低輸入信號帶寬壓縮器和放大器控制電路的製作方法
2023-06-13 01:06:51 2
專利名稱：低輸入信號帶寬壓縮器和放大器控制電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子放大器領域，尤其涉及用於音響娛樂系統中的信號壓縮和擴展等信號調節領域。
作為信號壓縮的一個例子，走帶機構上磁帶的動態範圍可只有大約60分貝。信號源可供給磁帶大約80分貝動態範圍的信號。如果把源材料的信號電平調節到使最大的信號不被截去，那麼得到的錄音將具有再現時極柔和及可能無聲的段落(passages)。為了以後重放時聽到更柔和的段落，輸出電平必須增加到可開始再現磁帶上錄音介質噪聲層的電平。
壓縮器將通過使大振幅信號而不是小振幅信號衰減從而把80分貝壓縮到40分貝。然後調節信號源輸出的信號振幅，使40分貝信號範圍的最高值超出信號源從而達到與錄音機中磁帶的60分貝信號範圍的峰值相匹配的電平。於是磁帶上的信號範圍位於未經截去的磁帶動態範圍上限和降低了40分貝餘下20分貝包含不存在信號信息的噪聲的信號動態範圍之間。
大振幅低頻信號在振幅上將與典型為高頻信息的脈衝群或瞬變狀態一起被壓縮。壓縮器示出的作用只使大振幅信號衰減而留下小振幅信號不受影響。變化範圍越大，衰減得越多。
本發明把中音自動平衡的多通道前置放大器與高頻通道結合了起來，後者具有作為信號振幅的函數的自動帶寬擴展和壓縮。於是本發明用作以相同的拓樸圖提供壓縮器和擴展器兩種特徵的簡化的壓擴器。
D.E.Blackmeer於1974年1月29日申請的3,789,143號的美國專利中提出了一種「控制信號與輸入信號的瞬時均方根(RMS)的值為對數關係的壓擴器」，其中示出的一個電路，其增益控制與其輸入端接收到的聲音信號的RMS值成比例。這個電路的拓樸圖既未示出包含了帶寬敏感特徵，即根據接收小振幅信號而減小放大器的帶寬，也未示出與在由前置放大器處理的信號的中頻與高頻範圍之間具有自動平衡特徵的適當前置放大相結合的電路。
Robert C.Crooks於1984年11月13日提出了名為「參考負載放大器修正系統」的4,482,866號美國專利，以及於1987年1月20日提出了名為「參考負載放大器修正系統」的4,638,258號的美國專利。這兩個專利的受讓人都是由本申請受讓人加利福尼亞州亨廷頓海灘的BEE聲音股份有限公司所擁有的加利福尼亞州亨廷頓海灘的巴克斯一貝裡電子股份有限公司。′886′號專利和′258′號專利中的電路拓樸圖可用作權利要求組合發明的前置放大器單元；然後，′258′號專利中的圖8和圖9的布局是最好的。上述參考資料沒有示出或提出與前置放大器結合的提出權利要求的濾波器通道或絕對值電路的元件。
作為一個例子，走帶機構上磁帶的動態範圍可能只有60分貝。你可用動態範圍是80分貝的信號源給磁帶提供信號。如果把源材料的信號電平調節到使最大的信號不被截去，那麼你將得到柔和或低的段落，並且你將聽到磁帶機噪聲層的聲音。
壓縮器將把80分貝壓縮成40分貝。然後調節信號源輸出的信號振幅，使40分貝信號範圍的最高值超出信號源從而達到與錄音機中磁帶的60分貝信號範圍匹配的電平。於是磁帶上的信號範圍位於未經截去的磁帶動態範圍上限和降低了40分貝餘下20分貝的包含噪聲和幹擾的信號動態範圍之間。
大振幅低頻信號在振幅上將與典型為高頻信息的脈衝群或瞬變狀態一起壓縮。壓縮器示出的作用只使大振幅信號衰減而留下小振幅信號不受影響。變化範圍越大，衰減得越多。
