功率放大器和輸入信號調節方法

功率放大器和輸入信號調節方法
【專利摘要】本發明涉及功率放大器和輸入信號調節方法。一種功率放大器，包括：D類放大器和輸入信號供應器。所述D類放大器包括輸入部和開關裝置。所述開關裝置根據被輸入到所述輸入部的輸入信號而切換，以便通過所述開關裝置將電流從電源供應至負載。所述輸入信號供應器將所述輸入信號供應給所述D類放大器的所述輸入部，計算在從具有指定內部阻抗特性的虛擬電源輸出流經所述負載的電流時將要從虛擬電源輸出的虛擬輸出電壓，并且根據所述虛擬輸出電壓調節所述輸入信號的振幅。
【專利說明】
功率放大器和輸入信號調節方法
技術領域
[0001]本公開涉及一種功率放大器以及一種輸入信號調節方法，并且更具體地涉及一種適合被用作吉他放大器的功率放大器。
【背景技術】
[0002]近年來，使用半導體裝置的功率放大器，諸如D類放大器，作為音頻功率放大器已經進入到廣泛使用。例如，在D類放大器中，輸出級晶體管根據輸入音頻信號通過脈寬調制生成的PWM脈沖序列而被開/關切換，并且經由輸出級晶體管將電流從電源供應給揚聲器。D類放大器能夠高效地將功率供應給揚聲器，因為它們輸出阻抗非常低，并且因此輸出級晶體管的損耗非常低。更具體地，盡管揚聲器的阻抗為8至16 Ω，但是D類放大器的輸出阻抗近似等于0Ω。
[0003]此外，在D類放大器中，被輸入到揚聲器的電壓通常被反饋給輸入部，并且根據輸入音頻信號和負反饋信號之間的差控制D類放大器。因此，D類放大器能夠執行在其中相應于輸入音頻信號的電壓獨立于頻率地被供應給揚聲器的恒定電壓驅動。相關技術文獻中涉及D類放大器的示范性文獻為W02003/090343。
[0004]即使在使用半導體裝置的功率放大器普遍使用的今天，真空管放大器仍被頻繁地用作放大電吉他的輸出信號的吉他放大器。這是因為真空管放大器允許揚聲器以高音量級發出具有演奏者優選的質量的聲音，這與使用半導體裝置的功率放大器相反。
[0005]在使用真空管放大器的情況下，對再現聲音質量具有很大影響的因素是用于真空管放大器的功率源的特性。更具體地，對于真空管放大器，使用具有內部電容器和相對大的內部阻抗的功率放大器。結果，真空管放大器能夠提供相對于連續波最大功率的大的瞬時最大功率，并且使得可能瞬時發出高音量級的聲音。因而，真空管放大器憑借它們的恒定電流輸出特性和上述功率源特性實現了具有獨特質量的再現聲音。
[0006]然而，真空管放大器由于它們的尺寸和重量大而不便于處理。真空管放大器在輸出級采用輸出阻抗高并且因此在輸出級承受大損耗的五級真空管，這導致了它們不能高效地驅動負載(揚聲器)的另一問題。
[0007]因此，為了高效地驅動負載，必需使用D類放大器。在這種情況下，為了允許D類放大器執行與真空管放大器所實現的水平相同的水平的聲音再現，可設想對D類放大器采用與用于真空管放大器的電源相同的電源的方法。然而，用于真空管放大器的電源具有比用于D類放大器的電源更大的內部阻抗值。在這種具有高內部阻抗的電源被用于D類放大器時，產生了 D類放大器難以執行恒定電壓驅動的問題，并且因此D類放大器不能適當地執行其功能。

【發明內容】

[0008]已經在上述情況下做出本公開，并且因此，本公開的目標在于提供一種功率放大器和一種輸入信號調節方法，使得能夠在不損傷D類放大器的功能的情況下，獲得與采用除D類放大器以外的、使用與D類放大器通常使用的電源不同的電源的放大器(例如，真空管放大器)所獲得的水平相同的水平的聲音再現。
[0009]本公開提供一種功率放大器，包括:
[0010]D類放大器，所述D類放大器包括輸入部和開關裝置，其中開關裝置根據被輸入到該輸入部的輸入信號而切換，以便通過所述開關裝置將電流從電源供應至負載;以及
[0011]輸入信號供應器，所述輸入信號供應器被配置成將所述輸入信號供應給D類放大器的所述輸入部，計算在從具有指定內部阻抗特性的虛擬電源輸出流經所述負載的電流時將要從虛擬電源輸出的虛擬輸出電壓，并且根據所述虛擬輸出電壓調節所述輸入信號的振巾畐O
[0012]在本公開中，根據在從虛擬電源輸出流經負載的電流時發生的虛擬電源的虛擬輸出電壓，調節對D類放大器的輸入部的輸入信號的振幅，由此調節從D類放大器供應給負載的電流。這使得能夠在不損傷D類放大器的功能的情況下，獲得如通過使用任何各種類型的虛擬電源的放大器所獲得的聲音再現。
【附圖說明】
[0013]圖1是示出根據本公開的實施例的功率放大器的配置的電路圖。
[0014]圖2是示出實施例中使用的虛擬電源的等效電路的配置的電路圖。
[0015]圖3是示出由實施例中使用的輸入信號供應器的DSP執行的信號處理的細節的方框圖。
[0016]圖4示出全音域揚聲器的阻抗的示例頻率特性。
[0017]圖5A和5B分別示出D類放大器和真空管放大器的輸出電壓的頻率特性。
[0018]圖6比較了根據實施例的功率放大器的輸出電流特性和真空管放大器與參考示例功率放大器的輸出電流特性。
[0019]圖7是示出真空管放大器的電源電壓和輸出信號的示例波形的波形圖。
[0020]圖8是示出根據本公開的另一實施例的功率放大器的配置的電路圖。
【具體實施方式】
[0021]下面將參考附圖描述本公開的實施例。圖1是示出根據本公開的實施例的功率放大器的配置的電路圖。為了促進對功率放大器I的理解，也在圖1中示出了其為功率放大器I的負載的揚聲器SP。
