用于静电式换能器的放大器的制造方法
【专利摘要】一种D类音频放大器，其向静电式换能器（9）提供交流信号和直流偏置电压。放大器包括生成调制脉冲序列以响应输入音频信号的输入模块（1），放大脉冲序列的输出模块（3），该输出模块包括高速开关输出晶体管（4、5）。电源（6）向开关输出晶体管（4、5）提供电源电压。低通滤波器（8）接收放大的脉冲序列并生成用于换能器的输出信号。输出模块（3）的放大的脉冲序列馈给至电压倍增器模块（10），其为静电式换能器提供恒定的偏置电压。
【专利说明】用于静电式换能器的放大器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于静电式换能器的放大器，更具体地是一种D类放大器，其向诸如扬声器的静电式换能器提供交流信号以及直流偏置电压。
【背景技术】
[0002]在D类放大器中，输入信号转换成脉冲序列，其具有比需要放大的该引入信号的最大频率高的多的频率。该脉冲被调制，例如使用脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation, PWM)或脉冲密度调制(Pulse Density Modulation, PDM)。输出级包括诸如MOSFET或类似器件的高速开关元件，其要么完全闭合，要么是完全开启。放大脉冲然后馈给到低通滤波器，该低通滤波器去除了诸如脉冲频率及其谐波之类的分量，从而生成了输入信号的放大版，其能够用于驱动诸如扬声器的换能器。
[0003]在静电式扬声器的情况下，电压必须相当的高。例如输出级的干线电压可能是100或200伏。为静电式扬声器提供直流偏置电压也是必需的，该直流偏置电压高于输出信号电压。通常这可由主电源提供，其也提供干线电压。本发明的目的在于提供一种简单而有效的产生偏置电压的方法。
【发明内容】
[0004]从一方面来看，本发明提供了一种D类音频放大器，其与静电式换能器一起使用，包括输入模块，该输入模块生成调制脉冲序列以响应馈给至该输入模块的输入音频信号；放大脉冲序列的输出模块，该输出模块包括高速开关输出晶体管；向开关输出晶体管提供电源电压的电源；以及接收放大的脉冲序列并生成用于换能器的输出信号的低通滤波器；其中输出模块的放大的脉冲序列馈给至电压倍增器模块，该倍增器模块为静电式换能器提供恒定的偏置电压。
[0005]这样，用来生成用于换能器的音频输出信号的脉冲也用来驱动电压倍增器从而为换能器提供了偏置电压。
[0006]在放大器具有传统音量控制的布置中，其衰减输入信号，电源电压会保持不变，于是调制脉冲电平会保持不变，从而偏置电压保持不变。然而，在优选的实施方式中，音量控制通过改变开关晶体管的电源电压来提供。通过降低供给电压，调制脉冲电平降低了，因此音量降低了。当系统在低音量运行时，由于这会影响电压倍增器的驱动，这被设置成把偏置电压提升至合适的水平。这意味着在最大音量时，电压倍增器的输出会比需要的高的多。于是，在这种布置类型中，电压倍增器模块包括由电压倍增器的输出生成恒定电压的单元。通常这可能是通过电阻提供恒定电流以便电阻上产生的电压保持不变的恒流单元，于是电阻上产生的电压能够用作偏置电压。
[0007]电压倍增器可以是传统单元类型，通常是诸如科克罗夫特-瓦尔顿倍增器(Cockcroft Walton multiplier)的二极管和电容器的网路。
[0008]优选地，输出级的开关输出晶体管按照源极跟随器构造来设置，使得引入的脉冲馈给至晶体管的栅极引出线。这避免了可能导致问题的反馈路径的需求，因为必须修改增益以补偿通过改变电源输出提供音量控制的布置中电源电压的变化。
[0009]换能器能够包括在耳机或头戴式耳机中。在一个实施方式中换能器是以静电式扬声器的形式。
[0010]静电式换能器可以是具有聚合物薄膜的类型。例如，可能具有由绝缘聚合物制成的第一层，在其上表面上设有导电层。在该层上是绝缘聚合物薄膜的柔性层，其上是导电层。导电层和绝缘层可能是分开的层或者导电层可能是以在绝缘层的外表面上镀金属的形式。
[0011]实践证明在这种布置中，聚合物薄膜或导电层之间的薄膜可能发生极化。这能够导致诸如声音强度降低以及声音失真提高的有害效果。
[0012]于是，在本发明优选的实施方式中，偏置电压周期性反转，从而反转了极化。优选地，为了在与例如低音驱动或另一信道换能器一起使用时保持相位完整，信号的相位同时地反转。这可借助于输入模块与输出模块之间的反相器实现，该反相器改变了调制信号的相位。
