本發(fā)明涉及放大器領(lǐng)域。本發(fā)明具體涉及旨在控制至少一個(gè)揚(yáng)聲器的高功率音頻放大器。高功率放大器在錄音室或音樂廳中提供聲音方面具有特定的應(yīng)用。它們特別用于為電動(dòng)揚(yáng)聲器供電。本發(fā)明有利地使得可以獲得具有比現(xiàn)有技術(shù)的放大器更好的效率同時(shí)保證低失真的高功率音頻放大器。

背景技術(shù)：

1、常規(guī)上，高功率放大器包括至少一個(gè)有源部件，例如晶體管或管，使得可以放大作為輸入接收的信號(hào)的功率，同時(shí)保持輸入信號(hào)的形狀。

2、高功率放大器的電路通常包括前置放大級(jí)，其后是功率放大級(jí)。更確切地說，功率放大級(jí)的輸出被反饋到前置放大級(jí)，使得前置放大級(jí)例如借助于差分對(duì)隨時(shí)間檢測(cè)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的差。然后，在前置放大級(jí)檢測(cè)到的這個(gè)差在功率放大級(jí)放大，以形成輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)常規(guī)上被發(fā)送到至少一個(gè)揚(yáng)聲器。

3、因此，以示例的方式，圖1例示了輸入信號(hào)在點(diǎn)s1處施加的高功率放大器100。高功率放大器100的輸出為連接在點(diǎn)3和地之間的揚(yáng)聲器供電，該揚(yáng)聲器由電阻器r44表示。

4、高功率放大器100的圖是對(duì)稱的；它還包括放大輸入信號(hào)s1的正半波的上部140a和放大輸入信號(hào)s1的負(fù)半波的下部140b。

5、在圖1的示例中，高功率放大器100由+/-65v的單電壓電平供電。

6、前置放大級(jí)201包括兩個(gè)差分對(duì)110a、110b，每個(gè)差分對(duì)包括彼此鏡像組裝的兩個(gè)晶體管q1、q2和q3、q4。因此，晶體管q1、q2的發(fā)射極經(jīng)由電阻器r2、r3和第一恒流源i連接到-65v電源總線，而晶體管q3、q4的發(fā)射極經(jīng)由電阻器r4、r5和相同值i的第二電流源連接到+65v電源總線。

7、晶體管q2、q4的集電極分別連接到+65v和-65v電源總線，而晶體管q1、q3的集電極分別經(jīng)由電阻器r1、r11連接到+65v和-65v電源總線。在沒有反饋的情況下，前置放大級(jí)201的增益取決于電阻器的比r1/r2和r11/r4。

8、晶體管q1和q3的基極以及晶體管q2和q4的基極彼此連接。晶體管q1和q3的基極也由輸入信號(hào)s1供電。晶體管q2和q4的基極經(jīng)由電阻器r18連接到揚(yáng)聲器r44，以便形成施加到前置放大級(jí)的反饋。晶體管q1和q3的集電極確保前置放大級(jí)201與功率放大級(jí)202的耦合。

9、功率放大級(jí)202包括兩個(gè)晶體管q8、q9，它們各自的基極經(jīng)由電阻器r23、r57連接到前置放大級(jí)201。電壓源t1也置于電阻器r23和r57之間，以便偏置ab類的晶體管q8、q9。該電壓源t1使得可以提供等于導(dǎo)通晶體管q8和q9所需的電壓之和的電壓。

10、晶體管q8、q9還通過它們的集電極分別連接到+65v和-65v電源總線。晶體管q8、q9的發(fā)射極經(jīng)由電阻器r16、r17連接到揚(yáng)聲器r44。添加這些電阻器r16和r17是為了控制靜態(tài)電流，也就是說，當(dāng)放大器沒有接收任何輸入信號(hào)時(shí)，控制由放大器傳導(dǎo)的電流值。在沒有這些電阻器r16、r17的情況下，靜態(tài)電流將取決于晶體管q8和q9的特性以及溫度，這是禁止的。

11、另外，圖1中的電路在晶體管q2和q4的基極具有特殊性。實(shí)際上，后者連接到包括與接地的電容器c4串聯(lián)組裝的電阻器r28的保護(hù)線403。該組件是分壓器，使得點(diǎn)s2處的電壓等于r28/(r18+r28)乘以ac中的輸出信號(hào)3的電壓。實(shí)際上，當(dāng)通過電路的電壓交變時(shí)，電容器c4表現(xiàn)得像短路。另一方面，當(dāng)通過電路的電壓是dc時(shí)，電容器c4表現(xiàn)得像開路。在這種情況下，高功率放大器100的輸出信號(hào)3直接連接到點(diǎn)s2。高功率放大器100的電壓增益于是等于1，這使得可以限制施加在揚(yáng)聲器r44的端子處的電壓上的可能不期望的dc分量。

