動態調壓裝置及信號放大系統的製作方法

2024-03-31 21:27:05

本實用新型涉及通訊領域，尤其涉及一種動態調壓裝置和一種信號放大系統。

背景技術：

放大器是一種能把輸入信號的電壓或功率放大的裝置，被廣泛應用於通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等各種裝置中。

現有放大器在使用過程中，可能會因負載過大等原因，而使得輸出的波形失真。因此，為了獲取期望的輸出功率，且保證輸出信號與原信號波形的相似性，降低波形的失真率，通常為放大器提供較高的電壓。然而，在實際應用中，輸入放大器的原信號的強度可能是變化的，因此，當原信號的強度(例如，幅度)較小時，如果提供至所述放大器的電壓依然保持在較高值，則會增加功耗、降低電源的利用率、造成能源的浪費。

因此，需要一種信號放大系統，其可根據輸入信號的強度，調整輸入至放大器的電壓，從而減小功耗、提高電源的利用率、延長電源的使用壽命。

技術實現要素：

本實用新型解決的問題是提供一種信號放大系統，其可根據輸入信號的強度，調整輸入至放大器的電壓，從而減小功耗、提高電源的利用率、延長電源的使用壽命。另外，當電源為可充電電池時，還可提高可充電電池的續航時間和使用壽命。

為了解決上述問題，本實用新型的實施例提供了一種動態調壓裝置，其包括信號接收端，用於接收輸入信號。所述動態調壓裝置用於根據所述輸入信號生成調壓信號，並根據所述調壓信號對電源電壓進行調整、生成放大器的工作電壓並提供至所述放大器，其中所述調壓信號與所述輸入信號的強度相關。

可選的，所述動態調壓裝置還包括：信號調理裝置，用於對所述輸入信號進行處理，以生成第一信號，所述第一信號的電壓值與所述輸入信號的強度相關且小於預設電壓值；邏輯運算裝置，用於根據所述信號調理裝置生成的所述第一信號和參考信號，生成所述調壓信號；以及電壓調整裝置，用於根據所述邏輯運算裝置生成的所述調壓信號對所述電源電壓進行調整。

可選的，所述信號調理裝置包括：第一運算放大器，用於對所述輸入信號進行反向處理；第二運算放大器，用於生成第二信號，其中所述第二信號包括所述第一運算放大器反向處理後的輸入信號的電壓值小於所述預設電壓值的部分；以及第三運算放大器，用於生成第三信號，其中所述第三信號包括所述輸入信號的電壓值小於所述預設電壓值的部分。

可選的，所述動態調壓裝置還包括匹配單元，用於對所述第二信號和所述第三信號進行緩衝處理並合併為所述第一信號。

可選的，所述邏輯運算裝置用於根據所述第一信號和所述參考信號，計算出第一電壓值，並根據所述第一電壓值，輸出所述調壓信號。

可選的，當所述第一電壓值大於0.1V小於1V時，輸出的所述調壓信號的電壓值等於所述第一電壓值；當所述第一電壓值小於等於0.1V，輸出的所述調壓信號的電壓值等於0.1V；以及當所述第一電壓值大於等於1V，輸出的所述調壓信號的電壓值等於1V。

可選的，所述邏輯運算裝置包括第一端、第二端以及第三端，其中，所述邏輯運算裝置的所述第一端與所述信號調理裝置相耦合，用於輸入所述第一信號；所述邏輯運算裝置的所述第二端，用於輸入所述參考信號；所述邏輯運算裝置的所述第三端與所述電壓調整裝置相耦合，用於將所述調壓信號輸入至所述電壓調整裝置。

可選的，所述電壓調整裝置包括升壓器，所述升壓器包括第一端和第二端，其中，所述升壓器的所述第一端與所述邏輯運算裝置相耦合，所述升壓器的所述第二端與電源耦合。

本實用新型的實施例還提供了一種信號放大系統，其包括：放大器；電源；以及上述任意其中之一所述的動態調壓裝置，其中，所述放大器用於放大輸入信號，所述動態調壓裝置用於根據所述輸入信號對所述電源的電壓進行調整、生成所述放大器的工作電壓並提供至所述放大器。