[0022]如圖1中所示，功率放大器I包括輸入信號供應器50、D類放大器100、負載電流反饋電路200和濾波器電流反饋電路300。
[0023]輸入信號供應器50是用于在被輸入到功率放大器I的音頻信號AIN上執行振幅調節，并且由此將輸入信號AIN’供應給D類放大器100的電路。根據實施例的功率放大器I可以被用作電吉他放大器，在這種情況下，電吉他的輸出信號作為音頻信號AIN被供應給輸入信號供應器50。下面將描述輸入信號供應器50的細節。
[0024]D類放大器100包括運算放大器(或者比較儀)110、輸出級120、濾波器130和反饋電阻器140。
[0025]運算放大器110是用作向其輸入D類放大器100的輸入信號的輸入部的電路。輸入信號AIN’被從輸入信號供應器50輸入至運算放大器100的同相輸入端子。
[0026]輸出級120包括作為開關裝置的晶體管121和晶體管122，晶體管121被提供在正電源+B和輸出級120的輸出端子123之間，以及晶體管122被提供在負電源-B和輸出級120的輸出端子123之間。例如，晶體管121和122為MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)。在輸出級120中，根據運算放大器110的輸出信號，正電源+B通過接通晶體管121和斷開晶體管122被連接至輸出端子123，或者負電源-B通過斷開晶體管121和接通晶體管122被連接至輸出端子123。因此，輸出級120的輸出信號具有矩形波形。
[0027]濾波器130是消除來自輸出級120的輸出信號處于高于音頻段的頻率范圍內的高頻分量，并且將剩余的音頻段頻率分量供應給揚聲器SP的低通濾波器。濾波器130包括電感器131和電容器132。電感器131被提供在輸出級120的輸出端子123和揚聲器SP的一個端子(節點133)之間。電容器132的一端被連接到在電感器131和揚聲器SP之間的節點133，以及另一端經由濾波器電流反饋電路300的電流檢測電阻器310接地。也就是說，電容器132并聯地連接至其為負載的揚聲器SP。
[0028]反饋電阻器140被提供在節點133和運算放大器110的反相輸入端子之間，節點133處于電感器131和揚聲器SP之間。反饋電阻器140是將揚聲器SP的輸出電壓反饋給運算放大器110(其為D類放大器100的輸入部)，并且由此引起D類放大器100自振蕩的自振蕩反饋回路的一部分。以指定自振蕩頻率振蕩時，D類放大器100基于輸入信號AIN’，通過脈寬調制從輸出級120輸出PffM脈沖序列。濾波器130用于消除來自PffM脈沖序列處于高于自振蕩頻率的頻率范圍內的高頻分量，并且將結果信號供應給揚聲器SP。對D類放大器100的配置的描述在此完成。
[0029]負載電流反饋電路200是用于將流經揚聲器SP(其為D類放大器100的負載)的負載電流負反饋給其為D類放大器100的輸入部的運算放大器100的電路。負載電流反饋電路200包括電流檢測電阻器210、放大部220和耦合部230。
[0030]電流檢測電阻器210被提供在揚聲器SP的、與節點133相對的端子和地線之間。放大部220具有運算放大器221和電阻器222與223。運算放大器221的反相輸入端子經由電阻器222接地，并且經由電阻器223連接至運算放大器221的輸出端子。跨電流檢測電阻器210的電壓被應用于運算放大器221的同相端子。因此，放大部220以增益(Ra+Rb)/Ra放大跨電流檢測電阻器210的電壓并且輸出結果信號，其中Ra和Rb分別是電阻器222和223的電阻。在實施例中，由于以這種方式通過放大部220將跨電流檢測電阻器220的電壓放大為足夠高的電壓，所以能夠使電流檢測電阻器210的電阻小。
[0031]耦合部230是被提供在放大部220的輸出端子和運算放大器110的反相端子之間的電阻器231和電容器232的串聯連接。耦合部230用于通過負載電流反饋電路220調節負反饋的反饋量的頻率特性。
[0032]濾波器電流反饋電路300是用于將流經濾波器130的電容器132的電流負反饋給其為D類放大器100的輸入部的運算放大器110的電路。濾波器電流反饋電路300包括電流檢測電阻器310和耦合部320。耦合部320是被提供在運算放大器110的反相端子，與電流檢測電阻器310和電容器132之間的連接點之間的電阻器321和電容器322的串聯連接。耦合部320用于通過濾波器電流反饋電路300調節負反饋的反饋量的頻率特性。
[0033]接下來，將描述輸入信號供應器50。輸入信號供應器50是用于確定其為在從虛擬電源輸出流經揚聲器SP(負載)的電流時發生的指定虛擬電源的輸出電壓的虛擬輸出電壓，并且根據所確定的虛擬輸出電壓來調節對D類放大器100的輸入部的輸入信號AIN’的振幅的電路。該實施例中使用的指定虛擬電源是具有指定內部阻抗特性的電源;在該實施例中，虛擬電源被假定為有意用于真空管放大器并且具有高阻抗的電源。
[0034]輸入信號供應器50被提供在D類放大器100的上游的原因如下。通常，在真空管放大器中，使用具有比D類真空管的內部阻抗值更大的內部阻抗值的電源。在使用真空管放大器的聲音再現中，經由真空管放大器從電源流經揚聲器的負載電流根據揚聲器的阻抗變化而很大程度地變化。結果，負載電流在電源內部引起了用作確定揚聲器的再現聲音的獨特質量的一個因素的大電壓降。
