TWI716797B - 動態阻抗調節音頻放大器架構及方法 - Google Patents

動態阻抗調節音頻放大器架構及方法 Download PDF

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Abstract

本發明係一種動態阻抗調節音頻放大器架構及方法，包括一功率放大單元、一揚聲器、一電流感測單元、一減法單元，該功率放大單元具固定閉環路增益，具輸入側及輸出側；又該揚聲器電性連接功率放大單元輸出側；又該電流感測單元感測功率放大單元輸出電流，該感測輸出電流轉換成電流控制電壓信號；又該減法單元輸入音頻電壓信號及回授電流控制電壓信號，又輸出音頻電壓信號減去電流控制電壓信號之差值再輸入功率放大單元輸入側；藉此本發明可藉由動態阻抗調節方式提升揚聲器輸出音質。

Description

動態阻抗調節音頻放大器架構及方法
本發明關於一種動態阻抗調節音頻放大器架構及方法，主要指一種藉由可因應揚聲器阻抗變動回授控制放大器輸出功率並提升揚聲器輸出品質之架構及方法。
請參閱圖八為習知音頻放大器電路架構，具一功率放大器1’、一設於放大器1’輸出側之揚聲器2’，該功率放大器1’之輸入側連接一負回授電阻R2及一電阻R1接地，該音頻電壓Vin由功率放大器1’正端輸入，功率放大器1’輸出電壓為VO=Vin*(R2/R1+1)，因而該功率放大器1’之輸出功率PO=(VO)2 /ZL。
然而該揚聲器2’之直流阻抗ZL並非定值，一般約在4~16Ω範圍、又其交流阻抗在20~20 KHZ音頻範圍內展現如圖九所示非線性變動情形，因而習知功率放大器1’實務上將造成如圖十所示，在相同輸入音頻電壓Vin之條件該揚聲器2’之直流阻抗ZL不同不會造成輸出電壓VO不同，但如圖十一所示該阻抗ZL變動會直接造成在相同的輸入音頻電壓Vin信號位準之下功率放大器1’輸出功率PO不同，如此現象會造成最大功率承受能力不足的擴大機損壞，又該揚聲器2’先天不平坦之頻率/阻抗特性會造成重播音樂失真及輸出品質不佳缺失。
因而目前雖然可藉由高品質之揚聲器提升輸出音質，仍能難以克服該揚聲器本身頻率/阻抗特性造成輸出失真缺失。
本發明之目的在提供一種可因應揚聲器阻抗變動回授控制放大器輸出功率並提升揚聲器輸出品質之架構及方法。
本發明之動態阻抗調節音頻放大器架構包括一功率放大單元、一揚聲器、一電流感測單元、一減法單元；該功率放大單元具固定閉環路增益，可為A類、AB類、D類、G類放大器，其結構可為單端放大或橋接BTL架構，具輸入側及輸出側；又該揚聲器電性連接功率放大單元輸出側；又該電流感測單元感測功率放大單元輸出電流，該感測輸出電流轉換成匹配揚聲器頻率/阻抗特性之電流控制電壓信號；又該減法單元輸入音頻電壓信號及回授電流控制電壓信號，又輸出音頻電壓信號減去電流控制電壓信號之差值再輸入功率放大單元輸入側。
本發明動態阻抗調節音頻放大器之方法包括： 設置一功率放大單元，該功率放大單元輸出至一揚聲器； 擷取功率放大單元輸出至揚聲器之輸出電流信號； 該電流信號轉換成匹配揚聲器頻率/阻抗特性之電流控制電壓信號； 令該輸入音頻電壓信號與電流控制電壓信號結合再輸入功率放大單元，藉以降低功率放大單元輸出功率受揚聲器阻抗變動影響。
進一步，本發明包括一減法單元，該減法單元輸入音頻電壓信號及電流控制電壓信號，並輸出該音頻電壓信號與電流控制電壓信號之差值再輸入功率放大單元。