與現有技術相比，本實用新型的技術方案具有以下優點：

在本實用新型提供的信號放大系統中設置有動態調壓裝置，所述動態調壓裝置可以根據輸入至放大器的輸入信號的強度，對電源電壓進行調整。從而，提供給所述放大器的工作電壓隨著輸入信號的變化而變化。這樣，減小了功耗、提高了電源的利用率並延長了電源的使用壽命。另外，在電源為可充電電池的情況下，所述動態調壓裝置還可以提高所述可充電電池的續航時間和使用壽命。

進一步的，所述動態調壓裝置還包括信號調理裝置，用於對輸入信號進行處理。經過信號調理裝置處理後的信號不僅能夠用於表徵輸入信號的強度變化而且其電壓值小於預設電壓值，從而可以簡化邏輯運算裝置的運算過程。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例提供的一種信號放大系統的模塊示意圖；

圖2是本實用新型實施例提供的一種信號放大系統的信號調理裝置的示意圖；

圖3a至3e是本實用新型實施例提供的一種信號放大系統的信號調理裝置處理輸入信號的原理示意圖；

圖4是本實用新型實施例提供的一種信號放大系統的邏輯運算裝置的示意圖；

圖5是本實用新型實施例提供的一種信號放大系統的電壓調整裝置的示意圖；

圖6是本實用新型實施例提供的一種信號放大系統的信號調理裝置的參數設置示意圖；以及

圖7是本實用新型實施例提供的一種信號放大系統的邏輯運算裝置和電壓調整裝置的參數設置示意圖。

具體實施方式

如背景技術中所言，為了降低波形失真率，在現有信號放大系統中，通常為放大器提供較高且固定的電壓，這樣，會增加功耗、降低電源的利用率及使用壽命。鑑於現有技術中的該缺陷，本實用新型提供了一種信號放大系統，其包括：放大器，用於放大輸入信號；電源，用於提供電源電壓；以及動態調壓裝置，用於根據所述輸入信號生成調壓信號，並根據所述調壓信號對所述電源電壓進行調整、生成所述放大器的工作電壓並提供至所述放大器，其中所述調壓信號與所述輸入信號的強度相關。因此，在本實用新型提供的信號放大系統中，提供給所述放大器的工作電壓隨著輸入信號的變化而變化。這樣，功耗減少、電源的利用率提高且使用壽命延長。另外，當電源為可充電電池時，本實用新型提供的動態調壓裝置還可以提高所述可充電電池的續航時間和使用壽命。

為使本實用新型的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本實用新型的具體實施例做詳細的說明。

參考圖1所示，本實用新型的實施例提供了一種信號放大系統1。所述信號放大系統1包括放大器10以及電源20，其中所述放大器10用於放大輸入信號(例如，圖1中的左聲道信號Lin和右聲道信號Rin)，所述電源20用於提供電源電壓。

在一些實施例中，所述信號放大系統用於音頻播放裝置，所述放大器10用於放大所述輸入信號，驅動揚聲器工作。

在一些實施例中，所述電源20為直流電源，例如電池。所述電池可以包括一節電池，也可以包括多節電池。在一些實施例中，所述電源20為可充電電池。

所述信號放大系統1還包括動態調壓裝置30，所述動態調壓裝置30包括信號接收端(未標註)，用於接收所述輸入信號。

在本實施例中，所述輸入信號為音頻信號，且所述音頻信號包括左聲道信號Lin和右聲道信號Rin，所述動態調壓裝置30包括兩個信號接收端，用於分別接收所述左聲道信號Lin和所述右聲道信號Rin。

在一些實施例中，所述輸入信號也可為其他類型的信號。所述動態調壓裝置30也可包括一個或兩個以上的信號接收端，所述動態調壓裝置30的信號接收端的數量可根據實際需要進行調整。

所述動態調壓裝置30被配置成用於根據所述信號接收端接收到的所述輸入信號生成調壓信號，並根據所述調壓信號對電源20的電壓進行調整、生成放大器10的工作電壓並提供至所述放大器10，其中所述調壓信號與所述輸入信號的強度相關。這樣，提供至所述放大器10的工作電壓隨著輸入信號強度的變化而變化，從而降低功耗、提高所述電源20的利用率、延長所述電源20的使用壽命。另外，當所述電源20為可充電電池時，所述動態調壓裝置30還可以提高所述可充電電池的續航時間和使用壽命。