[0035]—種用于實現與采用真空管放大器所獲得的同樣質量水平的聲音再現的方法將是使用自身具有如用于真空管放大器的高內部阻抗的電源，作為D類放大器100的輸出級120的電源。
[0036]然而，為了實現以高速瞬時響應于快速變化的音頻信號的放大操作，使用具有低內部阻抗的電源是必要的。具有高內部阻抗的、如用于真空管放大器的電源不能實現提供這種超高瞬時響應的功率放大。
[0037]考慮到上述情況，在該實施例中，如用于普通D類放大器的具有小內部阻抗值的電源+B和-B被用作D類放大器100的輸出級120的電源，并且內部信號供應器50被提供在D類放大器100的上游，以補償對電源+B和-B的使用。
[0038]輸入信號供應器50確定其為在從虛擬電源輸出流經揚聲器SP的負載電流時發生的虛擬電源(在該實施例中為用于真空管放大器的電源)的輸出電壓的虛擬輸出電壓，并且根據所確定的輸出電壓調節輸入信號AIN’的振幅。例如，假定晶體管121已經被接通，并且負載電流I已經經由晶體管121從電源+B流經揚聲器SP。并且同樣假定當負載電流I已經被從虛擬電源輸出時，虛擬電源的虛擬輸出電壓已經由于跨虛擬電源的內部阻抗的電壓降而從+B變為+αΒ(0〈α〈1))
[0039]基于這些假定，輸入信號供應器50通過將音頻信號AIN乘以α，并且將作為結果的振幅調節信號AIN’=CiAIN供應給D類放大器100來調節被輸入到功率放大器I的音頻信號AIN的振幅。以這種方式調節輸入信號的振幅使得可以實現與采用真空管放大器所獲得的質量水平相同的質量水平的聲音再現。
[0040]如圖1中所示，輸入信號供應器50包括A/D轉換器51、DSP 52、D/A轉換器53、檢波電路54和A/D轉換器55。檢波電路54對跨電流檢測電阻器210的AC電壓全波整流，以及使其在時間軸上平滑，并且輸出代表流經電流檢測電阻器210的AC電流的振幅包絡波形的模擬信號。A/D轉換器51、D/A轉換器53、A/D轉換器55和DSP 52與公共采樣鐘Φ同步操作。
[0041]甚至更具體地，A/D轉換器55通過根據采樣鐘Φ對模擬信號采樣來將從檢波電路54輸出的模擬信號轉換為數字信號，并且輸出作為結果的數字信號。A/D轉換器51通過根據采樣鐘Φ對音頻信號AIN采樣來將從被輸入到功率放大器I的音頻信號AIN轉換為數字信號，并且輸出作為結果的數字信號。DSP 52使用A/D轉換器51和55的輸出信號執行與公共采樣鐘Φ同步的數字處理，并且輸出作為結果的數字信號。D/A轉換器53保持與公共采樣鐘Φ同步的DSP 52的輸出信號，并且將該輸出信號轉換為其為模擬信號的輸入信號AIN’，并且將作為結果的輸入信號AIN’輸出至D類放大器。
[0042]下面將描述由DSP52執行的數字信號處理。DSP 52通過模擬圖2中所示的虛擬電源56的等效電路的操作來計算系數α(下文所述)，以及將A/D轉換器51的輸出信號乘以系數α，并且輸出作為結果的信號。為了促進對DSP 52執行的處理的細節的理解，在圖2中不僅示出了虛擬電源56，而且也示出了輸出級120。
[0043]如圖2中所示，虛擬電源56包括內部DC電壓源V1、內部電感器L、內部電阻器R和內部電容器C ο內部DC電壓源Vi的負極接地。內部DC電壓源Vi的正極經由內部電感器L和內部電阻器R的串聯連接被連接至輸出級120的高電勢電源端子(S卩，電源+B與其連接的電源端子)。內部電容器C被連接在輸出級120的高電勢電源端子和地線之間。在用于真空管放大器的電源中，內部電感器L的電感約為幾十亨利，內部電阻器R的電阻約為幾十歐姆，以及內部電容器C的電容約為幾十微法拉。這些值取決于真空管放大器的類型。
[0044]采用具有上述配置的虛擬電源56，由下列方程(I)給出其虛擬輸出電壓:
[0045]Vo = V1-1Z.....(I)
[0046]其中Z是內部電感L、內部電阻R和內部電容C的合成阻抗，以及I代表由Α/D轉換器55的輸出信號指不的負載電流。
[0047]在方程(I)中，阻抗Z和負載電流I取決于頻率f。因此，虛擬電源56的虛擬輸出電壓Vo也取決于頻率f，并且因此寫成Vo(f)。
[0048]DSP 52基于在過去的指定時段中接收的負載電流I的采樣序列確定負載電流I的頻率特性I(f)，并且基于所確定的負載電流I的頻率特性I(f)和根據上述方程(I)的阻抗Z的頻率特性Z(f)來計算虛擬電源56的虛擬輸出電壓Vo的頻率特性Vo (f)。然后，DSP 52通過將虛擬電源56的虛擬輸出電壓Vo的頻率特性Vo (f)除以輸出級120的電源電壓+B來計算系數a(f)=Vo(f)/B0
[0049]之后，DSP52使用系數a(f)在Α/D轉換器51的輸出信號上執行信號處理。圖3是示出使用系數a(f)的信號處理的細節的方框圖。如圖3中所示，由N個BPFs 501_k(k= I至N)、N個乘法器502_k(k= I至N)和N個移相器503_k(k= I至N)，以及加法器504執行使用系數a(f)的信號處理。
