表示的线性放大器提供通过分路R1并发送到转换放大器Hd_sw的电流I_lin反馈，而转换放大器Hd_sw提供通过两个功率转换元件M1和M2(一般是功率MOSFET)的电流I_sw。

两个电流I_lin和I_sw根据第一基尔霍夫定律加起来，它提供通过扬声器LS1的电流I_out。然后电流I_out通过分路R2和差分放大器AI2进行反馈。

将差分放大器AI2的输出信号与输入信号相减并把结果发送到线性放大器Hd_lin的输入端。

在图6中很好地显示了提供了I_out的电流I_lin和I_sw的混合，其中I_lin是“线性电流”，I_sw是“转换电流”，而I_out是“电串联电流”。

通过作为两个传递函数AV1(ω)和AI2(ω)的结合体传递函数Hr(ω)得到的穿过扬声器的电流I_out和电压V_out反馈可以让带有传递函数Hd_lin(ω)的线性放大器以尽可能让电流I_out(ω)仿效输入电压(设置点)的方式工作。同时，通过电压V_out(ω)的反馈就得到了“电串联”放大器的增益。

具体地说，通过这种反馈Hr就可以产生错误信号，这种错误信号可以让线性放大器产生包含的有用的电流I_out(ω)的一部分和由转换放大器Hd_sw在I_sw上产生的不可避免的脉动(确切地说在推挽式中)的复制品的称为I_lin的输出电流。

最佳的调节依赖于负载，特别是可以将AV1设置为零以获得电流的纯反馈。

图8显示了在“电串联”放大器的纯电阻负载上具有相同的功率的情况下相应于频率的总体调谐失真加噪音THD+N(总体调谐失真+噪音)与线性(B类)放大器和转换(D类)中的情况的比较图。从它可以推断出“电串联”放大器保持了线性放大器的低失真，并同时具有转换放大器的高效率。

Claims (25)

1.一种音频功率放大器，其特征在于：它是通过用磁或电来连接线性放大器(Hd_lin)和转换放大器(Hd_sw)而构成的混合结构实现的。

2.如权利要求1中的所述音频功率放大器，其特征为它是根据一种混合结构来构造的，其中通过磁连接(“磁串联”)的线性放大器Hd_lin和转换放大器Hd_sw共同工作以相互补偿，并且放置在扬声器LS1的两个同轴的线圈上，所述音频放大器的所述输出电流I_sw反馈到所述输入信号上，使其与所述相同的输入信号成比例。

3.如权利要求1中所述音频功率放大器，其特征为在所述线性放大器Hd_lin和所述转换放大器Hd_sw之间的所述磁连接是通过传递函数Hr(ω)得到的，所述传递函数涉及与所述转换放大器的所述固有的非线性和所述频宽限制相比较而言的所述线性放大器的最好的特征和与所述线性放大器的缺乏功率和效率相比较而言的所述转换放大器的最好的特征。

4.如权利要求1和3中的所述音频功率放大器，其特征为在所述线性放大器Hd_lin和所述转换放大器Hd_sw的所述磁连接中，发送到扬声器LS1的所述电流被通过一种类似于在电机的所述扭矩控制中使用的类似方法进行反馈，在这种方法中为了控制所述扭矩，所述电流环是封闭的。

5.如权利要求1，3和4中的所述音频功率放大器，其特征为所述线性放大器Hd_lin提供发送到所述扬声器LS1的附属于它的所述线圈上的电流I_lin。

6.如权利要求1，3到5中的所述音频功率放大器，其特征为所述转换放大器Hd_sw通过两个功率转换元件M1，M2为所述扬声器LS1的附属于它的所述线圈提供电流I_sw和电压V_out。

7.如权利要求1，3到6中的所述音频功率放大器，其特征为附属于所述转换放大器Hd_sw的所述线圈上的所述电流通过带有传递函数Hr(ω)的模块的分路R1和差分放大器AI1被反馈到带有所述传递函数Hd_lin(ω)的所述线性放大器上。

8.如权利要求1，3到7中的所述音频功率放大器，其特征为所述转换放大器Hd_sw的增益由两个电阻R1，R2决定。

9.如权利要求1，3到8中的所述音频功率放大器，其特征为所述磁场由在所述扬声器LS1的气隙中合并的所述电流I_lin和I_sw决定，因此所提供的磁场与同所述两个电流I_lin和I_sw的和相关的电流I_out成比例。

