专利名称：改进的用于脉宽调节放大器和自动增益控制的电源拒斥的制作方法
本申请包括受版权保护的材料。当该材料出现在专利和商标办公室的文件或者记录中时，版权的所有者不反对专利公开的任何人的摹写再现，但其它任何情况下保留所有版权。
(1)相关申请的交叉参考本申请要求于2004年1月7日提交的申请号为60/535134的美国临时专利申请的优先权，因此将其整体参考且合并于此。
(2)发明背景D类放大器在很多方面异于诸如A类、B类功率放大器的常规功率放大器。常规功率放大器具有按比例大于其输入的电压或电流输出。输出装置运行于整个装置部分“开”的线性区域内。因此，提供给该放大器的很多电力转化为热能，没有有效利用。且需要较大的电力变压器和用于把热量从输出装置转移的散热器。
不同于部分“开”的功率放大器，D类放大器运行时输出装置非开即关。因为装置非开即关，所以装置转化较少的电力为热能。因此，可以用较小的散热器和电力变压器。然而，D类放大器有一些局限性。
由于电源拒斥，D类放大器可能会遭遇动态范围减小和非线性运行。电源拒斥率(PSRR)表征放大器输出电压变化量与电源电压变化量的比值，可以表示成20*log(输出电压变化量/电源电压变化量)。在电力变压器进行线性电力供给时，由于更大的电流被放大器消耗，所以电力变压器提供的电压降低。D类放大器通常具有0dB的PSRR。电源电压的任何变化都会直接反映在放大器的输出上。例如，如果电源电压降低-6dB，则输出信号同样减小-6dB，同时减小动态范围并导致非线性运行。动态范围是指放大器输出的从最低到最高的可探测音量信号的音频范围。如果电力轨道的减小降低了放大器输出的最高电平并保持最低信号电平，则动态范围被有效地减小。因此，听众听到的高声通道没有预期中高声，而柔声通道则如预期。
音频功率放大器通常被设计来驱动扬声器。在“subwoofer”的应用中，在很好的约束条件下，希望通过用自动增益控制电路类型的压缩器或者限制器来减小动态范围。压缩器根据信号电平改变放大器的增益。例如，当信号高于前定阈值时，压缩器的+6dB的输入可能得到+3dB的输出。当信号高于设定阈值时，限制器不会因为输入信号的升高而改变输出。例如，限制器+6dB的输入可能不会得到输出端信号的上升。实现限制器和压缩器可能很昂贵。大多数低成本压缩器或者限制器的设计会在信号中引入谐波畸变。
常规的D类音频放大器如摩托罗拉申请AN1042，Donald E.Pauly的题目为“用TMOS功率MOSFETs的高保真度开关音频放大器”“High FidelitySwitching Audio Amplifiers Using TMOS Power MOSFETs”)中所描述，该申请已并入参考文献。用于电源修正的设计实现了昂贵的变压器。此外，音频工程协会(Audio Engineering Society)的预印号码4446和4673讨论了用反馈技术和专利付费向前进行错误修正。然而，单独的反馈不能对电源错误进行足够的修正。
脉宽调节是用于在基于脉冲调节的功率放大器中合成一列脉冲的众所周知的技术。脉宽调节技术的几个实例在Karsten Nielsen所写的“用于模拟和数字输入开关功率放大器的脉宽调节方法的回顾和比较”(“A Review andComparision of Pulse Width Modulation(PWM)Method For Analog and DigitalInput Switching Power Amplifiers”)中有详细说明，该文献整体参考并合并于此。PWM的进一步讨论可以在Thomas Taul，Karsten Nielsen，和Michael A.E.Andersen的“用于开关音频放大器输出阶段错误修正的非线性与线性控制方法的比较”(“Comparing Nonlinear With Linear Control Methods for ErrorCorrection in Switching Audio Amplifier Output Stages”)中找到，该文献整体参考并合并于此。在一个实施例中，脉宽调节数字放大器可以是D类放大器。