12、在這種類型的放大器中，在點(diǎn)s1處相對(duì)于地測(cè)量的電壓和在點(diǎn)s2處相對(duì)于地測(cè)量的電壓相等。換言之，高功率放大器100的增益等于電阻器值的比(r18+r28)/r28。

13、因此，圖1例示了高功率電壓放大器。還存在另一種類別的高功率電流放大器，如圖2所示。

14、這類高功率電流放大器101具有與高功率電壓放大器100相同的拓?fù)洌瘩詈系椒糯蠹?jí)203的前置放大級(jí)201。

15、與圖1的高壓放大器100不同，電流測(cè)量電阻器r6插入在揚(yáng)聲器r44和地之間。此外，電流放大器101不具有保護(hù)線403。晶體管q2和q4的基極連接到位于電阻器r6和揚(yáng)聲器r44之間的互連點(diǎn)p1。

16、在該配置中，在圖3中的點(diǎn)s2處施加的電流的圖像因此穿過擴(kuò)音器r44。因此得出，跨導(dǎo)(即通過揚(yáng)聲器r44的輸出電流和在放大器101的點(diǎn)s1處施加的輸入電壓之間的比)等于1/r6?a/v。對(duì)于阻抗為z的揚(yáng)聲器，電壓增益為z/r6。

17、因此，電壓或電流放大組件是類似的，特別是關(guān)于前置放大級(jí)和功率放大級(jí)。它們僅在揚(yáng)聲器連接和反饋方面不同。

18、在以下現(xiàn)有技術(shù)中，將參考電壓放大器來描述其他類的放大器，盡管本發(fā)明不限于這種類型的放大器。

19、可以使用類系統(tǒng)來表征不同的高功率放大器拓?fù)?。類系統(tǒng)基于輸入信號(hào)的形狀和輸出信號(hào)的形狀之間的關(guān)系以及在輸入信號(hào)的放大期間使用有源部件的持續(xù)時(shí)間來分配字母。

20、在現(xiàn)有的放大器類中，a類放大器具有使得有源部件在沒有輸入信號(hào)的情況下傳導(dǎo)大約為最大輸出電流的50％的大電流的拓?fù)洹Ｔ撾娏鞅环Q為靜態(tài)電流。在調(diào)制中，后者被疊加在輸出電流上。這種類型的放大器可以提供極好的聲音質(zhì)量，但是其具有生成顯著散熱的缺點(diǎn)。因此，由有效輸出功率和吸收功率之間的比定義的這類放大器的能量效率大約是10％。

21、b類放大器的特征在于使得有源部件在正弦輸入信號(hào)作為輸入被施加時(shí)在50％的輸入信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通的拓?fù)洹?duì)于這類放大器，靜態(tài)電流為零。這種類型的放大器的效率高于a類放大器，但是輸出信號(hào)的失真特性與a類放大器相比顯著劣化。因此，b類放大器產(chǎn)生質(zhì)量較差的聲音?，F(xiàn)在制造商很少使用這類放大器。

22、ab類放大器的特征在于一種拓?fù)?，其使得有源部件?00％的輸入信號(hào)周期內(nèi)導(dǎo)通，但是具有為最大輸出電流的大約1％的低靜態(tài)電流。這種類型的放大器具有比a類放大器更高的能量效率，通常在30％和50％之間，但是具有更低的聲音質(zhì)量。因此，ab類放大器是性能和能量效率之間的良好折衷。

23、對(duì)于d類放大器，使用有源部件像開關(guān)一樣操作的技術(shù)。然后通過脈寬調(diào)制來轉(zhuǎn)換信號(hào)。該系統(tǒng)將能量效率提高到大約70％。另一方面，輸出信號(hào)包含更多的噪聲和失真，并且難以用這類放大器再現(xiàn)高頻。

24、g類放大器具有幾個(gè)電源總線，并且可以根據(jù)功率輸出需求從一者切換到另一者。這使得可以通過減少有源部件中耗散的功率來提高能量效率。

25、h類放大器使用電源總線，其電源電壓“跟隨”輸入信號(hào)或由輸入信號(hào)調(diào)制。通常，它們具有兩個(gè)電源總線，如g類的電源總線，但是僅調(diào)制最高電源電壓。調(diào)制的電源通常使用d類放大器來實(shí)現(xiàn)。

