專利名稱：補(bǔ)償數(shù)字d類放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分，涉及一種用于根據(jù)輸入數(shù)據(jù)流，如I2S格式的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生高功率電壓的方法，以及實現(xiàn)該方法的裝置。
音頻領(lǐng)域中，例如，揚(yáng)聲器的功率是用相應(yīng)容積的銅線來傳送的。這些線纜除了費(fèi)用昂貴，如果使用了開關(guān)放大器，即所謂的D類放大器，它們還起到了高頻串?dāng)_的發(fā)射天線的作用。較為進(jìn)步的想法是使用內(nèi)置在揚(yáng)聲器的外殼中的通過光導(dǎo)提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的D類放大器。這種揚(yáng)聲器的D類放大器是用電源網(wǎng)絡(luò)連接器供電的，同時必須滿足考慮了環(huán)境對電磁系統(tǒng)擾動的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。
已知的解決方案中，常常將輸入數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后將信號放大，再把放大后的信號依序反變換成數(shù)字信號。但是這種方法不能避免重復(fù)轉(zhuǎn)換所帶來的質(zhì)量損失。
另外，非開關(guān)模擬放大器的效率只有大約50％，是相當(dāng)?shù)偷摹，F(xiàn)在的開關(guān)放大器，即含有功率電子器件的放大器，已經(jīng)達(dá)到了大于90％的程度。D類放大器的情況時，輸入信號上的模擬電壓在一個固定頻率，即D類放大器的開關(guān)頻率上進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)。PWM電壓在D類放大器的WM端級通過一個具有較高的開關(guān)效率的開關(guān)晶體管進(jìn)行放大。D類放大器的濾波能力由較低的聽覺門限(15Hz)確定。效率則受開關(guān)頻率的顯著影響。開關(guān)頻率必須達(dá)到聽覺上限(20kHz)的數(shù)倍。
放大后的PWM電壓的頻譜一般有很大的開關(guān)頻率分量和很大的諧波分量，因此為了在負(fù)載端盡可能無失真地得到高功率模擬電壓，必須將這些分量再次從電壓中完全濾除。關(guān)于這一點，需要通過相應(yīng)的反饋來避免脈沖誤差。
現(xiàn)有技術(shù)中已知的D類放大器帶有模擬輸入和無源濾波器。由于不穩(wěn)定性，帶通濾波器的相位旋轉(zhuǎn)和復(fù)合揚(yáng)聲器負(fù)載很快為低失真所需的強(qiáng)負(fù)反饋設(shè)定了很窄的限制。
已知的該類型的D類放大器的另外一個問題是直流電壓源從一個網(wǎng)絡(luò)獲取一個基本上為正弦波的電流，也稱為功率因子校正電路(以下簡稱為PFC)發(fā)出的波形(wave-shaped)直流電壓帶有明顯波紋成分，也即紋波。關(guān)于這點，紋波的頻率是網(wǎng)絡(luò)頻率的2n倍，其中n表示連到一個全通整流器電路的網(wǎng)絡(luò)的相位數(shù)。但是，值得注意的是電源紋波導(dǎo)致了很難無失真地對輸入信號進(jìn)行放大。為了平滑紋波，常使用DSDC級，但這種情況在開關(guān)技術(shù)上需要付出相當(dāng)大的勞動及費(fèi)用。
本發(fā)明的目的在于避免這些缺陷并且提出一種最初所提到的類型的方法，這種方法能夠在網(wǎng)絡(luò)的直流供電是正弦電流消耗時，實現(xiàn)高效率的放大，其中放大后的電壓和輸入數(shù)據(jù)流的相關(guān)性非常精確。
依據(jù)本發(fā)明，通過權(quán)利要求1中的特征得到這種最初所提到的類型的方法。
通過這些措施，避免轉(zhuǎn)換成模擬信號，且同時確保了即使在直流供電是正弦電流消耗，即加到D類放大器上的直流電壓有很明顯的紋波時，放大后的信號也和輸入數(shù)據(jù)流在最大程度上相一致。
可用任何所需的算法進(jìn)行放大后的輸出信號的獲取。例如，可根據(jù)自適應(yīng)delta調(diào)制算法從放大后的輸出信號中提取數(shù)字信號，其中也可以采用層疊算法以降低有效開關(guān)頻率，或者還可根據(jù)改進(jìn)的脈沖編碼調(diào)制。關(guān)于這點，上面提到的算法只是一些例子。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的方法的裝置。
依據(jù)權(quán)利要求2的前序部分的裝置具有權(quán)利要求2中的區(qū)別特征。
作為上述措施的結(jié)果，得到了一個非常簡單的結(jié)構(gòu)結(jié)果，其中借助于數(shù)字環(huán)路保證了輸入數(shù)據(jù)流和放大電壓之間非常精確的平衡。關(guān)于這一點，D類放大器的直流電壓供電上的變化也能被識別出并加以考慮。
如果直流電壓源的紋波相對應(yīng)的信號沒有混入輸入信號或者從中提取的信號中去，穩(wěn)壓器只能在信號通過裝置的直通時間之后識別出直流電壓源上的變化，此處如果需要也可加上濾波器。在直通時間內(nèi)，供電電壓上的任何變化都直接傳送到負(fù)載上，進(jìn)行幅度調(diào)制。借助于上述措施，確保抵消了放大器級上的供電電壓變化。這樣，即使電壓源使用了基本上為正弦的電流，且因此導(dǎo)致了很小的網(wǎng)絡(luò)反饋，電壓源所需的開關(guān)技術(shù)的勞動/成本也能保持得很低。因此，使用簡單的PFC電路就能得到所需的結(jié)果。
