模擬信號放大器和音頻信號放大器的制作方法

專利名稱：模擬信號放大器和音頻信號放大器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于放大音頻信號或類似信號的模擬信號的模擬信號放大器，以及一種用于放大輸入的音頻信號并將該被放大的音頻信號提供到揚聲器再生裝置的音頻信號放大器。
近年來，有鑒于音頻信號放大器在其作為功放級期間的工作狀態，用于放大聲音信號的音頻信號放大器已大致上被分成三種類型的放大器，包括A類放大器，B類放大器和AB類放大器。除上述已經使用的放大器之外，放大器的頻率已經比前者低得多了。
大多數A類放大器，B類放大器和AB類放大器使用推挽式發射極跟隨器作為其功放級的末級結構。
該推挽式發射極跟隨器包括一功率器件，該功率器件具有極性不同的兩個元件作為一對。如果該功率器件是一功率晶體管，則該功率器件包括一NPN型功率晶體管和一PNP型功率晶體管作為一對。
以下將分別給出關于A類放大器，B類放大器和AB類放大器的簡要說明。A類放大器備有上述連續工作在激發狀態的兩個功率晶體管。在B類放大器中，兩功率晶體管之一當另一個處于激發狀態時總是工作在截止區域。此外，AB類放大器形成在A類放大器和B類放大器之間的過渡(intermediate)工作狀態，使得當另一晶體管處于激發區域時，一個功率晶體管處于激發區域或截止區域。
現在將詳細描述上述推挽式發射極跟隨器。一組(set)構成該推挽式發射極跟隨器的功率器件串接在電源和作為負載的揚聲器再生裝置之間。具體地，當該功率器件被用作功率器件的例子時，電流按序從電源流經該功率晶體管的集電極端、該功率晶體管的發射極和揚聲器再生裝置再回到電源(地)。
根據以上描述的結構很明顯，電源電壓被分成加在該功率晶體管的集電極端和發射極端之間的一部分電壓以及加到作為負載的該揚聲器再生裝置上的電壓，換言之，由于施加到作為負載的揚聲器再生裝置的電流總是在功率晶體管的集電極端和發射極端之間通過，而且上述電壓施加在這兩端之間，因此電能將耗損在該功率晶體管上。此外，由于這個電能并未施加到作為負載的揚聲器再生裝置，因而產生了不希望有的功率耗損。結果在該功率晶體管的P-N結中產生了熱量。當假定消耗在該功率晶體管中的功率耗損為Pd時，則在A類放大器，B類放大器和AB類放大器中其耗損最小的B類放大器的功耗Pd被近似地由下式表示Pd=2×Vcc×VouTπ×RL-V2ouT2×RL----(1)]]>(這里電源電壓值為±Vcc，輸出電壓的幅值為Vout以及負載值為RL)如從該關系表示式了解到的，功耗Pd是取決于電源電壓值Vcc的一個值。通常，當輸出電壓的幅值VotT以及負載值RL均保持不變時，功耗Pd值隨電源電壓值增大而增大。這個事實適用于A類放大器和AB類放大器。
在此期間，當假定一個用于放大聲音信號的音頻信號放大器的最大輸出功率值為WMAX，WMAX由下述公式近似表示，而不考慮其工作類型，即，不考慮它是A類放大器，B類放大器還是AB類放大器時，WMAX=V2cc2×RL----(2)]]>從該式能理解到當負載值RL保持不變時，音頻信號放大器的最大輸出功率值WMax為只取決于電源電壓值Vcc的值。
目前，為了主要降低產品的生產成本，有必要使用在各種產品中的結構和另件標準化。在這種情況下，急需將音頻信號放大器和它的電源盡快使其標準化。
