專利名稱：無變壓器的平衡放大器及其偏差檢測和校正系統的制作方法
發明涉及一種輸出端用于建立與負載的直流連接的平衡無變壓器放大器(BTL)，包括一種用于檢測輸出端之間的差動直流偏差的偏差檢測系統。上述類型的放大器是歐洲專利申請1006650中已知的。
目前，平衡無變壓器放大器通常被使用在例如驅動擴音器的音頻系統中。另一個應用是用在驅動致動器的系統中。這些放大器的優點在于它們可以用低電壓電源產生大的交流功率，并且由于沒有輸出變壓器或者大的直流隔離電容，它們可以很容易地以集成電路的形式實現。這些優點使它們特別適合被當作驅動一個或多個擴音器的功率放大器使用在汽車音頻系統中。
但是，在放大器的輸出端和負載之間直流連接的結果，特別當這個負載具有低直流阻抗時，如果無論什么原因在放大器的輸出端之間存在直流偏差電壓時，都會有大的直流電流流過所述負載。這樣的直流偏差電壓可以例如由位于放大器的輸入端的漏電流直流隔離電容或者放大器本身的不平衡造成。流過負載的不期望的直流電流可能很大以至于損壞放大器或負載(例如擴音器)或者甚至產生嚴重的火災。在上述歐洲專利申請中揭露的平衡無變壓器放大器中，這些問題通過所述的偏差檢測系統解決，此系統在直流偏差電壓超過預定水平時起動一個報警系統。這一現有技術的系統周期性地減弱放大器的輸入信號，然后測量輸出端之間的直流偏差，并且在這個直流偏差超過預定水平的情況下，啟動一個報警系統或者甚至關斷放大器或者斷開放大器與負載的連接。
本發明試圖提供一種上述參考類型的具有改善功能的放大器并且本發明的放大器的特征在于所述的偏差檢測系統包括一個模數轉換器用來將輸出端之間的信號電壓轉換成數字信號，一個計數器，用來在一個預定的時間周期中累計所述數字信號，評價裝置，用來評價所述計數器的結果以及一個數模轉換器用來響應所述評價裝置輸出產生一個模擬校正信號，該信號被加到放大器的輸入端來抵消輸出端之間的直流偏差。
在本發明的放大器中，輸出端之間的整個信號即直流偏差和交流信號都被測量。這個整個信號被數字化并且在一個預定的足夠長的周期內被計數以便使在所述預定周期后的計數結果實質上只取決于直流偏差而不取決于測量不期望的交流信號。數模轉換后的計數結果可以被作為直流反饋加到放大器的輸入端來減小偏差。本發明的放大器動態地減小直流偏差以便顯著地減小在負載和放大器輸出級上的消耗。這對用電池工作的放大器是尤為重要的。本發明放大器的另一個優點在于進行直流偏差的測量而不中斷放大器的正常工作。而且，數字解決方法要強于模擬積分系統，模擬積分系統為了在一個合理的芯片面積上獲得一個可用的時間常數必須以非常小的弱電流來工作。
根據本發明的一個優選平衡無變壓器放大器，其特征在于所述模數轉換器是一個∑-Δ調制器，該調制器產生放大器輸出端之間的信號電壓的一位數字表示。所述∑-Δ調制器是一個簡單和直接的模數轉換器，該轉換器的其它優點是得到的模擬信號的一位數字表示可以直接供給計數器。計數器可以例如向上計數∑-Δ調制器的“1”位并且向下計數“0”位。但是，由于計數周期和位速率是預定的，簡單計數器可以被這樣使用，“1”位只向上計數并且“0”位沒有作用。
計數器的輸出可以被加到數模轉換器來產生一個作用在放大器輸入上的直流反饋信號。但是，計數結果仍然包括由于放大器輸出端之間的交流分量沒有被徹底消除而造成的測量誤差。很明顯，如果當交流信號為高時預定周期結束而且如果隨后當交流信號為低時預定周期結束計數就會增加。為了消除這種失真并且使偏差控制系統較不瞬時地反應，本發明的平衡無變壓器放大器是的優點在于所述評價裝置被設置成當計數器的結果高于第一預定水平時產生一個第一信號并且當計數器的結果低于比第一預定水平低的第二預定水平時輸出一個第二信號，提供了一個當評價裝置產生第一信號時減小預定數量并且當評價裝置產生第二信號時增加所述預定數量的校正計數器，該校正計數器的輸出被作用到所述數模轉換器。