借助于權(quán)利要求3的特征，獲得的優(yōu)點是能夠適應(yīng)隨著激勵器變化的域的條件。這在如音頻系統(tǒng)中是很有益的。因此在用于迪斯克舞廳的音頻系統(tǒng)中，能夠?qū)τ捎诳腿藬?shù)量增加而引起的衰減變化進(jìn)行均衡，且因而改變了激勵器例如揚(yáng)聲器其后的信號段。
借助于權(quán)利要求4的特征，降低了電源的要求，同時減少了數(shù)字開關(guān)勞動/成本。
借助于上述措施，穩(wěn)壓器也能檢測出并調(diào)節(jié)電源部分的電源電壓的變化。另外，電源可用簡單的方法構(gòu)成并實現(xiàn)，例如僅在整流器電路后跟隨一個簡單的PFC電路。對于比較器和穩(wěn)壓器的計算能力的實現(xiàn)，相當(dāng)慢的方法是使用微處理器，或者快一些是在硬件計算電路中置入可編程電路IC。如今的A/D轉(zhuǎn)換器的高轉(zhuǎn)換速率下(如90MHz)，近來已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)足夠小的環(huán)路直通時間，從而使用該穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)也能進(jìn)行脈沖圖形校正。
如果假定濾波器失真也要被調(diào)節(jié)，必須解決相位旋轉(zhuǎn)的問題。這點在依據(jù)權(quán)利要求5的環(huán)路中得到實現(xiàn)。
相位旋轉(zhuǎn)可以通過一個在數(shù)字技術(shù)中非常容易實現(xiàn)的定時器件進(jìn)行補(bǔ)償。就此，參考值送往穩(wěn)壓器，再經(jīng)過濾波器運(yùn)行時間得到延遲，這樣它可以和反饋回的數(shù)字化輸出電壓同時到達(dá)。結(jié)果是穩(wěn)壓器能夠穩(wěn)定的工作。
已知的方法是濾波器失真是容許的，并為脈沖圖形的產(chǎn)生提供了一個快速環(huán)路，該環(huán)路需要模擬輸入信號。
借助于權(quán)利要求6的特征，能夠產(chǎn)生脈沖圖形，其中數(shù)字輸入數(shù)據(jù)流被處理，以產(chǎn)生一個高頻的高功率PWM輸出電壓，且能夠消除數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換時的質(zhì)量損失。
對于高質(zhì)量的要求，需要高質(zhì)量的能量供應(yīng)和相應(yīng)的復(fù)雜的D/A轉(zhuǎn)換器(濾波器)。
但是，穩(wěn)壓器只能在D/A轉(zhuǎn)換器或濾波器的直通時間之后識別出電源電壓上的變化。直通時間內(nèi)，電源電壓上的任何變化都被直接送往負(fù)載，進(jìn)行幅度調(diào)制，而這表現(xiàn)為電源電壓抑制不足(SVR)的形式。
根據(jù)權(quán)利要求7到9中的幾個環(huán)路的組合具有優(yōu)越性。
因此，權(quán)利要求7的特征使得電源節(jié)約成本，而權(quán)利要求8的特征使得和D/A轉(zhuǎn)換器有關(guān)的節(jié)約成本。
尤其有利的是具有權(quán)利要求9的特征，能夠同時節(jié)約電源和D/A轉(zhuǎn)換器。
使用一個負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)對開關(guān)時間誤差，以及復(fù)雜的、對容差敏感和必需的多級濾波器以及相應(yīng)的較高的開關(guān)頻率進(jìn)行均衡，能夠得到可接受的結(jié)果。迄今放大器級的脈沖圖形校正的快速內(nèi)部環(huán)路需要一個模擬信號，也就是數(shù)字輸入數(shù)據(jù)流的D/A轉(zhuǎn)換。所需的遠(yuǎn)大于100kHz的開關(guān)頻率和放大器級中相應(yīng)的快速交換處理使得它很難符合自從1996年1月2日EU領(lǐng)域中所有投入商業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品所需滿足的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是關(guān)于電磁領(lǐng)域中的發(fā)射串?dāng)_的EN 50081。
借助于權(quán)利要求10或11的特征，D類放大器和例如基于n個并聯(lián)的電源部分的相位偏移循環(huán)的單級方案相比，至少能夠在第n個開關(guān)頻率處操作，并具有相同質(zhì)量的輸出信號。開關(guān)損耗增加了，和A放大器相比仍保持了很高的效率。在功率值較高的情況下(大約5kW及更高)，也可基于降低了的開關(guān)頻率使用卸荷電路，其中功率密度(每容積電源部分能夠發(fā)射的功率)增加了。
另外，可以利用幾個D類放大器級同時開關(guān)的優(yōu)點，通過一個相應(yīng)的復(fù)用器，而不需要增加數(shù)字控制單元的計算輸出。就此，放大器級具有一個相當(dāng)簡單的結(jié)構(gòu)。
下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。其中，如圖所示