使音頻信號放大器及其電源標準化的中心問題在于上述電源電壓值和該音頻信號放大器的最大輸出功率之間的關系，以及在功率放大過程中的功耗。
假定現在進行音頻信號放大器及其電源的標準化，并且在相同電源電壓值條件下得到具有不同最大輸出功率值的音頻信號放大器。
通常，在一般音頻信號放大器的情況下，將一個熱量散熱器安裝在用于放大電能的功率器件上，以便抑制由于在功率放大過程時期產生的功耗而引起的溫升。在此情況下，設計者最初希望在具有一小的最大輸出功率值的音頻信號放大器上安裝一個較小的熱量散熱器。反之，由于較大的熱量散熱器因產品或類似物的尺寸限制或電源的輸出電流不能充分增加而不能安裝在音頻信號放大器上，所以最佳的辦法是限制該音頻信號放大器的最大輸出功率值。
如上所述，作為在相同電源電壓值Vcc條件下實現具有不同最大輸出功率電壓值的音頻信號放大器的一種方法可以是優選的，即，輸入到該音頻信號放大器的信號電壓的最大值是由該音頻信號放大器的最后增益(finish gain)條件限制的。在此情況下，該音頻信號放大器的輸出電壓被表示成(輸入信號電壓)×(音頻信號放大器的最后增益)。因此，當輸入到該音頻信號放大器的信號電壓的最大值被限制時，該音頻信號放大器的最大輸出功率也受到限制。
但是，如上所述，由于消耗在功率晶體管中的功率Pd主要取決于電源電壓值Vcc，即使最大輸出功率值由規定最大輸入電壓值加以限制，如果同具有原有的(original)最大輸出功率值的音頻信號放大器相比較，消耗在功率放大的功率晶體管中的功率Pd的值是難以改變的。因此，熱量散熱器必須具有類似固有最大輸出功率的音頻信號放大器的散熱器的尺寸。從而，限制輸入信號的最大電壓值將沒有意義。
此外，作為當電源電壓Vcc保持不變時用于限制最大輸出功率值的另外一種方法，可以被考慮的一種方法是，其中最大輸入電壓的幅度被預測，而音頻信號放大器的最后增益根據該幅度進行設置。然而按照這種方法不可能使消耗在功率晶體管中的功率Pd的值小于消耗在具有原有最大輸出功率值的音頻信號放大器的功率晶體管中的功率值Pd。
最后，當起負載作用的揚聲器再生裝置被確定時，只要通過降低提供給音頻信號放大器的電源電壓就能限制目前使用的A類放大器，B類放大器和AB類放大器中的最大輸出功率值，降低在功率放大階段期間的功耗，以及使熱量散熱器小型化。
如上所說，要注意到，當用于各種模擬信號，例如用于視頻信號，測量儀器的傳感器信號等的信號放大器的電源以及該音頻信號放大器被標準化時將產生相同的問題。
本發明的一個目的在于當電源電壓值保持不變以及被標準化的同時提供一種改進的模擬信號放大器和改進的音頻信號放大器，其中依賴由功耗引起的制約操作，最大輸出功率值能夠改變，并且熱量散熱器能夠小型化。
為達到上述目的，本發明的一個方案在于提供了一種模擬信號放大器，它包括用于限制輸入模擬信號的最大信號電壓值的一輸入限制裝置，以及用于將由該輸入限制裝置輸出的信號轉換成包括在一低頻分量(component)中的開關信號；并用于放大功率以及輸出功率放大的開關信號的一功率放大裝置。
此外，按照本發明另一方案提供的一種音頻信號放大器，用于放大輸入音頻信號，并將該放大的音頻信號提供到一揚聲器再生裝置，它包括用于限制輸入音頻信號的最大信號電壓值的一輸入限制裝置，以及一電壓/功率放大裝置，該電壓/功率放大裝置將由該輸入限制裝置輸出的信號電壓轉換成沿時間軸方向的信息，以便放大并將它作為功率輸出。
