本發(fā)明在第一方面中涉及用于驅(qū)動場效應(yīng)晶體管以用于將表示聲音的電輸入信號形成為輸出信號的方法，該方法包括將輸入信號修改成中間信號，并將中間信號輸出到場效應(yīng)晶體管以用于形成輸出信號。在第二方面中，本發(fā)明涉及配置用于執(zhí)行所述方法的裝置。

背景技術(shù)：
如用于記錄、播放、放大弦樂器的系統(tǒng)的音樂系統(tǒng)包括配備麥克風(fēng)和放大器的弦樂器以及最終包括用于聲音生成的揚聲器。由于從麥克風(fēng)再現(xiàn)信號中使用的放大器的非線性，此類系統(tǒng)中的放大器將影響聽者/音樂家所感知的聲音。在最早已知的放大器技術(shù)中，使用電子管。許多聽者感知這些早期基于電子管的放大器優(yōu)于基于半導(dǎo)體技術(shù)的現(xiàn)代放大器?；陔娮庸艿姆糯笃髋c先前已知的半導(dǎo)體放大器之間的可聽差異的主要原因是所包含的非線性的差異?；陔娮庸艿姆糯笃饕话憔哂懈吖╇婋妷汉洼敵鲎儔浩饕杂糜趯⒆杩罐D(zhuǎn)換至揚聲器。電子管還相對較昂貴，且機械上易碎；獲得好電子管的渠道也變得越來越有限。所需的輸出變壓器也相對昂貴且笨重。因此，期望使用現(xiàn)代半導(dǎo)體組件模仿電子管的聲音整形性質(zhì)。已經(jīng)在較早的若干嘗試中實現(xiàn)這一點，這些嘗試可以分成主要兩組放大器。第一類型的放大器使用標準離散組件，其利用半導(dǎo)體的某種非線性效應(yīng)。作為此一點的示例，可以提出GB2274367A，其使用高電壓MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）晶體管。US4405832A也披露一種聲音整形級，其目的在于通過運算放大器和二極管模仿電子管放大器的失真的聲音。在第一組中，在因特網(wǎng)上吉他愛好者論壇中披露了所屬的放大器。其中可找到所說的“FetzerValve”（參見http://www.runoffgroove.com/fetzervalve.com）。此放大器配備有Fender電子管（Fendertube）放大器的輸入級的副本，以JFET晶體管替代電子管。此放大器背后的設(shè)想是基于JFET晶體管與電子管呈現(xiàn)相似類型的非線性的認識。但是，“FetzerValve”設(shè)計存在若干缺點；從生產(chǎn)角度來說的最嚴重的缺點是必須利用電位計人工地調(diào)整放大器以獲得期望的屬性。另一個缺點是柵極端的電位利用自動偏壓設(shè)計來調(diào)整。自動偏壓導(dǎo)致該設(shè)計變得對場效應(yīng)晶體管的本征變化敏感。另一種放大器是1992年9月28日新聞組論壇(Usenetdiscussionforum)alt.guitar中公布的“Tillman”預(yù)放大器?！癟illman”放大器也使用JFET晶體管和柵極端電位的自動偏壓。另一組放大器使用數(shù)字聲音處理來模仿電子管聲音。數(shù)字聲音處理通過將來自吉他的麥克風(fēng)的輸入信號數(shù)字化來執(zhí)行，然后將數(shù)字信號饋送到數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器根據(jù)程序處理數(shù)字信號。該程序設(shè)計成仿真電子管放大器呈現(xiàn)的非線性?？梢越o出專利US5789689作為其示例。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)表示聲音的電信號的整形，該整形旨在強化使人耳感到愉悅的聲音的非線性再現(xiàn)。