TWI509986B - 聲訊放大器及將聲訊放大器變組態的方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種藉由輸出放大級將一輸入信號放大成一輸出信號之聲訊放大器，其中，該輸出放大級設計為以轉換模式進行工作的放大器，用於將一中間信號放大成該輸出信號。本發明此外亦關於一種將聲訊放大器變組態的方法。
聲訊放大器以許多習知式樣應用於音響設備(例如家用音響設備或影院、舞廳等場所之放音用音響設備)及播音系統(例如公共建築、中小學、大學內所用之廣播用播音系統)。此類聲訊放大器可基於任意之放大器原理，但統一具有將輸入信號轉換成經放大之輸出信號的特性。
然而聲訊放大器之輸出介面須符合一定標準，目前在實施該等標準方面主要存在兩種不同之技術，此兩種技術在如何為機電聲訊轉換器提供輸出信號的方式上存在區別。
其一為聲訊放大器之低阻抗模式，其中，聲訊放大器自電學角度看構成一低阻值受控電壓源，直接對相連之揚聲器或機電聲訊轉換器進行驅動。但在較大建築物或場所內播音時，此技術因所需電流及揚聲器導線之長度緣故往往要求揚聲器導線具有極大之導線截面。
在此情況下通常會採用另一種技術，即高阻抗模式，亦稱“100伏技術”。該技術係藉由低頻變壓器將聲訊放大器之輸出信號轉換至100伏，並如配電系統般在此電壓位準上將該輸出信號傳輸給多個並聯之揚聲器。為能進行電壓及阻抗匹配，該等揚聲器中的每個揚聲器均具有一自有變換器或變壓器。此技術之優點在於可用截面較小之揚聲器導線供電，藉由並聯其他揚聲器擴充播音系統之方案亦極易實現，此外，藉由在揚聲器之變換器或變壓器上進行分接，亦可對單個揚聲器進行位準匹配。高阻抗系統並不侷限於100伏之電壓位準，故亦可使用(例如)70伏之電壓位準。
本發明揭示一種具有請求項1之特徵的聲訊放大器及一種具有請求項11之特徵的將一聲訊放大器或該聲訊放大器變組態的方法。本發明之較佳或有利實施方式可自附屬項、下文之說明及附圖中獲得。
本發明之聲訊放大器適合用於及/或設計用於將一輸入信號放大成一輸出信號。舉例而言，該聲訊放大器可應用於音響設備，或(較佳)應用於播音系統，特別是用於在複雜區域內進行播音的播音系統。該聲訊放大器之輸出信號較佳定義為被發送給機電聲訊轉換器及/或揚聲器的信號。該輸入信號較佳設計為來自於(例如)麥克風或其他聲訊源的類比信號。
除其他可選組件外，該聲訊放大器亦包括至少一輸出放大級，該輸出放大級適合用於及/或設計用於將一中間信號放大成該輸出信號。該中間信號設計為基於該輸入信號而產生的信號。
該輸出放大級實現為以轉換模式進行工作的放大器，特別是一用於將基於該輸入信號及/或該中間信號而產生或代表該中間信號之脈寬調變信號放大的放大器。
本發明建議在該聲訊放大器內整合一限制裝置，該限制裝置基於程式技術及/或電路技術設計用於在該輸入信號基礎上產生該中間信號，其中，該中間信號之位準根據一可調最大位準總是處於受限狀態，從而使該輸出信號在不受該輸入信號影響之情況下不超過該最大位準。
本發明之基本觀念在於提供一種可靈活應用於低阻抗模式及高阻抗模式的聲訊放大器。該可調最大位準使該聲訊放大器可在較寬之輸出功率範圍內或在最大輸出位準下進行工作，較佳不侷限於特定之離散輸出功率。另一優點在於，在高阻抗模式下無需在該聲訊放大器之輸出端使用變換器或變壓器。
本發明之優點的有用性此外亦體現在如下事實中，即：許多播音任務須混合採用低阻抗及高阻抗技術。就此方面舉例而言，合理之舉係藉由低阻抗技術實現在帶舞台之主廳內的播音，旁廳及過道等則採用高阻抗技術。在先前技術中，為此目的須提供不同之聲訊放大器，或須提供可轉換聲訊放大器，此等聲訊放大器通常鬚根據具體工作方式提供不同的內部供電電壓。此外亦可能須在聲訊放大器之輸出端連接變壓器或變換器。而在本發明之新穎聲訊放大器中，最大輸出電壓或位準電壓係藉由限制裝置而非僅藉由內部供電電壓而實現，該限制裝置在低位準信號範圍內(即在輸出放大級之前)對聲訊信號進行限制。
