专利名称：一种经改进的具有输出过载和热保护的复合桥式放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种放大器，特别涉及到一种经改进的复合桥式放大器。
在美国专利5，075，634中披露了一种复合桥式放大器，该放大器包括一个单端D类放大器和一个线性AB类桥式放大器的串联组合。所述D类放大器的输出为所述的桥式放大器提供电源。需要放大的所述信号，即音频信号使所述桥式放大器的电源电压发生变化，从而使所述桥式放大器中输出晶体管两端产生小而恒定的电压降，这就导致了在提供AB类性能的同时，极大地减小了所述输出晶体管的功率损耗。
在美国专利5，075，634中所披露的所述放大器的特性在于桥式放大器和D类放大器的所述组合只需要一个单端D类放大器。很明显，这能够极大地降低所述放大器的成本，所述的D类放大器包括一个脉宽调制级，该级用于控制所述桥式放大器的电源电压。所述的脉宽调制(或Pwm)级包括一个脉宽调制器，一个开关和一个Pwm滤波器。利用受所述脉宽调制器控制的所述开关将所述电源耦合到所述Pwm滤波器的输入端。在现有技术的放大器中，所述脉宽调制器的控制包括一个开环系统。对应于所述绝对值的一个基准信号或全波整流输入音频信号被用于直接地控制或建立用于所述脉宽调制器的脉冲宽度。为了使所述脉宽调制器的输出与所述的桥式音频信号相匹配，需要有一个时间延迟。
所述时间延迟的目的就是要使所述脉宽调制级的输出与所述桥式放大器相匹配或同步。主要由于在所述Pwm滤波器中存在有电抗，所以，在到达所述桥的电源电压信号和输入给所述桥的音频信号之间存在有一个滞后。在所述现有技术的放大器中，利用置于桥式音频信号通路中的延时使所述的电源信号和输入信号相互匹配。因为时延是出现在音频信号通路中，为了保持用于所述放大器的高性能规格，它必需含有高质量的电路。实际上，这通常意味着利用数字执行过程去提供一个高带宽和低失真，这种情况相当大程度地加重了所述放大器的成本损耗。
在现有技术放大器中的脉宽调制级的开环控制可以以其它的方式影响所述放大器的性能。在所述Pwm滤波器中的变化，例如由于在所述滤波器中所述开关有限电阻和所述滤波器各结构成分的响应特性所引起的变化都能使所述脉宽调制级的输出产生误差和失真。由于所述D类放大器为所述的桥式放大器提供电源电压，存在于所述脉宽调制级输出中的失真或误差将导致所述桥式放大器的失真和误差。
另一个与用于所述脉宽调制器的开环操作相关的问题是对所述电源中噪声的敏感性问题。由于所述电源(是通过所述开关)连接到所述Pwm滤波器上的，在所述电源上的任何一个音频噪声都将耦合到所述滤波器上。
尽管美国专利5，075，634披露了一种复合桥式放大器，在这种新颖放大器中，可以使用比公知放大器更低的费用而实现较高的效率，但仍然需要提供一种经过改善的组合桥式放大器。
因此，本发明的一个目的就是要提供一种经过改善的组合桥式放大器。
所述经过改善的组合桥式放大器的特征之一就是使用了用于所述脉宽调制级的闭环控制系统。根据本发明的该控制系统改善了所述放大器的性能。另外，该控制系统取消了对延时的需要。而延时的取消又可以减少所述放大器的成本。
所述经改善的组合桥式放大器的另外一个特征是包括用于输出级的过流保护和过热保护。
就第一方面而言，本发明提供了一个用于放大一个输入信号的放大器，所述的放大器包括(a)第一、第二、第三和第四放大器装置，其中的每一个都具有第一和第二功率端以及一个控制端;(b)所述放大器装置被连接成一种桥式结构;所述第一和第二放大器装置中每一个第一功率端被连接到一起并连接到一个第一功率输入端，所述第三和第四放大器装置中每一个第一功率端被耦合到一起并连接到一个第二功率输入端;(c)所述第一和第三放大器装置的第二功率端被耦合到一起并连接到一个第一输出端，所述第二和第四放大器装置的第二功率端被耦合到一起并连接到一个第二输出端，所述第一和第二输出端适宜连接到一个负载;(d)一个用于所述输入信号的输入端，以及一个位于所述输入端和所述第一至第四放大器装置的所述控制端之间的控制电路，用于使所述第一和第三放大器装置交替运行，并进而使第二和第四放大器装置交替运行，以导引来自所述第一功率输入端的电流通过所述第一放大器装置、所述第一输出端，所述负载、所述第二输出端，所述第三放大器装置，和所述第二功率输入端，然后再导引来自所述第一功率输入端的电流通过所述第二放大器装置，所述第二输出端、所述负载，所述第一输出端，所述第四放大器装置和所述第二功率输入端;(e)耦合到所述输入端的调制装置，用于产生一个其调制状态取决于所述输入信号的调制过的信号;(f)电源装置以及用于该电源装置的滤波器装置;(g)具有控制输入端开关装置，所述的开关装置将所述的电源装置耦合到所述滤波器装置，所述滤波器装置被耦合到所述第一和第二功率输入端;(h)所述的调制装置被耦合到所述开关装置的所述控制输入端，用于控制所述开关装置在所述的功率输入端产生一个取决于所述输入信号的功率信号;和(i)所述的调制装置包括一个用于产生一个功率控制信号的装置，用于控制所述开关装置，还包括一个用于产生一个功率控制信号的装置，用于控制所述开关装置，还包括一个移相装置，用于使所述的功率控制信号移相，从而使所述的功率信号与所述输入信号相匹配。