圖1放大器裝置的第一示例性實施例；圖2至圖4控制裝置的示例性實施例；圖5至圖8放大器裝置的其它實施例；圖9根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一個示例性實施例；圖10和圖11控制裝置的其他示例性實施例；圖12D類放大器級的電源部分的示例性實施例；圖13穩(wěn)壓器的示意圖；圖14放大器裝置的另一個示例性實施例；所有的附圖中，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流用交叉線條表示，而模擬數(shù)據(jù)流用單線條表示。
圖1中的放大器裝置或裝置有一個放大器級V5，詳細(xì)細(xì)節(jié)見圖8，在放大器級V5之前有一個環(huán)路2或預(yù)測器2’，放大器級V5經(jīng)過一個輸出終端8和激勵器9連接，例如揚(yáng)聲器。
放大器級V5主要有一個帶有混頻器67的串行電路3，它能夠根據(jù)環(huán)路2或預(yù)測器12送入的輸入數(shù)據(jù)流1’產(chǎn)生數(shù)據(jù)流1”，其中也可以在環(huán)路2之前切換預(yù)測器12，而數(shù)據(jù)流61對應(yīng)于D類放大器5的直流電壓供電的紋波，下面會對其闡釋，以及編碼器68把數(shù)據(jù)流1”轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號序列4。該功能模塊包含了混頻器67和編碼器，下文中稱作混頻器/編碼器電路3。電路3之后是D類放大器5，它對數(shù)字信號序列進(jìn)行放大，然后送往D/A轉(zhuǎn)換器7，此處也可設(shè)計為濾波電路。
環(huán)路2通過一個A/D轉(zhuǎn)換器20及線路31和輸出終端8相連。環(huán)路2之前的預(yù)測器12并不是必需的，其中預(yù)測器12還有一個輸入信號是來自麥克風(fēng)80。這樣，和裝置相連的激勵器上信號段的變化，例如揚(yáng)聲器9，如用于揚(yáng)聲器發(fā)聲的場所，如迪斯克舞廳，由于該場所人員數(shù)量而引起的變化能夠被檢測出來。場所中人員數(shù)量較大的變化能夠改變聲音的衰減以及送入揚(yáng)聲器的信號段的特性。
例如，從作為激勵器9的揚(yáng)聲器送入回路的信號是在迪斯克舞廳中建立的，也就是來自迪斯克舞廳本身。這種情況下，不僅能夠調(diào)整放大器級V5引起的失真，還能調(diào)整隨后的信號段導(dǎo)致的失真和影響，例如場所中人員數(shù)量導(dǎo)致的信號衰減。
本實施例中，環(huán)路2和預(yù)測器12在放大器級V5之前，從而送入環(huán)路2，即預(yù)測器12的數(shù)據(jù)流1”是具有預(yù)定比特數(shù)量的數(shù)據(jù)字形式，其和加到放大器級V5上的數(shù)據(jù)流1，1’相比已經(jīng)發(fā)生了變化。
預(yù)測器12大多數(shù)時間內(nèi)需要反饋，從而可以在部分時間內(nèi)使用一個未示出的開關(guān)來中斷話筒80和預(yù)測器12的相應(yīng)輸入端之間的連接。預(yù)測器12例如從數(shù)學(xué)上反映了系統(tǒng)行為的反函數(shù)。它也可以包含所謂的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，它具有學(xué)習(xí)能力或者含有能夠?qū)W習(xí)的神經(jīng)元。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理和理論，以及它們的結(jié)構(gòu)可見相關(guān)文獻(xiàn)，本發(fā)明中不再敘述。
預(yù)測器12的優(yōu)點包含了它在抗干擾上的可靠性，因為它可以不需持續(xù)反饋，還包含了擴(kuò)展能力，尤其在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的情況下可以進(jìn)行學(xué)習(xí)。
但是，預(yù)測器不能對系統(tǒng)隨時間發(fā)生變化的噪聲進(jìn)行補(bǔ)償，例如熱漂移、開關(guān)時間抖動等等。開環(huán)控制系統(tǒng)的傳輸行為不隨時間變化，可通過至少部分時間內(nèi)的反饋來實現(xiàn)。
為此，環(huán)路2持續(xù)要求的反饋信號是從點4’引出的信號或者從點6’提取的信號11，放大后再經(jīng)過衰減器10衰減(圖5)。
根據(jù)圖1中的電路，能夠用不同的方式構(gòu)造環(huán)路2，其中不同的實例參見圖2到圖4。
根據(jù)圖1中的實施例，全通整流器(full-path rectifier)62和一個為D類放大器5供電的網(wǎng)絡(luò)63相連，整流器從網(wǎng)絡(luò)63獲取一個基本上為正弦的電流。整流器62之后是一個功率因子校正電路PFC，它為D類放大器5的饋電線路55，56供電。
電容40，41和這兩根饋電線路55，56相連，并且它們都接到地40。此外，分壓器64，65和饋電線路55，56相連，中央抽頭66通過線路59和A/D轉(zhuǎn)換器60相連，其數(shù)據(jù)流61送到混頻器/編碼器電路3的混頻器67中。
為D類放大器5供電的直流電壓上的變化通過A/D轉(zhuǎn)換器60和混頻器67進(jìn)入D類放大器5的控制端。這樣可以避免電源電壓的變化導(dǎo)致的對放大信號的幅度調(diào)制。