10.如权利要求1，3到9的所述音频功率放大器，其特征为所提供的所述电流与所述负载的电压-电流传递函数无关。

11.如权利要求1，3到10中的所述音频功率放大器，其特征为具有传递函数Hd_sw(ω)的所述转换放大器作为电压生成器使用，并直接由所述输入端的音频信号控制。

12.如权利要求1，3到11中的所述音频功率放大器，其特征为所述线性放大器Hd_lin作为由所述转换放大器Hd_sw产生的电流脉动的补偿器使用。

13.如权利要求1，3到12中的所述音频功率放大器，其特征为由受到从来自所述Hr反馈的误差信号的影响的所述线性放大器Hd_lin生成的信号产生输出电流I_lin，该输出电流包含一部分有用电流I_out和在推挽式中由所述转换放大器Hd_sw产生的脉动的副本。

14.如权利要求1的所述音频功率放大器，其特征为它是根据一种混合结构来构造的，其中，通过电连接(“电串联”)的线性放大器Hd_lin和转换放大器Hd_sw共同工作以相互补偿，并且所述输出电流I_out反馈到所述输入信号上，因此使其与所述同一输入信号成比例。

15.如权利要求1和14中的所述音频功率放大器，其特征为在所述线性放大器Hd_lin和所述转换放大器Hd_sw之间的所述电连接是通过传递函数Hr(ω)得到的，该传递函数Hr(ω)是根据与所述转换放大器的所述固有的非线性和所述频宽限制相比较而言的所述线性放大器的最好的特征和与所述线性放大器的缺乏功率和效率相比较而言的所述转换放大器的所述最好的特征，通过合并两个传递函数AV1(ω)和AI2(ω)而构成。

16.如权利要求1，14和15中的所述音频功率放大器，其特征为在所述线性放大器Hd_lin和所述转换放大器Hd_sw的所述电连接中，发送到扬声器LS1的所述电流是通过一种类似于在电机的所述扭矩控制中使用的类似系统进行反馈，在这种系统法中，为了控制所述扭矩，所述电流环是封闭的。

17.如权利要求1，14到16中的所述音频功率放大器，其特征为在所述线性放大器Hd_lin和所述转换放大器Hd_sw的所述电连接中，所述线性放大器Hd_lin提供通过分路R1进行反馈、并发送到通过功率开关M1，M2提供电流I_sw的所述转换放大器Hd_sw上。

18.如权利要求1，14到17中的所述音频功率放大器，其特征为所述电流I_lin和I_sw由下述关联提供：线性放大器Hd_lin和所述转换放大器Hd_sw相合并来提供流过所述扬声器LS1的电流I_out；所述电流I_out通过分路R2和差分放大器AI2进行反馈。

19.如权利要求1，14到18中的所述音频功率放大器，其特征为所述差分放大器AI2的输出信号减去所述输入信号，并将所述结果发送到所述线性放大器Hd_lin的输入端。

20.如权利要求1，14到19中所述音频功率放大器，其特征为由其反馈的、被提供和发送给所述扬声器LS1的电流与相应于所述同一负载的导纳的负载的电压-电流传递函数无关。

21.如权利要求1，14到20中的所述音频功率放大器，其特征为所述传递函数Hr(ω)具有决定所述同一个放大器的频宽的频率波形，并提供与通过所述扬声器LS1的电压和电流绑定的混合的电压-电流反馈。

22.如权利要求1，14到21中的所述音频功率放大器，其特征为具有传递函数Hd_sw(ω)的所述转换放大器作为电压生成器使用，并由所述输入的所述线性放大器Hd_lin控制。

23.如权利要求1，14到22中的所述音频功率放大器，其特征为所述转换放大器Hd_sw作为对所述线性放大器Hd_lin的辅助来使用以达到所述所需要的电流电平。

24.如权利要求1，14到23中的所述音频功率放大器，其特征为所述线性放大器Hd_lin为由所述转换放大器Hd_sw产生的电流脉动提供补偿。

25.如权利要求1，14到24中的所述音频功率放大器，其特征为由受到从来自反馈Hr的误差信号影响的所述放大器Hdlin生成的信号产生输出电流Ilin，该输出电流Ilin包含一部分所述有用电流Iout和在推挽式中由所述转换放大器Hdsw产生的所述脉动的所述副本。

Images