(3)发明内容根据本发明，一种用于脉宽调节数字放大器的电路改进了电源拒斥率，可以同时或者单独用作压缩器和/或限制器。该电路更适宜如此运行应用电压电平转换来改变三角波振幅，以回应向脉宽调节(PWM)装置校验器中输入波形之前电源电压的改变。因为该电路用于改进电源拒斥，所以用作压缩器和/或限制器时不会向信号中引入或者引入很少的畸变。该电路可以在D类放大器中实现。当同D类放大器协同使用时，实施的成本低于常规设计。此外，该电路比常规设计更加有效率，所以电源和晶体管散热器可以比常规设计中的更小。
在一个实施例中，用于给脉宽调节数字放大器提供改进的电源拒斥的电路包括一种缓冲分隔参考电压的缓冲装置；一种输出可以同分隔参考电压合并的第一波形的振荡器；一种执行电压电平转化的支电路(其中电压电平转化输出拥有和第一波形类似频率的第二波形，且该第二波形具有可以在分隔参考电压间改变的振幅)；和一种把第二波形转化成可以用于脉宽调节数字放大器的三角波形的积分器。该脉宽调节数字放大器可以是D类放大器。缓冲装置最好为运算放大器。该缓冲装置确保了精确的低阻抗电压。第二波形是正方波形。振荡器为固定频率振荡器。第一波形有50％的占空比。分隔参考电压可以包括地线。
另外一个实施例中，一种D类放大器上作为压缩器和限制器的有用电路包括整流音频输入信号的方法；直流(DC)放大音频输入信号的方法；将音频输入信号注入电路以提供改进的电源拒斥的方法，该电路包含一种缓冲分隔参考电压的缓冲装置，一种输出第一波形的振荡器(其中第一波形可以和分隔参考电压结合)，一种执行电压电平转化的支电路(其中电压电平转化输出拥有和第一波形相似频率的第二波形，其中该第二波形具有可以在分开参考电压间改变的振幅)，和一种把第二波形转化成可以用于脉宽调节数字放大器的三角波形的积分器。
再一个实施例中，一种作为压缩器和限制器的有用电路包括整流音频输入信号的方法；直流(DC)放大音频输入信号的方法；将音频输入信号注入电路以提供改进的电源拒斥的方法，该电路包含一种缓冲分隔参考电压的缓冲装置，一种输出第一波形的振荡器(其中第一波形可以和分隔参考电压结合)，一种执行电压电平转化的支电路(其中电压电平转化输出拥有和第一波形相似频率的第二波形，其中该第二波形具有可以在分开参考电压间改变的振幅)，一种把第二波形转化成可以用于脉宽调节数字放大器的三角波形的积分器，用于将脉宽调节信号输入差分放大器的方法，和一种存储音频于输出的低通滤波器。
结合下面对较佳实施例更加详细的描述(如附图所示，其中所有图中参考字符查阅相同部分)，上述的和其它的本发明的目标，特征和优点是显然的。不必要将附图标度、强调，而应置于所述本发明原理之上。
(4)
包含附图以提供对本发明的进一步理解，结合入并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明实施例且同描述一起用于说明本发明至少一个实施例的原理。
附图中图1示出了D类放大器的基本实施。
图2示出了根据本发明的一个实施例，放大器中用于电源拒斥的电路。
图3示出了根据本发明的一个实施例，只用一个正电压轨的放大器中的电路。
图4示出了根据本发明的一个实施例，一个具有压缩器的电路。
图5示出了根据本发明的一个实施例，只用一个正电压轨的放大器中具有压缩器的电路。
图6示出了根据本发明的一个实施例，放大器中一个具有压缩器的电路。
(5)首选实施例的详细描述现在详细参考本发明的首选实施例，其示例在附图中示出。
参考图1，D类放大器的基本实施中，音频输入信号(A)进入第一校验器(C).该音频输入信号也被转化，之后进入第二校验器(D)。输入三角波(B)到两个校验器。在两个校验器(C，D)中，音频输入信号于三角波相比较。如果音频输入信号高于三角波，则校验器输出为高。如果音频输入信号低于三角波，则校验器输出为低。校验器输出于音频输入信号相关联的脉宽调节(“PWM”)信号(PWM A，PWM B)。在具有在+/-电压轨(E，F)之间转换的PWM输出的功率金属一氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFETs”)中整流该PWM信号。第一和第二LC低通滤波器(G，H)移除了大部分转换信号并将其转化回音频。由于在第二校验器(D)之前音频被转化，与第一滤波器(G)输出相比第二滤波器(H)的输出含有转化信号。如果三角波被一定量地减小，则放大器的增益会等量增加。例如，如果三角波减小-6dB，放大器增益增加+6dB。因为功率MOSFETs在+/-电压供给间切换，电源电压-6dB的降低会减小音频输出-6dB。
