TW201014162A - Audio amplifier having load adjustment and method for the load adjustment of the audio amplifier - Google Patents

Description

201014162 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種聲訊放大器，用於將一輸入信號放大 成一輸出信號，具有一輪出放大器級，其中該輸出放大器 級設計成一種在切換操作中工作的放大器形式，以將一中 間信號放大成該輸出信號，此外本發明還關於此種將此聲 訊放大器作負載匹配的方法。 【先前技術】 ® 冑訊放大器用於將一輪入信號放大成-輸出信號，其 中該輸出信號大多經由揚聲器變成聲波發出到周圍環境。 舉例而言，聲訊（音響）放大器在所謂的家庭立體音響設備或 i斯可舞廳、電影院等的音響設備或用於公共建築、學校、 大學等以將講話傳播。 ' 由習用聲訊放大器以信號技術方式供電的揚聲器的數 目、負載匹配及電負载能力可近乎任意地變化。為了要能 鲁對各種 '组態（K〇nfigurati〇n)提供一種就總負載阻抗及所要 之輸出功率作設定的聲訊放大器，一般在市場上提供且有 以離散方式⑷Skret)分段的不同聲訊放大器的模型。〜、 【發明内容】 *从本！月揭不一種具有申請專利範圍第1項的特點的聲 成大盗以及具有申請專利範圍第12項的特點的方法。本 發明的較佳或有利的實施例見於申請專利範圍附屬項，以 下的說明及圖式。 本發明的聲訊放大器適用於及/或設計成將—輸入信號 201014162 放：成-輪出信號。舉例而t，此聲訊放大器可 设備或一特別是音響裝置， ^ 複雜的區域傳聲。此聲訊放大=&開及講系統用於將 大器特別設計成低電阻控制的 電壓源。此聲訊放大器的輸出信號宜定義成一種信號，它 輸出到聲音轉換器及/或揚聲器。輸入信號設計成類師 號，舉例而言它係來自麥克風或其他聲源。 信 聲訊放大11除了其他選項式（optional)的元件外，還包 含至少-輸出放大級’它適合或設計成用於將一中間信號 Μ成輸出m中間信號特別設計成根據該輸入信 號產生的信號。 此輸出放大級做成一種以切換操作工作的放大器形 式，特別疋一種放大器，它將一脈波寬度調變（PWM)的信號 (此信號根據輸入信號及/或中間信號產生或代表該輸入/中 間信號）放大。 在本發明範疇中，將一限制器裝置整合到該聲訊放大 器中，該聲訊放大器用程式技術及/或電路技術設計，根 據輸入信號產生該中間信號，其中該中間信號的位準依一 可調的最大功率及一負載阻抗（它係耦合及/或可耦合到該 聲訊放大器）或者（在另一變更方式）相當之參數極限值而定 一直在一最大位準以下，因此輸出信號不受此輸入信號影 響地同樣在此負載阻抗時不會超出此最大功率或超過此相 當之參數極限值，此限制器裝置宜只在該由輸出電壓產生 的功率在該所調整的或所規劃的輸出功率時才會限制該中 間信號。 201014162 在此’本發明的一係提供一種聲訊放大器，它可有變 通性地配合不同的負載阻抗。一般，一聲訊放大器的實際 可達到的輸出功率主要與三個因素有關：輸出放大級的内 操作電慶u〇、輸出放大級的最大電流承載能力Ip、及負載 的阻抗（例如揚聲器的阻抗）rlsp。