壓擴器晶片在同一塊晶片上有壓縮器和擴展器。壓縮器壓縮信號後，擴展器擴展信號。
圖1是放大器電路的方框圖，示出具有用於平衡高中頻信號分量的自動增益控制電路的三通道前置放大器和濾波器電路及絕對值電路的結合；圖2是示出具有用於平衡高中頻信號分量的自動增益控制電路的三通道前置放大器的詳細示意圖；圖3是響應於前置放大器補償信號的單級濾波器電路第一個實施例的示意圖，單級濾波器電路使用了響應於控制信號提供輸出信號的固態壓控放大器；圖4是適用於超低噪聲和失真的採用光電元件的單級濾波器電路另一個實施例的示意圖；以及圖5是絕對值電路的示意圖，用於連續檢測修正的補償信號的振幅，從而把代表了修正補償信號的與時間相關的峰均值的控制信號提供給濾波器電路，用以連續調節和控制濾波器電路的帶寬。
圖1是本發明耦合的放大器電路10的方框圖，它可接收節目輸入信號，如來自磁帶錄音機或走帶機構的低電平音頻信號或來自數位訊號源(未示出)在輸入端12上的經數模轉換的合成模擬信號等。放大器一般用於對供給揚聲器16驅動信號的功率放大器14提供經調節的輸出信號。
本發明的放大器具有前置放大器20、濾波器電路60和絕對值電路100，現在將參考圖1的方框圖和圖2-5的連續詳細示意圖說明各部分的作用和特徵。
方框20代表響應於端12處的節目輸入信號的前置放大器，典型地該信號是具有30Hz到20KHz範圍內高、低和中頻信號分量的連續變化的合成信號。如圖1及圖2中詳細示出的前置放大器20一般是一個三通道放大器，它在前置放大器輸出端22提供一高度補償的信號。
必須與濾波器電路60和絕對值電路100結合的前置放大器具有由圖1中方框24代表的自動增益控制電路。圖2中的虛線框24詳細示出了由圖1方框24代表的自動增益控制電路。在4,482,866號的美國專利的第23節，第30行和隨後行說明了自動增益控制電路的特徵和這個控制特徵的優點。
這裡結合參考了整個1984年11月13日提出的名為「參考負載放大器修正系統」的4,482,866號美國專利和1987年1月20日提出的名為「參考負載放大器修正系統」的4,638,258號美國專利。
參考圖2，前置放大器輸入放大器26對輸入源提供阻抗匹配和緩衝。具有單位增益的反相放大器28接收來自輸入放大器26輸出的經緩衝的輸入信號，並對輸出加法放大器30提供反向的中頻信號。
輸入放大器26也把緩衝的輸入信號提供給由虛線框32中無源濾波器電路代表的高通通道。高通濾波器的輸出提供給由電阻36和結型場效應電晶體(J-FET)34形成的分頻器，J-FET的柵極由方框24代表的自動增益控制電路控制。自動增益控制電路對由虛線框32的電路處理的處於2,500-20,000Hz範圍內的高頻信號分量與由反相放大器28輸出的處於200-2,500Hz範圍內的中頻信號分量進行平衡。虛線框40包含一個具有低通通道的雙極無源網絡，用於處理30-200Hz範圍內的信號分量。
虛線框24中自動增益控制電路感應在信號線42上來自高頻通道輸出的高頻信號分量以及信號線44上來自中頻反相放大器28輸出的中頻信號分量。高頻通道信號分量傳到負輸出絕對值電路46，後者提供負向的輸出控制信號從而增大取樣高頻信號分量的振幅。中頻通道的中頻信號分量傳到正輸出絕對值電路48，後者提供正向的輸出控制信號從而增大取樣中頻信號分量的振幅。
由分壓器59調節負向輸出控制信號；由分壓器52調節正向輸出控制信號，並且當它們由控制加法放大器56加起來時，由平衡調節器54來平衡合成的控制信號，從而對J-FET34的柵極提供柵極控制信號，以減少或增加高頻通道信號分量的振幅，使它們與中頻通道分量的振幅相平衡。前置放大器的加法放大器30把平衡的高中頻信號分量與低頻信號分量相加，從而在端22處提供補償的信號。
