通用音頻功率放大器的製造方法
2023-04-28 13:01:41
通用音頻功率放大器的製造方法
【專利摘要】一種具有四象限電源的音頻功率放大器，四象限電源具有包括平面變壓器的同步輸出整流器。放大器包括第一放大單元，第一放大單元包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器。控制電子器件提供信號輸入至第一放大單元。
【專利說明】通用音頻功率放大器
【技術領域】【背景技術】
[0001]本公開涉及通用音頻功率放大器。
[0002]開關放大器(也稱為D類放大器)通過將輸入信號調製成一系列脈衝來放大該信號，該一系列脈衝驅動以開關模式操作的一對互補的電晶體。這些電晶體交替地將正電源和負電源稱合到輸出，其總和地產生輸入信號的放大表不。
【發明內容】
[0003]一般而言，在一些方面，音頻功率放大器具有四象限電源，四象限電源具有包括平面變壓器的同步輸出整流器。放大器包括第一放大單元，第一放大單元包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器。控制電子器件提供信號輸入至第一放大單元。
[0004]實施方式可以包括下列特徵中的一個或多個特徵。音頻功率放大器包括第二放大單元，第二放大單元包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器。每個放大單元包括:在放大信號輸出和負載端子之間的輸出濾波器、具有耦合到開關電壓放大器的命令信號輸入的電流補償的命令信號輸出的電流補償器、將在輸出濾波器處測量的電流的測量結果反饋至電流補償器的求和輸入的內部電流反饋迴路、具有耦合到電流補償器的求和輸入的電壓補償的命令信號輸出的電壓補償器以及將在負載端子處的電壓反饋至電壓補償器的求和輸入的外部電壓反饋迴路。可以包括從第一放大單元的電壓補償器的電壓補償的信號輸出到第二放大單元的電流補償器的求和輸入的第一受控信號路徑。第二放大單元可以被配置為當第一受控信號路徑被激活時將第一放大單元的電壓補償的命令信號代替第二放大單元的電壓補償的命令信號來用作至第二放大單元的電流補償器的輸入。控制電子器件可以提供信號輸入至第二放大單元並且控制第一受控信號路徑，使得第一放大單元和第二放大單元在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載是可操作的。
[0005]實施方式可以包括另外的下列特徵中的一個或多個特徵。第一放大單元和第二放大單元可以通過各自放大獨立的信號並且在它們獨立的輸出端子上提供放大信號而在獨立負載的情況下是可操作的。第一放大單元和第二放大單元可以通過各自放大經由第一受控信號路徑從第一放大單元到第二放大單元所提供的同一信號並且在它們獨立的輸出端子上提供相同的放大信號而在並行驅動共同負載中是可操作的，獨立的輸出端子將耦合到負載的共同輸入端子。第一放大單元和第二放大單元可以通過放大第一放大單元中的第一信號和放大第二放大單元中的第一信號的反相拷貝並且在它們獨立的輸出端子上提供它們各自的放大信號而跨橋接式負載是可操作的，獨立的輸出端子將耦合以分開負載的輸入端子。
[0006]實施方式可以包括另外的下列特徵中的一個或多個特徵。放大器還可以包括與第一放大單元和第二放大單元基本上相同的第三放大單元和第四放大單元。可以提供從第三放大單元的電壓補償器的電壓補償的命令信號輸出到第四放大單元的電流補償器的求和輸入的第二受控信號路徑。控制電子器件還提供信號輸入至第三放大單元和第四放大單元並且控制第二受控信號路徑，使得第三放大單元和第四放大單元在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載是可操作的。放大單元中的所有四個放大單元可以在第一放大單元和第二放大單元並行驅動橋接式負載的第一側並且第三放大單元和第四放大單元並行驅動橋接式負載的第二側的情況下是可一起操作的。
[0007]實施方式可以包括另外的下列特徵中的一個或多個特徵。四個放大單元通過以下方式可以是可一起操作的:(a)在第一放大單元和第二放大單元中的每個放大單元中放大第一信號，第一信號經由第一受控信號路徑從第一放大單元被提供至第二放大單元，並且在第一放大單元和第二放大單元的獨立輸出端子上提供相同的、放大的第一信號；以及(b)在第三放大單元和第四放大單元中的每個放大單元中放大第一信號的反相拷貝，反相拷貝經由第二受控信號路徑從第三放大單元被提供至第四放大單元，並且在第三放大單元和第四放大單元的獨立輸出端子上提供相同的、放大的、反相的第一信號。第一放大單元和第二放大單元的輸出端子可以耦合至負載的第一輸入，並且第三放大單元和第四放大單元的輸出端子可以耦合至負載的第二輸入。