[0050]在該實施例中，至于其為對頻率f連續的函數的系數a(f)，對從可聽頻率范圍中選擇的并且用于信號處理的N個代表性頻率fk(k=l至N)計算系數a(fk)(k=l至N)。圖3中所示的BPFs 501_k(k=l至N)的通帶的中心頻率分別被設為fk(k=l至N) oBPFs 501_k(k= I至N)從A/D轉換器51的輸出信號中選擇處于它們分別的通帶內的信號，并且輸出所選信號。[0051 ] 乘法器502_k(k=l至N)和移相器503_k(k=l至N)組成用于將BPFs 501_k(k=l至N)的輸出信號分別乘以系數a(fk)(k=l至N)的裝置。甚至更具體地，系數a(fk)是復數，并且由下列方程(2)給出:
[0052]a(fk) =a(fk).exp( j0(fk)).....(2)
[0053]乘法器502_k(k=l至N)將BPFs 501_k(k=l至N)的輸出信號分別乘以系數a(fk)(k=l至N)的絕對值a(fk)，并且輸出乘法結果。移相器503_k(k=l至N)將相應于幅角0(fk)(k=l至N)的相移分別賦予乘法器502_k(k=l至N)的輸出信號，并且輸出作為結果的信號。加法器504將移相器503_k(k=l至N)的輸出信號加和在一起，并且輸出結果信號。加法器504的輸出信號被D/Α轉換器53進行D/Α轉換，并且作為結果的模擬信號作為輸入信號AIN’被輸入至D類放大器100。對根據實施例的功率放大器I的配置的描述在此完成。
[0054]接下來，將做出根據實施例的功率放大器I如何操作的說明。在D類放大器100中，在輸出級120的輸出信號經過濾波器130和反饋電阻器140時，該輸出信號被賦予相位旋轉，并且因而被反饋給運算放大器110(輸入部)。結果，D類放大器100自振蕩。D類放大器100被設計成其自振蕩頻率足夠高于輸入信號AIN’的頻率范圍。
[0055]鑒于輸出級120的輸出信號為矩形波，因為矩形波在濾波器130(電容器132)中經過一階積分，所以節點133處的信號波形為三角形。運算放大器110將輸入信號AIN’與經由反饋電阻器140從節點133處反饋的三角波進行比較。結果，根據輸入音頻信號通過脈寬調制生成的PWM脈沖序列被從運算放大器110輸出，并且然后經由輸出級120被輸入給濾波器130。通過濾波器130從PffM脈沖序列中消除了高頻分量，并且將作為結果的信號供應給揚聲器SP ο
[0056]更具體地，當輸入信號AIN’的電壓等于OV時，輸出級120輸出具有50%占空比的Pmi脈沖序列，并且揚聲器SP接收電壓0V。隨著輸入信號AIN’的電壓在正方向中從OV變化，從輸出級120輸出的PWM脈沖序列的占空比從50%變為100% (在最大情況下)，并且被應用于揚聲器SP的電壓從OV變為+B(在最大情況下)。另一方面，隨著輸入信號AIN’的電壓在負方向中從OV變化，從輸出級120輸出的Pmi脈沖序列的占空比從50 %變為O % (在最小情況下)，并且被應用于揚聲器SP的電壓從OV變為-B(在最小情況下)。以這種方式，在波形中接近輸入信號AIN’的信號被應用于揚聲器SP。
[0057]在D類放大器100以上述方式執行放大操作時，負載電流反饋電路200將流經揚聲器SP的負載電流I負反饋給其為D類放大器100的輸入部的運算放大器110，并且濾波器電流反饋電路300將流經濾波器130的電流負反饋給相同的運算放大器110。作為這些負反饋控制的結果，無關于揚聲器SP的驅動頻率，流經揚聲器SP的負載電流保持恒定。
[0058]此外，在D類放大器100執行放大操作時，輸入信號供應器50根據流經揚聲器SP的負載電流I調節將被供應給D類放大器100的輸入信號AIN’的振幅。甚至更具體地，輸入信號供應器50的DSP 52確定其為在從虛擬電源輸出負載電流I時發生的虛擬電源(在該實施例中是用于真空管放大器的電源)的輸出電壓的虛擬輸出電壓Vo。并且DSP 52供應已經使用由虛擬輸出電壓Vo確定的系數α來調節其振幅的輸入信號ΑΙΝ’=αΑΙΝ。
[0059]通過調節輸入信號AIN’的振幅，用于接通D類放大器100的輸出級120的開關裝置的脈沖的脈沖寬度被調節，并且從D類放大器100輸出至揚聲器SP的負載電流I由此被調節。作為這些調節的結果，產生與在由真空管放大器驅動揚聲器SP的情況中的水平相同的水平的聲音再現。
[0060]接下來，將描述實施例的優點。圖4示出全音域揚聲器的阻抗的示例頻率特性。大體上，全音域揚聲器具有約80至10Hz的共振頻率f0，并且它們的阻抗在共振頻率f0處高。共振頻率fO周圍的頻率范圍是確定電吉他的聲音質量的重要范圍，因為該頻率范圍相應于將由電吉他的第五和第六弦產生的聲音的音域。
[0061]具有輸出電壓的負反饋的功率放大器(例如，一般的D類放大器)，即在揚聲器上執行恒定電壓驅動的功率放大器，在不受揚聲器的阻抗的頻率特性的影響的情況下，使用相應于輸入音頻信號的電壓驅動揚聲器。因此，如圖5A中所示，即使在其中揚聲器的阻抗高的共振頻率f0周圍的頻率范圍內，也以恒定電壓驅動揚聲器。結果，揚聲器的振動振幅，以及因此從揚聲器發出的聲音的振幅保持恒定。
[0062]另一方面，大體上，作為輸出放大裝置的真空管放大器使用輸出阻抗高的五級真空管。使用五級真空管的真空管放大器以相應于被供應給真空管的柵極的輸入信號、與揚聲器的阻抗變化無關的恒定電流驅動揚聲器。因此，如圖5B中所示，在其中揚聲器的阻抗高的共振頻率f0周圍的頻率范圍內，真空管放大器以其驅動揚聲器的電壓增大。揚聲器的振動振幅以及因此從揚聲器發出的聲音的振幅增大。