[0013]通过一对转换开关能够实现反转偏置电压，各开关能够在两个模式之间转换。在第一模式中开关连接偏置电压，而在第二模式中开关接地。当一个开关处于第一模式时，另一个开关处于第二模式。开关可以是任意类型的，但优选地以“先断后合”模式操作。开关可以是继电器的形式。控制信号操作开关，同时也控制反相器。控制信号用来周期性地反转偏置电压。在优选的实施方式中，这能够在换能器发出声音时实现。
[0014]偏置电压反转这个特点凭借其本身是独创性的，因此从本发明另一发面来看，提供了一种D类音频放大器，其与静电式换能器一起使用，包括输入模块，该输入模块生成调制脉冲序列以响应馈给至该输入模块的输入音频信号；放大脉冲序列的输出模块，该输出模块包括高速开关输出晶体管；向开关输出晶体管提供电源电压的电源；以及接收放大的脉冲序列并生用于换能器的输出信号的低通滤波器；其中设置偏置电压模块来为静电式换能器提供恒定的偏置电压；并且其中偏置电压模块设置成以一定的间隔在收到控制信号后反转偏置电压，在输入模块和输出模块之间设置反相器，反相器响应控制信号从而反转馈给至输出模块的信号的相位，同时进行偏置电压的反转；也有向偏置控制模块及反相器提供控制信号的控制模块。
[0015]偏置模块可包括电压倍增器模块，其为静电式换能器提供恒定的偏置电压，该电压倍增器模块像根据本发明第一方面那样接收输出模块的放大的脉冲序列。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]参照附图，经由实施例描述本发明的一些实施方式，其中:
[0017]图1是本发明第一实施方式的布置的原理图；以及
[0018]图2是本发明第二实施方式的布置的原理图，其包含偏置电压反转。
【具体实施方式】
[0019]在图1的实施方式中，音频输入信号馈给至商用D类放大器微芯片I中。这可使用例如脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(有时称为脉冲频率调制)、滑模控制(更普遍地叫做“自振荡调制”)或者诸如三角积分调制(delta-sigma modulation)的离散时间调制形式。在优选的实施方式中使用脉冲宽度调制。这可通过使用高速比较器获得，该比较器把高频三角波与音频输入进行比较。这产生了一系列的脉冲，其中工作周期的长度直接与音频信号的瞬时值成比例。比较器的输出馈给至场效应晶体管(FET)驱动模块2中，在这种情况下该驱动模块2包含在输出级3中。输出级包括一对金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET) 4、5,尽管实际上这些晶体管可能不使用金属氧化物，更准确地它们可被叫做绝缘栅场效应晶体管(Insulated Gate FET, IGFET)或金属绝缘物半导体场效应晶体管(Metal-1nsulator-Semiconductor FET, MISFET)?这些晶体管按照源极跟随器的结构布置，使得场效应晶体管驱动模块的输出馈给至栅极。
[0020]电力从电源6供给至输出级3的晶体管4、5，该电源6能够提供200V的电压。电源的输出馈给至电位器或诸如此类的7，其能够把电压从最大值降下来。这具有降低输出音量的作用。电位器可作为电源的组成部分包括在该电源中。
[0021]晶体管4、5的输出馈给至低通滤波器8，该低通滤波器生成馈给至静电式扬声器9的音频信号。
[0022]晶体管4、5的输出一在低通滤波器8之前一也馈给至电压倍增器10，在本实施方式中该电压倍增器是科克罗夫特-瓦尔顿倍增器(Cockcroft Walton Multiplier)。这把电源的最大电压提高到比如说400V。该整流升压电压馈给至恒流源11。该恒流源11的输出馈给至电阻器12。得到的电阻器12上的恒压被用作扬声器9的偏置电压。
[0023]放大器可与诸如WO 2007/077438中公开的静电式扬声器一起使用。本发明特别适合与这样的静电式扬声器一起使用，该静电式扬声器具有导电第一层、设置在第一层上的柔性绝缘第二层、以及设置在第二层上的柔性导电第三层，信号和偏置电压作用在第一和第三层上。第三层可以是第二层上的导电涂层形式，处在第二层的远离第一层的那一侧上。第一层可设有孔隙阵列。
