CN1768471A - 数字放大器 - Google Patents

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Abstract

近来，D类音频放大器的使用已经变得越来越普遍。与通常使用的A－B类线性放大技术相比，D类实现了改良的效率。然而，D类的原理因其较差的失真特性而著名。根据本发明，提供一种用于把输入信号变换为功率输出的数字放大器。根据本发明的数字放大器包括一个电源波纹预先补偿电路，用于根据输入信号补偿在提供给数字放大器的桥接电路的电源电压上的电压波纹。通过这样，可以补偿在提供给桥接器的电源电压中已被发现引起数字放大器的输出信号中的主要失真部分的电源波纹。

Description

数字放大器
本发明涉及把数字信号直接变换为功率输出的数字放大器领域。详细地说，本发明涉及一种用于把输入信号变换为功率输出的数字放大器、涉及一种用于把多个输入信号变换为多个功率输出的数字放大器系统、涉及一种用于在电源和D类放大器之间连接的补偿电路以及涉及一种操作D类放大器的方法。
已经开发了好几种类型的功率放大器输出级。它们方便地被标记为：例如A类放大器、B类放大器和C类放大器。最近，出现了D类放大器。A、B、AB和D类在低频音频设计中是常见的，并且在诸如伺服电动机驱动和RF放大之类的其它领域中也有一些应用。C类、E和F类通常只被使用于RF应用中。
近年来，D类放大器由于它们与通常使用的AB类线性放大技术相比具有巨大改善的效率而已经变得越来越流行。D类放大器在Carsten Nielsen的″High Fidelity PWM based Amplifier Conceptfor Active Speaker Systems with a very low EnergyConsumption″(100th AES Convention，Copenhagen，May 1996，pre-print 4259)中被概括描述，因此其被参考引用。
D类放大器的发展显示了提高放大器效率的成果。类似于开关稳压器的方案，D类放大器用一个较高的频率方波来对音频输入信号进行脉冲宽度调制以使音频信号信息变成调制信号的脉冲宽度形式的变型。这个调制信号馈送一组通常被称为H桥接器的半桥开关，并且每个H桥接器由两个功率MOSFET组成。与A或B类结构不同，代替从输出到接地，在桥接器引线两端放置该放大器负载或扬声器。这个配置允许放大器再现低至20Hz的低频信号而不需要双极性电源或者不会在输出中引入直流偏移。
尽管变得越来越流行，但是D类音频放大器因其较差的失真特性而著名。尝试对调制输出进行滤波以删除高频信号并恢复被放大的输入信号。诸如双极巴特沃斯(Butterworth)滤波器、双极切比雪夫(Chebyshev)或者双极贝赛尔(Bessel)滤波器之类的滤波器配置都是已知的，它们或者不递送满意的结果或者带来显著的劳动和费用。
本发明的一个目的是避免数字放大器中的失真。
正如在这里使用的，术语″数字放大器″适用于直接变换为功率输出的放大器。
根据本发明的一个示范实施例，用一个用于把输入信号变换为功率输出的数字放大器可以解决上述目的，该数字放大器包括一个具有至少一对开关和一个电源波纹预先补偿电路的桥接电路。电源波纹预先补偿电路被安排用于补偿在提供给桥接电路的电源电压上的电压波纹。根据本发明的一个方面，电源波纹预先补偿电路基于输入信号补偿在电源电压上的电压波纹。
根据本发明的一个方面，已经弄清楚数字放大器的主要失真部分是由数字放大器的电源电压中的波纹所引起。在这方面，必须指出：关于这个申请，术语″波纹″不限制为100Hz波纹等等，而是指干扰、不希望的波纹形和波纹(例如在音频放大器的输出信号的20KHz带宽内的)。同样，术语″补偿″包括任何抑制或者均衡。具体地说，在D类放大器的情况下，已经弄清楚在前馈D类放大器中的重要失真源之一是由于负载电流改变由电压降引起的在全桥上的电源电压波纹。诸如A-B类放大器之类具有反馈的放大器固有地具有优良的电源波纹抑制。可是，这些传统的A-AD类放大技术不能无任何反馈地被应用到完全数字的音频放大器中。
有利地，根据本发明的数字放大器可以无任何反馈地被应用到完全数字的音频放大器中并且确保由于电源波纹效应所引起的改善的总谐波失真图形。
有利地，由于基于输入信号的电源波纹预先补偿，只要此需求由输入信号定义，输入能够正好在它的需要时被递送给桥接电路负载。有利地，这不仅确保了一个具有最小波纹的干净电源电压，而且意味着相对于已知的解决方案，能够降低电源的储能。