通過本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明的目標通過包括用于驅(qū)動場效應(yīng)晶體管的特殊動作的初始定義的類型的方法來實現(xiàn)，這些動作為：配置場效應(yīng)晶體管的靜態(tài)點，以便通過依靠中間信號的直流電壓電平調(diào)整場效應(yīng)晶體管的柵極端與源極端之間的電位和調(diào)整場效應(yīng)晶體管的源極端的電位來使得該場效應(yīng)晶體管的靜態(tài)點位于場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性的二次區(qū)域中，調(diào)整該中間信號的振幅以使該中間信號的振幅引起柵極端與源極端之間的電位擺動至少部分地在場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性的二次區(qū)域中。通過選擇場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性的二次區(qū)域中的靜態(tài)點，將使用與電子管的轉(zhuǎn)移特性緊密相似的轉(zhuǎn)移特性的部分，其中獲得優(yōu)選的聲音整形。當在中間信號上疊加信號時，場效應(yīng)晶體管的柵極端與源極端之間的電位將改變。通過確保此振幅至少部分地在場效應(yīng)晶體管的該二次區(qū)域中工作，確保了始終得到類似電子管的聲音。此類似電子管的聲音表征為，它包含該二次區(qū)域中的晶體管的靜態(tài)點產(chǎn)生的失真。根據(jù)該方法的優(yōu)選實施例，將中間信號的振幅調(diào)整為低于場效應(yīng)晶體管的閾值電壓。通過使之低于場效應(yīng)晶體管的閾值電壓，晶體管將截止，從而輸出信號采用硬方式被削波。此硬削波被聽者感知為過載的電子管放大器的特性失真的聲音。根據(jù)本發(fā)明方法的另一個優(yōu)選實施例，該方法包括如下步驟：通過設(shè)在場效應(yīng)晶體管的至少漏極端處的至少一個阻抗，限制場效應(yīng)晶體管的漏極端與源極端之間的最小電位，所述阻抗引起場效應(yīng)晶體管能夠在電路中驅(qū)動而不會使晶體管飽和的最大可驅(qū)動電流，與修改部件（means）的輸出和場效應(yīng)晶體管的柵極端串聯(lián)地設(shè)置電阻器，調(diào)整該中間信號的振幅以使得柵極端與源極端之間的電位達到至少與電路中的最大可能漏電流對應(yīng)的值。通過這些方法步驟，實現(xiàn)了軟削波的技術(shù)效果，這是類似電子管的聲音的期望性質(zhì)。在此情況中，該方法包括如下步驟：在場效應(yīng)晶體管的柵極端與電位之間設(shè)置二極管，通過控制進入軟削波的電平的可能性，軟削波的技術(shù)效果得以實現(xiàn)。本發(fā)明的第二方面通過設(shè)為執(zhí)行該方法的裝置來實現(xiàn)，該裝置包括從屬裝置權(quán)利要求中描述的特定特征。附圖說明參考附圖通過下文對本發(fā)明實施例的詳細描述來詳細描述本發(fā)明：圖1示出示范聲音再現(xiàn)系統(tǒng)的框圖，該示范聲音再現(xiàn)系統(tǒng)包括用于干凈的類似電子管的聲音的聲音整形級和用于將失真的類似電子管的聲音分別進行硬削波或軟削波的聲音整形級。圖2示出耗盡型常用場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性。圖3示出干凈的類似電子管的聲音的示意聲音整形級。圖4在示意圖中圖示軟失真和硬失真的正弦信號分別在時域上如何呈現(xiàn)。