本發明的平衡無變壓器放大器，其特征還在于所述的評價裝置還被設置成當計數器的結果高于比第一水平高的第三水平時產生一個第三信號并且當計數器的結果低于比第二水平低的第四水平時產生一個第四信號并且設置當計數裝置產生所述第三或第四信號時啟動的報警裝置。通過這些措施保證當直流偏差很大時，無論在正向還是負向，都可以警戒對于放大器或者對于負載甚至對于環境的危險情況，啟動警報，該警報是可聽的或可視的或二者的結合。
在本發明的裝置中會發生在偏差檢測系統本身存在直流偏差，特別是在模數轉換器中。這當然是不希望的因為結果將是放大器輸出端之間的直流偏差被產生而不是被減小。為了避免這種情況，本發明的平衡無變壓器放大器的特征還在于輸出端通過一個反極性模擬開關連接到模數轉換器并且模數轉換器的輸出通過一個反極性數字開關連接到累計計數器，該反極性數字開關在速率為產生計數器結果的速率的整數倍上與反極性模擬開關同步工作。通過這種方式，任何由模數轉換器的直流偏差產生的計數錯誤在預定計數周期結束之前通過計數中的一個相等但是相反的錯誤得到補償。
音頻系統通常具有用于左右音頻信號的兩個放大器或者用于左右前后音頻信號的四個放大器。在這種情況下每個放大器應該具有自己的偏差檢測裝置。為了避免當放大器集成在一個單一的單塊集成電路芯片上時太多的電路和隨之而來的太多的芯片面積，本發明的另一個目的是提供多個平衡無變壓器放大器，其特征在于偏差檢測系統的一個或多個部分為每個所述的放大器的偏差檢測和校正連續地多路轉換工作。
發明還涉及使用在根據本發明的平衡無變壓器放大器中的偏差檢測和校正系統。應該注意的是，當偏差檢測和校正系統與平衡無變壓器放大器在分開的集成電路上實現時，可以很容易的互連因為偏差檢測和校正系統必須連接的放大器端，即兩個輸出端和輸入端，經常是可接入的。
發明將參照附圖進行進一步的解釋。
此處顯示
圖1是根據本發明的具有偏差檢測系統的平衡無變壓器放大器的一個第一實施例，圖2是根據本發明的具有偏差檢測系統的平衡無變壓器放大器的一個第二實施例，以及圖3是根據本發明的具有偏差檢測系統的多個平衡無變壓器放大器。
圖1顯示了一個平衡無變壓器放大器A，其中可以通過一個輸入端In和一個直流隔離電容C來輸入信號。放大器的輸出端O直接連接到負載L，該負載可以例如由一個擴音器組成。由于電容C的漏電流或者由于不完全平衡放大器A，將在兩個輸出端之間產生不期望的直流偏差并且這個直流偏差可以造成相對大的直流電流流過負載L，而負載通常對直流電流具有一個低阻抗。這個電流造成在負載L和放大器A中的額外消耗，它減小放大器的線性范圍以致于很容易發生大信號電平的失真并且甚至可能造成放大器和/或負載的損壞。
為了校正直流偏差，放大器包括直流偏差檢測和校正裝置D。這些裝置測量兩個輸出端之間的整個電壓(交流和直流)，檢測其中的直流偏差并且最后將檢測的結果加到放大器的輸入端以便來校正和至少實質上減小直流偏差。所述裝置D包括一個被施加放大器輸出信號的衰減器At并且衰減的信號隨后被加到一個模數轉換器Ad。衰減器At用來將輸出信號的電平調整到模數轉換器Ad的工作范圍。轉換器的數字輸出隨后在一個累計計數器Ci中在一個預定的計數周期內被計數。模數轉換器是產生1位比特流的同步∑-Δ調制器的形式。這種模數轉換器是最佳選擇因為比特流的位可以被直接施加給計數器Ci。在這個比特流中一位的密度與輸入信號成正比，因此，當輸入信號極大多數為負時，∑-Δ調制器只產生0位并且當輸入信號極大多數為正時，∑-Δ調制器只產生1位。當輸入信號為零時調制器產生相等數量的1位和0位。∑-Δ調制器適合產生例如每秒625k位并且計數周期Tc可以被選擇等于Tc＝217/625000s＝2097152ms。在這一情況下計數器的輸出是范圍在0到217之間的數字，在整個計數周期當輸入信號為零時產生的中間值等于216＝65536。