另一方面，本发明提供了一种用于放大一个输入信号的放大器，所述的放大器包括(a)第一、第二、第三和第四放大器装置，其中的每一个都具有第一和第二功率端和一个控制端;(b)所述的放大器装置被连接成桥式结构，所述第一和第二放大器的第一功率端被耦合到一起并连接到一个第一功率输入端，所述第三和第四放大器装置的第一功率端被耦合到一起并连接到一个第二功率输入端;(c)所述第一和第三放大器装置的第二功率端被耦合到一起并连接到一个第一输出端，所述第二和第四放大器装置的第二功率端被耦合到一起并连接到一个第二输出端，所述第一和第二输出端适于连接到一个负载;(d)用于所述输入信号的一个输入端，一个耦合于所述输入端和所述第一至第四放大器装置所述控制端之间的控制电路用于交替运行所述第一和第三放大器装置，随后交替运行所述第二和第四放大器装置，从而使来自所述第一功率输入端的电流流经所述第一放大器装置，所述第一输出端，所述负载，所述第二输出端，所述第三放大器装置以及所述第二功率输入端，然后使来自所述第一功率输入端的电流流经所述第二放大器装置，所述第二输出端，所述负载，所述第一输出端，所述第四放大器装置以及所述第二功率输入端;(e)耦合到所述输入端的调制装置，用于产生具有取决于所述输入信号的调制特性的调制过的信号;(f)电源装置以及用于该电源的滤波装置;(g)具有一个控制输入端的开关装置，所述的开关装置将所述的电源装置耦合到所述滤波装置上，所述滤波装置耦合到所述第一和第二功率输入端上;(h)所述的调制装置被耦合到所述开关装置的所述控制输入端上，用于控制所述开关装置在所述功率输入端上产生一个取决于所述输入信号的功率信号;和(i)过流保护装置，它包括一个耦合所述多个放大装置之一上的传感器装置，用于检测所述放大器装置中流动的电流，所述传感器装置包括一个平均装置，用于产生一个相当于所检测电流平均值的输出信号，还包括一个峰值检测器，用于产生一个相当于所检测电流峰值的输出信号。所述的、平均装置包括一个阈值装置，用于在所述的平均输出信号超过一个第一予定阈值时产生一个过流信号，所述的峰值检测器也包括一个阈值装置，用于当所述的峰值输出信号超过一个第二予定阈值时产生一个过流信号，同时还包括一个耦合到所述调制装置的分压器装置，用于响应所述过流信号而适当减小所述的功率控制信号。
再一方面，本发明提供一种用于放大一个输入信号的放大器，所述放大器包括(a)第一、第二、第三和第四放大器装置，其中的每一个都具有第一和第二功率端和一个控制端;(b)所述的放大器装置被耦合成桥式结构，所述第一和第二放大器装置的第一功率端被耦合到一起并连接到一个第一功率输入端上，所述第三和第四放大器装置的第一功率端耦合到一起并连接到一个第二功率输入端上;(c)所述第一和第三放大器装置的所述第二功率端被耦合到一起，并连接到一个第一输出端，所述第二和第四放大器装置的第二功率端被耦合到一起，并连接到一个第二输出端上，所述第一和第二输出端适于接到一个负载上;(d)一个用于所述输入信号的输入端，和一个置于所述输入端和所述第一至第四放大器装置的所述控制端之间的控制电路用于交替运行所述第一和第二放大器装置、随后交替运行所述第二和第四放大器装置，以使来自所述第一功率输入端的电流流经所述第一放大器装置、所述第一输出端，所述负载、所述第二输出端、所述第三放大器装置和所述第二功率输入端，并进而使来自所述第一功率输入端的电流流经所述第二放大器装置，所述第二输出端、所述负载、所述第一输出端、所述第四放大器装置和所述第二功率输入端;(e)耦合到所述输入端的调制装置，用于产生一个具有调制特性取决于所述输入信号的一个调过的信号;(f)电源装置和用于该电源装置的滤波装置;(g)具有一个控制输入端的开关装置，所述的开关装置将所述的电源装置耦合到所述的滤波装置上，所述的滤波装置被耦合到所述第一和第二功率输入端上;(h)所述的调制装置被耦合到所述开关装置的所述控制输入端上，用于控制所述开关装置在所述功率输入端上产生一个依赖于所述输入信号的功率信号;和(i)过热保护装置，它具有一个耦合到所述多个放大器装置之一上的温度传感器和一个用于响应在所述放大器装置中温度变化而产生一个温度传感器输出信号的装置，以及一个耦合到所述温度传感器上的装置，用于当所述的温度输出信号超过了一个第一予定阈值时产生一个过热保护信号，同时还包括一个耦合到所述调制装置的一个分压器装置，该分压器装置用于响应所述过热保护信号而适当地减小所述功率控制信号的值。
为了更好地理解本发明和更详细地表示其如何实施，下面将借助于举例并参考表示本发明最佳实施例的附图加以说明，其中
图1示出了现有技术中桥式放大器的方框图;
图2是图1所示现有技术复合桥式放大器较为详细的方框图;
图3示出了依据本发明经过改进的放大器的方框图;
图4是图3所示放大器的更为详细的方框图;和图5示出了图4所示的脉宽调制器和峰值检测器电路的波形图。
参看图1，它示出了现有技术的复合桥式放大器10所述组合桥式放大器10在美国专利5，075，634中已有披露，该专利所披露的内容在这里作为参考资料。
如图1所示，所述组合桥式放大器10具有一个用于输入信号Vin例如是一个音频信号的输入端12，位于端12的所述输入信号Vin控制电路14，该控制电路将一个脉宽调制后(或Pwm)信号(对应于所述的输入信号Vin)提供给开关16。单相直流电源18或VDC通过所述开关16馈送其输出，以产生一个Pwm功率信号20，该Pwm功率信号20通过一个平均网络或Pwm滤波器22求平均值。所述的平均网络或滤波器22产生一个均值的或滤波后的功率信号24，该信号对应或追踪所述的输入信号Vin。