傳統聲訊放大器的最大輸出功率係在最低阻抗Rlsp時 達到，在此阻抗時，終級上好在電流承載能力Ip的極限工 作。但這點在反接（Umkehrschluss)時表示：在較高阻抗時， 終級就輸出功率而言並未能完全利用。此放大器，特別是 放大器的網路部分，在此情形其度量設計係過度者。為了 避免這種缺點，-般要求具有離散式（diskret)分段的輸出功 率的各種不同放大器模型。 而本發明的聲訊放大器與它們不同，係建構成使它可 將一最大的及/或一所希望的或可預設的輸出功率——以下 總稱為：最大輸出功率」——可在很大的功率範圍中在任 意的負载功率的場合輸出。因此利用本發明所建構的聲訊 ★大器就輸出功率（特別是最大輸出功率）而言可在很大的 I: ®内變化β在此’舉例而言’不須將内供應電壓作切換， ::放大斋的結構簡化。本發明不限於特定之離散的輸 1 ; ，該輸出功率宜能無段式調整。 j發明之可選項式利用的優點為： 輸出到j 2之最大可達到的輸出功率可在很大的範圍 輸出到各種所要的負載阻抗； 此放大器的輸出功率可在預設的負載阻抗在很大 5 201014162 的範圍内自由調整。如此，在一些情形中就不須準備不同 功率等級的放大器，該放大器可有變通性地配合各種應用 情形。 ――在多頻道設備用的可能的本發明的設計〔例如活 動箱（Aktivb〇xen)用的放大模組〕，該輸出功率可對各種不 同頻道幾乎互相獨立地任意變化，而不須對個別的放大器 頻道準備不同的操作電壓。舉例而言，如果將中頻域及高 音頻域的功率選設成比低頻途徑的功率更低，則往往很有 利’因為這點相當於在語音及音樂的信號的頻率範圍的典 率：佈’或者低音揚聲器的電可負載性典型的情形比 中音及尚音揚聲器的電可負載性大得多； —在本發明的-可能的設計中，所用多頻道放大写 可依頻道在-種在很大範圍中任意的負載阻抗上調整到任 意不同的輸出功率。在此，名杳 千隹此在實用上，由網路部分可用的 功率構成所有頻道的總功率的上限； 限制：：用於防止所接之揚聲器過負載的保護措施係利用 置一可為暫時性或長期性者―造成或調整該輸 出功率的任意的減少作用； ――依本發明的放大器的場合，可選項式地省 =制器咖㈣以限制聲訊放大器的輸出信號，因為此功 月匕由限制器裝置擔任。 在本發明的一種很接近實際的實施例，豸限制 限制之將中間信號的位準依一可調的最大功率及—個負載 阻抗（它轉合及/或可相合到聲訊放大器）限制在最大位準以 201014162 下，然而，將輸出放大級的輸出電壓u〇ut、輸出功率p。⑴ 及負載阻抗RLSP利用以下公式聯結後：