根據一種較佳實施方式，該輸出放大級由唯一一個雙極供電裝置供電，以及/抑或設計為D級放大器，以及/抑或設計為具有恆定增益。此種較佳實施方式凸顯了本發明可用低成本電路構建聲訊放大器之優點。該雙極供電裝置所選定之供電電壓可使該輸出放大級在相連揚聲器之最低規定阻抗下提供最高要求輸出電壓。將該輸出放大級設計為D級放大器及/或使該輸出放大級具有恆定增益之方案係建立在此類放大器在該中間信號之輸入位準的較寬範圍內具有穩定之高效率的基礎上。
根據本發明的一種可行實施方式，該聲訊放大器可藉由對該最大位準進行調節在低阻抗模式與高阻抗模式之間進行轉換。在低阻抗模式下，揚聲器或機電聲訊轉換器直接由該聲訊放大器控制，可能之典型阻抗為4歐。在高阻抗模式下，信號電壓或信號位準最高可達70伏(70伏技術)或100伏(100伏技術)。該等機電聲訊轉換器較佳具有用於對輸出信號進行變換的變壓器及/或變換器。此種實施方式再次強調了本發明提供一種在不同標準下可靈活用於高阻抗模式及低阻抗模式之聲訊放大器的基本觀念，其中，鑒於所選之放大器結構，既無需提供多個內部供電電壓，亦無需在該聲訊放大器之輸出端設置變換器。
根據本發明的一種改良方案，該限制裝置包括一分析器單元及一限制器單元，其中，該分析器單元在一傳入之聲訊載波信號的基礎上向該限制器單元發送及/或反饋一限制信號。該聲訊載波信號可設計為該輸入信號，或設計為一已經進一步之處理的信號。該分析器單元與該限制器單元構成一調節迴路，其中，該調節迴路所具有之調節功能使該輸出信號不超過該設定之最大位準，或使該中間信號不超過低位準信號範圍內與之對應的最大位準。
其中，該限制器單元可設計為前置放大裝置及/或衰減裝置，該前置放大裝置根據該反饋限制信號調節其增益，該衰減裝置在該反饋限制信號基礎上使傳入之聲訊載波信號衰減。該分析器單元視情況亦可設計為限制器轉換組，從而使該限制裝置實現兩級限制，其中，在第一級(即在該限制器單元)內進行放大控制或放大調節，在第二級(即在該分析器單元)內進行衰減控制或衰減調節。
根據一種可行實施方式，該限制單元連接在該輸出放大級的上游，對該類比聲訊載波信號進行分析與限制，從而產生該中間信號。根據本發明的一種替代實施方式，從電路技術角度看對該限制裝置之整合方式可使該聲訊載波信號先經由脈寬調變處理，隨後對該脈寬調變聲訊載波信號進行限制，藉此產生該中間信號。
根據本發明的一種改良方案，該聲訊放大器具有一可接通高通濾波器，該高通濾波器設計為二階巴特沃斯濾波器，用於對該聲訊載波信號進行濾波。該聲訊放大器較佳僅在高阻抗模式下啟動該可接通高通濾波器。對所有高阻抗放大器而言，此點均為值得推薦之舉措，藉此可避免揚聲器內的變換器因低頻信號而飽和。
根據本發明的另一改良實施方式，該聲訊放大器具有一輸入放大裝置，該輸入放大裝置設計用於對該輸入信號進行調節，特定言之用於對輸入阻抗及輸入位準進行匹配。
該聲訊放大器視情況亦包括一用於進行音量匹配及/或增益匹配的位準調整裝置。該位準調整裝置較佳採用在低位準信號範圍內對該聲訊載波信號發生作用的連接方式。
根據本發明的一種較佳實施方式，該聲訊放大器包括一控制裝置，該控制裝置設計為介面，特別是手動或電氣/電子使用者介面，且允許對該最大位準進行調節。該控制裝置較佳對該可接通高通濾波器(在存在該高通濾波器之情況下)或該限制裝置發生作用。