圖5以示意圖方式分別示出硬失真和軟失真的類似電子管的聲音的聲音整形級。圖6示出采用MOSFET晶體管的備選實施例。圖7示出采用JFET晶體管和設(shè)在其柵極端處的二極管的備選實施例。圖8示出用于DC電平的放大和調(diào)整的修改部件的實施例。具體實施方式應(yīng)指出的是這些附圖是依據(jù)詳細描述和所附權(quán)利要求的目的、僅為舉例說明發(fā)明理念的圖解。因此不應(yīng)認為本發(fā)明局限于所示的示意性附圖。最初，圖1中披露用于再現(xiàn)來自例如電吉他1的聲音的音樂系統(tǒng)。由麥克風(fēng)2捕獲聲音信號，其中由此獲得的弱信號形成至放大器200的輸入信號3。在放大器200中，弱輸入信號3被用于干凈的類似電子管的聲音的聲音整形器4放大為聲音整形器輸入信號5，聲音整形器輸入信號5被饋送到聲音整形級100。用于干凈的類似電子管的聲音的聲音整形器4呈現(xiàn)類似電子管的非線性的最優(yōu)選的非線性。在聲音整形級100中，首先通過修改部件6修改聲音整形器輸入信號5，將此修改的輸入信號標明為中間信號7。旨在提供軟失真和硬失真的中間信號7的實際聲音整形在聲音整形級8中執(zhí)行，形成輸出信號9。將輸出信號9饋送到功率放大器10，進而驅(qū)動揚聲器10以進行聲音生成。圖2示出耗盡型JFET（結(jié)型場效應(yīng)晶體管）J1的轉(zhuǎn)移特性，該轉(zhuǎn)移特性示出：對于晶體管J1的漏極端D與源極端S之間的給定電位差VDS，漏電流ID與場效應(yīng)晶體管的柵極端G與源極端S之間的電位差VGS成函數(shù)關(guān)系。基于此示意圖，定義了漏電流ID逐漸逼近水平軸VGS時的電壓12。此電壓12標明為閾值電壓。當柵極端G與源極端S之間的電位差VGS是0伏時，定義了飽和電流13。不斷增加的電位VGS最終使得柵極端與源極端之間的、晶體管J1的本征二極管達到其閾值電壓14，其中本征柵源二極管開始導(dǎo)通與所施加的電位呈指數(shù)相關(guān)性的電流。通過研究JFET的轉(zhuǎn)移特性，認識到JFET的轉(zhuǎn)移特性極大程度與電子管的轉(zhuǎn)移特性相似。尤其JFET晶體管的二次區(qū)域中，呈現(xiàn)幾乎與電子管的轉(zhuǎn)移特性幾乎完全相同的轉(zhuǎn)移特性。二次區(qū)域定義為閾值電壓12與電壓16之間的區(qū)間?？梢詫㈦妷?6視為轉(zhuǎn)移特性與其在線性區(qū)域的線性擬合15偏離時的電壓。通過將JFET的靜態(tài)點Q調(diào)整在閾值電壓12與電壓16之間定義的區(qū)間中，JFET晶體管的非線性極大程度地將對應(yīng)于電子管所呈現(xiàn)的非線性。圖3示出用于干凈的類似電子管的聲音的本發(fā)明的聲音整形器4。將來自麥克風(fēng)2的輸入信號3饋送到偏壓級17，偏壓級17調(diào)整輸入信號的DC電平，并形成中間信號18以輸出到JFET晶體管J2的柵極端。由供電電壓VDD2經(jīng)由阻抗ZD2至其漏極端20以對晶體管J2饋電。源極端19經(jīng)由阻抗ZS2連接到地電位。JFET晶體管J2的靜態(tài)點位于二次區(qū)域QR中，二次區(qū)域QR定義為從閾值電壓12至電壓16的區(qū)間，參見圖2。此靜態(tài)點通過對晶體管J2的柵極端18相對于源極端19供給適合的電位來獲得。更優(yōu)選地，按晶體管J2的最大漏電流的20%獲得該電位。此漏電流促使晶體管的靜態(tài)點Q始終位于二次區(qū)域中。調(diào)整JFET晶體管的靜態(tài)點的已知問題在于，在相同類型的不同晶體管之間，JFET晶體管的特征散布得很散。