圖2顯示了環(huán)路2的第一實施例R1的基本結(jié)構(gòu)。本實施例中有穩(wěn)壓器13，編碼裝置16，以及脈沖誤碼比較器14。就此，輸入數(shù)據(jù)流1或預(yù)測器12的輸入數(shù)據(jù)流1’和編碼器16的輸出信號17一起作為穩(wěn)壓器13的輸入。后者把比較器14送來的數(shù)字信號序列15轉(zhuǎn)換成誤碼數(shù)據(jù)流17，從而對穩(wěn)壓器13起作用。
關(guān)于該點，混頻器/編碼器電路3的輸出信號以及衰減器10送出的信號11(圖2中未示出)被送入比較器14，其中衰減器10最好和放大器級的點6’相連。比較器14最好是一個異或鏈。編碼裝置16可使用限時的上/下數(shù)序計數(shù)器。
穩(wěn)壓器13根據(jù)輸入數(shù)據(jù)流1或數(shù)據(jù)流1’和誤碼數(shù)據(jù)流17產(chǎn)生了輸出數(shù)據(jù)流1”。數(shù)據(jù)流1”和61，后者對應(yīng)于D類放大器5的直流電源電壓的變化，由放大器級的混頻器/編碼器3進(jìn)行處理以產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)序列4。就此，穩(wěn)壓器13也包含了混頻器67，而電路3只包含了編碼器68。
現(xiàn)在A/D轉(zhuǎn)換器具有例如90MHz的高速轉(zhuǎn)換速率，為了提高質(zhì)量，穩(wěn)壓器R1的環(huán)路直通時間足夠短，從而能夠產(chǎn)生脈沖圖形校正。D類放大器5的電源電壓上的變化，即中間電路電壓上的變化，由A/D轉(zhuǎn)換器60的數(shù)據(jù)流61進(jìn)行補(bǔ)償。
依據(jù)圖3的環(huán)路R2包含一個比較器19和穩(wěn)壓器13。穩(wěn)壓器13和比較器19處理輸入數(shù)據(jù)流1，1’和轉(zhuǎn)換器20送出的當(dāng)前數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流21，轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號序列6轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流21。比較器19產(chǎn)生一個誤碼數(shù)據(jù)流17，送往穩(wěn)壓器13，穩(wěn)壓器13產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)流1”，在隨后的放大器級中處理，在圖1中已經(jīng)闡釋。
使用環(huán)路2能夠檢測出并調(diào)整D類放大器5的電源電壓上的變化。由此，可以用簡單的方式來構(gòu)造D類放大器5的電源。比較器19和穩(wěn)壓器13的計算能力，相當(dāng)慢的方法可以在微處理器中實現(xiàn)，或者快一些的方法是在硬件計算電路中實現(xiàn)，例如可編程電路IC，其也能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖圖形校正。
依據(jù)圖4的環(huán)路R3和圖3的環(huán)路R2的不同點在于送往比較器19的參考或輸入數(shù)據(jù)流1，1’通過一個定時器件22相對于穩(wěn)壓器13有一個時間延遲，并且一個或多個放大器級的輸出電壓31作為轉(zhuǎn)換器20的輸入，轉(zhuǎn)換器20將模擬信號轉(zhuǎn)換成實際數(shù)據(jù)流。
定時元件22中，如果補(bǔ)償了隨后放大器級的濾波特性或信號段傳送行為是很有益的?；诙〞r器件22提供的數(shù)據(jù)流18和轉(zhuǎn)換器20提供的數(shù)據(jù)流21的比較，上述數(shù)據(jù)流相對于輸入數(shù)據(jù)流1，1’能夠以同樣的時延到達(dá)比較器19的比較端，穩(wěn)壓器13工作穩(wěn)定。穩(wěn)壓可以在放大器級的輸出端使用較簡單的濾波器，例如D/A轉(zhuǎn)換器。穩(wěn)壓器R3的計算能力由微處理器提供。
依據(jù)圖5到圖7的放大器級V2到V4的情況，以及圖9中的V6，能量供應(yīng)和放大所需的勞動/成本降低，代價是增加了低功率控制電子裝置的勞動/成本，這保障了負(fù)載端，即激勵器9上的輸出電壓逐漸提高更好的質(zhì)量。
依據(jù)圖6中的放大器級V3具有一個環(huán)路R3，環(huán)路R1，編碼單元3，D類放大器5，D/A轉(zhuǎn)換器7，衰減器10，以及轉(zhuǎn)換器20。就此，輸出電壓6被反饋回衰減器10和轉(zhuǎn)換器20的輸入端。衰減器10的輸出端的信號11被反饋回穩(wěn)壓器R1。轉(zhuǎn)換器20根據(jù)電壓6產(chǎn)生了當(dāng)前數(shù)據(jù)流21的數(shù)據(jù)字。數(shù)據(jù)流21送往環(huán)路R3。環(huán)路R3根據(jù)數(shù)據(jù)流1或1”和21產(chǎn)生了數(shù)據(jù)流1”，然后送到環(huán)路R1。環(huán)路R1根據(jù)數(shù)據(jù)流1”和信號11產(chǎn)生了數(shù)據(jù)流1，并由編碼單元3處理以產(chǎn)生數(shù)字信號序列4，其放大后作為D類放大器級5的輸出電壓6。
可將環(huán)路R3設(shè)計成比環(huán)路R1略慢，并可以例如圖6中用于調(diào)整D類放大器級5的電源電壓上的變化。
依據(jù)圖5中的放大器級V2和圖6中的環(huán)路V3的不同點在于用環(huán)路R2替代了環(huán)路R3。放大器級V2的結(jié)構(gòu)的其他部分和放大器級V3是相同的。