[0063]結果，使得電吉他的第五和第六弦生成的聲音是獨特、有力的聲音，并且演奏者堅定地理解這種特征。例如，當揚聲器被其最大輸出功率為100W的真空管放大器驅動時，揚聲器在共振頻率f0周圍的頻率范圍內被賦予接近90V的峰值電壓，并且因此能夠發出有力、大音量的聲音。
[0064]為了在例如揚聲器被一般的D類放大器驅動的情況下，在共振頻率??周圍的頻率范圍內將足夠大的負載電流供應給揚聲器，D類放大器需要具有高輸出級的電源電壓，并且因而能夠提供大輸出功率。然而，在揚聲器被這種高功率D類放大器驅動的情況下，即使在其中揚聲器的阻抗低的頻率范圍內，也執行恒定電壓驅動，并且過量電流可以流經揚聲器，可能導致揚聲器受損。
[0065]相反，在該實施例中，在D類揚聲器100執行放大操作時，負載電流反饋電路200將流經揚聲器SP的負載電流負反饋給其為D類放大器100的輸入部的運算放大器110，并且濾波器電流反饋電路300將流經濾波器130的電流負反饋給相同的運算放大器110。如果揚聲器SP的驅動頻率變化，使得增大了揚聲器SP的阻抗，并且由此減小了流經揚聲器SP的負載電流，則經由負載電流反饋電路200被供應給D類放大器100的輸入部的反饋信號減小，從而增大了D類放大器100的輸出信號。結果，從D類放大器100供應給揚聲器SP的有效電壓增大，從而增大了流經揚聲器SP的負載電流。
[0066]另一方面，如果揚聲器SP的驅動頻率變化，使得減小了揚聲器SP的阻抗，并且由此增大了流經揚聲器SP的負載電流，則經由負載電流反饋電路200被供應給D類放大器100的輸入部的反饋信號增大，從而減小了 D類放大器100的輸出信號。結果，從D類放大器100供應給揚聲器SP的有效電壓減小，從而減小了流經揚聲器SP的負載電流。作為這種負反饋控制的結果，無關于揚聲器SP的驅動頻率，流經揚聲器SP的負載電流保持恒定。
[0067]如上所述，在該實施例中，通過將流經揚聲器SP的負載電流負反饋給D類放大器100的輸入部，能夠有效地增大或者減小D類放大器100的輸出阻抗，并且能夠恒定保持源自D類放大器100并且流經揚聲器SP的負載電流。這使得可以通過允許在其中揚聲器SP的阻抗增大的共振頻率f0附近的80至10Hz頻率范圍內流經揚聲器SP的足夠大的負載電流來實現發出大音量的聲音。
[0068]此外，在該實施例中，由于執行無關于揚聲器SP的驅動頻率而保持流經揚聲器SP的負載電流恒定的控制，所以在除了共振頻率f0周圍的80至10Hz的頻率范圍之外的頻率范圍內防止了過量電流流經揚聲器SP，并且由此能夠防止揚聲器受損。以這種方式，根據實施例的使用半導體裝置的功率放大器I能夠實現傳統僅能夠通過真空管放大器來實現的高質量、大音量的聲音再現。
[0069]該實施例也提供了能夠防止D類放大器100的自振蕩頻率減少的優點，這將在下文詳細描述。在諸如D類放大器100的自振蕩放大器中，通過調節開環增益特性和相位特性來將自振蕩頻率設置為高于音頻段(低于20kHz)的頻率(例如，200至500kHz)是必要的。
[0070]然而，在該實施例中，主反饋路徑是負載電流反饋電路200的路徑，并且電壓反饋的貢獻的百分比小。因此，其為電壓反饋點的濾波器130的輸出節點133處的阻抗降低，從而使得其為確定自振蕩頻率的因素之一的開環增益特性退化。如果不采取適當措施，則自振蕩頻率變為低于預期頻率(例如，200至500kHz)的頻率(例如，30至50kHz)。考慮到這種情況，在該實施例中，除了負載電流反饋電路200之外，還提供了濾波器電流反饋電路300。[0071 ]在濾波器130中，由從輸出級120輸出的P麗脈沖的高頻分量(高于LC共振頻率)生成流經被并聯連接至揚聲器SP(負載)的電容器132的電流。通過反饋流經濾波器130的電容器132的電流，能夠防止高頻開環增益特性退化，由此能夠使得D類放大器100的自振蕩頻率等于未配有負載電流反饋電路200的傳統自振蕩放大器的頻率。
[0072]此外，與真空管放大器不同，根據實施例的采用半導體裝置的功率放大器I的尺寸和重量能夠被減少，并且便于處理。另外，與真空管放大器不同，根據實施例的采用其中輸出級120中的損耗低的D類放大器100的功率放大器I能夠以高頻率驅動揚聲器SP。
[0073]再進一步，在該實施例中，由于提供了輸入信號供應器50，所以能夠通過模擬包括電源的真空管放大器的操作由D類放大器再現真空管放大器的聲音再現。下面將描述這種優點。
[0074]圖6示出通過從根據實施例的功率放大器I移除輸入信號供應器50而獲得的功率放大器的輸出電流特性11、真空管放大器的輸出電流特性12和根據實施例的功率放大器I的輸出電流特性13。在圖6中，水平軸代表時間t，以及垂直軸代表從功率放大器供應的負載電流。圖6示出在輸入信號AIN的振幅從時間t = 0處的OV逐步升高時，從分別的功率放大器供應給揚聲器(負載)的負載電流Il、12、13隨時間的變化。
[0075]如圖6中所示，在無輸入信號供應器50的功率放大器中，在輸入信號AIN的振幅在時間t = 0處逐步升高之后，相應于輸入信號AIN的振幅的恒定負載電流Il繼續被供應給負載。