進一步，本發明包括一電流感測單元，該電流感測單元感測功率放大單元輸出電流對應之電壓信號，又對應揚聲器設一參數與該電壓信號結合取得電流控制電壓信號。
本發明可令揚聲器之先天不平坦之頻率/阻抗特性藉由回授電路動態調節輸出功率位準，可降低揚聲器阻抗變動影響，並得到低失真訊號重播特性功效，且可確保音頻放大器可穩定動作並提升使用壽命。
請參閱圖一，本發明架構包括一功率放大單元1、一揚聲器2、一電流感測單元3、一減法單元4，該功率放大單元1具固定閉環路增益，可為A類、AB類、D類、G類放大器，其結構可為單端放大或橋接BTL架構，具輸入側及輸出側。
揚聲器2電性連接功率放大單元1輸出側。
電流感測單元3感測功率放大單元1輸出電流，該感測輸出電流轉換成匹配揚聲器2頻率/阻抗特性之電流控制電壓信號。
減法單元4輸入音頻電壓Vin信號及回授電流控制電壓信號，又輸出音頻電壓Vin信號減去電流控制電壓信號之差值再輸入功率放大單元1輸入側。
請參閱圖二，本發明第一實施例電路之功率放大單元1具放大器A1，又具電阻R3、R4連接放大器A1負輸入端，具A=(R3/R4+1)之電壓增益，其輸出電壓為VO，輸出電流為IO，該放大器A1輸出電性連接揚聲器2；該揚聲器2阻抗為ZL，放大器A1之輸出功率PO=VO*IO；IO=VO/ZL。
該電流感測單元3感測輸出電流IO，並具電流感測電阻R5及放大G倍之增益裝置31，並可感測輸出電流IO之電壓並產生電流控制電壓MO；其中該電流感知電阻R5之阻抗遠小於揚聲器2阻抗ZL，不會造成IO值有明顯變動，該MO=IO*R5*G=(VO/ZL)*B；B=R5*G，其中該G、B值為匹配揚聲器2之頻率/阻抗特性數值，可針對不同揚聲器2而改變。
減法單元4包括放大器A2及電阻R6、R7、R8、R9，並分別輸入音頻電壓Vin信號及電流控制電壓MO信號，令R6=R7=R8=R9，該減法單元4及放大器A2輸出AO=Vin-MO=Vin-[(B*VO)/ZL]。
請參閱圖二、三，本發明當G=0時B=0，電流控制電壓MO=0，AO=Vin，該VO=AO*A=Vin*A，可具如同習知音頻放大方式，然而當揚聲器2阻抗ZL因頻率/阻抗不平坦特性而變動時放大器A1之輸出功率PO亦將如圖三虛線所示對應變動而影響輸出品質。
本發明可配合揚聲器2設定增益裝置31之G值，並取得可匹配揚聲器2較佳之B值，當輸入相同音頻電壓Vin信號而揚聲器2阻抗ZL變動時該電流感測單元3輸出之電流控制電壓MO可反應揚聲器2之阻抗ZL變動再輸入至減法單元4，該減法單元4輸出AO=Vin-MO，又VO=AO*A=(Vin-Mo)*A，輸出功率PO=VO2 /ZL=[(Vin-MO)*A]2 /ZL，其中該MO=(VO/ZL)*B，因而揚聲器2之阻抗ZL變動時該B值變動同時使電流控制電壓MO、輸出電壓VO、輸出功率PO對應變動修正，使得輸出功率PO位準受抑制調節可如圖三實線所示呈較平坦輸出不會隨著揚聲器2阻抗ZL變動而大幅改變。
請參閱圖二、四，本發明特性當揚聲器2之阻抗ZL增加時將造成IO及MO降低，並可使VO增加，反之阻抗ZL減小時VO亦隨之減小，並可穩定輸出功率以抑制ZL變動影響，又如圖二、五所示，本發明B參數代表對應揚聲器2之回授加權量大小，使得放大系統於可工作範圍內輸出功率PO與揚聲器2阻抗ZL關聯性受到限制，如圖五所示本發明可配合不同揚聲器之選擇適當B參數(B1、B2、B3)得到穩定輸出功率PO，本發明可調節B參數提供適當阻抗匹配使功率放大單元1至揚聲器2可兼具適當功率轉換效率及較佳頻率嚮應性能。