直流偏差檢測和校正裝置D還包括評價裝置E，其中計數器Ci輸出的數字被評價并且依次控制一個8位校正計數器Cc。這個計數器的輸出數字在經過數模轉換器Da轉換后通過連線V施加到放大器A的輸入端以便校正此放大器的直流偏差。
在工作中，當累計計數器Ci的輸出數字高于第一閾值時，其中所述第一閾值多少高于中間值65536，評價裝置向校正計數器Cc發出一個向下的命令。這個向下的命令將校正計數器的值減小例如1以便在數模轉換后，放大器A的輸入端的直流電平并從而輸出端的直流偏差減小一級。當在下一個計數周期Tc期間計數器Cc的輸出仍然高于所述的第一閾值時，評價裝置發出另一個向下命令到校正計數器并且直流偏差又一次被減小一級，如此直到計數輸出小于第一閾值。
另一方面，當計數器Ci的輸出數字低于多少低于中間值65536的第二閾值時，評價裝置為校正計數器Cc產生一個向上命令并且放大器輸入端的直流電平被增加一級。應該注意的是，當計數器輸出數字在第一和第二閾值之間時，計數器輸出數字接近它的中間值并且直流偏差為零或者很低以致于不需要校正。
另外，當累計計數器的輸出數字高于實質上比第一閾值高的第三閾值，或者當輸出數字低于實質上比第二閾值低的第四閾值時，這意味著在放大器的輸出端存在一個很大的正向或負向直流偏差以致于將產生危險的情況。在這些情況下，評價裝置E向報警裝置A1發送一個報警信號，該報警裝置可以給出一個可視或可聽的警報和/或將放大器從電源斷開，從而避免了任何對放大器和負載的破壞。
圖2顯示了對圖1的裝置所進行的修改，相應的元件使用相同的參考標號。圖1的裝置的一個問題在于偏差檢測和校正系統的模擬部分即衰減器At和數模轉換器Ad本身不能免除直流偏差(這里稱作系統偏差)。偏差檢測和校正系統將試圖消除全部偏差并且隨后在輸出端O產生一個抵消系統偏差的偏差。為了消除這個影響圖2的裝置中包括了一個在衰減器A之前的反極性模擬開關Sa和一個在模數轉換器Ad之后的反極性數字開關Sd。開關Sa和Sd以50％的占空比在速率為產生計數結果的速率的整數倍時同步工作。換言之，整數個開關周期(例如4)正好符合預定的計數間隔Tc并且開關在一個位置與另一位置中的時間長度相等。結果是模數轉換器由于系統偏差產生的任何多余的1位數字跟隨在相同的計數間隔內由于這個偏差產生的相同數目的0位數字后面。所以，計數器Ci的輸出數字不再受到系統偏差的影響。應該注意的是，當模數轉換器產生1位比特流時，如在∑-Δ調制器的情況下，反極性數字開關Sd可以由一個簡單的EXOR門構成。
圖3的裝置包括四個BTL放大器A1到A4，每個具有自己的輸入電容C1到C4和負載L1到L4，為了檢測和校正偏差有可能為每個放大器提供自己的直流偏差檢測和校正系統。然而，為了節約芯片面積，四個放大器順序使用同一個衰減器At、模數轉換器Ad、累計計數器Ci和評價裝置E。為此放大器A1到A4的輸出端O1到O4通過模擬多路開關M1連接到衰減器At并且評價裝置E的輸出通過數字多路開關M2連接到四個校正計數器Cc1到Cc4。多路開關M1和M2同步工作來連接單元At、Ad、Ci和E首先在輸出端O1和輸入端Cc1之間，然后是輸出端O2和輸入Cc2之間，依此類推。所以，單元At、Ad、Ci和E順序地工作為每個放大器增加或者減小各自的校正計數。選擇適當的多路速率以便使單元At、Ad、Ci和E在一個單一的計數周期Tc內為一個放大器工作。