圖3示出濾波器電路60的實施例。濾波器電路經耦合以接收和自動濾除端22處的補償信號，從而在端62處提供輸出信號。由濾波器輸入放大器64在信號線66上為絕對值電路100的輸入端提供經修正的補償信號。
濾波器輸入放大器的輸出阻抗足夠大，從而它也能對壓控放大器68的輸入端提供經修正的補償信號。濾波器輸入放大器64也通過輸入電阻72接收從積分器70輸出的反饋信號。應該理解，與端22處的補償信號相比，從積分器輸出的反饋信號變化較慢。因此，可在絕對值電路輸入端處從分離的濾波器輸入放大器(未示出)獲得絕對值通道必需的經修正的補償信號，附加的濾波器輸入放大器電路經耦合，直接從端22接收補償信號。
如果使用分離的濾波器輸入放大器(未示出)，就可省去取自電阻72的反饋控制信號。如果採用分離的濾波器輸入放大器，圖1就可改變成使用虛線框74的信號通路而取消信號線66的信號通路。然而，我們相信圖3所示的拓樸圖更好，因為它的工作令人滿意，且變更設計的變化布局需要較少的放大器。
在圖3的實施例中，典型的壓控放大器(VCA)68為THAT公司OEM工廠(dbx OEM Products)製造的2150A壓控放大器(公司在麻薩諸塞州Natick，Strathmore路15號，01760)。2150A與另一個能控制壓縮的電路組合實現了壓擴器的功能。2150A需要配其它電路才能實現擴展器的功能。2150A簡單地控制著饋入積分電路70的饋電信號。
THD TRIM(總諧波失真微調)調節(總諧波失真)採用可變電阻69微調U2 VCA 2150A中兩個內部電流源的電流值。此調節是一種工廠調節，一般需要使用一諧波失真分析儀。通過調節THDTRIM，圖3的電路可獲得低達0.02的諧波失真值。
從濾波器輸入放大器64到積分器70的輸出的電路包括簡單的一階濾波器。濾波器具有可移動並由控制信號控制進入VCA 2150A68的腳3的折點頻率(break frequency)。折點頻率由壓控放大器68的有效電阻有效地控制，壓控放大器68的作用是在腳1和8之間建立控制電阻。
濾波器電路60響應於用於自動調節濾波器電路帶寬的控制信號，依據信號線76上控制信號減小的振幅值減小濾波器電路的帶寬。濾波器電路60的自動可調節帶寬響應於信號線76上從絕對值電路100來的控制信號，用於根據控制信號減小的值來自動減小濾波器電路的帶寬，從而在端62得到輸出信號。輸出放大器78對積分器輸出信號進行緩衝和標定並在端62提供輸出信號。
圖4示出濾波器電路60的另一個實施例，其中用光電元件80替代了圖3中示出的固態壓控放大器68。圖4的另一個實施例與圖3的電路性能相比，具有噪聲和失真更低的優點，但在目前，驅動發光二極體(LED)82和體積更大的光電元件80必須消耗更大的功率。
在圖4的實施例中，光電元件80是響應於LED82發出的光的與光有關的電阻83。由輸入其陽極的電流驅動LED。因為光電元件匹配得不好，可調電阻89是用於雙通道系統中的調節件，從而使兩個通道平衡。
總增益由反饋電阻87與輸入電阻88的比值大致設定為1。通過非反向第一級的增益大致為2。該增益由(R17＋R19)/R17的比值確立。由於積分器有一些損耗，結果使總增益為1。
隨著通過二極體的電流的增加，其亮度增大了，從而減小了光電阻83的阻值。電流和電阻間的關係是非線性的。光電元件的使用減少了其上有信號通過的元件數，從而減少了信號上的噪聲。