使用所述的平均信号24对桥式放大器26提供功率，该桥式放大器包括用于驱动例如一个扬声器28的负载并示作可控电源V1、V2、V3和V4的四个输出晶体管。如本专业技术领域技术人员所能理解的，在下面的叙述中，使用mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，当然双极结晶体管在此也可以使作为所述的电压源V1、V2、V3和V4。所述桥式放大器26由所述输入信号Vin进行控制，该输入信号Vin由电压增益和分相级30(构成所述桥式放大器一部分)进行分相和前置放大然后流向电源V1和V4。所述的桥式放大器76基本上是两个彼此相位差180°驱动的推挽放大器。在每个信号的1/2周期内，如箭头32所示，电源V1和V4接通，电流流经负载28。在另外的半个周期内，电源V1和V4接通，电流流经所述桥26，如箭头34所示。其结果是如参考号36所示，通过负载28流过一个组合输出波形。
图1所示之结构的优点在于由于所述桥26的极性反转特性，和其它公知的放大器，例如D类开关式放大器或推挽组合放大器相比较，这种结构仅仅需要一个DC电源18，一个控制电路14和一个Pwm开关16，这样虽然增加了所述桥的复杂程度，但却极大地降低了成本。使用桥26具有减少失真的优点。另外，图1所示之电路还可以作得很紧凑，以用于高功率场合。
下面参考图2，该图是进一步详细地示出了图1所示之放大器电路10的方框图，相应之参考数字用于表示图1和图2中相对应的部份。
如图2所示，所述放大器10包括一个耦合到所述输入端12的前置放大器38。所述前置放大器(或Preamp)38提供一个用于所述输入音频信号Vin的放大器输入端40，利用所述的前置放大器38对所述放大器输入端40上的输入信号Vin进行处理，以在端12处产生一个输出信号42，它在输入端12处被分成两个分支。所述第一分支通过一个时间延迟级44(其作用下面将描述到)传送所述前置放大器38的输出信号。所述信号由延时级44传送给一个电压增益级/分相级30，在这里，该信号被分相并放大，以控制所述的可控电源或输出晶体管V1到V4。所述的分相信号从所述电压增益级30通过引线46、48被引向一个功率增益级50，该功率增益极50包括输出电压源V1到V4。
所述前置放大信号42的其它部份被引向所述控制电路14。如图2所示，所述控制电路14包括一个绝对值级52，用以产生一个绝对值信号53，该信号相应于一个所述输入信号Vin的全波整流形式。所述绝对值信号53被导向一个脉宽调制级56，其输出信号是一个相应于所述输入信号Vin的脉宽调制过的控制信号57。所述Pwm控制信号被导向一个浮动的Pwm栅驱动级58，该驱动级58用于操作开关16。由具有浮动门驱动电源模块62的电源60向所述Pwm栅驱动级58提供能源。
还请参看图2，所述开关16将一个浮动60V直流电源64或VDC(也是电源60的一部分)连接到所述平均网络或脉宽调制滤波器22上，在所述Pwm信号57的控制下，所述开关16将一个与所述输入信号Vin成正比的脉宽调制过的功率信号20提供给滤波器22。所述滤波器22求所述Pwm功率信号21的平均值以产生一个均值后功率信号24，该信号被提供给所述功率增益级50。所述功率增益级50的输出出现引线66和68上。
图2所示之系统特性是所述的脉宽调制器56使得均值后功率信号24(它被提供给功率增益级50)去跟踪所述的输入信号Vin，这就促使实现了所述图1复合放大器10的主要优点，即高效率。
通过选择图2所示之控制方法，可以获得两个另外的优点。首先，用于所述桥的“净空”(即在到达V1-V4中每一个的电压和V1-V4中每一个的输出电压之间的电压差，正比于所述放大器26的输出信号，这一点很适合由mosfet功率晶体管所构成的V1-V4，由于它们的阻抗特性，mosfet晶体管需要正比于流经它们的电流的净空，在使用桥26的情况下，需要正比于所述输出信号的净空。
下面参考图3，该图示出了一个根据本发明经过改进的组合桥式放大器，该放大器以参考标号100表示，其形式类似于图1和图2所示之形式。在图3中，主要参考所指示的部份对应于图1和2中的这些部份。
如图3所示，经改进的复合桥式放大器100包括一个输入端12′，一个控制电路14′，一个Pwm开关16′，一个桥式放大器26′和一个电源60′。所述的输入端12′通过一个前置放大器38′耦合到一个放大器输入端40′上。所述放大器100包括两个位于功率增益级50′之内的输出端66′和68′，这两个输出端被连接到负载28′，即一个音频扬声器上。
如图3所示，所述组合桥式放大器100包括一个由虚线的示出的保护电路102。根据本发明，所述的控制电路14′也包括一个脉宽调制控制器，该控制器包括一个移相器104和一个比例积分控制器106，这些将在下面予以叙述。所述的保护电路102包括一个过流保护电路110和一个过热保护电路112，如图3所示，这两个保护电路却通过分压器114被耦合到所述的控制电路14′上。从下面的描述中可以很明显地看出，图3和图4中所示经改进的组合桥式放大器100的优点在于所述的延时级44(图2)被取消了。延时级44的取消导致成本的节省而又没有牺牲所述放大器的性能。实际上，图3和图4所示之系统使得一个放大器在高频状态下具有更低数量的谐波失真，具有更少的元器件(即取消了延时级44)和更少的电源干扰。
在假设不存在所述峰值检测器108的前提之下，首先来叙述脉宽调制控制电路，即移相器104和比例积分控制器106的工作情况。