[0008]實施方式可以包括另外的下列特徵中的一個或多個特徵。同步輸出整流器可以包括MOSFET。第一受控信號路徑可以包括由控制電子器件控制的開關。開關電壓放大器可以各自包括調製器、門驅動器、一對電晶體以及耦合在電晶體的源極端子和漏極端子之間的一對二極體。電晶體可以包括M0SFET，二極體是MOSFET固有的。輸出濾波器可以包括輸出電感器，並且所測量的電流是通過輸出電感器的電流。
[0009]實施方式可以包括另外的下列特徵中的一個或多個特徵。放大器可以包括第二放大單元、第三放大單元和第四放大單元，各自包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器。每個放大單元可以包括在放大信號輸出和負載端子之間的輸出濾波器、具有耦合到開關電壓放大器的命令信號輸入的電流補償的命令信號輸出的電流補償器、將在輸出電感器處測量的電流的測量結果反饋至電流補償器的求和輸入的內部電流反饋迴路、具有耦合到電流補償器的求和輸入的電壓補償的命令信號輸出的電壓補償器以及將在負載端子處的電壓反饋至電壓補償器的求和輸入的外部電壓反饋迴路。第一放大單元和第二放大單元可以具有從第一放大單元的電壓補償器的電壓補償的命令信號輸出到第二放大單元的電流補償器的求和輸入的第一受控信號路徑。第二放大單元可以被配置為當第一受控信號路徑被激活時將第一放大單元的電壓補償的命令信號代替第二放大單元的電壓補償的命令信號來用作至第二放大單元的電流補償器的輸入。第三放大單元和第四放大單元具有從第三放大單元的電壓補償器的電壓補償的命令信號輸出到第四放大單元的電流補償器的求和輸入的第二受控信號路徑。第四放大單元可以被配置為當第二受控信號路徑被激活時將第三放大單元的電壓補償的命令信號代替第四放大單元的電壓補償的命令信號來用作至第四放大單元的電流補償器的輸入。控制電子器件可以提供信號輸入至第二、第三放大單元和第四放大單元中的每個放大單元並且控制第一受控信號路徑和第二受控信號路徑，使得放大單元中的第一放大單元和第二放大單元在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載是可操作的；放大單元中的第三放大單元和第四放大單元在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載是可操作的；以及放大單元中的所有四個放大單元在第一和第二單元並行驅動橋接式負載的第一側並且第三和第四單元並行驅動橋接式負載的第二側的情況下是可一起操作的。
[0010]實施方式可以包括另外的下列特徵中的一個或多個特徵。放大器還可以包括第二放大單元，第二放大單元包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器。控制電子器件可以提供信號輸入至第二放大單元並且控制第一放大單元和第二放大單元，使得第一放大單元和第二放大單元在三種模式中的每種模式中是可操作的。該三種模式包括
(i)第一模式，其中第一放大單元放大第一信號並且驅動第一負載，並且第二放大單元放大第二信號並且驅動第二負載；(ii)第二模式，其中第一放大單元放大第一信號，第二放大單元放大第一信號，並且第一放大單元和第二放大單元的放大信號輸出並行地驅動第一共同負載的單個端子；以及(iii)第三模式，其中第一放大單元放大第一信號，第二放大單元放大第一信號的反相，並且第一放大單元和第二放大單元的放大信號輸出驅動具有橋接式負載配置的共同負載的相反端子。
[0011 ] 實施方式可以包括另外的下列特徵中的一個或多個特徵。放大器還可以包括與第一放大單元和第二放大單元基本上相同的第三放大單元和第四放大單元。控制電子器件還可以提供信號輸入至第三放大單元和第四放大單元並且控制第三放大單元和第四放大單元，使得第三放大單元和第四放大單元對於以下各項是可操作的:(a)在獨立各自的第三負載和第四負載的情況下，(b)在並行地並行驅動第二共同負載的單個端子中，或者(C)用於驅動具有橋接式負載配置的共同負載的相反端子。
[0012]根據另一方面，一种放大音頻信號的方法包括提供具有包括平面變壓器的同步輸出整流器的四象限電源。提供包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器的第一放大單元。提供控制電子器件，控制電子器件提供信號輸入至第一放大單元。