2150A等複合的固態壓控放大器有許多二極體，而潛在的非線性元件會增加信號的噪聲。可以相信，使用光電元件比起使用壓控放大器的噪聲可降低15—20分貝。
由圖4的濾波器輸入放大器84實現圖3的濾波器輸入放大器64的功能。濾波器輸入放大器84具有附加的分壓電阻85和86的非反相反饋網絡，從而對輸入端22處的補償信號提供+2的增益。如圖3電路的情況，圖4電路的總增益也接近1，每個都分別由反饋電阻87和88的比值來確定。積分器70的折點頻率由其反饋電容的值和濾波器輸入放大器的輸出端與積分放大器腳6之間的等效電阻控制。
在圖3的固態壓控放大器68的情況下，規定器件對積分放大器腳6的虛地輸送一電流。該電流是一個與輸入壓控放大器68腳1的電流和信號線76上的控制信號電壓有關的電流變量。輸入壓控放大器腳1的電流是濾波器輸入放大器64的輸出電壓和電阻Rin90的函數。最後的結果可近似表示為Iin＝V1/Rin，則V1＝Rin*Iin。同樣，流出壓控放大器的電流，I0＝K1*Iin*V2，這裡V2是控制電壓的值，而K1是壓控放大器的增益。V1/I0是代表濾波器輸入放大器的輸出和腳6虛地間的電阻的比值。代數式Iin*Rin/K1*Iin*V2＝Rin/K1*V2＝(1/V2)*Rin/K1＝濾波器輸入放大器的輸出和積分器腳6處輸入之間的電阻值。關係式示出，通過增加信號線76上的控制電壓V2的值可減小此阻值。
光電元件具有類似的性質，即增加從LED86發出的光的值可減小光敏度的值或光敏電阻89。
圖5示出絕對值電路100，它響應於信號線66上經修正的補償信號，用於在信號線76上產生控制信號，它與經修正的補償信號的振幅成正比。絕對值電路100具有包含電容102和電阻104的輸入直流(dc)隔離和超前網絡。大多數由電容102和電阻104組合等建立的濾波和折點(break point)由實驗確定，從而找到聽上去最好的值。
閾值控制，即調節絕對值電路輸入放大器108上的可變電阻106，使它可適合一小振幅的高頻輸入信號。絕對值電路輸入放大器是一個經耦合的高通放大器，用以接收來自信號線66的經修正的補償信號，並且在其輸出端109輸出第一放大信號。
對可變電阻106的閾值控制調節是由使用者採取的拆衷辦法，從而獲得高頻信息連同一些雜音或噪聲。輸入電容102和電阻104是用於減小低頻增益的要素。頻率較高時，由R104、可變電阻106和電容110組合形成的電極引入了一折點或極點，它展開了輸入放大器的增益，從而形成其增益由可變電阻106控制的高通放大器。
如圖所示，輸入放大器108的可能的增益為25。該增益必須足夠大，可允許使用者把輸出端122處峰值檢測電路120的輸出調到可接受的電平。
從輸入放大器108的輸出端109到峰值檢測器120的輸入端的電路包括響應於輸出端109處第一放大信號的絕對值電路，用於在絕對值電路輸出端114處提供絕對值信號。緊接著絕對值電路的峰值檢測電路120響應於絕對值信號提供一峰值絕對值信號。
有源濾波器116是一個低通濾波器和偏壓電路，它響應於端122處的峰值絕對值信號對信號線76提供控制信號。有源濾波器116也是一個加法放大器，它通過可變電阻118調節偏壓調整(BIAS ADJ)，使LED達到起始亮度或使壓控放大器進入它的有效範圍。在本發明放大器的單通道形式中，把有源濾波器116的輸出調節到參考點，從而當輸入系統的輸入信號超出預定的振幅電平時，濾波器通道開得很大，濾波器通道頻率的折點達到它的上限。