根据如权利要求2所述的本发明的一个示范实施例，数字放大器包括一个滤波器，用于对作为音频信号的输入信号进行滤波。根据本发明的这个示范实施例，只有音频信号的一部分频率内容被前馈，以便预先补偿电源电压上的波纹。这样的带宽受限前馈信号发射基于这样的假设：即，大部分音频信号内容位于信号的低频范围中。因此，在确保音频信号内容的主要部分和最重要部分被前馈的同时，音频信号能够被预先低通滤波以便减轻电源控制器而没有损失性能。
根据如权利要求3所述的本发明的另一示范实施例，电源波纹预先补偿电路是数字控制器和模拟控制电路之一并且该数字放大器是D类放大器，其实现了非常有效的波纹补偿并因此实现了一个干净并且未受干扰的输出信号。
根据如权利要求4所述的本发明的另一示范实施例，提供一种用于把多个输入信号变换为多个功率输出的数字放大器系统。根据本发明的这个示范实施例，上述波纹预先补偿方案被应用到多通道应用中的一个以上的通道上(例如立体声放大器中的左和右通道)。本发明的这个示范实施例基于这样的假设：即，低频内容为所有通道所共同的。因此，通过只对那些通道中的一个通道进行滤波并使用这一个通道的低通滤波信号，可以达到满意的结果，以便预先补偿全部放大通道。
根据如权利要求5和6所述的本发明的其它示范实施例，诸如一个音频信号的不同通道之类的多个输入信号被分别平方然后相加并输入到预先补偿电路，用于执行多个输出通道的电源波纹预先补偿。首先平方然后相加的信号表示从电源中提取的总能量并因此可以被用于上述的预先补偿。
如权利要求7和8所述的本发明的其它示范实施例提供了一个在电源和D类放大器之间连接的用于施加上述预先补偿的补偿电路，其中，电源波纹预先补偿电路基于输入信号补偿电源电压上的电压波纹。有利地，这个补偿电路可以被用于已经存在的电路配置中并且实现了对D类放大器的桥接器供应一个干净的电源电压。
权利要求9、10和11提供了一种操作把输入信号变换为功率输出的D类放大器的方法，其允许具有较低失真的D类放大器的与操作。
正如本发明的一个示范实施例要点那样可以看到：根据输入信号中的信息补偿在数字放大器的电源电压上的波纹。在音频信号的情况下，音频信号的内容对应或者定义数字放大器的负载需求。这不仅确保了一个具有最小波纹的干净电源电压，而且有利地，意味着能够降低电源的储能。
参考下文所描述的实施例和参照下面附图，本发明的这些以及其它方面是显而易见并且被阐明。
图1示出了根据本发明的数字放大器的第一示范实施例的示意图。
图2示出了可以使用于图1、3和4中描述的数字放大器中的根据本发明的补偿电路的示范实施例的简化电路图。
图3示出了根据本发明的数字放大器系统的第一示范实施例的示意图。
图4示出了根据本发明的数字放大器系统的第二示范实施例的示意图。
接下来将参考附图描述本发明的示范实施例。图1、3和4中描述的数字放大器是D类放大器，它具有一个通常被称为H桥接器的全桥。不管将参考D类放大器的示范实施例描述本发明的事实，对本领域的技术人员来说很显然的是，本发明不限制为D类放大器，而是适用于其中电源电压中的波纹或不希望的干扰引起诸如放大器的输出信号中的失真之类问题的任何种类的数字放大器。
图1示出了根据本发明的数字放大器的第一示范实施例的简化了的示意框图，该数字放大器用于把诸如音频信号之类的输入信号变换为功率输出。图1中的附图标记2表示把音频信号输出到调制器4的一个音频源。调制器4用一个较高的频率方波脉冲宽度调制音频信号，如此以使在调制器4的输出处输出的信号包括作为已调信号的脉冲宽度的变化的音频信号信息。这个已调信号馈送一组半桥开关，通常称为H桥接器6。通常，每个H桥接器由两个功率MOSFET组成。桥接器6的输出被馈送到一个滤波器中，滤波器用于在输出信号被应用到扬声器10之前对信号进行滤波。与A或B类结构不同，放大器负载，即扬声器10跨越桥接器6的引线从输出连接到地。必须指出：本发明也可以在D类半桥体系结构中实现。在本发明被应用到D类半桥体系结构的情况下，扬声器然后借助于一个串联电容连接到一个半电源。
附图标记12表示一个电源波纹预先补偿电路，其输入连接到音频源2的输出，并且其输出连接到电源14。电源14经由电源端口16把电源电压馈送到桥接器6的开关。在图1中被称为″预先补偿″的电源波纹预先补偿电路12被配置用于抑制或补偿经由电源端口16从电源14馈送到桥接器6的电源电压上的电压波纹。根据本发明的一个示范实施例的电源波纹预先补偿电路可以是诸如DSP控制器之类的数字控制器和模拟控制电路之一。
