有失真補償的功率放大器模塊的製作方法

2023-10-10 01:28:59 6

專利名稱：有失真補償的功率放大器模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種功率放大器模塊，特別是涉及一種音頻或高頻功率放大器，並且尤其是涉及降低放大級的失真。
背景技術：
在大多數音頻放大器中，失真主要來源於非線性的AB或B偏移元件。後端功率放大級通常工作在AB或B模式中。
局部反饋可被用於最小化輸入輸出傳輸特徵的非線性特性。為了更進一步地改善總體的線性，已知使用總體負反饋技術來用來實現增益穩定性的需求。
前饋也被使用，並且應當指出，美國專利號4,379,994建議包括誤差產生設備，以基於前饋電路和另一個放大器來校正放大器的一些特性。然而，所引起的誤差是典型補償網絡足以作為誤差產生器引起的可惡噪聲和失真分量，而不是元件本身固有的內部非線性。
美國專利號4,549,146示出了一個用於補償電子電路中的非線性的系統和方法。
由獨立有源元件中信號產生的參數變化和諸如音頻放大器之類的電路中的電源變化在複合多頻波中引入的失真效應，通過使用有源元件的複製品和包括可比失真的反饋信號的產生而被補償。通過在一個接收可比失真的輸入信號的差分放大器中的反饋信號的高增益放大，一個包含失真分量的比較信號被導出。該比較信號在包括經受在某方面消除被引入的失真的參數變化的電路的前饋通路中被使用。
該文獻還示出有某種前饋失真補償的功率放大器。從下列文獻中可以了解這種功率放大器Danyuk、IEEE學報1994年12月12號的電路和系統I第41卷的″前饋放大器合併並行輸出總量″；Takahashi，J.Audio Eng.Soc.1981年1/2月1/2號第29欄的″前饋糾錯放大器的設計和構造″；Vanderkooy，J.Audio Eng.Soc.1980年1月1/2號的″功率放大器中的前饋糾錯″。
現有的前饋失真補償的功率放大器的一個普遍缺點是補償所需的電路數量。
另一個普遍的缺點是該補償僅僅對於一種負載類型來說是精確的。然而重要的是，例如音頻放大器，它們可能使用各式各樣的負載(以至於一個單片可以覆蓋很廣的市場範圍)。

發明內容
本發明的目的是提供一個克服先有技術特性缺點的被改進的功率放大模塊。
本發明的解決根本問題的方法通過施加於獨立的權利要求中的特性而被提供。本發明的優選實施例在從屬的權利要求中被給出。
本發明的優點在於它利用橋接式負載(BTL)結構的相對側的輸出端基本上在給出的任何時候都傳導相同電流這個事實而提供一個有失真補償特色的功率放大器模塊。即，控制後端放大級的輸入，例如MOS功率電晶體的柵極需要相同的控制量。
本發明在象菲力普半導體ABCD流程一樣的BiMos流程中是更尤其可適用的。在這種流程中，MOST功率電晶體的低導通電阻RdsOn的熱動態強度可以連同小型雙極電晶體的高跨導和低噪聲一起被採用。
根據本發明的一個優選實施例，第一和第二放大器被安排在一個負載上有反饋的橋接式負載(BTL)結構中。放大器的後端級有相對於源的點對稱傳輸操作。點對稱意味著，為了向上引導後端級的一個輸出端，需要一個與為了同量向下引導相同的輸出電流而需要被從中取出的正好相同的輸入電流。
對於本發明意義內的點對稱，一個後端放大級的傳輸操作的第一象限和另一個後端放大級的第四象限一樣就足夠了，反之亦然。因此不需要完全的點對稱。
根據本發明的又一優選實施例，為了獲得一個充分的穩定性而給後端級施加米勒。後端放大級內的米勒(Miller)級連同功率放大級一起形成一個非線性積分器。
根據本發明的再一優選實施例，兩個單端放大器被安排在一個橋接式負載(BTL)結構中。後端級的傳輸操作還是相對於源的點對稱。後端放大級中的一個的輸出電流被放大器加倍。被加倍的輸出電流被提供為另一個後端放大級的輸入電流。在這個實施例中，放大器通過輸入信號電流而被差分地驅動。