通過環(huán)路R2能夠檢測和調(diào)整D類放大器5的電源電壓上的變化。由此，可以用簡單的方式來構(gòu)造D類放大器5的電源。比較器19和穩(wěn)壓器13的計算能力，相當(dāng)慢的方法可以在微處理器中實現(xiàn)，或者快一些的方法是在硬件計算電路中實現(xiàn)，例如可編程電路IC，其也能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖圖形校正。圖7中的放大器級V4和放大器級V3的不同在于額外提供了一個在環(huán)路R3和R1之間切換的環(huán)路R2。就此，放大器級V4的輸出電壓通過A/D轉(zhuǎn)換器20’反饋回環(huán)路R3，其由輸出電壓31產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)流21’。
信號序列6通過轉(zhuǎn)換器20反饋，轉(zhuǎn)換器根據(jù)放大后的信號序列6產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)流，一方面數(shù)據(jù)流送到環(huán)路R3之后的環(huán)路R2中。另外，信號序列6通過產(chǎn)生了信號序列11的衰減器10，被反饋到環(huán)路R2之后的環(huán)路R1中。
環(huán)路R3根據(jù)輸出電壓31進(jìn)行調(diào)整，并因此降低了轉(zhuǎn)換器7的需求。比起用模擬技術(shù)中必須要多級來實現(xiàn)定時器件，環(huán)路R3的定時器件22使用數(shù)字技術(shù)借助于移位寄存器可以用更簡單的方式實現(xiàn)，并具有更高質(zhì)量。
各個環(huán)路R1，R2，R3的功能與結(jié)構(gòu)和結(jié)合圖2至4中描述的相同。
可以用三個環(huán)路R1，R2，R3的排列來保持較低的硬件的勞動/成本。這樣，濾波器的失真也能通過輸出電壓的反饋來調(diào)整，由此至少可以減少一級濾波器。另外，在數(shù)字化功能的控制裝置里可以考慮使用具有不同特性的濾波器，而不需大量額外的勞動/成本。
圖9顯示了放大器級V6，它具有一個復(fù)用器30和n個放大器級，這些放大器級可以依據(jù)放大器級V2到V5進(jìn)行構(gòu)造。復(fù)用器30根據(jù)輸入數(shù)據(jù)流1產(chǎn)生了n個數(shù)據(jù)流1’，其中每個數(shù)據(jù)流1’被送到放大器級V2到V5其中之一，實際情況中可能提供了相同的放大器級。n個放大器級的輸出和輸出終端8相連，并饋給電壓源31。激勵器9，例如揚(yáng)聲器，通過線路34直接或間接地通過中間濾波器33，連接到放大器級V6的輸出終端8。
依據(jù)圖9的實施例，D類放大器和如基于n個并聯(lián)的D類放大器5的相位偏移循環(huán)的單級方案相比，至少能夠在第n個頻率部分處操作，并具有相同質(zhì)量的輸出信號。開關(guān)過程能夠更慢地產(chǎn)生，而不會有質(zhì)量損耗。這樣，增加了電磁容差。和A放大器相比增加了開關(guān)損耗，仍保持了很高的效率。例如在功率值大約5kW及更高情況下，也可基于降低的開關(guān)頻率使用卸荷電路，其中每容積電源部分能夠發(fā)射的功率，即功率密度增加了。
依據(jù)圖10的實施例中，穩(wěn)壓器R2或R3(圖3，圖4)，置于放大器級V6之前，圖9中很清楚，放大器級V6包含了多個D類放大器，穩(wěn)壓器對輸入數(shù)據(jù)流1和轉(zhuǎn)換器20產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)流21進(jìn)行處理以產(chǎn)生數(shù)據(jù)流35。放大器級V6的輸出終端8上的電壓或負(fù)載9上的電壓通過一個換向開關(guān)36反饋到轉(zhuǎn)換器20的輸入端，換向開關(guān)也可以省略。
依據(jù)圖10的實施例，可以利用多個D類放大器同時開關(guān)的優(yōu)點，通過一個相應(yīng)的復(fù)用器，而不需要增加數(shù)字計算單元的計算能力。就此，放大器級V6可以由簡單的放大器級組成，如放大器級V5(圖1)來構(gòu)成。
依據(jù)圖10的實施例，還額外設(shè)置有一個換向開關(guān)32，由此輸出終端8可以選擇通過濾波器33和負(fù)載9連接或者直接與之相連。
依據(jù)圖11的實施例，預(yù)測器12在一個放大器級之前，該放大器級可以在放大器級V2，V3，V4，V5，或V6之間選擇；在它的輸入端可以加上麥克風(fēng)80的信號，這個信號例如是在負(fù)載9所在的房間中得到的，負(fù)載是能發(fā)聲的揚(yáng)聲器。然后，濾波器33設(shè)置在放大器級之后。
這種情況下，也能檢測出負(fù)載9之后的信號段的影響。因為預(yù)測器12考慮了包含了放大器級的開環(huán)控制系統(tǒng)的行為，所以不需要持續(xù)反饋。
圖12示出了電源部分5的優(yōu)選實施例。例如電源部分5是由電壓源41，42和半電橋裝置43，44構(gòu)成。半電橋裝置是由一個主開關(guān)50和反并聯(lián)空載二極管51以及另一個具有另一個空載二極管53的主開關(guān)52組成。
主開關(guān)50的輸出端經(jīng)過線路54和主開關(guān)52的輸入端相連。主開關(guān)50的輸入端經(jīng)過供電線55和電壓源41相連，以及主開關(guān)52的輸出端經(jīng)過供電線56和電壓源42相連。