图2示出了可以如图1、3和4中描述的数字放大器或数字放大器系统的根据本发明的一个示范实施例的电源波纹预先补偿电路的简化电路图。在图2中，附图标记20和22表示D类放大器的全桥的开关，它们借助于MOSFET而被实现。
图2中描述的电路是一个根据本发明的用于电源波纹预先补偿的具有音频信号喷射的补偿变换器。所述电路可以借助于诸如DSP之类的一个数字电路而被实现。
在图2中未描述的电源提供电压v0给该电路。开关20的源极和开关22的漏极连接到电感24，电感24连接到电源输出电压v0。在电源的电源输出电压v0和开关22的源极之间提供一个电容26。电源输出电压v0借助于模数变换器28而被变换成数字域并被输出到误差放大器30。误差放大器30把数字化的电源输出电压v0与参考信号vref进行比较并输出一个误差信号ve。根据本发明的一个方面，误差放大器30可以借助于差分放大器而被实现。
数字音频信号vaudio利用乘法单元32而被平方并作为喷射信号vinj而被输出。喷射信号vinj被提供给由加法器实现的求和单元34。通过求和单元34，喷射信号vinj与误差信号ve叠加。借助于比较器36，求和单元34的输出，即求和信号vc与锯齿信号vs进行比较从而生成一个PWM信号，PWM信号经由驱动器38和40被提供给开关20和22的栅极。这个PWM信号驱动补偿变换器的开关20和22。由于上述电路，一个非常干净的电源电压能够被提供给开关20和22，因为音频信号的平方是由放大器的开关20和22提取的负载电流id的基波分量。
根据本发明的一个方面，电源波纹预先补偿电路12、调制器4、全桥6和/或滤波器8被集成在一个模块或集成电路中。
图3示出了根据本发明的数字放大器系统80的第一示范实施例。图3中描述的数字放大器系统80是一个多信道应用，其中只有一个电源波纹预先补偿电路60被用于补偿在提供给多个数字放大器的多个桥接电路66和74的一个电源电压上的电压波纹。在图3中，音频源50输出一个数字音频信号给通道分配器，它分开数字音频的通道。在图3中描述的一个示范实施例中，仅仅示出两个通道。可是，本发明还可以被应用到使用超过两个通道的体系结构。因此，例如音频信号的左通道被提供给图3中描述的放大器系统80的上部分支，而右通道被提供给图3中描述的放大器系统80的下部分支。音频信号的那些单独的通道是放大器系统80的输入信号。左通道借助于乘法器54而被平方并被提供给求和单元58。同样，右通道借助于乘法器56而被平方并被提供给求和单元58。求和单元58将平方了的右通道与平方了的左通道相加并提供求和信号给电源波纹预先补偿电路60。正如在上面已经提及的，电源波纹预先补偿电路60可以具有与图2中描述的电源波纹预先补偿电路相同的布置。电源波纹预先补偿电路60控制电源62如此以使电源62提供一个干净的电源电压给图3中描述的数字放大器的上部和下部分支的全桥66和74。全桥66和74把借助于调制器64和72被脉冲宽度调制了的左和右通道变换为经由滤波器68和76提供给扬声器70和78的功率输出。
根据本发明的这个示范实施例，多个输入信号(音频信号的通道)被合并并用于多个放大级(放大器系统80的上部和下部分支)的电源波纹预先补偿。从求和单元58提供给电源波纹预先补偿电路60的求和信号表示从电源中提取的总能量。因此，能够实现一个极快的及时补偿，对扬声器70和78实现一个几乎无失真的输出信号。
图4示出了根据本发明的数字放大器系统82的第二示范实施例的简化示意图，用于把多个输入信号(即音频信号的各个通道)变换为提供给扬声器70和78的多个功率输出。图4中，与图3中相同的附图标记被用来表示相同的或相应的元件。如图3中那样，图4中只示出两个通道。可是，本发明还可以被应用到使用超过两个通道的系统中。与图3中描述的实施例相比，只有一个通道(即音频信号的左和右通道的右通道)被输入到电源波纹预先补偿电路60。详细地说，通道分配器52输出的音频信号的右通道借助于低通滤波器80被低通滤波，其输出信号作为输入信号被提供到平方设备84。这个平方设备84被提供用于能量需求的估计。代替被提供在低通滤波器80和电源波纹预先补偿电路60之间，根据本发明的一个方面，该平方设备84也可以被提供在低通滤波器80之前，即被提供在通道分配器52和低通滤波器80之间。本发明的这个示范实施例有利地利用了这样一个事实：即，大部分音频信号内容位于音频信号的低频范围中。因此，有利地，被前馈、即被输入到电源波纹预先补偿电路60的音频信号可以借助于低通滤波器80被预先低通滤波以便减轻电源控制器而不损失性能。