例如，典型小信號JFET晶體管的圖2中的飽和電流13散布在2至7mA之間。這種大散布常常意味著晶體管的靜態(tài)點難以采用適于生產(chǎn)的方式來調(diào)整，通常JFET晶體管的靜態(tài)點必須人工地修整。在用于干凈的類似電子管的聲音的本發(fā)明的聲音整形器4中，使用不同方式調(diào)整晶體管J2的靜態(tài)點。使用JFET晶體管的數(shù)據(jù)表，可以研究一類晶體管的飽和電流13的散布，并估算選擇的靜態(tài)點的電位上的散布。該估算通過轉(zhuǎn)移特性中圖形橫向移位到不同電平的飽和電流13來執(zhí)行。由此，獲得選擇的靜態(tài)點的VGS電位。所獲得的靜態(tài)點的電位變化表示為ΔVGS。不同VGS的平均值表示為VGSmean，此平均值對應(yīng)于使得期望的靜態(tài)點處于最大漏電流的20%處所需的必需的平均電位。通過解JFET晶體管J2的節(jié)點方程，可以將漏電流散布表示為：ΔID=ID?ΔVGS/(2?VS)檢查漏電流散布ΔID的表達式，得到源極端的電位VS對漏電流散布ΔID有影響。足夠大的電位VS促使JFET晶體管J2的不同飽和電流所導(dǎo)致的漏電流散布變得可忽略不計。通過選擇源極端VS上的適合電位設(shè)置阻抗ZS2的大小，此電位用于計算ZS2=VS/ID。通過使漏極端上的電位對應(yīng)于可用DC電平的一半來設(shè)置阻抗ZD2的大小，這可以書寫為：VD=(VDD2+VS)/2將阻抗ZD2設(shè)在供電電壓VDD2與晶體管J2的漏極端之間，這可以容易地計算為：ZD2=(VDD2-VD)/ID這種大小設(shè)置引起輸出信號5相對于可用供電電壓的最大動態(tài)性。最優(yōu)選地將偏壓級17大小設(shè)置為對輸入信號3施加為VS-VGSmean的dc電平，從而JFET晶體管達到期望的靜態(tài)點。通過此大小設(shè)置，實現(xiàn)了對JFET晶體管J2的飽和電流13的變化不敏感的調(diào)整。再者，此大小設(shè)置確保了晶體管J2的靜態(tài)點始終位于二次區(qū)域中，從而實現(xiàn)使人耳愉悅的聲音。在圖4中，除了先前論述的非線性外，還圖示了類似電子管的聲音整形器應(yīng)該呈現(xiàn)的重要聲音整形特征中的一些。首先，圖示所說的硬失真，通過在低于最大振幅A的信號電平AH處將輸入正弦波21削波為波形22，從而實現(xiàn)硬失真。硬削波通常通過太大振幅的輸入信號使得放大器級過載來實現(xiàn)。類似電子管的聲音整形器的更重要性質(zhì)之一是輸入信號的所說的軟失真。在圖4中，披露由輸入正弦波形21形成的典型軟失真的波形23。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的用于對輸入信號5進行軟失真和硬失真的聲音整形級100。來自干凈的類似電子管的聲音的聲音整形器4的輸入信號5由修改部件6通過放大振幅和調(diào)整信號的DC電平進行修改，從而形成中間信號7。將中間信號7饋送到本發(fā)明的聲音整形級8以將聲音整形。聲音整形級8包括設(shè)在中間信號7與JFET晶體管J3的柵極端24之間的阻抗ZG3。由供電電壓VDD3對聲音整形級8供電，該供電電壓經(jīng)由阻抗ZD3連接到晶體管的漏極端26。漏極端26還連接到聲音整形器的輸出端9。源極端25經(jīng)由阻抗ZS3連接到地電位。下文詳細披露用于為聲音整形器8的多個部分設(shè)置大小的方法的描述。本發(fā)明的聲音整形器中的JFET晶體管J3的靜態(tài)點Q位于轉(zhuǎn)移特性的二次區(qū)域QR中。最優(yōu)選地，靜態(tài)點中的漏電流是最大漏電流的20%，這導(dǎo)致靜態(tài)點位于二次區(qū)域QR中。