具體地，按照該模擬信號放大器，該輸入模擬信號的最大電壓值由限制裝置所限制，其輸出被送到功率放大裝置，并被轉換成一開關信號，以使輸入信號變成低頻分量，之后使功率被放大。
此外，按照該音頻信號放大器，輸入音頻信號的最大電壓值由輸入限制裝置限制，其輸出被送到功率放大裝置，并被轉換成沿時間軸(timing axis)方向的信息。之后該轉換的信息被放大并輸出用作功率。
下面將結合實施例參考附圖對本發明進行詳細描述

圖1是說明按照本發明一實施例的一種音頻信號放大器的示意結構的方框圖；圖2是說明用于圖1所示音頻信號放大器的一種輸入限制電路3的一個例子的示意結構方框圖；圖3是說明用于圖1所示音頻信號放大器的一種功率放大電路5的一個例子的示意結構的方框圖；圖4是用于說明圖3所示電路的工作的波形圖。
參照附圖，將描述關于按照本發明的一種音頻信號放大器的一個實施例。
如圖1所示，在本發明的一實施例的音頻信號放大器中，由信號源1以電壓變化的形式提供的一輸入信號通過輸入端2接收，電壓值在輸入限制電路3中受到限制，使用功率放大電路5將電功率進行放大，一個聲音信號被加到揚聲器再生裝置7。其中，功率放大電路5用于將來自輸入限制電路3的信號轉換為一低頻分量的開關信號，將該信號進行功率放大并輸出該開關信號。例如，在這種功率放大電路中，通過由脈寬調制(PWM)或類似機制瞬時地將輸入信號電壓的幅度信息轉換成沿時間軸方向的信息，這并不會使電源電壓值同音頻信號放大器相關，然后該轉換的信息被提供到所謂的D類放大部分它是用于功率放大的開關電路，功率就此被放大。
現在將詳細描述各個組成部分的結構和工作。
由信號源1通過輸入端2提供的輸入信號電壓加到輸入限制電路3。輸入限制電路3按照音頻信號放大器最大輸出功率值的限制來限制該輸入電壓值。功率受到限制的輸出被加到功率放大電路5。如圖2所示，輸入限制電路3包括衰減部分31和限制器部分32。衰減部分31是由輸入信號電壓設置電路4控制的電路并根據由該電路4提供的一個信號控制輸入信號電壓的幅度。由衰減部分31輸出的信號電壓被送到限制器部分32，其中確定上述信號電壓的最大值。換言之，該輸入限制電路3確定了按照本發明實施例的音頻信號放大器的最終的最大輸出電壓值。
假定能夠通過輸入限制電路3的最大信號電壓值為VINMAX，以及音頻信號放大器的最后增益為AG，則音頻信號放大器的最終的最大輸出電壓值能表示為VMAX＝VINMAX×AG(3)其中，如上所述，通過輸入限制電路3的最大信號電壓值由在輸入限制電路3中的限制器部分32確定。根據(被設置的一個音頻信號放大器的最大輸出電壓值)/AG的關系，輸入限制電路3的最大信號電壓值由在輸入限制電路3中的限制器部分32設定。
作為輸入限制電路3的衰減部分31，例如可以使用一個電子電位器(electronic Volume)那樣的可變衰減器，而其衰減量通過輸入信號電壓值設置電路4改變。作為限制器部分32，例如，可以使用普通的二極管限制器或由VCA(可變增益放大器)使用電平壓縮(leuel compression)的軟(soft)限制電路或類似的電路。當形成的放大器的最大輸出功率不同于上述功率時，限制器部分32可以由一種具有不同限制電壓的新器件取代，或者限制電壓可以通過使用一種限制電路加以改變，在該限制電路中，限制電壓能作某些調整。