儘管上文僅藉由一個輸出放大級及一個限制裝置對本發明進行了說明，但在本發明範圍內，該聲訊放大器可包括多個通道，此等通道分別具有一個輸出放大級，該等輸出放大級被分配給一或多個限制裝置。藉由此種多通道聲訊放大器可混合運行低阻抗及高阻抗模式，並以此種方式--例如就上述之實例而言--在一個聲訊放大器基礎上既對阻抗為(例如)4歐之低阻抗揚聲器亦對採用直接驅動模式或100伏技術或70伏技術之高阻抗揚聲器加以利用。將此種音響設備變組態時，僅需在該控制裝置上進行工作方式轉換。
本發明此外亦關於一種在低阻抗模式與高阻抗模式之間將如上述請求項中任一項之聲訊放大器變組態的方法，其中，在第一步驟中將低阻抗揚聲器系統或高阻抗揚聲器系統與該聲訊放大器斷開，在下一步驟中將該最大位準轉換成高阻抗模式或低阻抗模式，在最後一步驟中連接該高阻抗揚聲器系統或該低阻抗揚聲器。據此，本發明亦揭示一種包括該聲訊放大器的音響設備，其中，一低阻抗揚聲器系統及/或一高阻抗揚聲器系統可依次、交替或(在存在多個通道之情況下)同時進行工作。
圖1以框圖形式展示一聲訊放大器1，該聲訊放大器設計用於將一位於輸入介面2上的輸入信號放大成一位於輸出介面3上的輸出信號。聲訊放大器1實施為可在輸出介面3上以低阻抗模式(例如，其設計阻抗為4歐)或高阻抗模式為一揚聲器系統(未作圖示)提供信號位準或信號電壓在有效範圍內最高達70伏及/或100伏的輸出信號。
在該框圖內，重要組件用實線表示，聲訊放大器1之可選組件用虛線表示。該輸入信號(在初始狀態及經處理狀態下亦稱“聲訊載波信號”)自輸入介面2出發視情況由其他功能模組傳輸至一限制裝置4，該限制裝置根據一控制單元5的控制信號對該聲訊載波信號進行限制，並以受限中間信號之形式將其傳輸至一輸出放大級6。
輸出放大級6設計為D級放大器。D級放大器以轉換模式進行工作，理論上可達100%之效率，實際效率因存在轉換及傳導損耗而大約為90%。根據一種示範性實施方式，可將D級放大器分成三個區域，其中，第一區域包括該中間信號之輸入端、一三角信號發生器與一比較器，第二區域包括一轉換放大級，第三區域包括一低通濾波器。
在第一區域內，用該中間信號對信號發生器所產生的三角形信號進行調變，其中，比較器將中間信號之電壓值與信號發生器之信號的電壓值進行比較，隨後根據此兩個信號中哪個信號電壓更高之情況將其輸出端接通或斷開。故第一區域構成一脈寬調變器(PWM)，其所提供之輸出信號為一矩形信號，該矩形信號頻率與信號發生器之信號相同，但包含不同寬度之矩形波(脈寬)。該等脈寬反映該聲訊信號之振幅及頻率資訊。在第二區域中，該PWM信號被電晶體放大，其中，該等電晶體全導通或全關斷，故或處於接通狀態，或處於斷開狀態，此亦為此種電路設計之所以高效的原因所在。信號發生器所產生的載波信號在第三區域內被濾除，其中，通常使用被動式LC濾波器。D級放大器基於其內部構造及其效率不受調變影響之特性而可在輸出電壓範圍內工作，該輸出電壓範圍僅相當於實際所用工作電壓的一小部分。在此需指出，本發明並不侷限於特定之D級放大器拓撲，特定言之不受該D級放大器之特定調變方式或反饋方式的約束。
可由控制單元5加以調節的限制裝置4對該聲訊載波信號進行對稱限制，從而在下游之輸出放大級6上產生一受限中間信號。限制程度由控制單元5根據所選工作方式加以恰當規定。由於下游之D級放大器具有恆定增益，且因所選之供電電壓大小緣故總是在線性範圍內工作，故整個聲訊放大器1對外之特性表現有如一內部供電電壓可加以虛擬連續調節的傳統放大器。其中，該限制處理所引起之結果為，輸出介面3上的最大輸出電壓由限制裝置4在低位準信號範圍內規定，而非取決於內部供電電壓。為輸出放大級6所選定之供電電壓可使該輸出放大級在最低規定阻抗下提供最高要求輸出電壓。