必须指出：尽管事实是图4的右通道被用作为电源波纹预先补偿电路60的输入，但是音频信号的多个通道的左通道或者任何其它通道都可以被使用作为预先补偿的输入信号。有利地，本发明的这个示范实施例可以被用于环绕声系统。在这样的应用中，优选地，音频信号的重低音喇叭通道是这样一个通道：即，被分支出来、被低通滤波、被平方然后借助于电源波纹预先补偿电路用于预先补偿。本发明的这个方面实现了一个非常优良的预先补偿因此实现一个非常干净的输出信号，因为子低音喇叭通道发射具有最高能量的频率部分。
此外，本发明的这个示范实施例利用了这样的事实：即，音频信号的低频内容对所有通道是公共的。因此，根据本发明，只使用一个低通滤波通道来预先补偿所有放大的通道的已经足够。有利地，根据本发明，这使得降低了放大器的总尺寸和成本。正如在上面已经提及的，除了音频源50和/或滤波器68和76以及扬声器70和78之外图3和4中描述的元件都可以被集成在一个集成电路IC或模块中。

Claims (12)

1.用于把输入信号变换为功率输出的数字放大器，包括：一个具有至少一对开关的桥接电路；和一个电源波纹预先补偿电路，用于补偿在提供给桥接电路的电源电压上的电压波纹；其中，电源波纹预先补偿电路基于输入信号补偿在电源电压上的电压波纹。
2.根据权利要求1的数字放大器，其中：所述输入信号是一个音频信号；其中，音频信号借助于一个滤波器而被滤波；和其中，已滤波的音频信号及只有音频信号的一部分频率内容被前馈，以便预先补偿电源电压上的波纹。
3.根据权利要求1的数字放大器，其中：电源波纹预先补偿电路是数字控制器和模拟控制电路之一；和其中，数字放大器是D类放大器。
4.用于把多个输入信号变换为多个功率输出的数字放大器系统，包括：多个桥接电路，每个桥接电路包括至少一对开关；和一个电源波纹预先补偿电路，用于补偿在提供给多个桥接电路的电源电压上的电压波纹；其中，电源波纹预先补偿电路基于多个输入信号中的至少一个输入信号补偿在电源电压上的电压波纹。
5.根据权利要求4的数字放大器系统，还包括：一个合并电路；其中多个输入信号是音频信号的通道；其中合并电路把多个输入信号合并为一个被应用到电源波纹预先补偿电路上的信号。
6.根据权利要求5的数字放大器系统，其中：合并电路包括：一个平方电路和一个加法器；其中多个输入信号借助于平方电路被分别平方然后借助于加法器相加，以便把多个输入信号合并为一个被应用到电源波纹预先补偿电路上的信号。
7.在电源和D类放大器之间连接的补偿电路，其中D类放大器把输入信号变换为功率输出并且其中D类放大器包括至少一对开关，所述补偿电路包括：一个电源波纹预先补偿电路，用于补偿在由电源提供的以及提供给至少一对开关的电源电压上的电压波纹；其中，电源波纹预先补偿电路基于输入信号补偿在电源电压上的电压波纹。
8.根据权利要求7的补偿电路，其中：所述输入信号是一个音频信号；其中，音频信号借助于一个滤波器而被滤波；其中，已滤波的音频信号及只有音频信号的一部分频率内容被前馈，以便预先补偿电源电压上的波纹；和其中电源波纹预先补偿电路是数字控制器和模拟控制电路之一。
9.操作D类放大器的方法，D类放大器把输入信号变换为功率输出，D类放大器包括一个桥接电路，所述方法包括如下步骤：根据输入信号预先补偿在提供给桥接电路的电源电压上的电压波纹。
10.根据权利要求9的方法，其中：输入信号借助于一个滤波器而被滤波；和其中，已滤波的输入信号及只有输入信号的一部分频率内容被前馈，以便预先补偿电源电压上的波纹。
11.权利要求9的方法，还包括如下步骤：分别平方一个音频信号的多个通道；把音频信号的各个平方的通道相加以便形成输入信号；向对应于多个不同通道的多个数字放大器的多个桥接电路提供预先补偿的电源电压，从而在多个数字放大器的多个桥接电路的电源电压上执行电压波纹的预先补偿。
12.权利要求9的方法，还包括如下步骤：平方一个重低音通道音频信号；使用平方了的重低音通道音频信号作为用于预先补偿的输入信号；向对应于多个不同通道的多个数字放大器的多个桥接电路提供预先补偿的电源电压，从而在多个数字放大器的多个桥接电路的电源电压上执行电压波纹的预先补偿。
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