26、本發(fā)明的主題特別涉及這最后兩類放大器。

27、圖3例示了功率放大級(jí)204的上部。后者連接到電源電路150。當(dāng)然，該功率放大級(jí)還包括未示出的下部，其利用等同電源電路與上部鏡像。同樣，電路還包括前置放大級(jí)，例如連接到獨(dú)立電源或也連接到電源電路150的強(qiáng)電源總線。

28、電源電路150使得可以選擇適應(yīng)放大功率需求的功率放大級(jí)204的功率電平。因此，當(dāng)放大電壓大于閾值時(shí)，必須使用第一強(qiáng)電源總線，而當(dāng)放大電壓低于該閾值時(shí)，可以使用第二弱電源總線。與a、b和ab類放大器相比，較低電源總線使用階段提高了放大器的整體效率。

29、此外，電源電路150具有獨(dú)立于前置放大級(jí)201和功率放大級(jí)204的結(jié)構(gòu)。在圖3的示例中，功率放大級(jí)204包括晶體管q10，其基極連接到晶體管q8的發(fā)射極。這種所謂的“達(dá)林頓”配置使得可以增加電流增益。晶體管q8和q10的發(fā)射極通過它們各自的電阻器r16和r19耦合到揚(yáng)聲器r44。它們具有例如對(duì)于晶體管q8等于6ma并且對(duì)于晶體管q10等于75ma的相應(yīng)靜態(tài)電流。

30、功率放大級(jí)204在晶體管q8和q10的集電極處連接到電源電路150。該電源電路150連接到具有不同電平v+、v++的兩條電壓總線。因此，電源電路150使得可以根據(jù)放大需求來選擇這些電壓電平中的一者或另一者。通常，第一電源總線遞送65v，第二電源總線遞送35v。第二電源總線旨在用于在要生成的輸出信號(hào)不具有非常高的電壓(通常小于32v)時(shí)向功率放大級(jí)204供電。

31、由于通過晶體管q8的電流相對(duì)較低，通常小于通過晶體管q10的電流的10％，晶體管q8的集電極可以直接連接至第一電源總線v++，而不會(huì)導(dǎo)致顯著的額外功耗。該實(shí)施例可以提高放大器的穩(wěn)定性，該放大器作為電流放大器的操作容易受到破壞。

32、為了選擇適當(dāng)?shù)碾妷弘娖?，mosfet晶體管m1通過其漏極直接連接到第一電源總線v++且通過其源極經(jīng)由第四二極管d3連接到第二電源總線v+。mosfet晶體管m1通常針對(duì)27v的閾值切換，然后其在超過該閾值時(shí)線性操作。當(dāng)在mosfet晶體管m1上施加大于閾值的控制電壓時(shí)，mosfet晶體管m1使第一電源總線v++導(dǎo)通。該電壓由連接在mosfet晶體管m1的柵極和揚(yáng)聲器r44之間的第一二極管d8、d10、以及連接在mosfet晶體管m1的漏極和柵極之間的第二電阻器r8、r27的關(guān)聯(lián)來控制。

33、二極管d15連接在晶體管q10的集電極和揚(yáng)聲器r44之間，二極管的陰極連接到晶體管q10的集電極。

34、圖4中例示了利用該組件獲得的不同信號(hào)。

35、因此，圖3和圖4中編號(hào)為1的信號(hào)表示mosfet晶體管m1的柵極信號(hào)。圖3和圖4中編號(hào)為3的輸出信號(hào)表示放大器的輸出信號(hào)，也就是說揚(yáng)聲器r44的端子處的信號(hào)。圖3和圖4中編號(hào)為2的輸出信號(hào)表示電源電路150的輸出信號(hào)。因此我們注意到輸出信號(hào)3是失真的。實(shí)際上，正弦曲線的波峰變平，并且在27μs附近發(fā)生移位。輸出信號(hào)3的這種飽和通過mosfet晶體管m1的電源電壓不足以使放大器能夠正確地遞送輸出電壓的事實(shí)來解釋。

36、同樣，信號(hào)2在40和47μs之間具有對(duì)應(yīng)于mosfet晶體管m1柵極處的過電壓的異常電壓峰值。這導(dǎo)致功率損失和放大器效率的劣化。

37、因此，本發(fā)明提出解決的技術(shù)問題是獲得一種高功率音頻放大器，其使得可以限制在信號(hào)上識(shí)別的失真，并且因此提高效率并降低放大器的飽和。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決這個(gè)問題，本發(fā)明提出了一種電源電路，包括mosfet晶體管，其由用于輔助充電的子電路、用于輔助放電的子電路和電壓移位子電路控制，從而使得可以在限制放大器輸出信號(hào)的飽和和失真的同時(shí)獲得放大器的更好的效率。