U〇ut - RlSP 可用另外方式利用該輸入參數：輪出電壓及負載阻抗或輸 出電壓與輸出功率。 在本發明一冑利的進一步特點，設有一控制單元它 設計成用於接收最大功率的值，特別是所要的及/或可能的 最大功率，及/或負載阻抗及/或最大的輸出電壓。該值係經 由送父裝置輸入該控制單元，該送交裝置在一變更例中 可使所需之值用手輸入。輸入信號舉例而言可轉換成類比 或數位式的值。在本發明的一種可能的變更方式或補充例 中，該送交裝置設計成將聲訊放大器的負載阻抗及/或輸出 功率及/或輸出電壓自動灰屮 勒承出。延些自動未出的值可取代該 手輸入的值及/或連同該手輸入的值送交到該控制單元且用 於控制該限制器裝置。 馨 在較佳實施例，該輸出放大級只供以單一雙極的電 壓及/或叹5十成D級放大器及/或設計成具怪定的放大作 用此較佳實施例突顯，本發明的優點--可將-聲訊放 大器用一廉價電路形成。將輸出放大級設計成D級放大器 及/或具有怪大放大作用 卞用的做法的基礎在於：此類放大器在 中間t號的輸入位準报大範圍内顯示有恨定地高的效率。 在本發明的一進—步特點，該限制器裝置包含一分析 器單元及一限制器罝； ^ ’其中該分析器單元根據一施加的 聲訊載體信號及該最大位準將-限制信號發出及/或回耦到 7 201014162 該限制器單兀。此聲訊載體信號可設計成該輸入信 —p ^ 步處理的信號。分析器單元與限制器單元形 成一調節回路’其中的調節設計成使中間信號不會超 信號範圍中的最大位準。 ^ 在此該限制器單元可設計成一前級放大裝置（其放大作 用依回耦的限制信號而定作調整）及/或設計成一阻尼裝 置匕根據回耦的限制信號將施加的聲訊載體信號作緩 一 析器單元同樣可選項式地設計成一種限制器切換 組，因此該限制裝置將限制作用轉換成二個階段，其中在 第一階段一一在限制器單元中--控制或調整放大作用， 在第二階段――在分析器單元中——控制或調節緩衝作 用。 在一可能的實施例中，限制器裝置設在輸出放大級的 上游，且將聲訊載體信號分析或限制，且用此方式產生中 間信號。在本發明一變更例中，職制器裝置用電路技術 整合，使得聲訊載體信號先作脈波寬度調變（pWM)，然後將 該PWM的聲訊載體信號限制並因此形成中間信號。 。在本發明—進—步特點中，該聲訊放大器有—輸入放 大器裝置，匕3又§十成用於調控輸入信號，特別是設計成用 於使輸入阻抗及輸入位準作匹配（Anpassung)。該聲訊放大 器可選項式地包含一位準調整器裝置以將聲音強度及/或放 大作用作匹配，此位置調節器裝置宜前置成使它在小信號 範圍作用到聲訊載體信號。 雖然此處本發明只利用一輸出放大器級和一限制器裝 201014162 ‘ S說月’但在本發明的範疇，該聲訊放大器有數個頻道， 它們各顯示一個輸出放大器級，該輸出放大器級和—個或 數個限制器裝置配合，其中該限制器裝置可利用不同的最 大位準將限制作用轉換。利用此種多頻道聲訊放大器可將 一種混合操作在具有不同負載阻抗的揚聲訊放大器可將-種混合操作在具有不同負載阻抗的揚聲器組態 (K〇nfigur=on)之間移行，並用此方式從單一種聲訊放大器 構造方式著手而選擇性地將不同的負載阻抗施以一種最大 輸出功率及/或一種所選的最大輸出頻率。在轉換組態 (Umkonfiguration)時只有負載阻抗或最大輸出功率或相當 的極限參數被轉換。 本發明另一標的作為一種用於將前述的聲訊放大器改 變組態的方法，其特徵在以下步驟：將一具有一第一負載 阻抗的第一揚聲器系統從該聲訊放大器分開；將該聲訊放 大器的最大輸出率改變組態從一第一值變到一第二值以及 ❹從該第-負載阻抗變到一第二負載阻抗；將一第二揚聲器 系統與該第二負載阻抗連接，其中該第一負載阻抗與第二 負載設計成不同。 本發明的其他特點、優點及效果見於本發明的一較佳 實施例的以下說明以及附圖。 【實施方式】 圖1的示意的方塊圖顯示一聲訊放大器（1)，它設計成 用於將一輸入信號[該輸入信號施在一輸入介面（2)]放大成 一輸出信號，該輸出信號施在一輸出介面（3)。這類聲訊放 9 201014162 大器⑴舉例而言係用於音響設備（例如公開 放音樂放大器’此聲訊放A器⑴做成使得在輪/介面（二）一 :供具有不同負載阻抗的揚聲器系統(圖未示)用的輸出作 唬可用可調整的最大功率輸出。要作匹配 及所要之最大功率用手調整及/或自動 ^負載卩抗 ^ 動檢出。如果不採用該 : = _最大功率’也可使用相當的參數組。 根據此參數組’該聲訊放大器⑴内部作控制，使最 在對應的負載阻抗時不會被超過。 在方塊圖中用實線表示最重要的構件，此聲訊放大器⑴ 的選項式構件用虛線表示，由此輸入介面⑺著手，輸入作 號選項式地經由其他功能構造組――在最初狀態或在處^ 過的狀態也稱為聲訊載體信號――送^限制器裝置（4)， 該限制器裝置⑷依一控制單元(5)的控制信號而定將該聲訊 :體信號限制在一最大位準且呈受限制的中間信號形式進 —步送到一輸出放大級（6)。 此聲訊放大器（1)的一構想在於：在輸出介面⑺的最大 輸出電壓並非受到聲訊放大器⑴的一内部供應電壓決定， 而係由在小信號範圍中的中間信號的限制作用而決定。該 供應電壓選設成使輸出放大級⑹可將所要的最大輸出功率 發出到所要的最大的負載阻抗中。如&，舉例而言，該聲 5放大器（1)要设计成將1〇〇〇瓦特送到8歐姆的負載，則有 效供應電壓須為126.5伏特，其中，在實用上，由於在實際 構件上有f壓％ ’因此需更高—些的電壓。如果該聲訊放 大器⑴要將才目同的輸出電壓送到低的負冑阻抗及/或該功 201014162 率要小於該最大功率，則在此聲訊放大器不需將供應電壓 ^值改變’而係利用限制裝置（4)將中間信號限制在小信號 fe圍而將輸出電麼及輸出功率限制。在此，限制裝置的 削波（限幅）限度（Clipgrenze)調整成使如此所能達到的輸出 "面（3)的最大輸出信號配合所選的組態：輸出功率·負載阻 抗。限制裝置（4)用的控制單元（5)的控制信號可設計成中間 信號的一最大位準或用於測定該最大位準的參數。 輸出放大級（6)設計成一 D級放大器的形式。此D級放 大器以切換作業方式工作，其中理論上1〇〇%的效率實際上 由於切換及傳導的損失實際達成的效率為90%。在一實施 例中，一 D級放大器可分成三個區域，其中第一區域包含 中間信號用的輸入端、一三角形信號產生器及一比較器； 第二區域包含一切換放大級；第三區域包含一低通濾波器。 在第一區域中’利用信號產生器產的信號（宜為三角形 波k號）利用該中間信號調變，其中該比較器將中間信號的 _ 電壓值與信號產生器的信號電壓值比較，然後依該二信號 的哪一個的電壓較高而定，將其輸出端啟開或關掉。因此 第一區域為一脈波寬度調變（PWM)，這種調變所提供之輸出 信號為一種矩形波信號，其頻率與信號產生器的信號相 同’但具不通寬度的矩形（脈波寬度）。後者反映出有關於聲 訊信號的波長和頻率的資訊。在第二區域中，該PW]y[信號 舉例而言’利用電晶體放大，其中該電晶體完全導通或電 路，因此它們係ON或OFF，而這種電路設計的高效率的理 由也在此。在第三區域中將該利用信號產生器產生的載體 11 201014162 信號濾波，其中一般使用一被動式LC濾波器。此D級放大 器由於其内部構造以及不受控制的效率影響’因此也能在 一種輸出範圍操作，此範圍對應於實際上可用的操作電壓 的>1^/7此外要注意，本發明不限於D級放大器的特 定設計，且特別是並非限於該D級放大器的一特定調變 回耦計劃。 ~