在工作过程中，和用所述的前置放大器38′对所述的输入信号Vin(即一个音频输入信号)进行缓冲和放大。所述的前置放大器38′还可以包括一个反相和一个非反相信号输出端。所述的前置放大器38′还可以包括一个电位计(未示出)，以允许从外部来设定所述前置放大器38′的增益或放大系数。所述前置放大器38′的输出被分开并馈送给所述的控制电路14′(即所述D类开关放大器的前端)和所述的桥式放大器26′。
通过所述电压增益/分相级30′使来自所述前置放大器38′的信号反相，以用于所述桥式放大器26′的负边。(所述桥式放大级的操作在美国专利5，075，634中之进行了描述)利用位于所述电压增益级30′中的高压运算放大器(未示出)对反相信号和非反相信号进行放大。然后，所述高压运算放大器的输出46′和48′通过一个“浮动”偏压电路馈送给所述输出(mosfet)晶体管V1-V4(在此披露之中未示出)，这些晶体管位于所述功率增益级50′中。所述的桥式放大器26′包括一个负反馈，该负反馈将所述级50′的增益设计为包括所述桥式输出双效应的6。所述的负反馈还减少了由所述桥式放大器26′所引入的失真。利用两个单独“浮动”(即变压器隔离的)功率干线为所述输出晶体管V1-V4提供了偏压源。所述的功率干线是一个旁路线，调节该旁路线以减少所需之偏压电流(请看美国专利5，075，634)。可以利用两个电位计来调节所述的偏流。
所述的功率增益级50′还可以包括一个对来自所述桥式放大器26′的输出的无线电干扰即(未示出)射频滤波和阻抗稳定电路。
来自所述前置放大器38′的输出还被馈送给所述控制电路14′。所述的控制电路14′构成了用于所述D类放大器的所述“前端”。如将要描述到的，所述控制电路14′的主要作用是为向所述增益级50′提供能源的所述D类放大器提供一条功率控制通路。来自所述前置放大器38′的反相和非反相输出被所述的绝对值级52′进行二极管或运算，以产生一个绝对值信号53′，该信号相应于全波整流输入信号Vin。所述的绝对值信号53′提供一个基准信号55，该信号被馈送给所述比例积分控制器106，以控制由所述脉宽调制器56′所产生的脉冲宽度。如下面将要描述的，为了保护所述功率增益级50′不致因过载而产生损坏，利用所述的保护电路102对所述的基准信号55进行衰减。
仍然参看图3，所述的绝对值信号53′被馈送约移相器104。所述移相器104的作用就是要使所述Pwm22′的输出与正被馈入给所述的桥式放大级76′的所述音频信号相匹配。为在下面将要参照图4所叙述，所述移相器104产生两个共同构成所述基准信号55的成份。所述第一成份包括所述绝对值信号53′(即整流后音频信号)，所述第二成份包括一个所述绝对值信号53′的从变量。
所述比例积分器106将所述基准信号55和所述Pwm滤波器22′的输出(即所述D类放大器的输出)进行比较，并产生一个误差信号107。所述误差信号107为所述的脉宽调制56′提供一个输入。所述的脉宽调制56′将所述误差信号107和一个三角波形相比较，以产生一个脉宽调制后控制信号57′，该信号通过所述浮动Pwm驱动级58′去控制所述开关16′。所述浮动驱动级58′包括一个用于绝缘所述脉宽调制后控制信号57′的光耦合器(未示出)。
所述输出晶体管V1-V4通过开关16′获得电源，以产生一个脉宽调制过的功率信号20′。利用所述的Pwm滤波器22′以指向于功率增益级50′的一个均值功率信号24′的形式从所述脉宽调制过的功率信号20′中恢复所述音频信号成份。所述Pwm滤波器22′包括一个低通LC滤波器。为了保持稳定，所述的比例积分控制器106包括一个相位超前和滞后补偿电路，这在后面将要讲到。
所述保护电路102对位于所述功率增益级50′中的输出晶体管V1-V4过流和过热保护。在工作过程中，所述的过流保护电路110在功率增益级50′中感测一个输出电流。所感测的输出电流被求平均值，若该平均值超过了一个阈值，那么，利用分压器114并按照所述阈值电压被超过的量，成比例地衰减或减少所述的基准信号。其效果是减少了输出晶体管V1-V4两端的电压，即所述放大器的电压摇摆。为了响应过流状态，在所有输出晶体管V1-V4完全饱和以前，它们两端的电压将被减小，并且在这种方式下，所述的输出电流将绝不会超过最大可控值。
所述保护电路102的特性在于所述输出晶体管V1-V4两端电压摇摆(即净空)的减少不包括对所述输出信号36的嵌位。因此，在过载状态期间，所述放大后的输出信号36的失真将少于惯用放大器。应当注意到，在极端情况下所述净空的减少将把所述输出信号36压缩到某一点，在这点处，它可能表现出一种交叉失真型状态。
过流保护电路110还可以对所述的输出信号进行峰值检测，以保护不产生“全电路短路”故障状态。如下面将要参考图4所述，假如所检测的峰值输出电流的一个标度值超过了一个予定的阈值，那么所述的保护电路110就通过减少所述的基准信号55来限制所述晶体管V1-V4的输出电流。这种特性保证可以对所述的峰值输出电流进行限制，并利用它去提供一个与所述放大器100相关的短路保护。
仍然参看图3，过热保护电路112保护所述的输出或功率增益级50′免受过热的损害。如果在一个时间持续周期内，所述晶体管V1-V4都提供较大的输出电流，就可能出现过热情况。如下面将要结合附图4所描述，所述的过热保护电路112包括一个热敏电阻，该热敏电阻被耦合到多个输出晶体管中的一个，即V1上。当所述输出晶体管V1的温度超过了一个予定阈值即摄氏90℃时，所述的过热电路112将通过分压器114减小所述的基准信号55。这样作的结果是减小了输出晶体管V1-V4两端之间的电压，因而也减少了它们所损耗的功率。一旦予定温度被超过，所述的过热电路112将与所述温度的增加成比例地减少所述的基准信号55(和输出功率)。若温度达到了一个予定最大值，所述的过热保护电路112还可以包括一个用于完全关断所述放大器100的逻辑。