電壓源42是串行開關(guān)的。線路57在節(jié)點處49和電源地40相連。兩個串行開關(guān)的供電裝置41，42由電源開關(guān)43，44的半電橋裝置來提供負(fù)載。信號6加在半電橋裝置的中央點48處。高功率電壓6的參考電位是電源地40，它和電源裝置41，42的連接點49相連。低功率信號序列4送往驅(qū)動裝置45。如果信號4是高電平，通過非反相驅(qū)動裝置47開啟頂部開關(guān)43，并通過一個反相驅(qū)動裝置46開啟頂部開關(guān)44。
電壓6或31相對于地40等于電源裝置41的輸出電壓。如果信號4是低電平，點48通過底部開關(guān)44和電源裝置42相連。電壓6或31相對于地40和電源裝置41的負(fù)輸出電壓相等。低功率信號序列4放大后相對于電源地40作為高功率輸出電壓6施加到電源裝置41，42的半電橋中央點48。
電源部分5例如是用半電橋裝置中的功率半導(dǎo)體器件43，44來實現(xiàn)，用于根據(jù)至少一個電壓源例如41，42產(chǎn)生正的或負(fù)的電壓脈沖，其中負(fù)載的供電，如在高功率輸出電壓6處，周期性地以低損耗來中斷，和/或改變極性。
開關(guān)放大器的效率受開關(guān)頻率的顯著影響。FET電源開關(guān)的開關(guān)損耗以一種超比例的方式隨著電壓降而增加。放大器級V6中的D類放大器級V2到V5中至少一個工作在低頻，為低頻揚(yáng)聲器供電，同時高頻揚(yáng)聲器的明顯較小的功率值是由放大器級V6中的D類放大器級V2到V5中的另一個放大器級由供電，其工作在明顯較高的開關(guān)頻率和較低的電源電壓上。
圖13示出了穩(wěn)壓器R1的數(shù)字實現(xiàn)的一個例子。提供的參考數(shù)據(jù)流1的數(shù)據(jù)字例如具有i2s格式，例如經(jīng)過轉(zhuǎn)換器100和前置濾波器102送往加法器或混頻器13，前置濾波器102也可以用十進(jìn)制濾波器實現(xiàn)，一般是串行方式?；祛l器13處理誤碼數(shù)據(jù)流17所需的正的或負(fù)的反饋輸入，以及處理輸入數(shù)據(jù)流1’，17的數(shù)據(jù)字以生成數(shù)據(jù)流1”。數(shù)據(jù)流1”通過編碼裝置3轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)序列4，在數(shù)據(jù)流1”之后的開關(guān)期間中將信號序列4的值平均化。用開關(guān)放大器5(見圖12)放大數(shù)字信號序列4用來產(chǎn)生高功率輸出電壓6，其中控制裝置13補(bǔ)償了由于電源部分5的開關(guān)晶體管43，44開關(guān)時間不同而造成的開關(guān)時間誤差或信號序列4波形的變化。和數(shù)據(jù)流1”相應(yīng)的數(shù)字信號序列4在時鐘信號110的每個上升沿被轉(zhuǎn)換器100的D鎖存器接收。轉(zhuǎn)換器100對I2S格式的參考數(shù)據(jù)流1的數(shù)字信號序列轉(zhuǎn)換，例如和時鐘信號110同步的信號轉(zhuǎn)換成并行或串行數(shù)據(jù)流101，它通過前置濾波器102后轉(zhuǎn)換成具有不同的分辨率和同步速率的數(shù)據(jù)流1’。
數(shù)據(jù)流1’和周期信號140是同步的，例如176kHz。這也是補(bǔ)償數(shù)據(jù)流17的同步速率，這是將數(shù)字信號序列4和高功率輸出電壓6進(jìn)行比較而得到的。補(bǔ)償數(shù)據(jù)流17是由加法器111產(chǎn)生的，它把錯誤信號15的脈沖寬度和校正前綴相加，校正前綴的值用上/下數(shù)序計數(shù)器108進(jìn)行數(shù)字化。積分器的時間限制在開關(guān)頻率的開關(guān)周期內(nèi)，可以用計數(shù)器108實現(xiàn)。
D類放大器5的開關(guān)頻率是從周期信號120獲取的，其被送到編碼單元3的計數(shù)器104。計數(shù)器104產(chǎn)生了開關(guān)頻率周期140，計數(shù)器108以該周期被控制或者復(fù)位。誤碼脈寬數(shù)字化器108的輸出數(shù)據(jù)流107和周期140是同步的。誤碼脈寬信號15是比較器14產(chǎn)生的，這里是用異或門實現(xiàn)的，例如將數(shù)字信號序列4和衰減器10的數(shù)字輸出電壓11送至該異或門，高功率輸出電壓6被反饋回輸入端。異或門14的輸出端的信號15僅在輸出的時間內(nèi)為高電平，換句話說信號4和高功率輸出電壓6具有不同的狀態(tài)。和周期140同步的數(shù)據(jù)流1’和17在混頻器13中相加，從而產(chǎn)生了數(shù)據(jù)流1”。
數(shù)據(jù)流1”的數(shù)據(jù)字用于檢測和數(shù)據(jù)流105的值的相似性，數(shù)據(jù)流105是在比較器103中由計數(shù)器104產(chǎn)生。計數(shù)器104和RS觸發(fā)器106由周期140控制(復(fù)位)。使用計數(shù)器104，比較器103，RS觸發(fā)器106以及周期信號120實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流1”的PWM調(diào)制。