由於限制裝置⑷可經由控制單元（5)調整或控制，因而 造成聲訊载體信號的一種對稱的限制，因此有一限制在一 最大位準的中間信號施在以下的輸出放大器級（6)。 由於該隨後# D、級放大器有怪定的放大作肖，且根據 所選之供應電壓的值經常在線性的範圍内工作，因此整個 聲訊放大器⑴的性質從外觀察一如一習知的放大器(在此 習知放大器該内供應電可大致作無段式的調整）。 在一可能之實施例中，該限制裝置（4)可一如圖丨所示 由一分析f單元（7)及—限制器單元（8)形成。在功能上看， 該分析器單元(7)將施加的聲訊載體信號作分析，且發出一

限制信號到一限制器單元4 市J窃早το (S)，因此它可匹配聲訊載體信號 而作放大或緩衝。該分„單元⑺也選項式地限制聲訊載 體信號的掃猫程度（Tastgrad)[工作週期⑺吻Cycie)]。 圖2中以示意流程圖顯示分析器單元（7)的一可能之實 施方式。此聲訊載體信號經__電阻（Rl)在—輸人端⑻供應 到分析器單元⑺。此電阻(R1)與—電阻⑽形成一分壓器。 此/刀壓器的共同中，點M呈結點的方式同時接到電晶體η 及T2的射極，其中利用該二電晶體 T1及T2將信號限制。 12 201014162 如果電晶體在阻斷狀態，則聲訊載體信號流經電阻R1到一 運算放大器IC2的負輸入端’該運算放大器實質接地。由 於運算放大器IC2與R1+R2係反向耦合，故限制器的放大 作用為零分且（ίΐβ)。限制裝置（4)的使用範圍利用來自控制單 元（5)的一正控制電壓預設，此控制電壓施在輸入端8。為 了達成對稱的信號限制，故控制信號S利用一運算放大器 (1C 1)反相。反相之控制信號送到τΐ的基極，未反相的控制 信號送到Τ2的基極。如果在分壓器的中點的聲訊 _ 載體電壓超過控制電壓的量到達該基極-中央流動電壓，則 T2導通。因此T2將正電壓範圍的輸入位準框到控制電壓加 一個二極件距離的值βΤ1以相同方式將負電壓範的輸入信 號框住。用此方式，可藉選擇控制電壓將隨後的輸出放大 級（6)的控制信號作稱的限制。如果有限制器單元（8)，則此 二電晶體（Τ3)及（Τ4)才有需要。這些電晶體（丁3)及（Τ4)在使 用信號限制的情形，在限制器單元（8)的分析器單元（7)中提 _ 供一種控制信號。在靜止狀態時此控制信號為〇伏特，在 使用信號限制時它升到+UB，因為Τ4導通了。利用此調節 回路，聲訊k號不會在限制器裝置（4)中硬生生地削波 (Clippen)，而係該上游的限制器單元（8)對應地減少放大作 用一直到達到該利用分析器單元（7)限制的使用極限為止。 該聲訊放大器（1)可選項式地具有以下元件當作其他功 能方塊：一輸入放大裝置（9)使輸入信號依阻抗及位準而匹 配該聲訊放大器（1)的隨後的級。在此，對於本發明的放大 器而言，究竟該輸入放大器係建構成供對稱或不對稱的輸 13 201014162 入信號用者，並不重要， 位準調整器（ίο)用於作聲音強度 及放大程度的匹配。此位準調整器⑽)對聲訊放大器⑴的功 能而言不-定需要，且也可選項式地省却。限制器單元(8) 係選項式的補充功能：使輸出信號的失真（Verzeming， 英：distorsion)在所有情況不會超過某種百分比（例如i %)。 如果聲訊放大器（1)須離開其線性範圍，例如在達到操作電 壓極限時或當利用分析器單元⑺限制時，該限制器單元⑻ 將放大作用回復到使得所產生的冑出㈣的失冑，仍保持