下面参考图4，该图示出以一个本发明的详细电路。相关成份值在括号内示出。
所述移相器104包括一个运算放大器116。所述运算放大器116的非反相输入端被耦合到峰值检测器108的输出端。运算放大器116的反相输入端通过电阻118，电容120和另一个电阻122被耦合到信号地端。所述的反相输入端还通过电阻124耦合到所述运算放大器116的输出端。所述移相器104和比例积分控制器106共同工作以使基准信号55产生移相，并借此，在取消延时级44(图2)的同时，提供一个所述Pwm滤波器22′的闭环控制回路。
如图4所示，所述的比例积分控制器106包括一个运算放大器126。该运算放大器126的非反相输入端通过电阻128(电阻128和压控电阻或VCR130相组合构成了分压器114，这在下面将要讲到)耦合到移相器104的输出端上。运算放大器、126的反相输入通过由电阻132、134和电容136所构成的网络耦合到所述Pwm滤波器22′的输出端上，从而形成一个闭环反馈网络，本专业技术领域的人员将能理解，电阻134和电容136构成一个超前网络。所述反相输入端还通过一个由与电容140相并联的电阻所构成的“滞后”网络而耦合到所述运算放大器26的输出端。相位超前或滞后网络的作用在于保持所述闭环反馈系统的稳定。
在操作过程中，电容136对所述Pwm滤波器22′的输出进行微分，该信号在节点142处通过电阻132与所述Pwm滤波器22′的输出相加。在节点142处相加所得的信号被馈送给运算放大器126的反相输入端，并与出现在所述运算放大器126非反相输入端上的基准信号55相比较。由所述运算放大器126所产生的误差信号107表示在反相输入端和非反相输入端之间的信号差。所述的误差信号用于控制所述的脉宽调制级56′。
所述经改进的放大器100的特性之一就是所述的闭环控制可以提供一个供电衰减。由于所述的比例积分控制器106被连接到所述Pwm滤波级22′的输出端上，所以，所述的负反馈就能够消除由所述电源64′引起并出现于所述Pwm功率信号20′上的噪声。
耦合到所述看放大器126的非反相输入端上的基准信号55是如下所述利用移相器104对所述绝对值信号53′进行移相而产生的。在移相器104中，电容器120对所述绝对值信号53′进行微分运算，并利用电阻122使微分后的绝对值信号与所述的绝对值信号53′在结点144处相加，以在所述运算放大器116的输出端产生所述的基准信号55。本专利技术领域内的技术人员将理解，上述的操作(微分和相加)将产生如下的效果，即使所述的基准信号55相对于所述的音频输入信号Vin产生了相移。所述移相后的基准信号55补偿了由所述滤波级22′中的LC网络所引入的相移，并用于使所述Pwm滤波器22′的输出与所述音频信号输入Vin相匹配，借此以取消对于延时级44(图2)的需要。通过取消在用于所述桥式放大器26′的所述音频信号馈给通路中的延时级44，对于所述放大器100的带宽性能方面的限制随之也取消了。
如图4所示，所述基准信号55通过分压器114被馈给所述比例积分控制器106。所述的分压器114被耦合到所述过流保护电路110和过热保护电路112。所述分压器114的主要作用在于响应过流和/或过热状态去减小基准信号55(和因而减小输出晶体管V1-V4中的电流)。所述分压器114包括一个耦合到所述压控制电阻(即VCR)130的电阻128。所述的VCR例如可以使用一个结型场效应晶体管或JEFT来实现。所述VCR130的控制输入端(即JEFT的栅极)被耦合到所述过流保护和过热保护电路110和112，并对其作出响应，下面将加以描述。在所述绝对值级52′之后设置分压器114的优点在于(由于所述的输入信号Vin已经经过整流)，所述分压器114就不是双端引线的。双端引线分压器(未示出)应当用例如是跨导放大器实现并且应当置于所述绝对级52′之前。
所述过流保护电路110包括一个均值网络146和一个峰值检测网络148。所述的均值和峰值检测器网络146和148从所述功率增益级50′耦合到一个输出线150上。所述的输出线150向过流电路110提供一个电流信号。所述电流信号在所述功率增益级50′中感测，并对应于由所述输出晶体管V1-V4所提供的输出电流。如图4所示，所述均值和峰值检测器网络146和148的输出被利用一对二极管152和154进行二极管“或”运算，并通过这一个齐纳二极管156耦合到分压器114。
过流电路110中的均值网络146包括一个电阻158和一个均值电容器160。在工作过程中，所述的电阻158和电容器160产生一个与所述功率增益级50′中输出电流平均值成正比的信号。峰值检测器网络148包括一个对电阻162和164，它们形成了一个电阻分压器并提供一个极快的峰值检测响应。这一点对于例如全电路短路而言的某些故障状态是极为重要的。所述的电阻分压器确定所述输入信号的比例，从而使所述峰值和平均值对于一个正弦电流来讲是相同的。所述的峰值和均值电流随后通过二极管152和154进行二极管“或”运算，并耦合到齐纳二极管156。所述齐纳二极156的作用就是要提供一个过流状态的阈值电平，可以对齐纳二极管156的值进行选择以提供一个阈值，该阈值例如表示当加诸的功率为200瓦时，其电阻值为2欧姆。若输出电流的平均值峰值超过所述阈值时，那么，齐纳二极管156将导通。进而使所述压控电阻130成比例地减少其阻值。所述VCR130中的电阻压降将衰减基准信号55′，并借此增加所述Pwm滤波器22′的输出以及在所述功率增益级50′中的“净空”。净空的减少导致在不对所述输出信号36进行相位的情况下输出晶体管V1-V4上功率的减小。