圖14示出了具有正弦波功率消耗的D類放大器的優(yōu)選實施例。其中，整流器62的輸入端和網(wǎng)絡(luò)63相連，以及輸出端和PFC的輸入端相連。正弦波功率消耗的情況時，由D類放大器級43，44組成的D類放大器5所連接的線路55，56之間的輸出電壓的平均值由PFC進(jìn)行調(diào)整。此外，分壓器64，65和電容41，42的串行電路和兩個線路55，56相連接，其中兩個電容41，42的連接點49，類似用電設(shè)備9的連接器和地40相連接。D類放大器級43，44的輸出端48經(jīng)過線路31和D/A轉(zhuǎn)換器7的輸入端相連，也可以設(shè)計為用濾波器，并經(jīng)過線路6連接到輸出端和環(huán)路R1相連的衰減器10。如上所述，環(huán)路R1處理數(shù)據(jù)流1’和衰減器10的數(shù)據(jù)流11以及混頻器/編碼器電路3中的編碼器68的數(shù)據(jù)流4以產(chǎn)生數(shù)據(jù)流1”。
例如揚(yáng)聲器構(gòu)成的負(fù)載9和D/A轉(zhuǎn)換器7的輸出端相連。
負(fù)載上的電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器20反饋回環(huán)路R2中，環(huán)路R2對A/D轉(zhuǎn)換器20的輸出數(shù)據(jù)流21和輸入數(shù)據(jù)流1進(jìn)行處理以產(chǎn)生數(shù)據(jù)流1”。
和中間電路55，56相連的并具有中央連接器66的分壓器64，65，經(jīng)過線路59和A/D轉(zhuǎn)換器60的輸出端相連。D/A轉(zhuǎn)換器60的輸出數(shù)據(jù)流61也和數(shù)據(jù)流1”相類似地送入混頻器/編碼器電路3的混頻器67。這導(dǎo)致了脈寬縮短/延伸，并和D類放大器的電源電壓的中間電路電壓的正/負(fù)變化成比例。
環(huán)路R1的輸出數(shù)據(jù)流1”和D/A轉(zhuǎn)換器60的數(shù)據(jù)流61一起送往混頻器/編碼器電路3，并由該電路進(jìn)行編碼來產(chǎn)生數(shù)據(jù)流4，其送往驅(qū)動電路45來觸發(fā)D類放大器5的D類放大器級43，44。
權(quán)利要求
1.生成放大后的高功率交流電壓的方法，生成的電壓在波形和幅度上跟隨著一個最好是已知的I2S格式的數(shù)字輸入數(shù)據(jù)流，其中使用基本為正弦波電流的直流電壓源作為電源，其特征在于輸入數(shù)據(jù)流被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號序列，并且該信號序列通過開關(guān)進(jìn)行放大，其中從放大后的輸出信號中提取一個數(shù)字信號，并和輸入數(shù)據(jù)流相應(yīng)的數(shù)字信號進(jìn)行比較，用能夠檢測出的數(shù)字差分信號進(jìn)行開關(guān)，放大后的信號和輸入數(shù)據(jù)流的一致性會影響輸入數(shù)據(jù)流的增益，其中和直流電壓源的紋波相應(yīng)的信號與輸入數(shù)據(jù)流或從中提取的信號相混合。
2.實現(xiàn)權(quán)利要求1中所述的方法的裝置，用于生成高功率交流電壓，生成的電壓在波形和幅度上跟隨著一個最好是已知的I2S格式的數(shù)字輸入數(shù)據(jù)流，通過至少一個包含了直流電壓源和至少一個開關(guān)晶體管的D類放大器級，一個相連的D/A轉(zhuǎn)換器，以及與之相連的負(fù)載，最好是激勵器或揚(yáng)聲器，其特征在于環(huán)路(R2，R3)具有數(shù)字功能控制裝置(13)，該控制裝置具有一個在輸出端與穩(wěn)壓器(13)相連的比較器(19)，其輸入端和裝置的輸入端及輸出端相連接，輸入端上施加了數(shù)字輸入信號(1，1’)以及和輸出信號(6，31)相應(yīng)的數(shù)字信號(11，21)，其中分壓器(64，65)和直流電壓源(55，56)相連，直流電壓源的中央抽頭(66)經(jīng)過一個A/D轉(zhuǎn)換器(60)和混頻器(67)相連接，混頻器的第二輸入端連接到裝置的輸入端，其輸出端和D類放大器(5)相連。
3.如權(quán)利要求2中所述的裝置，其特征在于環(huán)路之前是預(yù)測器(12)，其輸入端施加有輸入數(shù)據(jù)流(1)，并且至少部分時間內(nèi)送入預(yù)測器的信號是從激勵器(9)之后的信號段中提取出來的。
4.如權(quán)利要求2或3中所述的裝置，其特征在于比較器(19)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器(20)和D類放大器級(5)的輸出端相連，將數(shù)字信號序列轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)字，并且比較器(19)的第二輸入端和裝置的輸入端相連，如果需要可經(jīng)過預(yù)測器(12)在輸入端上施加輸入數(shù)據(jù)流，輸出端連接到控制裝置(13)。
5.如權(quán)利要求2或3中所述的裝置，其特征在于比較器(19)經(jīng)過一個A/D轉(zhuǎn)換器(20)連接到負(fù)載之前的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端，并且如果需要的話比較器(19)的第二輸入端經(jīng)過前置濾波器(22)連接到裝置的輸入端，在其上施加輸入數(shù)據(jù)流。