請參閱圖六係本發明之第二實施例，該第二實施例包括一功率放大單元1、一揚聲器2、一電流感測單元3、一減法單元4，該功率放大單元1主要具一放大器A3、電阻R10、R11組成，其正輸入端連接減法單元4之輸出電壓，並放大器A3輸出至揚聲器2；又該電流感測單元3主要具一電流感測變壓器CT1及電阻R12，並連接放大器A3輸出側並感測放大器A3輸出電流取得可反應揚聲器2阻抗ZL因頻率/阻抗特性變動之電流控制電壓信號；該選擇適當電流感測變壓器CT1及電阻R12可具如同第一實施例選擇配合揚聲器2適當B參數取得對應電流控制電壓信號功能；又該減法單元4主要具放大器A4、電阻R13、R14、R15、R16，並輸入音頻電壓Vin信號及電流控制電壓信號，並令該音頻電壓Vin信號減法電流控制電壓信號輸入放大器A3，並使輸入同一音頻電壓Vin信號但揚聲器2阻抗ZL變動時該放大器A3輸出變動可受抑制維持接近恆定輸出功率以減小失真並提升輸出音質。
請參閱圖七係本發明之第三實施例，該第三實施例類同第二實施例，具一功率放大單元1、一揚聲器2、一電流感測單元3、一減法單元4，並為BTL橋接架構，該功率放大單元1主要具放大器A5、電阻R18、R19及放大器A6、電阻R20、R21組成之二組功率放大電路，並放大器A5、A6輸出至揚聲器2；又該電流感測單元3主要具二電流感測變壓器CT2、CT3及電阻R22，該電流感測變壓器CT2、CT3分別電性連接放大器A5、A6輸出側，並感測放大器A5、A6輸出電流轉換成電流控制電壓信號再輸入至減法單元4，該選擇適當電流感測變壓器CT2、CT3及電阻R22可具有如第一實施例選擇配合揚聲器2適當B參數取得對應電流控制電壓信號功能；又該減法單元4主要由放大器A7、電阻R23~R26及放大器A8、電阻R27~R30組成，該放大器A7輸入音頻電壓Vin信號及電流控制電壓信號，並將音頻電壓Vin信號減去電流控制電壓信號之差值電壓信號輸入放大器A5輸入側，又該差值電壓信號輸入放大器A8正輸入端，該放大器A8負輸入端輸入接地電壓，因而放大器A8對應輸出該差值電壓信號至放大器A6，並使功率放大單元1之放大器A5、A6再放大輸出至揚聲器2，使得揚聲器2之阻抗ZL變動時該放大器A5、A6輸出變動可受抑制以維持輸出接近恆定功率以減少失真並提升輸出音質。
是以由以上所述，本發明動態阻抗調節設計可大幅降低揚聲器之頻率/阻抗特性造成音頻放大器輸出失真情形，可提升更佳輸出音質，並前述實施例為本創作例示，並非本創作限制，凡依據本創作精神所為之等效改變亦應屬於本創作範疇內。
1:功率放大單元2:揚聲器3:電流感測單元 31:增益裝置4:減法單元 A1~A8:放大器R1~R34:電阻 T1~T3:電流感測變壓器 1’:功率放大器2’:揚聲器
圖一係本發明之電路架構示意圖。
圖二係本發明之第一實施例電路示意圖。
圖三係本發明之第一實施例揚聲器阻抗變動使輸出功率變動及抑制示意圖。
圖四係本發明之第一實施例揚聲器阻抗對比輸出電壓示意圖。
圖五係本發明之第一實施例設定不同B參數之揚聲器阻抗對比輸出功率示意圖。
圖六係本發明之第二實施例電路示意圖。
圖七係本發明之第三實施例電路示意圖。
圖八係習知音頻放大器電路架構示意圖。
圖九係習知揚聲器阻抗在20~20KHZ範圍內變動示意圖。
圖十係習知揚聲器阻抗對比輸出電壓示意圖。
圖十一係習知揚聲器阻抗對比輸出功率示意圖。
1:功率放大單元
2:揚聲器
3:電流感測單元
4:減法單元