可變電阻118是一個直流偏壓調節控制件，用於給信號線76上的控制信號加上直流偏壓電平。BIAS ADJ調節118讓使用者控制濾波器移動的地方及在哪個信號電平上它開始移動。例如，如果在端22上用10mV的1000個循環信息作為補償信號，則使用BIAS ADJ控制的使用者可調節濾波器，從而可實現在1000個循環處開始的，頻率向上增加的6分貝/倍頻程的滾降。
因為較大振幅的信號會覆蓋或遮蔽存在的低電平噪聲，所以，如果信號從10mV增加到40mV，則濾波器會打開並使20—20KHz左右的任何信號通過而不受滾降。因為噪聲將被更高頻率範圍內更高電平的聲頻信號遮蔽，所以聽不到系統中存在的任何噪聲。隨著信號電平的降低，減小了濾波器的折點頻率，使使用者首次檢測到雜音或噪聲處的高頻衰減。
相應地這裡描述了一個放大器和控制電路。雖然已詳細地揭示和示出了本發明，必須知道，同樣的結構只是用來圖示和舉例，而不是用於限制。本發明的精神和範圍只由附加的權利要求的內容所限制。
權利要求
1.一种放大器電路，其特徵在於包括一響應於具有高、低和中頻信號分量的節目輸入信號並用於提供補償信號的前置放大器，該前置放大器具有用於平衡高頻和中頻信號分量的自動增益控制電路；一耦合的濾波器電路，用以接收補償信號和一控制信號並提供經修正的補償信號和輸出信號，濾波器電路具有可調節的帶寬，該濾波器電路響應於用於自動調節濾波器電路帶寬的控制信號，從而依據控制信號減小的振幅值來減小濾波器電路的帶寬；一響應於經修正的補償信號的絕對值電路，用於提供正比於經修正的補償信號振幅的控制信號。
2.如權利要求1所述的放大器電路，其特徵在於前置放大器還包括一響應於節目信號用於提供高頻補償信號的高頻修正通道；一響應於節目信號用於提供低頻補償信號的低頻修正通道；一響應於節目信號用於提供中頻信號的中頻通道；一用於自動調節高頻補償信號和中頻信號間平衡的自動調節裝置；以及一用於把高頻補償信號、低頻補償信號和中頻信號相加並提供補償信號的加法電路。
3.如權利要求2所述的放大器電路，其特徵在於中頻通道還包括反相放大器。
4.如權利要求1所述的放大器電路，其特徵在於絕對值電路還包括一耦合以接收經修正的補償信號的高通放大器，用於提供第一放大信號；一響應於第一放大信號並提供絕對值信號的絕對值電路；一響應於絕對值信號並提供峰值絕對值信號的峰值檢測電路；一響應於峰值絕對值信號並提供控制信號的低通濾波器和偏壓電路。
5.如權利要求4所述的絕對值電路，其特徵在於高通放大器還包括增益調節器。
6.如權利要求4所述的絕對值電路，其特徵在於低通濾波器和偏壓電路還包括用於把直流偏壓電平加到控制信號的直流偏壓調節控制。
7.如權利要求1所述的放大器電路，其特徵在於濾波器電路還包括一用於把補償信號與積分器輸出信號相加並提供經修正的補償信號的輸入放大器；一壓控放大器，其輸入響應於經修正的補償信號和控制電壓，用於提供積分器輸入信號電流；一具有耦合的輸入端的積分器電路，以接收積分器輸入信號電流並對積分器輸入信號求積分，以提供積分器輸出信號；一響應於積分器輸出信號並提供輸出信號的低通有源濾波器。
8.如權利要求1所述的濾波器電路，其特徵在於該濾波器電路還包括一輸入放大器，用於對補償信號和積分器輸出信號求和，從而提供經修正的補償信號；一光電元件包括一光敏電阻和一發光二極體，光敏電阻響應於從發光二極體發出的光，從而進一步把經修正的補償信號修正成積分器輸入信號，並把該積分器輸入信號耦合至積分器輸入端，以及一具有耦合輸入端的積分器電路，用於接收積分器輸入信號電流並對積分器輸入信號求積分，從而提供一積分器輸出信號；以及一響應於積分器輸出信號並提供輸出信號的低通濾波器。