[0013]實施方式可以包括下列特徵中的一個或多個特徵。提供第二放大單元。在第一放大單元和第二放大單元中的每個放大單元中，放大開關電壓放大器中的電流補償的命令信號，並且提供放大信號輸出。測量通過在開關電壓放大器的放大信號輸出與負載端子之間的輸出濾波器的電流，並且產生電流測量結果。電流測量結果經由內部電流反饋迴路被反饋至電流補償器的求和輸入。在電流補償器處，(i )將電流測量結果與電壓補償的命令信號比較，(ii)電流補償的命令信號被提供至開關電壓放大器，(iii)在第一 /第二放大單元的負載端子處的電壓經由外部電壓反饋迴路被反饋至電壓補償器的求和輸入，(iv)在電壓補償器處，將反饋電壓與輸入命令信號比較，並且(V)電壓補償的命令信號被提供至電流補償器的求和輸入。從第一放大單元的電壓補償器的輸出到第二放大單元的電流補償器的求和輸入的第一受控信號路徑被控制，以選擇性地將第一放大單元的電壓補償的命令信號代替第二放大單元的電壓補償的命令信號來提供至第二放大單元的求和輸入。信號輸入被提供至第一放大單元和第二放大單元，並且第一受控信號路徑被控制，以選擇性地在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載操作第一放大單元和第二放大單元。
[0014]優點包括全面的可配置性和高效率。放大器可以在不修改硬體的情況下服務各種連接拓撲、負載阻抗和功率水平。能夠從單個放大器驅動在寬的阻抗範圍的揚聲器允許放大器支持各種各樣的音頻系統配置，而無需一組多樣的放大器產品。
[0015]根據說明書和權利要求，其它特徵和優點將是顯而易見的。【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1A至圖1D示出了放大器-揚聲器拓撲的框圖。
[0017]圖2示出了單個放大器級的電路圖。
[0018]圖3示出了具有橋式配置的兩個放大器級的電路圖。
[0019]圖4示出了具有並行配置的兩個放大器級的電路圖。
[0020]圖5示出了具有並行-橋式配置的四個放大器級的電路圖。
[0021]圖6示出了可配置的放大器系統的電路圖。
[0022]圖7示出了隔離轉換器的電路圖。
[0023]圖8A至圖8C示出了通過圖7的隔離轉換器的功率流。
[0024]圖9A示出了代表性的D類放大器的電路圖。
[0025]圖9B和圖9C示出了通過圖9A的放大器的能量流。
[0026]圖10示出了被安裝至電路板的平面變壓器。
[0027]圖11是沿線11-11觀察的圖10的剖視圖。
【具體實施方式】
[0028]功率放大器可以以若干拓撲連接至它們的負載，這取決於負載的性質和預期用途。圖1A至圖1D示出了用於將功率放大器連接至揚聲器的四種拓撲。在圖1A中，單個放大器10通過提供功率至揚聲器的一個端子來驅動揚聲器20，同時另一端子接地。這是有時被稱為「半橋」的典型配置。在圖1B中，示出了 「全橋」配置，其中使用了兩個放大器10和12，一個放大器連接至揚聲器22的每個端子。使用至第一放大器10的信號的反相來驅動第二放大器12，因此跨揚聲器22的總電壓加倍，而電流仍保持與半橋配置中的電流相同。通過在相同電流下提供兩倍的電壓，該配置可以驅動具有比可以由半橋驅動的揚聲器更大阻抗的揚聲器。其可以提供更大的總功率，或者具有較少每放大器耗散的相同功率。該操作模式在音頻放大器領域中普遍存在，並且經常被稱為「BTL」(橋接式負載)配置。
[0029]在圖1C中，兩個放大器10和12並行連接至揚聲器24上的共同端子，而另一端子接地。這被稱為「並行」配置。並行配置在與半橋配置相同的電壓下傳送兩倍的電流，這對於在與BTL配置相同的功率水平下驅動較小的阻抗而言是有用的。例如，如果半橋被優化為提供500W至4Ω負載，則用於提供相同功率到2 Ω負載中所需的電流或者用於提供相同功率到8Ω負載所需的電壓可以位於或者超過放大器的限制。並行配置可以驅動500W到2Ω負載中而具有單個半橋的耗散的一半，或者在每個半橋可以處理電流的情況下驅動全部的lkW。在另一方面，BTL配置可以驅動500W到8Ω負載中而不接近其電壓限制，或者在電壓可用的情況下驅動全部的lkW。
[0030]最後，在圖1D中，使用四個放大器10、12、14和16，其中一對並行的放大器連接至揚聲器26的每個端子。使用另一對放大器14和16的相反信號驅動一對放大器10和12。這被稱為並行-橋接配置，並且針對四倍於其功率而傳送兩倍於單個半橋的電壓和電流。使用與以上相同的示例，如果每個半橋被優化為在4 Ω下的500W，則並行-橋接配置可以傳送2kW到4Ω負載而具有每個放大器級的相同電壓和電流。