仍然参看图4，过热保护电路112也被耦合到VCR130，并响应一个过热状态成比例地减少所述电阻，以衰减基信号55。所述过热电路112包括一个负系数热敏电阻166、一个电阻168和另外一个齐纳二极管170。所述齐纳二极管170提供一个用于过热状态的阈值电平。所述热敏电阻166的输入(即感测7端直接连接到所述功率增益级50′中多个输出晶体管中的一个，即V1上，有关该点如图4所示。所述热敏电阻166的其它输入端被连接到电阻168和所述齐纳二极管170的阴极。所述的热敏电阻166和电阻168形成了一个电阻分压器，该分压器用以产生所述齐纳二极管170两端的电压，该电压随输出晶体管V1的温度而变化。当温度增加时，所述齐纳二极管170阴极处(即结点172)的电压也增加。当结点172处的电压超过所述齐纳电压(即过热阈值)时，所述齐纳二极管170将导通并且结点172处的电压将加到VCR130上，从而引起阻值的比例减少。所述VCR130阻值的减少衰减基准信号55′并借此减少输出晶体管V1-V4中的输出电流。
如图4所示，所述过热保护电路112也可以包括一个当所述温度超过一个最大值时关闭放大器100的一个输出线167。所述最大值可以和用一个施密将触发缓冲器169来设定，该触发缓冲器169把所述输出线167耦合到放大器100的电源开/关逻辑上，如方框171所示。
回过头来参看图3，在高频情况下，在所述Pwm滤波级22′中的电容就不能跟踪所述的脉宽调制输入信号。因此，所述的Pwm滤波器22将产生一个平均功率信号(未示出)，该信号替代跟踪所述的输入信号Vin，来表示所述输入信号Vin的平均值。为了补偿这种影响，在所述经改进的放大器100中的控制电路14′包括一个峰值检测器级108。如图3所示，所述的峰值检测器108被耦合到所述绝对值级52′的输出端。所述的峰值检测器108被设计成具有极快的衰减速率(下面将要结合图4进行描述)这种极快的衰减速率将使得在低频状态下，所述峰值检测器108的工作状态同于一个绝对值检测器。而在高频状态下，所述峰值检测器108用作一个峰值检测器。所述峰值检测器108的作用在于在高频状态下，所述的基准信号55将跟踪所述输入信号Vin的峰值。这就使得所述放大器100回复到AB类工作状态，这就是本专利技术领域以内的技术人员所能理解的与D类放大器高频性能相关的所希望的调整。
所述的峰值检测器级108详细地示于图4。峰值检测器包括一个电容174和一个电阻176。所述电容174和电阻176通过二极管178被耦合到所述绝对值级52′的输出上。在工作过程中，所述电容174将被充电，使其电压相当于所述输入信号Vin绝对值53′的峰值。一旦电容174被充电到这个峰值，二极管178将截止，以避免对电容174进一步充电。(由于二极管178截止，所述电容174由所述电容和电阻所形成的时间常数，通过电阻器176进行放电)。当所述的输入信号Vin超过了所存储的峰值时，所述二极管178被正向偏置，并电容器174被充电到一个新的峰值。可以对电阻器176和电容器174的值进行选择以提供一个50微秒的时间常数。与所述6峰值检测器108相关的各种波形之间的关系示于图5。
在图5中，所述Pwm滤波器22′将产生一个输出信号180，在没有峰值检测器108的情况下将表示在高频状态下所述绝对值信号53′的平均值，在具有峰值检测器108的情况下，对基准信号55进行修改，以跟随所述的绝对值信号53′的峰值，有关这点为参考号182所示。这就导致所述Pwm滤波器22′产生一个补偿输出信号184，该信号跟随所述峰值，并使得放大器100反过来工作于AB类放大器状态。应当理解，就所述放大器100而言，在高频状态下转换到AB类操作存在一种非常好的调整。
下述方面对于本专业技术领域以内的技术人员来讲是很明显的，即本发明的其它实施例也落入由下述权利要求以限定的本发明的精神和范围之中。
权利要求
1.一种用于放大一个输入信号的放大器，所述的放大器包括(a)第一，第二，第三和第四放大器装置，其中的每一个都具有第一和第二功率端以及一个控制端；(b)所述的放大器装置被连接成桥式结构，所述第一和第二放大器装置的第一功率端被耦合到一起，并连接到一个第一功率输入端上，所述第三和第四放大器装置的第一功率端被耦合到一起，并连接到一个第二功率输入端上；(c)所述第一和第三放大器装置的所述第二功率端被耦合到一起，并耦合到一个第一输出端上，所述第二和第四放大器装置的所述第二功率端被耦合到一起，并耦合到一个第二输出端，所述第一和第二输出端适宜于连接到一个负载上；(d)用于所述输入信号的一个输入端，以及一个位于所述输入端和所述第一到第四放大器装置所述控制端之间的控制电路，用于交替运行所述第一和第三放大器装置，进而交替运行所述第二和第四放大器装置，以使来自所述第一功率输入端的电流流经所述第一放大器装置，所述第一输出端，所述负载，所述第二输出端，所述第三放大器装置以及所述第三功率输入端，进而使来自所述第一功