9.一种放大器電路，其特徵在於包括一響應於節目輸入信號並提供補償信號的前置放大器；一耦合的濾波器電路，用於接收和自動濾除補償信號，以提供一輸出信號和一經修正的補償信號，濾波器電路具有自動可調節的帶寬，濾波器電器響應於控制信號，用於根據控制信號值的減小而自動減小濾波器電路的帶寬，從而獲得輸出信號；該濾波器電路具有，一輸入放大器，用於對補償信號和積分器輸出信號求和，從而提供一經修正的補償信號；一光電元件具有；一光敏電阻和一發光二極體，光敏電阻響應於從發光二極體發出的光，用於進一步把經修正的補償信號修正為積分器輸入信號並把該積分器輸入信號耦合至積分器輸入端；以及一發光二極體響應於控制電壓，用於照亮光敏電阻，光敏電阻的阻值依據低的控制電壓值而增加；以及一響應於經修正的補償信號的絕對值電路，用於提供正比於經修正的補償信號振幅的控制信號。
10.如權利要求9所述的放大器電路，其特徵在於前置放大器還包括一響應於節目信號並提供一高頻補償信號的高頻修正通道；一響應於節目信號並提供一低頻補償信號的低頻修正通道；一響應於節目信號並提供一中頻信號的中頻通道；一自動調節裝置，用於自動調節高頻補償信號和中頻信號間的平衡；一加法電路，用於把高頻補償信號、低頻補償信號與中頻信號相加，從而提供補償信號。
11.如權利要求10所述的放大器電路，其特徵在於，中頻通道還包括一反相放大器。
12.如權利要求10所述的放大器電路，其特徵在於絕對值電路還包括一耦合的高通放大器，用於接收經修正的補償信號從而提供第一放大信號；一響應於第一放大信號並提供絕對值信號的絕對值電路；一響應於絕對值信號並提供一峰值絕對值信號的峰值檢測電路；一響應於峰值絕對值信號並提供控制信號的低通濾波器和偏壓電路。
13.如權利要求12所述的絕對值電路，其特徵在於高通放大器還包括增益調節。
14.如權利要求12所述的絕對值電路，其特徵在於低通濾波器和偏壓電路還包括一直流偏壓調節控制，用於把直流偏壓電平加入控制信號。
15.一种放大器電路，其特徵在於包括一響應於具有高、低和中頻信號分量的節目輸入信號的前置放大器，用於提供補償信號，其自動增益控制電路用於平衡高頻和中頻信號分量；一耦合的濾波器電路，用於接收補償信號和控制信號並提供經修正的補償信號和輸出信號，該濾波器電路具有可調節的帶寬，該濾波器電路還包括一輸入放大器，用於對補償信號和積分器輸出信號求和並提供一經修正的補償信號；一壓控放大器，其輸入端響應於經修正的補償信號和控制信號，用於提供積分器輸入信號電流；一輸入端耦合的積分器電路，用於接收積分器輸入信號電流並對積分器輸入信號求積分，從而提供積分器輸出信號；一響應於經修正的補償信號的絕對值電路，用於提供一正比於經修正的補償信號振幅的控制信號。
全文摘要
一種具有響應於節目輸入信號的前置放大器、濾波器電路和絕對值電路的放大器。前置放大器自動平衡高頻和中頻通道信號以提供補償信號。濾波器電路耦合以接收和自動濾除補償信號從而提供輸出信號和經修正的補償信號。濾波器電路具有隨控制信號降低而自動減小帶寬的可調帶寬。濾波器電路用壓控放大器或一光電元件與積分器相結合。絕對值電路檢測到經修正的補償信號提供正比於經修正的補償信號振幅的平均峰值的控制信號。
文檔編號H03G5/22GK1135682SQ9610191
公開日1996年11月13日 申請日期1996年1月24日 優先權日1995年1月24日
發明者保羅R·加貢 申請人:Bbe聲音股份有限公司