[0031]在D類放大器的情況下，兩個並行放大器之間的電流共享的管理比在線性或AB類放大器中更為重要，因為開關器件中的耗散功率與I2成比例，而不是如在線性放大器中與I成比例。在兩個相同器件之間共享電流將減小開關放大器中的傳導損耗大約2倍。該減小實際上將略大於2倍，因為還存在由於FET的電阻溫度係數所導致的增益——減小電流也減小了溫度，這轉而減小了器件的固有電阻。然而，如果電流不被控制，則兩個器件之一可能將傳送比另一器件大很多的電流，從而喪失並行操作的好處並且可能損壞放大器。
[0032]為了在拓撲中提供有效的電流共享，反饋迴路可以添加到放大器。例如，如圖2中所示，單元格(unit cell) 100提供一個半橋D類音頻放大器,被示出為連接至任意揚聲器120。放大器的核心包括調製器與門驅動器102、由電晶體104和106組成的開關功率輸出級以及包括電感器108和電容器110的輸出濾波器。控制系統包括將在負載120處的輸出電壓反饋至加法器114和電壓迴路補償器116的外部電壓迴路112。加法器114還接收輸入電壓命令Ve_in。調製器與門驅動器102與電晶體104和106結合構成電壓放大器。
[0033]為了允許當兩個這樣的單元格100並行地連接時的電流共享，提供了內部電流迴路130。內部電流迴路130將輸出電流的測量結果從電流感測130a反饋至另一加法器132和電流迴路補償器134。內部電流迴路控制放大器的輸出電流，使得並行操作的兩個放大器將各自提供總電流的一半；兩者都將不試圖傳送所有電流並且不喪失並行操作的優點。在該配置中，圍繞核心電壓放大器的電流迴路將系統變為電流放大器，而外部電壓迴路將整個單元格100變回為電壓放大器。
[0034]內部電流迴路提供一些附加的優點。電流迴路自然地在單元格內提供電流限制。即，至電流迴路補償器134的反饋130防止進入到調製器102中的命令造成電流增益超過來自電壓迴路補償器116的最大電流命令，即使負載被短路。附加地，因為內部電流迴路提供控制，所以用於外部電壓迴路的電壓測量結果可以在輸出濾波器外被移動，更接近於負載(如所示出的)。(輸出濾波器典型地施加180°相移，控制迴路在其周圍不可能閉合。)將電壓迴路移動至輸出濾波器之後允許放大器在內部電流迴路保持穩定性的同時支持更多種類的負載。內部電流迴路130還可以用來在調製器102中提供脈衝寬度誤差校正，如在題為「Reducing Pulse Error Distortion」並且與本申請同一天提交的美國專利申請12/717, 224 (其全部內容通過引用結合在此)中所描述的。
[0035]加法器114和132不一定是分立元件，但是可以例如是補償器116和134的求和輸入。補償器優選地從標準電路元件(即，運算放大器和相關電路)建立。電流感測元件130a可以是任何標準電流感測技術，諸如離散霍爾效應傳感器。輸出電感器108可以在印刷電路板上使用平面繞組來形成，並且通過被集成到輸出電感器108中的電流感測繞組來提供部分電流感測，如在題為 「Planar Amplifier Output Inductor with Current Sense」 並且與本申請同一天提交的美國專利申請12/717，208 (其全部內容通過引用結合在此)中所描述的。如在該專利申請中解釋的，將電流感測繞組形成為輸出電感器的PCB繞組的一部分有利地保護電流感測信號免受電感器內的噪聲的影響。電感器的電流感測繞組指示電流的AC分量，而霍爾效應傳感器還可以用來指示電流的DC分量。
[0036]在一些示例中，這些單元格被組合成4組。每組具有在控制系統內適當的互連，允許單組4個單元格提供圖1A至圖1D中所示的拓撲中的任何拓撲。用戶例如通過控制軟體可以指定所需的特定拓撲。為了檢測連接問題並且確認連接的揚聲器的拓撲匹配放大器元件的配置，放大器產品可以包括用於檢測所連接的揚聲器的類型和拓撲的電路。在2008 年 5 月 2 日提交的、題為 「Detecting a Loudspeaker Configuration」 的美國專利申請12/114，265 (其全部內容通過引用結合在此)中描述了一個這樣的系統。這樣的系統還可以用來發現所連接的揚聲器的拓撲並且相應地自動配置放大器。
[0037]對於多通道的獨立半橋操作，每個單元格連接至如圖2中所示的一個揚聲器，並且獨立的信號被提供至每個單元格。
[0038]如圖3中所示，兩個半橋IOOa和IOOb可以組合成全橋，全橋被配置為驅動作為橋接式負載的單個揚聲器120b以提供兩倍於單個單元格的電壓。在該配置中，單元格中的放大器是基本上獨立的，並且僅僅被賦予180°異相的輸入命令V。，，S卩，+V。，和-V。，。對於BTL操作，不需要對任一單元格的控制進行修改，儘管意在支持該模式的產品可以處理將V。，輸入反相，而不是依賴於用戶提供原始信號和反相信號兩者。V。，信號的反相可以在控制電子器件(未示出)中、或者通過附加的反相放大器(未示出)、或者在控制電子器件的控制下或者由對於用戶可用的物理開關直接控制來完成。