本發明的優點還在於它降低了由AB類或B型中的功率放大所引起的非線性失真。這通過只增加最小限度的附加電路來完成。這還有實現成本效率的優點。
另外，本發明提供精確的補償，而不考慮在兩個輸出節點之間施加的負載。不管它是否是電感的、電阻性的、或兩者的結合乃至隨時間或溫度而變，誤差補償機理的準確性都不會受到影響。先有技術中沒有給出共享這個優點的方法。此外，假設後端級的傳輸操作是本發明含義內的點對稱，現有放大器設計可以被再使用。
根據本發明的功率放大器模塊操作包括主饋操作，例如電視伴音、個人電腦音頻、可攜式音頻、汽車音頻系統和其它所有種類的音頻和音響系統。然而，本發明不局限於音頻信號放大的領域而也可以被使用於其它種類的信號。例如本發明可以被使用於高頻操作。
附圖簡要說明在下面，本發明的一個優選實施例通過參考以下附圖而被非常詳細地描述

圖1是本發明第一實施例的一個電路圖，圖2是本發明第二實施例的一個電路圖，圖3是圖1和圖2中使用的後端放大級的實施例的電路圖。
詳細說明圖1示出根據本發明的放大器模塊1的一個實施例。在這裡考慮的優選實施例中，放大器模塊1是一個在單個集成電路片上被實現的集成電路。
放大器模塊1包括放大器2和放大器3。放大器2有前端放大級4和後端放大級5。放大器3同樣也有前端放大級6和後端放大級7。
前端放大級4有正相輸入端8和反相輸入端9。正相輸入端8施加基準電壓Hvp操作端，其一般有電源電壓一半的值。正相輸入端8和反相輸入端9兩端之間的電壓是誤差電壓Verr1。
圖1中描述的前端放大級4通過有跨導Gm和壓控電流源10的跨導運算放大器而被模型化。
壓控電流源10有被連接到後端放大級5的輸入端12的輸出端11。
壓控電流源10還有一個輸出端13。
後端放大級5有一個輸出端14。輸出端14通過電阻15-Rfb被連接到放大器2的反相輸入端。
放大器3有分別對應放大器2的正相輸入端8和反相輸入端9的正相輸入端16和反相輸入端17。放大器3的前端放大級6也被有跨導Gm和壓控電流源18的跨導運算放大器模型化。壓控電流源18有被連接到後端放大級7的輸入端20的輸出端19。
壓控電流源18還有被接地的輸入端21。
輸出端19和輸入端20之間的電流總量節點32藉助於線路23被連接到放大器2的壓控電流源10的輸出端13。
後端放大級7有藉助於電阻25-Rfb被耦合到放大器3的反相輸入端17的輸出24。
電流源26被施加在正相輸入端16和反相輸入端17之間，來提供一個信號電流Iin。信號電流Iin表示將被放大器模塊1放大的信號。正相輸入端16還被連接到放大器2的反相輸入端9。以這種方式在該負載上形成有反饋的橋接式負載(BTL)結構。該負載將被連接在輸出端14和24之間，例如在Vout1和Vout2之間。
後端放大級5和後端放大級7兩者組成與功率放大級結合形成用符號1/(sC)表示的非線性積分器的米勒級。
應當指出，後端放大級5和後端放大級7有相對於源極的點對稱傳輸操作。點對稱在這裡意味著以下假定向上引導輸出要求放進正好與為了相同量地向下引導相同的輸出而將被抽出的電流相同的電流。此外，假設在Vout1和Vout2之間有一個負載。根據Kirchhoff電流定律，放大器2的輸出將不得不正好吸收與放大器3需要的輸出到源極的相同的電流量，反之亦然，藉此對後端級的AB或B類操作被假定。還假設放大器2和3都吻合併且積分器功率放大級後端放大級5和7有所需要的點對稱。
在操作中，流入向上後端放大級5的電流i1與流入向下後端放大級7的電流i2，形狀一樣然而符號相反。如果向上放大器2的跨導(10)會給向下後端放大級7添加一個它的輸出電流的符號相反的形式的電流，則後者正好得到它要提供等於向上放大器2的失真的輸出信號所需的電流。從而，如果放大器(3)的跨導(18)不需要產生任何電流(舉例來說，如果它的Gm被選擇為零沒有反饋)，放大器3的失真將等於放大器2的失真，因為負載上的反饋已經被使用(即，放大器3的迴路增益大於0)，則放大器3的結果失真減少了那個迴路增益。