2、換言之，本發(fā)明涉及一種旨在控制至少一個(gè)揚(yáng)聲器的高功率音頻放大器，所述放大器包括：

3、-前置放大級(jí)，其接收輸入信號(hào)；

4、-功率放大級(jí)，其連接到前置放大級(jí)，并且提供旨在為所述至少一個(gè)揚(yáng)聲器供電的輸出信號(hào)；前置放大級(jí)和功率放大級(jí)具有鏡像安裝的上部和下部；

5、-反饋，其向前置放大級(jí)提供輸出信號(hào)的圖像；

6、-上電源電路，其連接到功率放大級(jí)的上部，并允許其由第一或第二電源總線供電；

7、-下電源電路，其連接到功率放大級(jí)的下部，并允許其由第一或第二電源總線供電；

8、-各個(gè)電源電路包括mosfet晶體管和監(jiān)測(cè)裝置，mosfet晶體管由監(jiān)測(cè)裝置控制，以便在兩條電源總線中的一者或另一者之間進(jìn)行切換，mosfet晶體管經(jīng)由第四二極管連接到第二電源總線，第四二極管的第一端子連接到mosfet晶體管的源極，并且mosfet晶體管的漏極連接到第一電源總線。

9、本發(fā)明的特征在于，各個(gè)電源電路還包括：

10、-子電路，其用于輔助對(duì)所述mosfet晶體管充電，包括至少第一電阻器，第一電阻器的第一端子連接到mosfet晶體管的柵極，并且第一電阻器的第二端子連接到互連點(diǎn)；

11、-子電路，其用于輔助對(duì)所述mosfet晶體管放電，包括至少第二電阻器和第三電阻器以及雙極晶體管；雙極晶體管的基極連接到第三電阻器的第一端子，其發(fā)射極連接到mosfet晶體管的柵極，并且其集電極經(jīng)由第二電阻器連接到mosfet晶體管的源極，第三電阻器的第二端子連接到互連點(diǎn)；以及

12、-電壓移位子電路，其包括與第一電容器并聯(lián)安裝的第一二極管；第一二極管的第一端子和第一電容器的第一端子連接到第一互連節(jié)點(diǎn)；第一二極管的第二端子和第一電容器的第二端子連接到第二互連節(jié)點(diǎn)。

13、特別地，用于輔助充電的子電路允許mosfet晶體管更快地充電。實(shí)際上，該子電路首先包括第一電阻器，其優(yōu)選地具有高電阻值，以便不與放大器的輸出交換太多能量并且生成更多失真，即大約15kω。該第一電阻器僅允許低電流流動(dòng)以對(duì)mosfet晶體管的柵極充電或放電。柵極表現(xiàn)得像電容器，然而，mosfet晶體管與第一電阻器的組合增加了充電和放電時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。

14、輔助放電的子電路允許mosfet晶體管更快地放電。雙極晶體管使得當(dāng)正弦輸入信號(hào)處于其下降階段時(shí)特別可以對(duì)mosfet晶體管的柵極進(jìn)行放電。

15、電壓移位子電路確保mosfet晶體管的柵極電勢(shì)總是高于放大器輸出的電勢(shì)。典型地，mosfet晶體管的柵極電勢(shì)可以比放大器輸出的電勢(shì)高15v。電壓移位子電路還補(bǔ)償mosfet晶體管中的電壓降。

16、根據(jù)第二實(shí)施例，電壓移位子電路還包括并聯(lián)安裝的至少第四電阻器和第二二極管。第二二極管的第一端子和第四電阻器的端子連接到第一互連節(jié)點(diǎn)，第四電阻器的第二端子和第二二極管的第二端子連接到第三互連節(jié)點(diǎn)。

17、這些部件的添加使得可以減少在放大器輸出信號(hào)上觀察到的失真。如果正弦輸入信號(hào)具有相對(duì)低的頻率，即大約1khz，則這種失真的改善對(duì)于正弦輸入信號(hào)是有效的。

18、有利地，根據(jù)第三實(shí)施例，用于輔助充電的子電路還包括與第三二極管串聯(lián)安裝的第五電阻器，第五電阻器和第三二極管與包括第一電阻器的用于輔助充電的子電路的支路并聯(lián)安裝。