率输入的电流流经所述第二放大器装置，所述第二输出端，所述负载，所述第一输出端，所述第四放大器装置和所述第二功率输入端；(e)耦合到所述输入端的调制装置，用于调制一个其调制特性取决于所述输入信号的信号；(f)电源装置，和一个用于该电源装置的滤波装置；(g)具有一个控制输入端的开关装置，所述开关装置将所述的电源装置耦合到所述的滤波装置，所述的滤波装置被耦合到所述第一和第二功率输入端；(h)所述的调制装置被耦合到所述开关装置的所述控制输入端，用于控制所述的开关装置在所述的功率输入端产生一个依赖于所述输入信号的功率信号，和(i)所述的调制装置包括一个用于产生一个功率控制信号的装置，所述的功率控制信号用于控制所述的开关装置，同时还包括一个用于使所述功率控制信号移相的移相器，从而使所述功率停车产生移相与所述的输入信号相匹配。
2.根据权利要求1所述的放大器，还包括一个耦合到所述滤波装置和所述调制装置的一个反馈控制装置，该控制装置具有一个响应用于产生控制所述开关装置的误差信号的移相后功率控制信号和所述功率信号，以在所述功率输入端产生一个校正后功率信号的装置。
3.根据权利要求1所述的放大器，还进一步包括一个过流保护装置，该装置包括(a)耦合到所述放大器装置的传感器装置，用于感应在所述放大器装置中流动的电流;(b)平均值装置，用于产生一个相当于所述感应电流平均值的输出信号;(c)峰值检测器装置，用于产生一个相当于所感应电流峰值的输出信号;(d)所述的平均值装置包括一个阈值装置，用于当所述的平均值输出信号超过一个第一予定阈值时产生一个过流信号;(e)所述的峰值检测器装置包括一个阈值装置，用于当所述的峰值输出信号超过一个第二予定阈值时产生所述的过流信号;(f)耦合到所述调制装置上的分压器装置，用于响应所述的过流信号，成比例地减少所述功率控制信号。
4.根据权利要求1所述的放大器，还包括一个热保护装置，该装置包括(a)耦合到多个所述放大器装置中一个上的温度传感器，该传感器包括一个响应所述放大器装置中温度的变化而产生一个温度输出信号的装置;(b)耦合到所述温度传感器，并当所述的温度输出信号超过一个第一予定阈值时产生热保护信号的装置;和(c)耦合到所述调制装置的分压器装置，该装置具有一个响应所述热保护信号，以成比例地减小所述功率控制信号幅值的装置。
5.根据权利要求1所述的放大器，其中所述的调制装置还包括一个耦合到所述输入端的补偿器，该补偿器具有一个响应其频率在选择范围之内的输入信号的装置，以用于并产生一个用于控制所述滤波装置的频率得到补偿的功率控制信号。
6.根据权利要求2所述的放大器，其中，所述的调制装置还包括一个耦合到所述输入端的补偿器，该补偿器包括一个响应其频率处于所述选择范围之内的所述输入信号的装置，用于产生一个控制所述滤波装置的频率得到补偿的功率控制信号。
7.根据权利要求1所述的放大器，其中，用于产生一个功率控制信号的装置包括一个耦合到所述输入端的绝对值装置，所述的功率控制信号是一个绝对值信号，其绝对值正比于所述输入信号的绝对值。
8.根据权利要求2所述的放大器，其中，用于产生一个功率控制信号的所述装置包括一个耦合到所述输入端的绝对值装置，所述功率控制信号是一个绝对值信号，其绝对值正比于所述输入信号的绝对值。
9.根据权利要求7或8所述的放大器，其中所述的移相装置包括一个耦合到所述绝对值装置用以接收所述绝对值信号的输入端，并使所述绝对值信号移相，以在一个输出端上产生所述移相过的功率控制信号的求和与微分装置。
10.根据权利要求2所述的放大器，其中，所述的反馈控制装置包括一个差动放大器，该差动放大器具有一个耦合到所述移相装置，并用于接收所述移相后功率控制信号的一个输入端，并且有耦合到所述滤波装置，并用于接收所述功率信号的一个输入端，所述的差动放大器包括一个将所述功率信号和所述移相后功率控制信号进行比较，以在耦合到所述开关装置的一个输出端上产生所述误差信号的装置。
11.根据权利要求4所述的放大器，其中，所述的过热保护装置包括一个用于当所述的热保护信号超过一个第二予定阈值时关闭所述放大器的装置。
12.根据权利要求4或11所述的放大器，其中，所述的温度传感器包括一个负系数热敏电阻。
13.根据权利要求5或6所述的放大器，其中，所述的补偿器包括一个峰值检测器电路，该电路具有一个对所述滤波器中的高频平均值进行补偿的时间常数。
14.一种用于放大一个输入信号的放大器，所述的放大器包括(a)第一、第二、第三和第四放大器装置，其中的每一个都具有一个第一和第二功率端以及一个控制端;(b)所述的放大器装置被连接成桥式结构，所述第一和第二放大器装置的第一功率端被耦合到一起，并耦合到一个第一功率输入端上，所述第三和第四放大器装置的第一功率端被耦合到一起并被耦合到一个第二功率输入端上;(c)所述第一和第二放大器装置的第二功率端被耦合到一起并耦合到一个第一输出端上，所述第二和第四放大器装置的第二功率端耦合到一起并被耦合到一个第二输出端上，所述第一和第二输出端适于被连接到一个负载上;(d)一个用于所述输入信号的输入端，以及一个耦合于所述输入端和所述第一到第四放大器装置的所述控制端之间的控制电路。