一个期望的PSRR可以通过用三角波振幅减小导致的等量增益增加来补偿电源电压变化导致的增益减小的办法实现。换句话说，如果放大器输出电平由于电源电压减小而减小，则三角波电平会同电源电压减小而等量减小。电源的减小导致方波减小其输出，因为该输出被设定成电源电压的比率。然后方波转化三角波。在一个实施例中，这种方法允许一个方波产生多个三角波。因为电源电压振幅减小量与三角波减小导致的增加量相等，所以期望的PSRR可以实现。
图2示出了只有当电源具有+/-直流(DC)电压时才可以用于电源拒斥的电路。电路与放大器的非节制电源连接于点B、C，且所有op-amps用常规的+/-15伏。R1和R2分开了非节制正电压并缓冲通过U1A(D)的电压。R8和R10分开了非节制负电压并缓冲通过U1B(E)的电压。振荡器输出方波(A)并且向MOSFETs Q1和Q2中注入信号。Q1和Q2(F)的输出是同振荡器具有相同频率且具有U1A和U1B间电压差振幅的方波。方波(F)电容性地通过C5偶合到U2A的输入。C2和R5构成了可以转换方波(F)到三角波(G)的低通滤波器。三角波的振幅随+/-非节制电压(B，C)成比例地变化。在三角波的不同平均振幅被要求和所有输出阶都与同样电压轨连接的多通道系统中，方波输出(F)可能被输入到多重积分器(U2A)中。
在关注成本且表现可以轻微降级的应用中，C4、R3、R6、D1、Q1可以被移除且R4可以被增加。R4的值影响从输出(F)输出的方波质量，依次影响三角波的质量。
图3示出了一个实施例，其中的放大器设计只应用一个正电压轨。在关注成本且表现可以轻微降级的应用中，C4、C6、R3、R6、R9、R11、D1、D2、Q1可以被移除且R4可以被增加。此外，Q2的门应该直接与振荡器输出相连接。R4的值影响从输出(F)输出的方波质量，进而影响三角波的质量。
参考图4，提供了增加压缩器的电路。整流扬声器输出，产生了与输出电平成比例的+/-直流(DC)电压。+/-直流(DC)电压通过直流(DC)放大器(I，K)，所以可以达到不同的压缩比率。由于放大器的输出增加，+/-直流(DC)放大的电压(H，J)超过了分隔器晶体管。结果放大器的增益减小，因此构造自动增益控制电路不会引入畸变。
参考图5，示出了在只用一个正供给轨的放大器中提供压缩器的电路。该电路的功能在方式上与上述图3中十分相似。当只应用一个正供给轨，在opamps中头上空间减小，可能会减小压缩器的动态范围。这可以被F点处方波完整性的微小的修改和减小所克服。扬声器的输出被整流且直流(DC)电压被放大。然而，嵌入点改变了。U1A(D)的输出被其供给电压所限制。直流(DC)放大器可能直接将电压提供给R4。增加二极管D2以阻止U1A接受直流(DC)放大器供给的电压。增加二极管D3以补偿越过D2的电压下降。如果op amp的供给电压限制是+/-电源构造中的问题，则直流(DC)放大器嵌入点的类似修正可能被完成。
参考图6，在一个非D类的放大器中电路被用作压缩器。音频输入同图1所示的实施例类似。然而，校验器输出(C，D)不走向开关MOSFETs。相反，PWM信号(PWM A，PWM B)走向差分放大器(E)。结果，一些开关频率被与图1中LC滤波器类似的方式移除。此外，音频信号同接地而不是平衡音频输出相关。然后该信号通过低通滤波器。该低通滤波器移除了剩余的开关信号。在驱动的subwoofer应用中，低通滤波器可以被调整用作主动分频网络以帮助降低成本。接下来信号走向功率放大器(G)。该功率放大器可以是任何模拟输入拓朴。此时，音频输出被发送到电路，如图5所示，根据输出电平改变的结果的三角波(B)输入到校验器(C，D)。结果形成一个可以用作信号处理的压缩器。
因此，前面对本发明的不同实施例进行了详细说明。在一个实施例中，该电路可以应用以改进脉宽调节数字放大器的电源拒斥。在此实施例中，脉宽调节数字放大器可能是例如D类放大器。运算放大器更好地缓冲电源分隔参考以确保精确的低阻抗的参考电压。振荡器提供了具有50％占空比的输出。它最好是固定频率振荡器。固定频率振荡器的电压电平转换提供了与其频率相同的输出，其中振幅可以在设定电压参考(可以包含接地)之间改变。最好提供至少一个积分器来把改变振幅的方波转换成三角波。