Claims (5)

  1. 一種動態阻抗調節音頻放大器架構，包括：一功率放大單元，具固定閉環路增益，具輸入側及輸出側，用以產生一輸出功率；一揚聲器，電性連接功率放大單元輸出側，用以產生一輸出電壓；一電流感測單元，用以感測該功率放大單元輸出至揚聲器之一輸出電流，並將該輸出電流轉換成一輸入電壓，以產生匹配揚聲器頻率/阻抗特性之一電流控制電壓信號，其中該電流感測單元包括電性連接該揚聲器之一增益裝置及電性連接該增益裝置之一電流感知電阻，該增益裝置設定為匹配該揚聲器之頻率/阻抗特性之增益值，該電流感知電阻設定為遠小於該揚聲器之一阻抗；一減法單元，輸入一音頻電壓信號及該電流控制電壓信號，將該音頻電壓信號減去該電流控制電壓信號之差值再輸入功率放大單元之該輸入側，而且當該揚聲器阻抗變動時，該電流控制電壓信號、該輸出電壓，以及該輸出功率對應變動修正，以降低該輸出功率受揚聲器阻抗變動影響。
  2. 如請求項1所述之動態阻抗調節音頻放大器架構，其中該功率放大單元可為單端放大或橋接BTL架構。
  3. 一種動態阻抗調節音頻放大器架構，包括：一功率放大單元，具固定閉環路增益，具輸入側及輸出側，用以產生一輸出功率； 一揚聲器，電性連接功率放大單元輸出側，用以產生一輸出電壓；一電流感測單元，用以感測該功率放大單元輸出至揚聲器之一輸出電流，並將該輸出電流轉換成一輸入電壓，以產生匹配揚聲器頻率/阻抗特性之一電流控制電壓信號，其中該電流感測單元包括電性連接該揚聲器之一電流感測變壓器及電性連接該電流感測變壓器之一電阻，該電流感測變壓器及該電阻設定為匹配該揚聲器之頻率/阻抗特性；一減法單元，輸入一音頻電壓信號及該電流控制電壓信號，將該音頻電壓信號減去該電流控制電壓信號之差值再輸入功率放大單元之該輸入側，而且當該揚聲器阻抗變動時，該電流控制電壓信號、該輸出電壓，以及該輸出功率對應變動修正，以降低該輸出功率受揚聲器阻抗變動影響。
  4. 一種動態阻抗調節音頻放大器之方法，輸入一音頻電壓信號，包括：設置一功率放大單元，該功率放大單元輸出至一揚聲器，其中該功率放大單元具輸出功率以及該揚聲器具輸出電壓；設置一揚聲器，該揚聲器擷取功率放大單元輸出至揚聲器之一輸出電流信號；設置一電流感測單元，該電流感測單元將該輸出電流信號轉換成一輸入電壓信號以產生匹配揚聲器頻率/阻抗特性之一電流控制電壓信號，且該電流感測單元包括一增益裝置及一電流感知電阻， 該增益裝置設定為匹配揚聲器之頻率/阻抗特性之增益值，該電流感知電阻設定為遠小於該揚聲器之一阻抗；令該音頻電壓信號與該電流控制電壓信號相減之差值再輸入功率放大單元，而且當該揚聲器阻抗變動時，該電流控制電壓信號、該輸出電壓、以及該輸出功率對應變動修正，以降低該功率放大單元之該輸出功率受揚聲器阻抗變動影響。
  5. 一種動態阻抗調節音頻放大器之方法，輸入一音頻電壓信號，包括：設置一功率放大單元，該功率放大單元輸出至一揚聲器，其中該功率放大單元具輸出功率以及該揚聲器具輸出電壓；設置一揚聲器，該揚聲器擷取功率放大單元輸出至揚聲器之一輸出電流信號；設置一電流感測單元，該電流感測單元將該輸出電流信號轉換成一輸入電壓信號以產生匹配揚聲器頻率/阻抗特性之一電流控制電壓信號，其中該電流感測單元包括電性連接該揚聲器之一電流感測變壓器及電性連接該電流感測變壓器之一電阻，該電流感測變壓器及該電阻設定為匹配該揚聲器之頻率/阻抗特性；令該音頻電壓信號與該電流控制電壓信號相減之差值再輸入功率放大單元，而且當該揚聲器阻抗變動時，該電流控制電壓信號、該輸出電壓、以及該輸出功率對應變動修正，以降低該功率放大單元之該輸出功率受揚聲器阻抗變動影響。
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