具體地，所述動態調壓裝置30包括信號調理裝置31、邏輯運算裝置32和電壓調整裝置33。其中，所述信號調理裝置31用於對所述輸入信號進行處理，以生成第一信號，所述第一信號的電壓值與所述輸入信號的強度相關。所述邏輯運算裝置32用於根據所述信號調理裝置31生成的所述第一信號和參考信號，生成所述調壓信號。所述電壓調整裝置33用於根據所述邏輯運算裝置32生成的所述調壓信號對所述電源電壓進行調整。

在一些實施例中，如圖2所示，所述信號調理裝置31包括第一運算放大器311、第二運算放大器312和第三運算放大器313。

在一些實施例中，所述第一運算放大器311、所述第二運算放大器312和所述第三運算放大器313均為NJM2740型號的雙路運算放大器，以實現對所述左聲道信號Lin和所述右聲道信號Rin的處理。

所述第一運算放大器311用於對所述輸入信號進行反向處理。如圖2所示，所述第一運算放大器311的V-埠接地GND，V+埠輸入電源電壓VCC。所述第一運算單元311的-InA埠輸入所述左聲道信號Lin，+InA埠輸入電壓Bias，在-InA埠和OutA埠之間設置有第一電路314。所述第一電路314為電容和電阻形成的並聯電路，其連接於所述第一運算放大器311的輸出端OutA和輸入端-InA之間構成反饋網絡。此處所述及的電壓Bias的電壓值為電源電壓VCC電壓值的二分之一。所述左聲道信號Lin在經過所述第一運算放大器311之後相位反轉，即從所述OutA埠輸出的信號與-InA埠輸入的左聲道信號的相位相反。

類似的，所述第一運算放大器311的-InB埠輸入所述右聲道信號Rin，+InB埠輸入電壓Bias，在-InB埠和OutB埠之間也設置有所述第一電路314，以構成反饋網絡。從所述OutB埠輸出的信號與-InB埠輸入的右聲道信號的相位相反。

因此，所述輸入信號在經過所述第一運算放大器311之後，相位反轉。例如，當所述輸入信號為圖3a所示的正弦信號(其中，橫軸表示時間T，縱軸表示電壓V)時，經過所述第一運算放大器311反向處理後的信號為圖3b所示。值得注意的是，此處僅以正弦信號為例，以便於闡釋所述第一運算放大器311的作用原理，在實踐中，所述輸入信號可以為任何規則或不規則變化的信號。

所述第二運算放大器312，用於生成第二信號，其中所述第二信號包括所述第一運算放大器311反向處理後的輸入信號的電壓值小於預設電壓值的部分。在一些實施例中，所述預設電壓值等於所述電壓Bias。

如圖2所示，所述第二運算放大器312的V-埠接地GND，V+埠輸入電源電壓VCC，所述電源電壓VCC與所述V+埠之間設置有第二電路315，所述第二電路315由電容構成，以起到穩定電壓的作用。所述第二運算放大器312的+InA埠用於輸入經過所述第一運算放大器311反向處理後的左聲道信號，-InA埠與OutA埠並聯，且在所述OutA埠串聯有二極體。由此，所述第二運算放大器312將所述第一運算放大器311反向處理後的左聲道信號的電壓值大於所述預設電壓值的部分(例如，電壓值大於所述電壓Bias的部分)濾除，只保留電壓值小於所述預設電壓值的部分(例如，電壓值小於所述電壓Bias的部分)。

類似的，所述第二運算放大器312的+InB埠輸入經過所述第一運算放大器311反向處理後的右聲道信號，-InB埠與OutB埠並聯，且在所述OutB埠串聯有二極體。由此，所述第二運算放大器312將所述第一運算放大器311反向處理後的右聲道信號的電壓值大於所述預設電壓值的部分濾除，只保留電壓值小於所述預設電壓值的部分。例如，所述第二運算放大器312可以將所述第一運算放大器311反向處理後的右聲道信號的電壓值大於所述電壓Bias的部分濾除，只保留電壓值小於所述電壓Bias的部分。