[0076]另一方面，被用作吉他放大器的真空管放大器進行接近恒定電流操作的操作。其為真空管放大器的負載的揚聲器的阻抗在揚聲器的共振頻率f0周圍高。因此，可能發生真空管放大器的輸出信號被限幅于應用于真空管放大器的電源電壓電平的事件。圖7示出這種真空管放大器的示例操作。
[0077]當對真空管放大器的輸入信號AIN的振幅在時間t= 0處升高至太大的值，使得其輸出信號被限幅時，被應用于真空管放大器的電源電壓+B和-B以及其輸出信號Vsp如圖7中所示地變化。也就是說，在時間t = 0之后，被應用于真空管放大器的電源電壓+B和-B逐漸降低，并且真空管放大器的輸出信號Vsp的限幅電平也逐漸降低。
[0078]結果，在真空管放大器中，如圖6中所示，在輸入信號AIN的振幅在時間t= 0處升高至太大的值，使得其輸出信號被限幅時，流經負載的負載電流12隨著時間的消逝而緩慢減小。如果真空管放大器在揚聲器的共振頻率f0周圍的頻率范圍內產生如圖7中所示的輸出信號Vsp，則能夠實現具有超高聲壓感覺的聲音再現。真空管放大器的這類特性對于吉他演奏者特別重要。
[0079]上述現象由于用于真空管放大器的電源而發生。如圖2中所示，用于真空管放大器的電源包括電容器C。當輸入信號AIN的振幅逐步升高時，存儲在電容器C中的電荷經由真空管放大器被供應給負載。因此，在輸入信號AIN的振幅升高至太大的值使得其輸出信號被限幅的瞬間，大電流被從真空管放大器供應至負載。然而，隨著之后電容器C被放電，由于電源的內部阻抗高，所以用于真空管放大器的電源的輸出電壓以及因此從真空管放大器供應給負載的負載電流逐漸減小。以這種方式，真空管放大器能夠提供相對于連續最大功率的大瞬時最大功率，并且因而使得能夠瞬時發出大音量聲音。
[0080]在根據實施例的功率放大器I中，輸入信號供應器50模擬圖2中所示的虛擬電源56的操作，并且根據虛擬電源56輸出負載電流1(f)時發生的虛擬輸出電壓Vo(f)來調節輸入信號AIN’的振幅。因此，與真空管放大器的情況相同，流經負載的負載電流13在輸入信號AIN的振幅逐步升高后隨著時間消逝而緩慢減小。
[0081]另一方面，在該實施例中，與一般D類放大器中相同，具有低內部阻抗的電源+B和-B被連接至D類放大器100的輸出級120，并且輸出級120輸出其H電平和L電平分別為+B和-B的矩形脈沖。并且輸入信號供應器50通過調節將被賦予D類放大器100的輸入信號AIN’的振幅，實現了與真空管放大器的輸出電流特性類似的輸出電流特性。因而，該實施例能夠實現與采用真空管放大器所實現的水平相同的水平的聲音再現。
[0082]〈其它實施例〉
[0083]上文已經描述了本公開的一個實施例。本公開的其它可能實施例如下:
[0084](I)可以以這種方式配置功率放大器1:涉及圖2中所示的虛擬電源56的配置的信息，諸如L、R和C值被存儲在存儲器中，并且DSP52從存儲器讀取該信息，并且基于負載電流I(0而計算系數<1(0。
[0085](2)功率放大器I可以是這樣的:忽略系數a(f)的幅角0(fk)，并且省略移相器503_k(k=l至N) ο
[0086](3)在上述實施例中，基于涉及虛擬電源56的配置的信息計算在虛擬電源56輸出負載電流Hf)時發生的虛擬輸出電壓Vo(f)。作為代替，功率放大器I可以是這樣的:指示顯示虛擬電源56的輸出電流I (f)和輸出電壓Vo (f)之間的關系的輸出電流對輸出電壓特性的表等等被存儲在存儲器中，并且DSP 52基于負載電流1(f)和存儲在存儲器內的信息計算虛擬輸出電壓Vo(f)。在這種情況下，為了減少表的數據量和DSP 52的計算量，可以僅使用輸出電流I (f)和輸出電壓Vo (f)的絕對值，即忽略它們的幅角，來定義輸出電流對輸出電壓特性。
[0087](4)雖然在上述實施例中，在對D類放大器100的輸入信號AIN’的振幅調節中僅涉及流經揚聲器SP的負載電流，但是在輸入信號AIN’的振幅調節中，除了負載電流之外，也可以涉及被應用于揚聲器SP的輸出電壓。
[0088](5)在將被模擬的電源是將連接至具有輸出變壓器的真空管放大器的電源的情況下，輸入信號供應器50的DSP 52可以執行以下信號放大處理。首先，令用于真空管放大器的電源電路的內部電感、內部電阻和內部電容由L、Rs和C表示，并且令真空管放大器的輸出變壓器的初級側的匝數和次級側的匝數由nl和π2表示。流經輸出變壓器的初級繞組的電流變為等于(n2/nl)I，其中I為被從輸出變壓器的次級繞組供應給揚聲器SP的電流。電流(η2/nl) I被從電源輸出至真空管放大器。
[0089]假定虛擬電源具有內部電感Ld = LX (n2/nl)2、內部電阻Rsd = RsX (n2/nl)2和內部電容Cd = CX (nl/n2)2 ASP 52根據在虛擬電源輸出流經揚聲器SP的電流時發生的虛擬電源的虛擬輸出電壓，執行用于調節對D類放大器100的輸入信號AIN’的振幅的信號放大處理。根據該實施例的功率放大器I使得可以再現如具有輸出變壓器的真空管放大器所執行的聲音再現。
[0090](6)雖然在上述實施例中，基于流經揚聲器SP的負載電流調節對D類放大器100的輸入信號AIN’的振幅，但是可以基于被應用于揚聲器SP的輸出電壓執行輸入信號AIN’的振幅調節。