[0039]如圖4中所示，兩個半橋IOOa和IOOb可以組合為並行對，以提供相同的電壓和兩倍於單個單元格的電流。在該配置中，一個外部電壓迴路112a被配置為通過第一單元的外部電壓迴路加法器114a和補償器116a將命令饋送至內部電流迴路，並且通過由開關204控制的跨單元連接202來放大單元格兩者的級。在該配置中，第二外部電壓迴路112b及其加法器114b和補償器116b未使用一它們可以完全被無效，或者從補償器116b到加法器132b的信號路徑可以被中斷。兩個半橋輸出I禹合到揚聲器120c的共同輸入，同時另一輸入接地。如上所述，電流迴路130a和130b、加法器132a和132b以及補償器134a和134b通過在目標電流下穩定每個半橋來控制半橋之間的電流共享。開關204可以以各種方式被控制，例如包括通過控制電子器件、通過無源電路或者通過對於用戶可用的物理開關。
[0040]如圖5中所示，四個半橋100a、IOObUOOc和IOOd可以一起用來提供橋接-並行配置，橋接-並行配置將兩倍於單個單元格的電壓和電流傳送至單個揚聲器120d。半橋IOOa和IOOb被配置為具有跨單元的連接202a和開關204a的第一併行對，並且耦合至揚聲器120d的第一輸入。半橋IOOc和IOOd被配置為具有跨單元的連接202b和開關204b的第二並行對，並且耦合至第二揚聲器輸入。第二對100C/100d被賦予如圖3的BTL配置中的反相輸入信號-V。，。
[0041]在一些實施例中，每個半橋單元格的控制電路是獨立的，使得當兩個單元用在BTL配置或並行配置中時，另外兩個單元可以在與第一兩個單元相同的兩單元配置中或者在另一兩單元配置中用作獨立的半橋。在一些示例中，多對或者所有四個放大器級(調製器與門驅動)被提供在單個集成電路封裝中，諸如來自位於荷蘭埃因霍溫的NXP Semiconductors的TDA8932或者來自位於德克薩斯州達拉斯的Texas Instruments的TAS5103，而電晶體、控制迴路和輸出濾波器被添加以完成放大器並且實現上述可配置性。在一些示例中，控制迴路和跨單元的連接包括在放大器IC中。
[0042]如圖6中所示，多組單元格可以被組合直到電源的限制，以形成可高度配置的系統。在圖6中，控制模塊210被示出為耦合至以下被識別的若干開關。虛線示出了控制信號路徑，而實線示出了音頻信號路徑。示出了兩組四個半橋單元格(編號IOOa至100h)。第二組IOOe-1OOh中的連接與第一組IOOa-1OOd中的連接相同，儘管它們被示出具有位於不同位置的開關。八個輸入A至H是可用的，但是並不使用所有輸入。圖6中的開關位置被設置以示出第一兩個單元格IOOa和IOOb各自提供它們分別的輸入A和B至獨立的揚聲器120a，單元格100c和IOOd以BTL配置提供輸入C至單個揚聲器120b，並且單元格100e、100f、100g和IOOh —起以並行-橋接配置提供輸入E至揚聲器120d，同時每對100e/100f和100g/100h並行地為揚聲器的一個輸入供電。
[0043]對於被操作為獨立的半橋的兩個單元格IOOa和100b，第一開關204a控制兩個單元格IOOa和IOOb之間的信號路徑，用於當並行操作時提供共同的電流控制，如上所述。在圖6的示例中，開關204a是打開的，因為單元格IOOa和IOOb正在獨立地動作。另一開關212控制哪個信號被輸入至單元格100b。對於半橋操作，如所示出的，開關212將信號輸入「B」耦合至單元格100b。
[0044]對於BTL操作，反相器214可用來將輸入信號「A」的反相拷貝耦合至單元格100b，其中開關212將提供該信號而非用於半橋操作的輸入「B」。這是第二對單元格100c和IOOd中的情況，其中開關204b是打開的，並且開關216將反相器218耦合至單元格IOOd的輸入，提供輸入「C」的反相拷貝。另一反相器220和輸入開關222控制至單元格100c的輸入，以用於以下參考第二組四個單元格討論的並行-橋接配置中。在圖6中，輸入開關222將輸入「C」耦合至單元格100c。