之后，圖1所示的功率放大電路5對通過輸入限制電路3的信號電壓施加PWM調制。使信號電壓的幅度信息轉換成沿時間軸方向的信息，并由所謂的D類放大進行功率放大。例如D類放大器通過兩態操作功率晶體管的導通/截止來控制電源的切換并輸出PWM調制的功率信號。功效的最大值為100％，并且因此能極大地減小該晶體管的功耗。
圖3是上述功率放大電路5的具體結構示例。圖4說明圖3所示各部分的信號的波形。參照圖3，例如，如圖4A所示，來自輸入限制電路3的輸出電壓通過輸入端51加到相加和積分電路52。例如，如圖4B所示，占空比50％的一方波從一方波產生電路53加到相加和積分電路52。這些信號在相加和積分電路52中被相加和被積分。結果得到如圖4C所示波形的信號，并且該信號被送到一比較器54。圖4C所示的波形是由類似于圖4A虛線表示的波形的信號疊加在一三角波上形成的。合成波形在比較器54中同0電平相比較，結果得到如圖4D所示的矩形波信號。該矩形波信號在其低頻分量中包括圖4A所示的信號。該矩形信號由所謂D類放大器55進行放大，由此得到其幅度基本上等于電源電壓的一個矩形波信號。所得到的矩形波信號從輸出端56輸出。從輸出端56輸出的輸出信號作為功率放大電路5的輸出加到在圖1中說明的一聲音信號解調電路6。
圖1中所示的聲音信號解調電路6分解(remove)包括在功率放大電路5的輸信號中的開關頻率并將該輸出信號解調成類似于原始信號源的信號。之后，來自聲音信號解調電路6的解調信號，被加到揚聲器再生裝置7以便將揚聲器再生裝置7驅動。
聲音信號解調電路6包括一低通濾波器，使包括在功率放大電路5上的輸出信號中的開關頻率被分解(remove)，并將該輸出信號解調成類似于原始信號源的信號。將被解調的信號加到揚聲器再生裝置7由此驅動該器件7。
通常，在功率放大過程期間，由于音頻信號放大器中的功耗引起熱量的產生。按照本發明，由于所有輸入信號電壓的信息被調制成沿時間軸方向的信息，在功率放大過程期間加到功率放大電路5的電源電壓值與在這個音頻信號放大器中的功耗無關。
假定在功率放大電路5的D類放大部分中的一功率晶體管的飽和電壓為VSAT，輸出電流為IouT，D類放大部分基本開關周期為T，以及在D類放大部分中的基本開關波形(方波)的上升時間tr和下降時間tf都是足夠短的，該音頻信號放大器的功耗PDd被近似地由下式表示PDd=1T×∫T0(VSAT×IouT)dt----(4)]]>其中，當假定VSAT是常數，則基于輸出電流，功耗能夠明確地加以確定。
因此，由于輸入信號電壓值的限制引起通過聲音信號解調電路6加到作為負載的揚聲器再生裝置7的輸出電流也受到限制，使得在功率放大過程期間的功耗也同時受到限制。由此最大輸出功率值可以改變而不改變電源電壓值，而且熱量散熱器根據功耗的限制作用能做得小型化。
如上所述，按照本發明的音頻放大器，該輸入信號電壓的幅度信息在功率放大電路5中被瞬時地轉換成沿時間軸方向的信息，使得其在功率放大的過程中與施加到功率放大電路5的電源電壓值無關。結果最大輸出功率值可以被改變而不改變電源電壓值，而且熱量散熱器能夠被減小到與按功耗限制作用所要求的那樣小的程度。
需要指出的是本發明并不僅僅限制到上述實施例。作為一個輸入模擬信號例如，不僅是一個音頻信號的，而且也是各種類型的模擬信號，例如視頻信號，測試儀器的傳感信號等，只要它們要求功率放大，均可應用本發明。此外，在功率放大電路中可以應用例如一個PPM(脈沖相位調制)，一個PNM(脈沖數調制)或Δ∑調制替代PWM(脈沖寬度調制)，這意味著允許將輸入限制裝置的輸出信號轉換成具有包括在低頻分量中的原始模擬信號的開關信號。