此外，還通過校正計數器Cc1到Cc2和數模轉換器的輸入端之間的數字多路開關M3和在數模轉換器的輸出端和四個電流存儲器Me1到Me4之間的同步工作的模擬多路開關M4共用數模轉換器來為四個放大器的每一個進行偏差校正。這些電流存儲器通過導線V1到V4將計算出的量化的直流電流提供給每個放大器A1到A4的輸入端來校正各自的偏差。當直流轉換器為其它放大器的一個工作時，電流存儲器對于保持直流電平是必需的。電流存儲器的使用可以在R.van de Plassche，ISBN 0-7923-9436-4的“集成模數和數模轉換器”一書的6.8節找到。
應該注意的可以復用單元At、Ad、Ci和E而不復用數模轉化器并且可以復用數模轉換器而不復用單元At、Ad、Ci和E。還應該注意的是多路開關M3和M4不必與多路開關M1和M2同步工作。很顯然參照圖3說明的多路轉換功能和圖2表明的系統偏差清零可以結合使用。那時圖2的極性開關Sa的功能和圖3的多路開關M1可以很方便地組合。
權利要求
1.一種輸出端用來建立與負載直流連接的平衡無變壓器放大器，包括一個偏差檢測系統(D)用來檢測輸出端(O)之間的差動直流偏差，其特征在于所述偏差檢測系統(D)包括一個模數轉換器(Ad)用來將輸出端之間的信號電壓轉換成數字信號，一個計數器(Ci)用來積分在預定時間周期(Tc)內的數字信號，評價裝置(E)用來評價所述計數器的結果以及一個數模轉換器(Da)用來響應評價裝置的輸出產生一個被施加到放大器的輸入端的用來抵消輸出端之間的直流偏差的模擬校正信號。
2.如權利要求1所述的平衡無變壓器放大器，其特征在于所述的模數轉換器(Ad)是一個產生放大器輸出端(O)之間的信號電壓的1位數字表示的∑-Δ調制器。
3.如權利要求1所述的平衡無變壓器放大器，其特征在于所述的評價裝置(E)被設置成當計數器(Ci)的結果高于一個第一預定水平時產生一個第一信號并且當計數器(Ci)的結果低于比第一預定水平低的一個第二預定水平時產生一個第二信號，提供了一個當評價裝置產生第一信號時減小預定數量并且當評價裝置產生第二信號時增加預定數量的校正計數器(Cc)，以及該校正計數器(Cc)的輸出被加到所述數模轉換器(Da)。
4.如權利要求3所述的平衡無變壓器放大器，其特征在于所述的評價裝置(E)還被設置成當計數器的結果高于比第一水平高的第三水平時產生一個第三信號并且當計數器的結果低于比第二水平低的第四水平時產生一個第四信號并且設置了當計數裝置產生所述的第三或第四信號時啟動的報警裝置(A1)。
5.如權利要求1所述的平衡無變壓器放大器，其特征在于輸出端(O)通過一個反極性模擬開關(Sa)連接到模數轉換器(Ad)并且模數轉換器(Ad)的輸出通過反極性數字開關(Sd)連接到累計計數器(Ci)，該反極性數字開關在速率為產生的計數器結果的速率的整數倍上與反極性模擬開關同步工作。
6.如前面的一個或多個權利要求所要求的具有偏差檢測系統(D)的多個平衡無變壓器放大器(A1…A4)，其特征在于偏差檢測系統的一個或多個部分被多路復用來順序地為每個所述的放大器的偏差檢測和校正工作。
7.在一個或多個前述權利要求所要求的平衡無變壓器放大器中使用的一種偏差檢測和校正系統。
全文摘要
一種包括用來檢測和校正放大器輸出端之間的直流偏差的系統的平衡無變壓器放大器。輸出信號最好在∑－Δ調制器中被數字化，數字化的信號在一個預定的期間內被計數并且計數的結果被用來獲得一個反饋到放大器輸入端的直流校正信號。
文檔編號H03F3/34GK1460324SQ02800936
公開日2003年12月3日 申請日期2002年2月25日 優先權日2001年3月29日
發明者P·A·T·M·弗爾梅倫 申請人:皇家菲利浦電子有限公司