6.如權(quán)利要求2中所述的裝置，其特征在于如果需要的話，比較器(14)的輸入端經(jīng)一個衰減器(10)連接到控制裝置(2)之后的混頻器/編碼器電路(3)的輸出端和D類放大器(5)的輸出端，其輸出端經(jīng)過一個編碼器(16)連接到穩(wěn)壓器(13)。
7.如權(quán)利要求2至6中所述的裝置，其特征在于設(shè)置有兩個環(huán)路(R1，R2)，在一個環(huán)路(R2)的情況下，比較器(19)經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換器(20)連接到D類放大器級(5)的輸出端，用于將數(shù)字信號序列轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)字，并且該比較器(19)的第二輸入端連接到裝置的輸入端，在其上施加輸入數(shù)據(jù)流，該比較器的輸出端連接到一個第一控制裝置(13)，如果需要的話，在第二環(huán)路(R1)中，另一個比較器(14)的輸入端經(jīng)過一個衰減器(10)連接到另一個控制裝置(13)之后的混頻器/編碼器裝置(3)的輸出端，以及連接到D類放大器(5)的輸出端，其輸出端經(jīng)過一個編碼器(16)連接到第二控制裝置(13)，其中環(huán)路(R1，R2)是串聯(lián)開關(guān)。
8.如權(quán)利要求2至6中任一所述的裝置，其特征在于設(shè)置有兩個環(huán)路(R1，R3)，在一個環(huán)路(R3)的情況下，比較器(19)經(jīng)過一個A/D轉(zhuǎn)換器(20)連接到D/A轉(zhuǎn)換器(7)的輸出端，如果需要的話，該比較器(19)的第二輸入端經(jīng)過一個前置濾波器(22)和裝置的輸入相連，在其上施加輸入數(shù)據(jù)流，其中比較器(19)的輸出端連接到一個第一控制裝置(13)，并且如果需要的話，在第二回路(R1)中，另一個比較器(14)的輸入端經(jīng)由一個衰減器(10)連接到另一個控制裝置(13)之后的混頻器/編碼器裝置(3)的輸出端，以及連接到D類放大器(5)的輸出，比較器(14)的輸出端經(jīng)過一個編碼器(16)連接到第二控制裝置(13)，其中環(huán)路(R3，R1)是串聯(lián)開關(guān)。
9.如權(quán)利要求7和8中所述的裝置，其特征在于設(shè)置有三個環(huán)路(R1，R2，R3)，在環(huán)路(R3)的情況下，比較器(19)經(jīng)過一個A/D轉(zhuǎn)換器(20)連接到D/A轉(zhuǎn)換器(7)的輸出端，如果需要的話，該比較器(19)的第二輸入端經(jīng)過一個前置濾波器(22)和裝置的輸入端相連，在其上施加輸入數(shù)據(jù)流，其中比較器(19)的輸出端連接到一個第一控制裝置(13)，并且在第二回路(R2)中，比較器(19)通過一個轉(zhuǎn)換器(20)連接到D類放大器級(5)的輸出端，用于將數(shù)字信號序列轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)字，且該比較器(19)的第二輸入端上是第一個最遠(yuǎn)的環(huán)路(R3)的輸出數(shù)據(jù)流，其輸出端連接到第二控制裝置(13)，輸出數(shù)據(jù)流也被加到第三個環(huán)路(R1)的另一個控制裝置(13)上，在第三個環(huán)路(R1)中，另一個比較器(14)的輸入端經(jīng)由一個衰減器(10)。連接到第三環(huán)路(R1)中的另一個控制裝置(13)之后的混頻器/編碼器裝置(3)的輸出端，如果需要的話，以及D類放大器(5)的輸出端，而比較器(14)的輸出端經(jīng)過一個編碼器(16)連接到第二控制裝置(13)，其中環(huán)路(R1，R2，R3)是串聯(lián)開關(guān)。
10.如權(quán)利要求2到9中任一所述的裝置，其特征在于設(shè)置有多個并聯(lián)開關(guān)的放大器級(V2，V3，V4，V5)，所述放大器級具有包含一個電壓源以及至少一個開關(guān)晶體管的D類放大器(5)，還設(shè)置有一個相連的D/A轉(zhuǎn)換器，以及與之相連的負(fù)載，如激勵器(9)，例如一個揚(yáng)聲器，在其之前是一個復(fù)用器(30)，其中每個D類放大器級(5)分配了一個數(shù)字環(huán)路(R2，R3)。
11.如權(quán)利要求2到9和10中任一所述的裝置，其特征在于設(shè)置有多個并聯(lián)開關(guān)的放大器級(V2，V3，V4，V5)，所述放大器級具有包含一個電壓源以及至少一個開關(guān)晶體管的D類放大器(5)，一個相連的D/A轉(zhuǎn)換器，以及與之相連的負(fù)載，如激勵器(9)，例如一個揚(yáng)聲器，在其之前是一個復(fù)用器(30)，其中每個D類放大器級(5)分配了一個預(yù)測器(2’)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)字音頻輸入信號，例如根據(jù)I2S標(biāo)準(zhǔn)的信號的D類功率放大器。本發(fā)明的功率放大器包括一個PFC電壓源和一個用于返回放大器和電壓源的輸出信號的A/D轉(zhuǎn)換器。放大器通過數(shù)字調(diào)節(jié)環(huán)路來控制。
文檔編號H03F3/217GK1613179SQ02826957
公開日2005年5月4日 申請日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月11日
發(fā)明者京特·比爾 申請人:京特·比爾