[0091]圖8是示出在其中基于被應用于揚聲器SP的輸出電壓執行輸入信號AIN’的振幅調節的功率放大器Ia的配置的電路圖。以這種方式配置功率放大器la:將電阻器521和522添加至根據上述實施例的功率放大器I，并且由輸入信號供應器50a代替功率放大器I的輸入信號供應器50。在輸入信號供應器50a中，由DSP 52a代替輸入信號供應器50的DSP 52。
[0092]如圖8中所示，被應用于揚聲器SP的輸出電壓也被應用于具有電阻器521和522的分壓電路。具有電阻器521和522的分壓電路的輸出電壓被檢波電路54檢測，并且被Α/D轉換器55轉換為被供應給DSP 52a的數字信號。DSP 52a基于被供應給揚聲器SP的由Α/D轉換器55的輸出信號指示的輸出電壓，以及被提前存儲的揚聲器SP的阻抗特性，計算流經揚聲器SP的負載電流I。被賦予DSP 52的揚聲器SP的阻抗特性可以是通過在激活功率放大器Ia時在揚聲器SP上的測量所獲得的阻抗特性，或者通過從工廠出貨時的測量所獲得的阻抗特性。
[0093]與上述實施例中使用的DSP52相似，DSP 52a計算在虛擬電源輸出負載電流I時發生的虛擬電源56的虛擬輸出電壓Vo，使用由虛擬輸出電壓Vo確定的系數α調節Α/D轉換器51的輸出信號的振幅，并且將振幅調節的輸入信號AIN’=CtAIN供應給D類放大器100。該實施例提供了與上述實施例的優點相同的優點。
[0094]下面將把根據本公開實施例的上述功率放大器以及輸入信號調節方法的特征總結為各項目[1]_[12]。
[0095][ I ]本公開提供一種功率放大器，包括:
[0096]D類放大器，所述D類放大器包括輸入部和開關裝置，其中所述開關裝置根據被輸入到所述輸入部的輸入信號而切換，以便通過所述開關裝置將電流從電源供應至負載；以及
[0097]輸入信號供應器，所述輸入信號供應器被配置成將所述輸入信號供應給所述D類放大器的所述輸入部，計算在從具有指定內部阻抗特性的虛擬電源輸出流經所述負載的電流時將要從虛擬電源輸出的虛擬輸出電壓，并且根據所述虛擬輸出電壓調節所述輸入信號的振幅。
[0098][2]在根據項目[I]所述的功率放大器中，所述輸入信號供應器包括信號處理電路，所述信號處理電路基于虛擬電源的內部阻抗特性執行信號放大處理以調節所述輸入信號的振幅，所述虛擬電源是用于真空管放大器的電源的模擬。
[0099][3]在根據項目[2]所述的功率放大器中，所述信號處理電路基于所述虛擬電源執行信號放大處理，所述虛擬電源是用于所述真空管放大器電源電路的模擬，所述虛擬電源具有內部電感Ld = LX (n2/nl)2、內部電阻Rsd = Rs X (n2/nl)2和內部電容Cd = CX (nl/n2)2，其中是L、Rs和C分別是用于所述真空管放大器的所述電源電路的內部電感、內部電阻和內部電容，以及nl和π2是所述真空管放大器的輸出變壓器的初級側和次級側的匝數。
[0100][4]在根據項目[I]至[3]任一項所述的功率放大器中，所述輸入信號供應器基于指示所述虛擬電源的等效電路的配置的信息，從流經所述負載的所述電流計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓。
[0101]同樣地，例如，所述輸入信號供應器基于由所述虛擬電源的所計算的虛擬輸出電壓確定的系數調節所述輸入信號的所述振幅。
[0102][5]在根據項目[I]至[3]任一項所述的功率放大器中，所述輸入信號供應器根據所述虛擬電源的輸出電流對輸出電壓特性，基于流經所述負載的所述電流計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓。
[0103][6]在根據項目[I]至[5]任一項所述的功率放大器中，進一步包括:
[0104]負載電流反饋電路，所述負載電流反饋電路被配置成將流經所述負載的所述電流負反饋給所述D類放大器的所述輸入部。
[0105][7]本公開提供了一種用于調節被輸入給D類放大器的輸入部的輸入信號的輸入信號調節方法，所述D類放大器包括所述輸入部和開關裝置，其中所述開關裝置根據所述輸入信號而切換，以便通過所述開關裝置將電流從電源供應至負載，所述輸入信號調節方法包括:
[0106]計算在從具有指定內部阻抗特性的虛擬電源輸出流經所述負載的電流時將要從虛擬電源輸出的虛擬輸出電壓；以及
[0107]根據所述虛擬輸出電壓調節所述輸入信號的振幅。
[0108][8]在根據項目[7]所述的輸入信號調節方法中，在所述計算所述虛擬輸出電壓中，基于虛擬電源的內部阻抗特性計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓，所述虛擬電源是用于真空管放大器的電源的模擬。
[0109][9]在根據項目[8]所述的輸入信號調節方法中，在所述計算所述虛擬輸出電壓中，基于包括內部電感Ld = L X (112/111)2、內部電阻1^(1 = 1^ X (112/111)2和內部電容01 = 0\(nl/n2)2的所述虛擬電源計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓，其中是L、Rs和C分別是用于真空管放大器的電源電路的內部電感、內部電阻和內部電容，以及nl和π2是所述真空管放大器的輸出電壓器的初級側和次級側的匝數。