靜態(tài)點Q的調(diào)整通過早前參考圖3描述的相同方法來執(zhí)行。阻抗ZD3、ZS3采用與結(jié)合圖3所描述的方式相同的方式來設(shè)置大小。中間信號7的半周期之一的振幅足夠大到低于JFET晶體管J3的閾值電壓12，這促使JFET晶體管J3中的溝道被截止，其中經(jīng)由JFET晶體管J3的漏電流ID3達到其最小值，實踐中為零。通過促使晶體管J3截止，使輸出信號9的電位達到其最大值，其中輸出信號9是削波22。輸出信號9的相似削波22常常稱為硬削波。中間信號7的第二個半周期的振幅足夠大到促使柵極端25與源極端26之間的電位達到高于JFET晶體管J3的本征柵源二極管的內(nèi)置電位的電平，這樣促使柵源二極管開始導(dǎo)通電流。但是，使得晶體管J3的柵源二極管在前向方向上導(dǎo)通電流，該電流將根據(jù)二極管方程呈指數(shù)增加，這樣阻抗ZG3上的電壓降快速增加，同時晶體管J3的柵源二極管上的電位稍微增加，并且本質(zhì)上限于柵源二極管的內(nèi)置電位。柵源二極管上的電位的這種限制引起輸出信號9的軟限制，從而產(chǎn)生軟失真23。將連接到JFET晶體管J3的柵極端24的阻抗ZG3的大小設(shè)為使小電流進入柵極端24，并且阻抗ZG3典型地為數(shù)十萬歐姆。在根據(jù)圖6的另一個實施例中，通過至少一個MOSFET晶體管替代JFET晶體管J2、J3的至少其中之一。MOSFET晶體管包括設(shè)在柵極端29處的一個外部二極管D1。在此情況中，當二極管D1的陰極連接到源極端28時，得到與采用JFET晶體管的情況下完全相同的功能。在其他實施例中，可以將二極管D1的陰極連接到另一個電位。在根據(jù)圖7的又一個實施例中，JFET晶體管J2、J3的至少其中之一配備有外部二極管D2，外部二極管D2的陽極連接到所述晶體管J2、J3的柵極端。再者，所述二極管的陰極連接到電位VK，此電位最優(yōu)選地低于所述晶體管的源極端的電位。這樣在柵極端上比JFET晶體管的本征二極管導(dǎo)通電流所需的電壓低的電壓下，促使外部二極管D2達到的電位高于其內(nèi)置電位。在一個實施例中，電位VK最優(yōu)選地調(diào)整到在等于圖2中的閾值電壓12與靜態(tài)點中柵極端與源極端之間的電位之差的電位下使得二極管D2導(dǎo)通的電平。然后將靜態(tài)點Q設(shè)在閾值電壓12與二極管D2開始導(dǎo)通電流時柵極端與源極端之間的電位之間的區(qū)間的中點。此類配置意味著軟失真和硬失真在正弦輸入信號的相應(yīng)一半周期中對稱地出現(xiàn)。在另一個實施例中，將電位VK調(diào)整到引起最悅耳聲音整形的電平。在圖8中，披露用于由聲音整形器輸入信號5形成中間信號7的修改部件6的示范實施例。該修改部件包括兩個運算放大器OP1、OP2。將聲音整形器輸入信號5饋送到第一運算放大器OP1的非反相輸入+，再者所述聲音整形器輸入信號5經(jīng)由阻抗R3連接到來自分壓器33的電位34，分壓器33由阻抗R1、R2和電壓VDD4構(gòu)成。第一運算放大器OP1的輸出連接到第二運算放大器OP2的非反相輸入+，并經(jīng)由電位計P1和阻抗R4連接到所述分壓器33的輸出34。電位計P1的中間連接器連接到第一運算放大器OP1的反相輸入（-）。修改部件6對聲音整形器輸入信號5施加由分壓器33的輸出電平34確定的dc電平，通過電位計P1調(diào)整放大。應(yīng)該指出圖1中圖示的音樂系統(tǒng)僅是用于驅(qū)動聲音整形的場效應(yīng)晶體管的披露方法的可能和有價值的應(yīng)用示例。