[0045]單元格IOOe和IOOf被示出為被配置用於並行操作。在該模式中，單元格IOOf上的輸入開關224不提供任何信號輸入至第二單元格，因為閉合的開關204c將來自單元格IOOe的內部的電流命令信號提供至單元格IOOf中的電流反饋迴路比較器，跳過單元格IOOf的電壓命令輸入和電壓反饋迴路比較器。在一些配置中，單元格IOOf的輸入當用於並行操作時在內部被斷開，因此輸入開關224可以保持耦合至其輸入之一。反相器226可用於提供輸入「E」的反相版本以用於BTL模式。單元格IOOg和IOOh還被示出為被配置用於並行操作，並且尤其是，它們與單元格IOOe和IOOf—起被配置用於並行-橋接模式。開關204d從單元格IOOg的內部提供電流命令信號至單元格100h，而開關228是打開的並且反相器230未被使用。在單元格100g，開關232將來自反相器234的輸入「E」的反相版本耦合至單元格IOOg的輸入，使得兩組並行的半橋100e/100f和100g/100h分別接收E和-E作為輸入。
[0046]雖然開關、反相器和信號源被示出為在控制模塊210之外，但是一些或所有開關和反相器可以集成到控制模塊中，並且根據所使用的技術，可以以硬體、固件或軟體的方式進行配置。如果開關和反相器被集成到控制模塊，則輸入A至H也將穿過控制模塊。控制模塊可以是任何合適的器件，諸如可編程微處理器、專用集成電路或者分立器件的集合。控制模塊還可以將數位訊號處理應用到輸入A至H，除了被用來配置放大器拓撲的開關和反相之外。可以存在用於每組四個單元格的獨立控制模塊。在一些情況下，控制模塊可以被配置為以橋接和並行分組的級聯模式使用所有八個單元格，以將電源的整個能力傳送至一個揚聲器(將需要放大器和/或信號路徑之間的附加連接，儘管這些附加連接都可以由合適的控制模塊來提供)。
[0047]這樣的配置能夠驅動揚聲器的許多配置。例如，包含兩組四個單元格的4000W放大器系統(在每個單元格500W的情況下)可以驅動揚聲器的許多不同組合，如表I中所示(具有取決於所使用的特定揚聲器的阻抗的實際瓦特數)。
[0048]
【權利要求】
1.一種音頻功率放大器，包括: 四象限電源，具有包括平面變壓器的同步輸出整流器； 第一放大單兀，包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器；以及 控制電子器件，提供信號輸入至所述第一放大單元。
2.根據權利要求1所述的音頻功率放大器，還包括第二放大單元，所述第二放大單元包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器，每個放大單元包括: 輸出濾波器，在所述放大信號輸出和負載端子之間， 電流補償器，具有耦合到所述開關電壓放大器的所述命令信號輸入的電流補償的命令信號輸出， 內部電流反饋迴路，將在所述輸出濾波器處測量的電流的測量結果反饋至所述電流補償器的求和輸入， 電壓補償器，具有耦合到所述電流補償器的所述求和輸入的電壓補償的命令信號輸出，以及 外部電壓反饋迴路，將在所述負載端子處的電壓反饋至所述電壓補償器的求和輸入； 第一受控信號路徑，從所述第一放大單元的所述電壓補償器的所述電壓補償的信號輸出到所述第二放大單元的所 述電流補償器的所述求和輸入， 所述第二放大單元被配置為當所述第一受控信號路徑被激活時將所述第一放大單元的所述電壓補償的命令信號代替所述第二放大單元的所述電壓補償的命令信號來用作至所述第二放大單元的所述電流補償器的輸入； 所述控制電子器件提供信號輸入至所述第二放大單元並且控制所述第一受控信號路徑，使得所述第一放大單元和所述第二放大單元在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載是可操作的。
3.根據權利要求2所述的音頻功率放大器，其中所述第一放大單元和所述第二放大單元通過各自放大獨立的信號並且在它們獨立的輸出端子上提供所述放大信號而在獨立負載的情況下是可操作的。
4.根據權利要求2所述的音頻功率放大器，其中所述第一放大單元和所述第二放大單元通過各自放大經由所述第一受控信號路徑從所述第一放大單元到所述第二放大單元所提供的同一信號並且在它們獨立的輸出端子上提供相同的放大信號而在並行驅動共同負載中是可操作的，所述獨立的輸出端子將耦合到所述負載的共同輸入端子。
5.根據權利要求2所述的音頻功率放大器，其中所述第一放大單元和所述第二放大單元通過放大所述第一放大單元中的第一信號和放大所述第二放大單元中的所述第一信號的反相拷貝並且在它們獨立的輸出端子上提供它們各自的放大信號而跨橋接式負載是可操作的，所述獨立的輸出端子將耦合以分開所述負載的輸入端子。