[0110][10]在根據項目[7]至[9]任一項所述的輸入信號調節方法中，在所述計算所述虛擬輸出電壓中，基于指示所述虛擬電源的等效電路的配置的信息，從流經所述負載的所述電流計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓。
[0111][11]在根據項目[7]至[9]任一項所述的輸入信號調節方法中，在所述計算所述虛擬輸出電壓中，根據所述虛擬電源的輸出電流對輸出電壓特性，基于流經所述負載的所述電流計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓。
[0112][12]在根據項目[7]至[11]任一項所述的輸入信號調節方法中，進一步包括:
[0113]將流經所述負載的所述電流負反饋給所述D類放大器的所述輸入部。
【主權項】
1.一種功率放大器，包括: D類放大器，所述D類放大器包括輸入部和開關裝置，其中所述開關裝置根據被輸入到所述輸入部的輸入信號而切換，以便通過所述開關裝置將電流從電源供應至負載;以及 輸入信號供應器，所述輸入信號供應器被配置成將所述輸入信號供應給所述D類放大器的所述輸入部，計算在從具有指定內部阻抗特性的虛擬電源輸出流經所述負載的電流時將要從虛擬電源輸出的虛擬輸出電壓，并且根據所述虛擬輸出電壓調節所述輸入信號的振巾畐O2.根據權利要求1所述的功率放大器，其中所述輸入信號供應器包括信號處理電路，所述信號處理電路基于虛擬電源的內部阻抗特性執行信號放大處理以調節所述輸入信號的振幅，所述虛擬電源是用于真空管放大器的電源的模擬。3.根據權利要求2所述的功率放大器，其中所述信號處理電路基于所述虛擬電源執行信號放大處理，所述虛擬電源是用于所述真空管放大器的電源電路的模擬，所述虛擬電源具有內部電感Ld = LX (n2/nl)2、內部電阻Rsd = Rs X (n2/nl)2和內部電容Cd = CX (nl/n2)2，其中是L、Rs和C分別是用于所述真空管放大器的所述電源電路的內部電感、內部電阻和內部電容，以及nl和π2是所述真空管放大器的輸出變壓器的初級側和次級側的匝數。4.根據權利要求1至3任一項所述的功率放大器，其中所述輸入信號供應器基于指示所述虛擬電源的等效電路的配置的信息，從流經所述負載的所述電流計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓。5.根據權利要求1至3任一項所述的功率放大器，其中所述輸入信號供應器根據所述虛擬電源的輸出電流對輸出電壓特性，基于流經所述負載的所述電流計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓。6.根據權利要求1至5任一項所述的功率放大器，進一步包括: 負載電流反饋電路，所述負載電流反饋電路被配置成將流經所述負載的所述電流負反饋給所述D類放大器的所述輸入部。7.—種輸入信號調節方法，用于調節被輸入給D類放大器的輸入部的輸入信號，所述D類放大器包括輸入部和開關裝置，其中所述開關裝置根據所述輸入信號而切換，以便通過所述開關裝置將電流從電源供應至負載，所述輸入信號調節方法包括: 計算在從具有指定內部阻抗特性的虛擬電源輸出流經所述負載的電流時將要從虛擬電源輸出的虛擬輸出電壓；以及 根據所述虛擬輸出電壓調節所述輸入信號的振幅。8.根據權利要求7所述的輸入信號調節方法，其中在所述計算所述虛擬輸出電壓中，基于虛擬電源的內部阻抗特性計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓，所述虛擬電源是用于真空管放大器的電源的模擬。9.根據權利要求8所述的輸入信號調節方法，其中在所述計算所述虛擬輸出電壓中，基于包括內部電感Ld = LX (112/111)2、內部電阻1^(1 = 1^\ (112/111)2和內部電容0(1 = 0\ (nl/π2)2的所述虛擬電源計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓，其中是L、Rs和C分別是用于真空管放大器的電源電路的內部電感、內部電阻和內部電容，以及nl和π2是所述真空管放大器的輸出變壓器的初級側和次級側的匝數。10.根據權利要求7至9任一項所述的輸入信號調節方法，其中在所述計算所述虛擬輸出電壓中，基于指示所述虛擬電源的等效電路的配置的信息，從流經所述負載的所述電流計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓。11.根據權利要求7至9任一項所述的輸入信號調節方法，其中在所述計算所述虛擬輸出電壓中，根據所述虛擬電源的輸出電流對輸出電壓特性，基于流經所述負載的所述電流計算所述虛擬電源的所述虛擬輸出電壓。12.根據權利要求7至11任一項所述的輸入信號調節方法，進一步包括: 將流經所述負載的所述電流負反饋給所述D類放大器的所述輸入部。
【文檔編號】H03G3/30GK105978510SQ201610140446
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月11日
【發明人】大谷洋平, 野呂正夫
【申請人】雅馬哈株式會社