并用于交替运行所述第一和第三放大器装置，随后交替运行所述第二和第四放大器装置，从而使得来自所述第一功率输入端电流流经所述第一放大器装置，所述第一输出端，所述负载，所述第二输出端，所述第三放大器装置和所述第二功率输入端，随后使来自所述第一功率输入端的电流流经所述第二放大器装置，所述第二输出端，所述负载，所述第一输出端，所述第四放大器装置和所述第二功率输入端;(e)耦合到所述输入端的调制装置，用于产生一个其调制性能取决于所述输入信号的调制过的信号;(f)电源装置，以及用于该电源装置滤波器装置;(g)一个具有控制输入端的开关装置，所述的开关装置将所述的电源装置耦合到所述的滤波器装置上，所述的滤波器装置耦合到所述第一和第二功率输入端;(h)所述的调制装置被耦合到所述开关装置的所述控制输入端上，用以控制所述的开产在装置在所述的功率输入端上产生一个依赖于所述输入信号的功率信号;和(i)一个过保护装置，该装置包括一个耦合到所述多个放大器装置中的一个并用以传感所述放大器装置中所流动电流的传感器装置，所述的传感器装置包括一个用于产生与所述传感电流的平均值相对应的输出信号的平均值装置和一个用于产生相当于所述传感电流峰值的输出信号的峰值检测器装置，所述的平均值装置包括一个阈值装置，用于当所述的平均值输出信号超过一个第一予定阈值时产生一个过流信号，所述的峰值检测器包括一个阈值装置，用于当所述的峰值输出信号超过一个第二予定阈值时产生一个过流信号，还包括一个耦合到所述调制装置的分压器装置，用于响应所述的过流信号成比例地减少所述的功率控制信号。
15.根据权利要求14所述的放大器，其中，所述的平均值装置包括一个电阻，该电阻的一端连接到一个输入端，用于接收所传感的电流，其另一端连接到一个电容器上，用于求所传感电流的平均值，以产生与所传感电流的平均值相当的所述输出信号。
16.根据权利要求14或15所述的放大器，其中，所述的峰值检测器装置包括一个具有用于接收所传感电流的输入端的电阻分压器和一个用于产生相当于所传感电流比例峰值的输出信号的装置。
17.一种用于放大一个输入信号的放大器，所述放大器包括(a)第一、第二、第三和第四放大器装置，其中的每一个都具有一个第一和第二功率端以及一个控制端;(b)所述的放大器被连接成桥式结构，所述第一和第二放大器装置的第一功率端被耦合到一起并耦合到一个第一功率输入端上，所述第三和第四放大器装置的第一功率端被耦合到一起并耦合到一个第二功率输入端上;(c)所述第一和第三放大器装置的第二功率端被耦合到一起并耦合到一个第一输出端上，所述第二和第四放大器装置的第二功率端被耦合到一起并耦合到一个第二输出端，所述的第一和第二输出端适宜于被连接到一个负载;(d)一个用于所述输入信号的输入端，以及一个耦合于所述输入端和第一到第四放大器装置的控制端之间的控制电路，并用于交替运行所述第一和第三放大器装置，随后交替运行所述第二和第四放大器装置，以使来自所述第一功率输入端的电流流经所述第一放大器装置，所述第一输出端，所述负载，所述第二输出端，所述第三放大器装置和所述第二功率输入端，并随后使来自所述第一功率输入端的电流流经所述第二放大器装置，所述第二输出端，所述负载，所述第一输出端，所述第四放大器装置和所述第二功率输入端;(e)耦合到所述输入端的调制装置，用于产生一个其调制性能取决于所述输入信号的调制过的信号;(f)电源装置以及用于该电源装置滤波器装置;(g)具有一个控制输入端的开关装置，所述开关装置将所述的电源装置耦合到所述滤波器装置上，所述滤波器装置被耦合到所述第一和第二功率输入端上;(h)耦合到所述开关装置的所述控制输入端上的调制装置，用于控制所述的开关装置在所述的功率输入端上产生一个依赖于所述输入信号的功率信号;和(i)过热保护装置，该装置具有一个耦合到所述多个放大器装置中一个上的温度传感器，并具有一个用于响应在所述放大器装置中温度的变化而产生一个温度保护信号的装置，同时还具有一个耦合到所述温度传感器上，并用于当所述的温度输出信号超过一个第一予定阈值时产生一个热保护信号的装置，最后还包括一个耦合到所述调制装置的分压器装置，该装置包括一个用于响应所述热保护信号，以成比例地减少所述功率控制信号幅值的装置。
18.根据权利要求17所述的放大器，其中，所述的过热保护装置包括用于当所述的热保护信号超过一个第二予定阈值时关闭所述放大器的装置。
19.根据权利要求18所述的放大器，其中，所述的温度传感器包括一个负系数热敏电阻。
20.根据权利要求17、18或19所述的放大器，还包括有一个过流保护电路，该电路包括(a)耦合到所述放大器装置的传感器装置，用于传感流经所述放大器装置的电流;(b)平均值装置，用于产生一个和所传感电流的平均值相对应的输出信号;(c)峰值检测器装置，用于产生一个和所传感电流的峰值相对应的输出信号;(d)所述的平均值装置包括一个阈值装置，用于当所述的均值输出信号超过一个第一予定阈值时产生一个过流信号;(e)所述的峰值检测器装置包括一个阈值装置，用于当所述的峰值输出信号超过一个第二予定阈值时产生所述的过流信号;和(f)耦合到所述调制装置的分压器装置，用于响应所述的过流信号成比例地减少所述的功率控制信号。
全文摘要
一种复合桥式放大器，其输出晶体管接收来自连接在一个浮动电源和滤波器之间的开关的功率信号。该开关由输入信号得到的脉宽调制(PWM)信号所操纵。在滤波器输出端和调制器之间的比例积分控制器提供闭环反馈。移相器使滤波器输出与输入信号相匹配。峰值检测器跟踪输入信号并对PWM信号进行补偿。运行时过负载保护电路减少净空而不是钳制输出。
文档编号H03F3/30GK1110439SQ9411409
公开日1995年10月18日 申请日期1994年11月23日 优先权日1993年11月23日
发明者琼·B·福兰斯 申请人:布拉德工艺公司