6.根據權利要求2所述的音頻功率放大器，還包括: 第三放大單元和第四放大單元，與所述第一放大單元和所述第二放大單元基本上相同，以及 第二受控信號路徑，從所述第三放大單元的所述電壓補償器的所述電壓補償的命令信號輸出到所述第四放大單元的所述電流補償器的所述求和輸入， 所述控制電子器件還提供信號輸入至所述第三放大單元和所述第四放大單元並且控制所述第二受控信號路徑，使得: 所述第三放大單元和所述第四放大單元在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載是可操作的，並且
所述放大單元中的所有四個放大單元在所述第一放大單元和所述第二放大單元並行驅動橋接式負載的第一側並且所述第三放大單元和所述第四放大單元並行驅動所述橋接式負載的第二側的情況下是可一起操作的。
7.根據權利要求6所述的音頻功率放大器，其中所述四個放大單元通過以下方式是可一起操作的: 在所述第一放大單元和所述第二放大單元中的每個放大單元中放大第一信號，所述第一信號經由所述第一受控信號路徑從所述第一放大單元被提供至所述第二放大單元，並且在所述第一放大單元和所述第二放大單元的所述獨立的輸出端子上提供相同的、放大的第一信號， 在所述第三放大單元和所述第四放大單元中的每個放大單元中放大所述第一信號的反相拷貝，所述反相拷貝經由所述第二受控信號路徑從所述第三放大單元被提供至所述第四放大單元，並且在所述第三放大單元和所述第四放大單元的所述獨立的輸出端子上提供相同的、放大的、反相的第一信號， 其中所述第一放大單元和所述第二放大單元的所述輸出端子將耦合至所述負載的第一輸入，並且所述第三放大單元和所述第四放大單元的所述輸出端子將耦合至所述負載的第二輸入。
8.根據權利要求1所述的音頻功率放大器，其中所述同步輸出整流器包括MOSFET。
9.根據權利要求2所述的音頻功率放大器，其中所述第一受控信號路徑包括由所述控制電子器件控制的開關。
10.根據權利要求2所述的音頻功率放大器，其中所述開關電壓放大器各自包括調製器、門驅動器、一對電晶體以及耦合在所述電晶體的源極端子和漏極端子之間的一對二極體。
11.根據權利要求10所述的音頻功率放大器，其中所述電晶體包括MOSFET，所述二極體是所述MOSFET固有的。
12.根據權利要求2所述的音頻功率放大器，其中所述輸出濾波器包括輸出電感器，並且所測量的電流是通過所述輸出電感器的電流。
13.根據權利要求1所述的音頻功率放大器，還包括: 第二放大單元、第三放大單元和第四放大單元，各自包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器，每個放大單兀包括: 輸出濾波器，在所述放大信號輸出和負載端子之間， 電流補償器，具有耦合到所述開關電壓放大器的所述命令信號輸入的電流補償的命令信號輸出， 內部電流反饋迴路，將在所述輸出電感器處測量的電流的測量結果反饋至所述電流補償器的求和輸入， 電壓補償器，具有耦合到所述電流補償器的所述求和輸入的電壓補償的命令信號輸出，以及外部電壓反饋迴路，將在所述負載端子處的電壓反饋至所述電壓補償器的求和輸入；所述第一放大單元和所述第二放大單元具有從所述第一放大單元的所述電壓補償器的所述電壓補償的命令信號輸出到所述第二放大單元的所述電流補償器的所述求和輸入的第一受控信號路徑， 所述第二放大單元被配置為當所述第一受控信號路徑被激活時將所述第一放大單元的所述電壓補償的命令信號代替所述第二放大單元的所述電壓補償的命令信號來用作至所述第二放大單元的所述電流補償器的輸入； 所述第三放大單元和所述第四放大單元具有從所述第三放大單元的所述電壓補償器的所述電壓補償的命令信號輸出到所述第四放大單元的所述電流補償器的所述求和輸入的第二受控信號路徑， 所述第四放大單元被配置為當所述第二受控信號路徑被激活時將所述第三放大單元的所述電壓補償的命令信號代替所述第四放大單元的所述電壓補償的命令信號來用作至所述第四放大單元的所述電流補償器的輸入；以及 所述控制電子器件提供信號輸入至所述第二放大單元、所述第三放大單元和所述第四放大單元中的每個放大單元並且控制所述第一受控信號路徑和所述第二受控信號路徑，使得: 所述放大單元中的所述第一放大單元和所述第二放大單元在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載是可操作的； 所述放大單元中的所述第三放大單元和所述第四放大單元在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載是可操作的；以及 所述放大單元中的所有四個放大單元在所述第一單元和所述第二單元並行驅動橋接式負載的第一側並且所述第三單元和所述第四`單元並行驅動所述橋接式負載的第二側的情況下是可一起操作的。