對於差分輸出信號Vout1-Vout2，僅僅放大器3的失真是相關的(放大器2的失真對Vout1和Vout2都是共模)。從而，由於上述機制，如果放大器2和放大器3吻合，則來自後端的非線性失真被減去迴路增益(其在任何給定的頻率對兩個放大器一樣)的平方。應當注意，沒有失真補償的常規放大器僅僅減少了迴路增益。然而應當注意，對於失真補償的運作機制，是不必選擇前端6的Gm等於前端4的Gm。
在這個操作中，放大器3把放大器2用作一個共模參考。從而，放大器3的迴路理論上″看″不見放大器2的迴路。
根據那個道理，從放大器2的迴路導出並流入放大器3的電流可以作為一個前饋控制量而被預料。
在實際執行過程中，後端放大級5和7通常有某種參照地的局部反饋。
根據那個道理，兩個放大器的迴路都能″看見″彼此的迴路(尤其在很低的電阻負載)。必然地，補償電流會有更少的前饋特徵。從而，高頻電極會因為施加了補償電流而變得稍微更複雜。為了防止這個，補償電流通過一個80kHz低通濾波器被過濾。補償在音頻範圍中同樣地保持有效。
圖2示出一個本發明的替換操作的框圖。對應圖1類似的元件的圖2的元件通過相同的參考數字被指定。
相比圖1的電路布置，圖1的放大器2和3是被安排在其負載上沒有反饋的橋接式負載(BTL)結構中的單端放大器。這通過分別連接放大器2和3的反相輸入端9和反相輸入端17之間的電流源26被完成。基準電壓Hvp被分別施加於放大器2和3的正相輸入端8和16。
在線路23上還有一個電流放大器27。電流放大器27用來把雙倍電流2*i1提供給電流求和節點32。補償電流這樣被放大係數2。從而放大器3被過度補償100％。
從而放大器3的餘量變得和放大器2的一致。從而失真變成共模。{因此在第一級中失真被差分地消除。因此，放大器2和3的反饋迴路都有一個被激烈地降低的失真作為開始。實際上，降低機制非常類似已經參照圖1作出解釋的機制。
再次的，如果兩個放大器等同，則通過負載可見的後端的非線性失真部分減少了放大器2和3每一個的迴路增益的平方。再次注意，對於常規放大器(即，沒有線路23和電流放大器27)來說，後端的非線性失真會僅僅已經減少了迴路增益。
在一個替換應用中，電流源26被除去並且放大器2和3被使用於獨立的通道。在這種情況下，負載被連接在相應的輸出端和地之間。這種方法提供了對於各種操作的附加的靈活性。當然，為了在那種情況下防止兩個通道之間的串饋，電流放大器27的電流放大係數被改變為零。
圖3分別示出後端放大級5和7的優選實施例的電路圖。電容Cm1被連接到後端放大級的輸入端。電容Cm1的另一端被連接到功率電晶體M2的柵極。電晶體M3的柵極還被連接到輸入端12(在如果考慮放大器3的放大器2和20情況下)。電流源28被耦合到電晶體M2的柵極和電晶體M3的漏極。三極體M3的源極被耦合到電流吸收器29。電流源28提供電流I並且電流吸收器29吸收電流I+2×Iq。
電晶體M3的柵極還被連接到電晶體M4的漏極。電晶體M4的柵極被連接到基準電壓Vref。電晶體M4的源極被連接到電容Cm2。電晶體M4用來共基共射串聯米勒電容Cm2。
電容Cm2被連接到功率電晶體M2的源極和功率電晶體M1的漏極。輸出電壓Vout以這個電位被提供。
後端模塊還有箝位電路30和31。靜態電流控制通過使用箝位電路30和31被執行。電流Iq流入morror-mostM2b。這樣獲得的箝位電壓經由電晶體T1和T3被施加於M2的柵極。因為在靜止狀態中M2和M1趨向在低效率反轉中運行，所以使用這些npn電晶體使箝位電壓的誤差保持很低，這對於能獲得精確的靜態電流很重要。
在靜止狀態中，在負載上沒有壓降。
因此，放大器沒有電流流出。必然地，通過M1和M2的電流必定等同，它們的Vgs電壓也是一樣。那樣依次產生通過T1和T2的相等的箝位電流。