19、與第一電阻器并聯(lián)安裝的第三二極管允許旨在對(duì)mosfet晶體管的柵極充電的電流流動(dòng)，并阻斷旨在對(duì)mosfet晶體管的柵極放電的電流。第五電阻器優(yōu)選地具有低值，即大約300ω。由于充電時(shí)間常數(shù)等于電阻和電容的乘積，該第五電阻器使得可以更快地對(duì)mosfet晶體管的柵極充電。

20、在此添加這些部件再次使得可以改善高達(dá)20khz頻率的正弦輸入信號(hào)的失真。因此，在整個(gè)頻譜上改善了失真。因此，改善了連接到本發(fā)明的放大器的揚(yáng)聲器的聲音再現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)的放大器相比，收聽者感知到較少的失真。

21、根據(jù)第四實(shí)施例，電壓移位子電路還包括第二電容器和第三電容器，第二電容器與第一電容器和第一二極管并聯(lián)安裝，并且第三電容器與第三二極管和第五電阻器并聯(lián)安裝。這些額外的部件使得可以限制干擾，即疊加在期望的輸出信號(hào)上的干擾信號(hào)。

22、實(shí)際上，各個(gè)電源電路包括第一保護(hù)二極管，其第一端子連接到mosfet晶體管的源極，其第二端子連接到mosfet晶體管的柵極。同樣，各個(gè)電源電路還包括連接在mosfet晶體管的源極和漏極之間的第二保護(hù)二極管。

23、添加第一保護(hù)二極管，以便保護(hù)mosfet晶體管免受其柵極上的過電壓，該過電壓可能通過破壞柵極和溝道之間的絕緣來損壞mosfet晶體管或者甚至使其不可用，該絕緣僅能夠連續(xù)地承受+/-20v以及瞬時(shí)承受+/-30v。

24、第二保護(hù)二極管的作用是保護(hù)mosfet晶體管免受反向漏-源電壓的影響，如果第一電源總線的電壓僅在第二電源總線的電壓之后出現(xiàn)，則可能出現(xiàn)反向漏-源電壓。不同的電源總線分別具有它們自己的變壓器繞組和平滑電容器，因此具有不同的時(shí)間常數(shù)。

25、根據(jù)第五實(shí)施例，各個(gè)電源電路還包括與第四二極管并聯(lián)安裝的電容器。該電容器使得可以消除當(dāng)mosfet晶體管切換時(shí)由二極管生成的干擾峰值，該二極管的第一端子連接到mosfet晶體管的源極。諧波失真(thd)也得到改善。這種諧波失真是所執(zhí)行的處理的線性的度量。其通過將設(shè)備的輸出信號(hào)與完美正弦輸入信號(hào)進(jìn)行比較來計(jì)算。

26、實(shí)際上，前置放大級(jí)經(jīng)由用于阻尼所述第一電源總線的功率變化的電路連接到各個(gè)電源電路的第一電源總線，所述功率變化阻尼電路包括作為低通濾波器安裝的至少一個(gè)電容器和至少一個(gè)電阻器。換言之，電阻器與電容器串聯(lián)連接，電容器接地。

27、這種組件使得可以隔離噪聲和電壓驟降。這種現(xiàn)象特別發(fā)生在高壓放大器遞送高電流時(shí)。電容器則起到能量貯存器的作用。

28、有利地，所述功率變化阻尼電路還包括與至少一個(gè)電容器并聯(lián)安裝的額外電容器。并聯(lián)安裝的電容器具有更適中的值，通常低103倍。它使得能夠抑制高頻干擾。

29、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，施加到前置放大級(jí)的反饋提供與通過揚(yáng)聲器的電流成比例的信號(hào)。該實(shí)施例使得可以獲得高功率電流放大器。如參考現(xiàn)有技術(shù)的圖2所述，這類高功率電流放大器具有與高功率電壓放大器相同的拓?fù)?，即耦合到放大?jí)的前置放大級(jí)。然而，施加到前置放大級(jí)的反饋不同。

30、通過將本發(fā)明的電源電路用于大功率電流放大器，大功率電流放大器的功耗非常有限。

31、實(shí)際上，當(dāng)放大器遞送低電壓時(shí)，本發(fā)明的電源電路將不工作。因此，由電源提供的功率將等于輸出電流乘以由較低功率電源總線遞送的電壓的乘積，而不是由用于標(biāo)準(zhǔn)ab類放大器的單個(gè)電源總線遞送的最大電壓。在相等的功率下，并且假定例如由較低功率電源總線遞送的電壓等于較高功率電源總線的電壓的一半，則電源將提供只有一半的功率。耗散由電源提供的功率和提供給揚(yáng)聲器的功率之間的差的晶體管將顯著更少地發(fā)熱。