14.根據權利要求1所述的音頻功率放大器，還包括: 第二放大單元，包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器，其中所述控制電子器件提供信號輸入至所述第二放大單元並且控制所述第一放大單元和所述第二放大單元，使得所述第一放大單元和所述第二放大單元在三種模式中的每種模式中是可操作的，所述三種模式包括: 第一模式，其中 所述第一放大單元放大第一信號並且驅動第一負載，並且 所述第二放大單元放大第二信號並且驅動第二負載； 第二模式，其中 所述第一放大單元放大第一信號， 所述第二放大單元放大所述第一信號，並且 所述第一放大單元和所述第二放大單元的所述放大信號輸出並行地驅動第一共同負載的單個端子；以及第三模式，其中 所述第一放大單元放大第一信號， 所述第二放大單元放大所述第一信號的反相，並且所述第一放大單元和所述第二放大單元的所述放大信號輸出驅動具有橋接式負載配置的共同負載的相反端子。
15.根據權利要求14所述的音頻功率放大器，還包括: 第三放大單元和第四放大單元，與所述第一放大單元和所述第二放大單元基本上相同，以及 所述控制電子器件還提供信號輸入至所述第三放大單元和所述第四放大單元並且控制所述第三放大單元和所述第四放大單元，使得: 所述第三放大單元和所述第四放大單元對於以下各項是可操作的:Ca)在獨立各自的第三負載和第四負載的情況下，(b)在並行地並行驅動第二共同負載的單個端子中，或者(c)用於驅動具有所述橋接式負載配置的所述共同負載的所述相反端子。
16.根據權利要求15所述的音頻功率放大器，其中所述四個放大單元通過以下方式是可一起操作的: 在所述第一放大單元和所述第二放大單元中的每個放大單元中放大第一信號，所述第一信號經由第一受控信號路徑從所述第一放大單元被提供至所述第二放大單元，並且在所述第一放大單元和所述第二 放大單元的獨立輸出端子上提供相同的、放大的第一信號，以及 在所述第三放大單元和所述第四放大單元中的每個放大單元中放大所述第一信號的反相拷貝，所述反相拷貝經由第二受控信號路徑從所述第三放大單元被提供至所述第四放大單元，並且在所述第三放大單元和所述第四放大單元的獨立輸出端子上提供相同的、放大的、反相的第一信號。
17.根據權利要求16所述的音頻功率放大器，其中所述第一受控信號路徑包括由所述控制電子器件控制的開關。
18.根據權利要求14所述的音頻功率放大器，其中所述開關電壓放大器各自包括調製器、門驅動器、一對電晶體以及耦合在所述電晶體的源極端子和漏極端子之間的一對二極體。
19.根據權利要求18所述的音頻功率放大器，其中所述電晶體包括MOSFET，所述二極體是所述MOSFET固有的。
20.一种放大音頻信號的方法，包括: 提供四象限電源，所述四象限電源具有包括平面變壓器的同步輸出整流器； 提供第一放大單元，所述第一放大單元包括具有命令信號輸入和放大信號輸出的開關電壓放大器；並且 提供控制電子器件，所述控制電子器件提供信號輸入至所述第一放大單元。
21.根據權利要求20所述的方法，還包括: 提供第二放大單元， 在第一放大單元和第二放大單元中的每個放大單元中， 放大開關電壓放大器中的電流補償的命令信號，提供放大信號輸出， 測量通過在所述開關電壓放大器的所述放大信號輸出與負載端子之間的輸出濾波器的電流，產生電流測量結果， 將所述電流測量結果經由內部電流反饋迴路反饋至電流補償器的求和輸入，在所述電流補償器處，將所述電流測量結果與電壓補償的命令信號比較，並且將所述電流補償的命令信號提供至所述開關電壓放大器， 將在所述第一/第二放大單元的負載端子處的電壓經由外部電壓反饋迴路反饋至電壓補償器的求和輸入，並且 在所述電壓補償器處，將所述反饋電壓與輸入命令信號比較，並且將所述電壓補償的命令信號提供至所述電流補償器的所述求和輸入； 控制從所述第一放大單元的所述電壓補償器的輸出到所述第二放大單元的所述電流補償器的所述求和輸入的第一受控信號路徑，以選擇性地將所述第一放大單元的所述電壓補償的命令信號代替所述第二放大單元的所述電壓補償的命令信號來提供至所述第二放大單元的所述求和輸入；並且 將信號輸入提供至所述第一放大單元和所述第二放大單元，並且控制所述第一受控信號路徑，以選擇性地在獨立負載的情況下、在並行驅動共同負載中或者跨橋接式負載操作所述第一放大單元和所述第二放大單元。
【文檔編號】H03F3/217GK103782514SQ201280043435
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年9月7日 優先權日:2011年9月8日
【發明者】M·紐斯鮑姆, T·希恩, D·S·皮爾斯 申請人:伯斯有限公司