在圖2所示的實施例中，所述信號調理裝置31還包括與所述第一運算放大器311、所述第二運算放大器312以及所述第三運算放大器313相匹配的電容單元和電阻單元，用於隔離直流信號和阻抗匹配，其具體數值和連接方式在此不再贅述。

由此，所述輸入信號在經過所述第二運算放大器312之後，生成第二信號，所述第二信號包含第一運算放大器311反向處理後的輸入信號的電壓值小於所述預設電壓值的部分。例如，當經過所述第一運算放大器311反向處理後的信號為圖3b所示時，所述第二運算放大器312生成的所述第二信號如圖3c所示。

所述第三運算放大器313用於生成第三信號，其中所述第三信號包括所述輸入信號的電壓值小於所述預設電壓值的部分。所述第三運算放大器313的作用類似於所述第二運算放大器312，其區別在於輸入的信號不同，其中輸入至所述第二運算放大器312的為經過所述第一運算放大器311反向處理後的輸入信號，而輸入至所述第三運算放大器313的為未經反向處理的所述輸入信號。換句話說，所述第二運算放大器312用於濾除經所述第一運算放大器311反向處理後的輸入信號的電壓值大於所述預設電壓值的部分，而所述第三運算放大器313直接對所述輸入信號進行處理，以濾除所述輸入信號的電壓值大於所述預設電壓值的部分。

所述第三運算放大器313的結構和作用與所述第二運算放大器312類似，此處不再贅述。

因此，所述輸入信號在經過所述第三運算放大器313之後，生成第三信號，所述第三信號包含所述輸入信號的電壓值小於預設電壓值的部分。例如，當所述輸入信號為圖3a所示的正弦信號時，所述第三運算放大器313生成的所述第三信號如圖3d所示。

經所述第一運算放大器311和所述第二運算放大器312生成的所述第二信號與所述第三運算放大器313生成的所述第三信號合併即獲得所述第一信號。例如，當所述輸入信號為圖3a所示的正弦信號時，經所述第一運算放大器311和所述第二運算放大器312生成的所述第二信號如圖3c所示，經所述第三運算放大器313生成的所述第三信號如圖3d所示，則所述第二信號與所述第三信號合併而成的所述第一信號如圖3e所示。所述第一信號可進一步被所述邏輯運算單元32用於生成所述調壓信號。

在一些實施例中，所述信號調理裝置31進一步包括匹配單元316，用於緩衝所述第一信號，以與所述邏輯運算裝置32相匹配。所述匹配單元316包括電容(未標註)，從而使得電壓VPR的變化平緩。具體地，考慮到所述信號調理裝置31中的運算放大器(即所述第一運算放大器311、所述第二運算放大器312和所述第三運算放大器313)具有輸入阻抗大而輸出阻抗小的特性，通過設置所述匹配單元316，可使得所述信號調理裝置31生成的所述第一信號的電壓下降快而上昇平緩，因為電壓在上升時需要對所述匹配單元316中的電容進行充電。這樣，使得所述調壓裝置30最終輸出的電壓上升快而下降平緩。

所述信號調理裝置31生成的所述第一信號進一步輸入至所述邏輯運算裝置32，以生成所述調壓信號。

如圖4所示，所述邏輯運算裝置32包括型號為SLG46140的可編程邏輯器件321。所述可編程邏輯器件321的埠VDD用於輸入電源電壓VCC，埠GND接地，第六埠GPIO用於輸入所述信號調理裝置31生成的所述第一信號(圖4中的VPR)，第七埠GPIO用於輸入參考信號，通過對比所述第一信號和所述參考信號，生成所述調壓信號，所述調壓信號(圖4中的VDAC)從第三埠GPIO輸出。另外，在所述電源電壓VCC與所述VDD埠之間設置有第三電路322，所述第三電路322包括電容，以起到穩定電路工作電壓VCC的作用。所述GND埠與所述第七埠GPIO之間設置有第四電路323，所述第四電路作為分壓網絡，用於確定參考電壓值。