根據Kirchoff電流定律，T1、T2、T3、T4 M1b和M2b全部都會傳導等於Iq的電流。通過M1和M2的靜態電流從而變成Iq分別乘上M1b和M1之間和M2b和M2之間的區域的比值。
在圖3中描述的電路可以被用於後端放大級5和後端放大級7兩者(參照圖1和圖2)。這個電路有電壓傳輸的(動態)點對稱電流以及精確的靜態電流控制的特點。
參考數字列表放大器模塊1放大器2放大器3前端放大極4後端放大極5前端放大極6後端放大極7正相輸入端8反相輸入端9壓控電流源10輸出端11輸入端12輸出端13輸出端14電阻15正相輸出端16反相輸出端17壓控電流源18輸出端19輸入端20輸入端21節點22線路23輸出24電阻25電流源26放大器27電流源28電流吸收器29
箝位電路30箝位電路31電流總量節點32。
權利要求
1.一個功率放大器模塊，其包括有第一前端放大級(4)和第一後端放大級(5)的第一放大器(2)和有第二前端放大級(6)和第二後端放大級(7)的第二放大器(3)，第一放大器和第二放大器被安排該負載上有反饋的BTL(BTL)結構中，其中第一和第二後端放大級有相對於源極的點對稱轉移功能，第一後端放大級的輸入電流i1基本上等於第二後端放大級的輸入電流i2。
2.權利要求1的功率放大器模塊，其中，至少第一前端放大級包括壓控電流源(10)、為第一後端放大級提供輸入電流(i1)的壓控電流源的輸出端(11)和連接到第二後端放大級的輸入端(20)壓控電流源的輸出端(13)。
3.權利要求1或2的功率放大器模塊，其中，前端放大級的正相輸入端被適配連接到供電電源電壓(Hvp)。
4.權利要求1、2或3的功率放大器模塊，其包括一個被安排來給第二前端放大級的正相和反相輸入端(16、17)提供輸入信號電流(Iin)的輸入端。
5.一個功率放大器模塊，其包括有第一前端放大級(4)和第一後端放大級(5)的第一單端放大器(2)和有第二前端放大級(6)和第二後端放大級(7)的第二單端放大器(3)，第一和第二放大器被安排在的BTL(BTL)結構中，表示為第一和第二後端放大級有相對於源極的點對稱轉移功能，第一後端放大級的輸入電流i1基本上等於第二後端放大級的反相輸入電流(i2)的兩倍。
6.權利要求5的功率放大器模塊，其中，第一前端放大級包括壓控電流源(10)，該壓控電流源有連接到第一後端放大級的輸入端(12)的輸出端(11)和連接到提供第二後端放大級的兩倍反相輸入電流(i2)的放大器(27)的輸出端(13)。
7.權利要求5或6的功率放大器模塊，第一和第二單端放大器被安排來被差分地驅動。
8.根據之前的權利要求1到7中的任意一個的功率放大器模塊，其中，第一和第二後端放大級基本上藉助於相同電路被實現。
9.之前的權利要求1到8中的任意一個的功率放大器模塊，其中，第一和第二後端放大級每個都包括共基共射的輸出電容器(Cm2)。
10.一個為了放大音頻信號的功率而包括根據前面權利要求1到9中任意一個的功率放大器模塊的諸如CD播放器、DVD播放器、電視機、汽車收音機或其它音頻系統之類的聲頻系統。
全文摘要
本發明涉及一個功率放大器模塊，其包括有第一前端放大級(4)和第一後端放大級(5)的第一放大器(2)和有第二前端放大級(6)和第二後端放大級(7)的第二放大器(3)，第一放大器和第二放大器被安排在負載上有反饋的橋接式負載(BTL)結構中，其特徵在於第一和第二後端放大級有相對於源的點對稱轉送功能，第一後端放大級的輸入電流i1基本上等於第二後端放大級的輸入電流i2。
文檔編號H03F3/68GK1582527SQ02821991
公開日2005年2月16日 申請日期2002年10月18日 優先權日2001年11月7日
發明者M·G·J·維斯蒂根 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司