在低阻抗模式下，該工作電壓亦不經轉換處理或變小，設計為輸出級區塊的輸出放大級6被繼續供以較高之工作電壓。但可調限制裝置4在低位準信號範圍內實現對輸出介面3上之輸出電壓的限制。對所謂的壓限進行調節，使輸出介面3上藉此可實現之最大輸出電壓與所選工作方式相匹配。
根據一種如圖1所示的可行實施方式，限制裝置4可由分析器單元7與限制器單元8構成。就功能而言，分析器單元7之作用在於對傳入之聲訊載波信號進行分析，並向限制器單元8發送一限制信號，以便使限制器單元對該聲訊載波信號進行恰當之放大或衰減處理。分析器單元7視情況亦可使該聲訊載波信號衰減。
圖2以電路圖之形式對分析器單元7的一種可行實現方案進行了圖示。在一輸入端E上藉由電阻R1將該聲訊載波信號傳輸給分析器單元7。電阻R1與電阻R2共同構成一分壓器。此分壓器之公共中心點M同時作為節點連接在電晶體T1及T2之發射極上，其中，信號限制藉由此兩個電晶體T1及T2而實現。當該等電晶體處於關斷狀態時，該聲訊載波信號的電流會經由電阻R1到達一虛接地運算放大器IC2之負輸入端。由於運算放大器IC2與R1+R2退化反饋，故該限制器之增益為零dB。限制裝置4之應用範圍取決於產生自控制單元5的正控制電壓，該正控制電壓位於輸入端S上。為能進行對稱信號限制，須藉由一運算放大器IC1將該控制信號S反相。將反相控制信號傳輸至T1之基極，將非反相控制信號傳輸至T2之基極。當該聲訊載波信號在分壓器R1與R2之中心點M上超過該控制電壓的部分在大小上相當於基底-中心點正向電壓時，T2會轉換至導通狀態。T2藉此將正壓範圍內之輸入位準限制在控制電壓+一二極體屏陰極間隙(Diodenstrecke)的大小上。藉由此種方式，T1對負壓範圍內的輸入信號進行限制。藉由此種方式透過對控制電壓進行選擇，對下游之輸出放大級6的控制信號進行對稱信號限制。僅在存在限制器單元8之情況下方需使用此兩個電晶體T3及T4。此等電晶體T3及T4在分析器單元7內進行初期信號限制之情況下為限制器單元8提供一控制信號。此控制信號在閒置狀態下為0伏，在初期信號限制過程中變為+UB，因為此時T4轉換至導通狀態。藉由該調節迴路可避免聲訊信號在限制裝置4內被硬削波，上游之限制器單元8相應減小增益，直至分析器單元7達到此限制之應用極限。
作為其他功能區塊，聲訊放大器1可視情況具有下列組件：一輸入放大裝置9用於在阻抗與位準方面使輸入信號與聲訊放大器1內位於該輸入放大裝置下游的各級相匹配。對於本發明之放大器而言，該輸入放大器之構造是否適用於對稱或不對稱輸入信號並不重要。一位準調整器10用於進行音量匹配及增益匹配。位準調整器10對於實現聲訊放大器1之功能而言並非必須存在，故可視情況棄之不用。一可通斷高通濾波器11僅在直接驅動之工作模式及/或高阻抗模式下由控制單元5啟動。對所有高阻抗放大器而言，此點均為值得推薦之舉措，藉此可避免相連線路上之揚聲器內的變換器因低頻信號而飽和。此高通濾波器11通常實現為極限頻率為50Hz的二階巴特沃斯濾波器。亦可將高通濾波器11之極限頻率設計為可分級調諧或可連續調諧。在低阻抗模式下，高通濾波器11由控制單元5去激勵。限制器單元8作為視情況而增加之功能區塊其作用在於確保輸出信號之失真在任何情況下均不超過一定之百分率(例如1%)。當聲訊放大器1必須離開其線性範圍時，例如在達到工作電壓極限或由分析器單元7進行限制之情況下，限制器單元8重新增大增益，使輸出信號的失真保持在有限範圍內。在採用一種替代性工作方式之情況下，由控制單元5在限制器單元8內對整個聲訊放大器1進行增益匹配，亦為合理之舉。藉此可在不同工作模式下自由選擇增益，從而既在低阻抗模式下亦在高阻抗模式下實現穩定的輸入靈敏度。
1．．．聲訊放大器
2．．．輸入介面
3．．．輸出介面
4．．．限制裝置