[0024]参照图2，其示出·上述结构的改型，其周期性地反转偏置电压，并同时反转至输出级的信号的相位。反相器13设置在D类放大器微芯片I和场效应晶体管驱动2之间，从而反转了提供给场效应晶体管驱动2的信号的相位。恒流源11连接至一对开关14和15。这些开关以先断后合模式操作的继电器的形式。开关14能够这样操作，使得电阻器12的一侧要么连接恒流源11，要么接地。当电阻器12的该侧连接恒流源时，开关15把电阻器12的另一侧接地。这是图2中示出的位置。当偏置极性将要反转时，偏置反转模块16向反相器13、开关14和15发送控制信号。同时，开关14把电阻器12的该侧接地，开关15把电阻器12的另一侧连接至恒流源11，于是反相器13反转了送至场效应晶体管驱动的信号的相位。当极性将要再次反转时，偏置反转模块16向反相器13、开关14和开关15发送另一个控制信号。同时，开关14把电阻器12的该侧连接至恒流源11，开关15把电阻器12的另一侧接地，于是反相器13反转了送至场效应晶体管驱动的信号的相位。偏置反转模块以一定的周期间隔发出控制信号，以便偏置电压的极性以一定的周期间隔变化。这能够在放大器运作且换能器9发出声音时实现。
【权利要求】
1.一种D类音频放大器，其与静电式换能器一起使用，包括:输入模块，用于生成调制脉冲序列以响应馈给至所述输入模块的输入音频信号；用于放大所述脉冲序列的输出模块，所述输出模块包括高速开关输出晶体管；向所述开关输出晶体管提供电源电压的电源；以及接收所述放大的脉冲序列并生成用于所述换能器的输出信号的低通滤波器；其中来自所述输出模块的所述放大的脉冲序列被馈给至电压倍增器模块，所述倍增器模块为所述静电式换能器提供恒定的偏置电压。
2.根据权利要求1所述的放大器，其中通过改变提供给所述开关输出晶体管的电源电压提供音量控制。
3.根据权利要求1或2所述的放大器，其中所述电压倍增器模块包括由所述电压倍增器的输出生成恒定电压的单元。
4.根据权利要求3所述的放大器，其中所述电压倍增器的输出被馈给至驱动电阻的恒流单元，以使所述电阻上的电压保持不变且能够用作偏置电压。
5.根据权利要求3或4所述的放大器，其中所述电压倍增器是科克罗夫特-瓦尔顿倍>曰 ο
6.根据前述任一权利要求所述的放大器，其中输出级的所述开关输出晶体管按照源极跟随器构造设置，使得输入的脉冲被馈给至所述晶体管的栅极引出线。
7.根据前述任一权利要求所述的放大器，其中设置了周期性反转所述偏置电压的装置。
8.根据权利要求7所述的放大器，其中设置了反转传至所述输出模块的所述信号的相位的装置，同时进行所述偏置电压的反转。·
9.根据权利要求8所述的放大器，其中在所述输入模块和所述输出模块之间设置反相器以改变馈给所述输出模块的调制信号的相位。
10.根据权利要求7、8或9所述的放大器，其中所述偏置电压的反转是通过一对转换开关实现的，各转换开关能够在所述开关连接所述偏置电压的第一模式与所述开关接地的第二模式之间转换，配置是这样的，当一个开关处于所述第一模式时，另一个开关处于所述第二模式。
11.根据权利要求10所述的放大器，其中一个开关连接电阻器的一端，另一个开关连接所述电阻器的另一端，所述偏置电压是所述电阻器上产生的电压。
12.根据前述任一权利要求所述的放大器与静电式换能器组合。
13.根据权利要求12所述的组合，其中所述静电式换能器是静电式扬声器。
14.根据权利要求12或13所述的组合，其中所述静电式换能器具有导电第一层、设置在所述第一层上的柔性绝缘第二层，以及设置在所述第二层上的柔性导电第三层，所述信号和所述偏置电压加在所述第一和第三层上。
15.根据权利要求14所述的组合，其中所述第三层是在所述第二层的远离所述第一层的一侧上的导电涂层的形式。
16.根据权利要求14或15所述的组合，其中所述第一层设有孔隙阵列。
17.—种D类音频放大器，其与静电式换能器一起使用，包括:输入模块，用于生成调制脉冲序列以响应馈给至所述输入模块的输入音频信号；放大所述脉冲序列的输出模块，所述输出模块包括高速开关输出晶体管；向所述开关输出晶体管提供电源电压的电源；以及接收所述放大的脉冲序列并生成用于所述换能器的输出信号的低通滤波器；其中设置了偏置电压模块来为所述静电式换能器提供恒定的偏置电压；并且其中所述偏置电压模块设置成以一定的间隔在收到控制信号后反转所述偏置电压，且在所述输入模块和所述输出模块之间设置反相器，所述反相器响应所述控制信号以反转馈给至所述输出模块的信号的相位，同时进行所述偏置电压的反转；还具有向所述偏置控制模块和所述反相器提供所述控制信号的控 制模块。
【文档编号】H03F3/217GK103858339SQ201280035641
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年5月18日 优先权日:2011年5月19日
【发明者】布莱恩·阿特金斯, 邓肯·比尔森, 大卫·霍尔 申请人:沃威音响技术有限公司