另一个实施例中，该电路可以同D类放大器一起用作压缩器或者限制器。可以应用上述的电源拒斥电路。音频输出信号被整流。直流(DC)被放大并在上述的点注入到电源拒斥电路中。
再一个实施例中，没有D类放大器的情况下，该电源拒斥电路可被用作压缩器或者限制器。应用上述的电源拒斥电路。音频输出信号被整流。直流(DC)被放大并在前面讨论中描述的点注入到电源拒斥电路中。输入脉宽调节信号到差分放大器和低通滤波器来存储音频到输出。
虽然参考较佳实施例，本发明被详细说明和描述，但本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节的不同的改变。
权利要求
1.一种用于提供改进的脉宽调节数字放大器电源拒斥的装置，包括一种缓冲分隔参考电压的缓冲装置；一种输出第一波形的振荡器，其中该第一波形可以与分隔参考电压结合；一种执行电压电平转换的电路，其中该电压电平转换输出与第一波形频率相似的第二波形，其中该第二波形具有在分隔参考电压间改变的振幅；一种把该第二波形转换成三角波且可以在脉宽调节数字放大器中应用的积分器；
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉宽调节数字放大器为D类放大器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缓冲装置为运算放大器。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述缓冲装置确保了精确的低阻抗电压。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二波形为正方波形。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述振荡器为固定频率振荡器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波形具有50％占空比。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分隔参考电压可以包括接地。
9.一种在D类放大器中用作压缩器或者限制器的有用装置，包括整流音频输入信号的方法；直流(DC)放大音频输入信号的方法；将音频输入信号注入电路以提供改进的电源拒斥的方法，所述电路包括一种缓冲分隔参考电压的缓冲装置；一种输出第一波形的振荡器，其中该第一波形可以与分隔参考电压结合；一种执行电压电平转换的支电路，其中该电压电平转换输出与第一波形频率相似的第二波形，其中该第二波形具有在分隔参考电压间改变的振幅；一种把该第二波形转换成三角波且可以同脉宽调节数字放大器一起应用的积分器；
10.一种作为压缩器或者限制器有用的装置，包括整流音频输入信号的方法；直流(DC)放大音频输入信号的方法；将音频输入信号注入电路以提供改进的电源拒斥，所述电路包括一种缓冲分隔参考电压的缓冲装置；一种输出第一波形的振荡器，其中该第一波形可以与分隔参考电压结合；一种执行电压电平转换的支电路，其中该电压电平转换输出与第一波形频率相似的第二波形，其中该第二波形具有在分隔参考电压间改变的振幅；一种把该第二波形转换成三角波的积分器；一种用于输入脉宽调节信号到差分放大器的方法；和用于存储音频到输出的低通滤波器。
11.一种在脉宽调节数字装置中用于提供改进的电源拒斥的方法，包括用电压电平转换来改变波形的振幅以回应电源电压的改变；用不同的波形作为脉宽调节数字装置校验器的输入。
全文摘要
根据本发明，一种用于脉宽调节数字放大器的电路改进了电源拒斥率，且可以用作压缩器和/或限制器。该电路更适宜如此运行应用电压电平转换来改变三角波振幅，以回应向脉宽调节(PWM)装置校验器中输入波形之前电源电压的改变。因为该电路用于改进电源拒斥，所以用作压缩器和/或限制器时不会向信号中引入或者引入很少的畸变。此外，该电路可选择在D类放大器中实现，且提供了较之此类实现中的常规设计更低的成本。
文档编号H03F1/30GK1918788SQ200580004569
公开日2007年2月21日 申请日期2005年1月7日 优先权日2004年1月7日
发明者D·泽普 申请人:奥特蓝星技术股份有限公司