5．．．控制單元
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
11．．．高通濾波器
E．．．輸入端
IC1．．．運算放大器
IC2．．．運算放大器
M．．．中心點
R1．．．電阻
R2．．．電阻
T1．．．電晶體
T2．．．電晶體
T3．．．電晶體
T4．．．電晶體
圖1為本發明之聲訊放大器的框圖；及
圖2為圖1所示之聲訊放大器內的分析器單元的電路圖。
1．．．聲訊放大器
2．．．輸入介面
3．．．輸出介面
4．．．限制裝置
5．．．控制單元
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
11．．．高通濾波器
Claims (10)
- 一種藉由輸出放大級(6)將一輸入信號放大成一輸出信號的聲訊放大器(1)，其中，該輸出放大級(6)用於將一中間信號放大成該輸出信號，該輸出放大級(6)設計為以轉換模式進行工作的放大器，其特徵在於一限制裝置(4)，該限制裝置基於程式技術及/或電路技術設計用於在該輸入信號基礎上產生該中間信號，其中，該中間信號之位準根據一可調最大位準總是處於受限狀態，從而使該輸出信號在不受該輸入信號影響之情況下不超過該最大位準，且該聲訊放大器(1)可藉由對該最大位準進行調節在一低阻抗模式與一高阻抗模式之間進行轉換。
- 如申請專利範圍第1項之聲訊放大器(1)，其中，該輸出放大級(6)由唯一一個雙極供電裝置供電，以及/抑或該輸出放大級設計為D級放大器及/或具有恆定增益。
- 如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器(1)，其中，該限制裝置(4)具有一分析器單元(7)及一限制器單元(8)，其中，該分析器單元(7)在一傳入之聲訊載波信號的基礎上向該限制器單元(8)發送及/或反饋一限制信號。
- 如申請專利範圍第3項之聲訊放大器(1)，其中，該限制器單元(7)設計為前置放大裝置及/或衰減裝置。
- 如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器(1)，其 中，有一用於對該聲訊載波信號進行濾波的可通斷高通濾波器(11)，其中，該可通斷高通濾波器(11)較佳僅在該高阻抗模式下發生作用。
- 如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器(1)，其中，有一用於對該輸入信號進行調節的輸入放大裝置(9)。
- 如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器(1)，其中，有一用於對該聲訊放大器(1)進行音量匹配及/或增益匹配的位準調整裝置(10)。
- 如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器(1)，其中，有一控制單元(5)，該控制單元設計用於對該最大位準進行調節，以及對該可通斷高通濾波器(11)及/或該限制裝置(4)進行控制。
- 如申請專利範圍第1或第2項之聲訊放大器(1)，其中，有多個通道，其中，每個通道均具有一輸出放大級(6)及一附屬限制裝置(4)。
- 一種在一低阻抗模式與一高阻抗模式之間將如上述請求項第1~9項任一項之聲訊放大器(1)變組態的方法，其特徵在於下列步驟：將一低阻抗揚聲器系統或一高阻抗揚聲器系統與該聲訊放大器(1)斷開；將該最大位準轉換成該高阻抗模式或該低阻抗模式；連接該高阻抗揚聲器系統或該低阻抗揚聲器系統。
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