具體地，所述邏輯運算裝置32配置成用於根據所述第一信號和所述參考信號，計算出第一電壓值，並根據所述第一電壓值，輸出所述調壓信號。在一些實施例中，當所述第一電壓值大於0.1V小於1V時，輸出的所述調壓信號的電壓值等於所述第一電壓值；當所述第一電壓值小於等於0.1V，輸出的所述調壓信號的電壓值等於0.1V；以及當所述第一電壓值大於等於1V，輸出的所述調壓信號的電壓值等於1V。

所述邏輯運算裝置32生成的所述調壓信號被進一步輸入至所述電壓調整裝置33，以調整提供至所述放大器10的工作電壓。

在一些實施例中，如圖5所示，所述電壓調整裝置33包括型號為TPS61088的升壓器331。所述升壓器331的VIN埠與電源20耦合，FB埠與所述邏輯運算裝置32耦合，以輸入所述調壓信號VDAC，AGND埠和FGND埠接地，VOUT埠用於輸出所述放大器10所需要的工作電壓VOUT。因FB埠處的電壓維持在穩定值，通過所述第六電路333構成分壓網絡，使得當所述輸入信號的強度發生變化時，所述調壓信號的電壓VDAC隨之變化，因此輸出的所述電壓VOUT也隨之變化。這樣，可根據所述輸入信號的強度變化，實現電壓的動態調整，以降低功耗、提高電源的利用率和使用壽命。另外，在所述電源20與所述VIN埠之間設置有第五電路332，以起到穩壓的作用。值得注意的是，雖然圖5中僅顯示了所述電壓調整裝置33的所述升壓器331的VIN埠、FB埠、VOUT埠、AGND埠以及FGND埠的連接方式，但本領域技術人員可以理解的是，所述電壓調整裝置33還可包括其它一些外圍元件。

如圖6和圖7所示，在本實用新型的一實施例中，所述電源電壓VCC設置為3.3伏，所述電壓Bias為1.65伏，所述第一邏輯運算裝置311、所述第二邏輯運算裝置312和所述第三邏輯運算裝置313的均為NJM2740型號的雙路邏輯運算器。所述第一電路、所述第二電路、所述第三電路、所述第四電路、所述第五電路、所述第六電路以及所述匹配單元中的元器件的參數設置如圖中所示。

在本實施例中，所述調理電路31生成的所述第一信號的電壓值與所述輸入信號之間滿足：

VPR＝(1.65-VIN x 1.414)/1.133

其中，VPR表示所述第一信號的電壓值，VIN表示所述輸入信號的電壓值的均方根。

所述邏輯運算裝置32計算所得的所述第一電壓值V1與所述第一信號以及所述參考信號之間滿足：

V1＝4*(VPR-VRF+0.05)

其中，V1表示所述第一電壓值，VPR表示所述第一信號的電壓值，VRF表示所述參考信號的電壓值。

所述調壓信號的電壓值VDAC與所述第一電壓值V1之間滿足：當0.1V≤V1≤1V時，所述調壓信號的電壓值VDAC等於所述第一電壓值V1；當V1≤0.1V時，所述調壓信號的電壓值VDAC等於0.1V；當V1≥1V時，所述調壓信號的電壓值VDAC等於1V。

所述電壓調整裝置33輸出的所述工作電壓的電壓值VOUT與所述調壓信號的電壓值VDAC以及所述第五電路之間滿足：

VOUT＝VREF(1+R105/R107+R105/R109)-VDAC*R105/R109

其中，VOUT表示所述電壓調整裝置33輸出的工作電壓，VREF表示所述FB埠的電壓值，VDAC表示所述調壓信號的電壓值。

在一些實施例中，當所述調壓信號的電壓值VDAC在0.1V至1V範圍內變化時，電源電壓為VOUT在11.78V-5.03V之間變化。

由此可以看出，在本實用新型提供實施例提供的放大系統中，輸入至放大器10的工作電壓隨著輸入信號的變化而動態變化，以降低功耗。

雖然本實用新型披露如上，但本實用新型並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本實用新型的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本實用新型的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。