如上所述，本發明的模擬信號放大器包括輸入限制裝置，用于限制輸入模擬信號的最大信號電壓值，以及功率放大裝置，用于將輸入限制裝置的輸出信號轉換成包括在低頻分量中的開關信號，并且用于放大其功率和輸出該開關信號，這樣，當電源電壓值保持不變時最大輸出功率能夠改變，而功耗能夠降低，以及使熱量散熱器或類似物能適用其最大輸出功率。
此外，按照本發明的音頻信號放大器，除上述效果外，能夠改變揚聲器再生裝置的最大輸出功率電壓，使熱量散熱器的尺寸視功耗的限制能夠減少。
權利要求
1.一種模擬信號放大器，包括；一輸入限制裝置，用于限制輸入模擬信號的最大信號電壓值；以及一功率放大裝置，用于將所說輸入限制裝置輸出的信號轉換成包括在一低頻分量中的開關信號，放大其功率并輸出經功率放大的開關信號。
2.按照權利要求1的模擬信號放大器，其中，提供一解調裝置，用于從所說功率放大裝置的輸出中取出或分解所說低頻分量。
3.按照權利要求1的模擬信號放大器，其中，所說功率放大裝置具有固定的電源電壓值。
4.按照權利要求1的模擬信號放大器，其中，所說功率放大裝置調制輸入信號的脈沖寬度并放大該已調制輸出的功率。
5.一種音頻信號放大器，用于放大輸入音頻信號并將放大的輸入音頻信號提供給揚聲器再生裝置，包括一輸入限制裝置，用于限制所說輸入音頻信號的最大信號電壓值；以及一電壓/功率放大裝置，用于將從該輸入限制裝置輸出的信號電壓轉換成沿時間軸方向的信息，并放大和輸出該信息用作功率。
6.按照權利要求5的音頻信號放大器，其中，提供一種解調裝置用于解調所說功率放大裝置的輸出。
7.按照權利要求5的音頻信號放大器，其中，所說電壓/功率放大裝置具有保持不變的電源電壓值。
8.按照權利要求5的音頻信號放大器，其中，所說電壓/功率放大裝置通過脈沖寬度調制將所說信號電壓的幅度信息轉換成沿時間軸方向的信息，之后放大并輸出該信息用作功率。
9.一種音頻信號放大器，用于放大輸入音頻信號并將放大的輸入音頻信號提供到揚聲器再生裝置，包括一信號源用于產生信號；一設定裝置，用于設定該信號的電壓；一輸入限制裝置，用于按照由所說設定裝置設定的所說電壓限制所說信號的電壓；一放大裝置，用于放大從所說輸入限制裝置輸出的所說信號；一調制裝置，用于調制從所說放大裝置輸出的所說信號；一再生裝置，用于再生所說信號。
10.按照權利要求9的音頻信號放大器，其中，所說輸入限制裝置具有一衰減裝置和一限制器裝置。
11.按照權利要求9的音頻信號放大器，其中，所說放大裝置具有一積分裝置；一方波產生裝置；一比較器和D類放大器。
全文摘要
模擬信號放大器和音頻信號放大器包括一輸入限制電路3其限制從輸入端2由信號源傳送的輸入信號電壓的最大信號電壓，一功率放大電路5，將通過輸入限制電路3的信號電壓轉換成具有包括在低頻分量中的輸入信號的開關信號，放大其功率并輸出經功率放大的開關信號，一聲音信號解調電路6分解包括在功率放大電路5的輸出信號中的開關頻率，并解調該開關頻率，使其成為類似于原始信號源的信號。以將其提供到揚聲器再生裝置7。
文檔編號H03G11/00GK1155182SQ96111870
公開日1997年7月23日 申請日期1996年8月27日 優先權日1995年8月30日
發明者吉田史, 前島吉道 申請人:索尼公司