受，H更之操作方式中’也宜使控制單即）在限制 器單元（8)中將整個聲訊放大器（1)的放大作用匹配。 關於聲訊放大HU)的構造，控制單元（5)可建構成離散 (diskret ’英：discrete)方式或利用一積體電路做成如一種微 控制器電路。Λ外’該控制單元(5)可設到一外部裝置中且 用^號技術作有線連接或無線方式將限制&置⑷用的控制 信號送交。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明的一聲訊放大器的方塊圖； ❹ 圖2係圖丨中聲訊放大器的分析器單元的方塊圖。 【主要元件符號說明】 (1) 聲訊放大器 (2) 輪入介面 (3) 輪出介面 (4) 限制器裝置 (5) 控制單元 14 201014162 (6) 輸出放大級 (7) 分析器單元 (8) 限制器單元 (9) 輸入放大裝置 (10) 位準調整器 (R1)(R2)電阻 (T1)(T2)(T3)(T4) 電晶體 (Μ)中點 ❹

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Claims (1)

1. 201014162 七、申請專利範圍： 種聲訊放大器⑴，用於將_輸入信號放大成一輸 出仏號纟冑輸出放大器級（6)，其中該輸出放大器級（6) 設計成-種在切換操作中工作的放大器形式，以將一中間 信號放大成該輸出信號，其特徵在： 有限制器裝置，設計成程式技術方式及/或電路技術 方式根據該輸人>f5號產生該中間信號，其中該中間信號 的位準依一可調整的最大功率及一個麵合及/或可麵合到 該聲訊放大器上的負餘抗或依等效的參數限度而定一直❹ 矛J用大位準限制’使得該輸出信號不會超過在此負載 阻抗時的最大功率或此等效的參數限度。 2.如申請專利範圍第〗項之聲訊放大器，其中： 該等效的參數限度设計成參數組的形式：輸出電壓、 負載阻抗、或輸出電壓、輸出功率。 3·如申印專利範圍第1或第2項之聲訊放大器，其中： 有一控制單元（1 2)，它設計成用於接管該最大功率及/或 該負載阻抗及/或該最大輸出電壓的值。 ❹ 16 1 . 如申凊專利範圍第3項之聲訊放大器，其中： 2 有一送交裝置，它設計成用於將施在該聲訊放大器G) 上的負載阻抗及/或該輸出功率及/或該輸出電壓以測量技 術求出及/或用手輸入，且用於送交到該控制單元（5)。 5. 如申睛專利範圍第3項之聲訊放大器，其中： 該控制單元（5)設計成用於調整該最大位準，並控制該 限制器裝置（4)。 201014162 6. 如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器，其中： 該輸出放大器級（6)用一單一之雙極電壓供應手段供電 且/或該輸出放大器級設計成一種D級放大器及/或具有恆 定的放大作用。 7. 如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器，其中： 該限制器裝置（4)有一分析器單元（乃及一限定器單元

   (8)，其中該分析單元（7)根據一施加的聲訊載波信號發出一 限制ja號到s亥限定器單元（8)及/或回輕到該限定器單元。 8. 如申請專利範圍第6項之聲訊放大器，其中： 該限定器單元（7)設計成一種預放大裝置及/或一種阻 尼裝置。 9. 如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器，其中： 有一輸入放大器裝置（9)以調節該輸入信號。 10·如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器，其中：

   有一位準調整裝置（1 〇)以將該聲訊放大器（丨）作響度及/ 或放大程度的匹配。 11.如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器，其中： 有多數聲道’其中各聲道有一輸出放大器及⑹及一相 關的限制器裝置（4)。 12· —種用於將前述申請專利筋圍紅 _ 月号不J乾圍任一項的聲訊放大器 (1)改變組態的方法，其特徵在以下步驟： —將一具有一第一負栽阻抗的第一揚聲器系統從該 聲訊放大器（1)分開； 率改變組態從一第 —將該聲訊放大器（1)的最大輸出 17 201014162 一值變到一第二值以及從該第一負載阻抗變到一第二負載 阻抗； --將一第二揚聲器系統與該第二負載阻抗連接，其 中該第一負載阻抗與第二負載設計成不同。 八、圖式· (如次頁）

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