具有開關電源的功率放大器的製作方法
2023-12-07 08:38:06
專利名稱：具有開關電源的功率放大器的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及放大器，特別是線性放大器。
背景技術：
線性功率放大器在本領域是公知的。一般而言，這些器件是用來供給電壓增益和/或電流增益給相當低電位的輸入信號。線性功率放大器有很廣泛的應用領域，例如伺服控制、陰極射線管偏轉、音頻信號放大器、電動馬達驅動器等等。不幸的是這些現有技術線性功率放大器中存在有很多的缺點，包括太高能量消耗及產生太多熱量。
許多現有技術線性功率放大器都是採用多級設計。首先，把低電位的輸入信號(即從麥克風放大器、CD機、電腦聲音卡等)送入電壓放大級。在經過電壓放大級後該低電位輸入信號將獲得電壓增益。而在經過電流放大級後該號將獲得電流增益，被電壓放大及電流放大的信號最後才被施加到負載上，如一隻喇叭。
使用現有技術的多級線性功率放大器時，人們發現只要電壓放大裝置被接到電流放大裝置上的信號振幅保持在比加在電流放大裝置上的電源電壓低於某一參考電位時，電流放大裝置就不會飽和，此時線性功率放大器就能夠輸出不變質的功率到負載上。然而，當被加到電流放大裝置的信號電壓振幅升高到接近加在電流放大裝置上的電源電壓時，電流放大裝置即會發生飽和，此時輸出信號即會被分割而限制了流到負載上的電流。
一般典型的解決方法是單純地把加在電流放大裝置上的電源電壓提高來減少信號切割。不幸的是此方法的負面效果是其也提高了該線性功率放大器的功率消耗，而後果會是各使用元件產生的熱量會增加。因此將需要用額外的散熱器來幫助散熱，放大器的體積和成本將會變大及提高。
以前曾還有一些與線性功率放大有關的功率放大器被提出來用以減小上述的問題。例如，由美國專利局在1977年8月16日頒發給艾柯爾(Ecker1e)的專利4,042,890，公開了一種使用信號處理器去控制一隻可控性開關的功率放大器，該可控性開關是隨著信號源的高交流電壓動作。艾柯爾放大器可用來驅動各種負載。然而艾柯爾使用的線路需要使用中間模數轉換器來做原始信號的轉接，增加了線路複雜性。
發明的目的當然，本發明的一個目的是要提供一改良性能的線性功率放大器。
本發明的另一個目的是提供一種線性功率放大器，其能夠把輸出功率提高但能相對地產生低量的熱。
本發明的另一目的是要提供一種線性功率放大器，其提高了輸出功率，但能在低信號輸出時有低雜音的性能。
本發明的另一個目的是提供切換電源，它以很高的速度給與其相連的線性功率放大器提供電源，從而放大器年以很高的速度給動態負載提供功率。
本發明的另一目的是要提供一種線性功率放大器，其使用脈衝電源供給器，而此脈衝有一固定的脈衝時間周期，即固定的脈衝寬度。
而本發明的另一目的是要供一種功率放大器，其使用的脈衝電源供給器，其脈衝有固定的脈衝振幅。
本發明的再一個目的是要提供一種線性功率放大器，其使用脈衝電源供給器，而其脈衝數根據加在負載上的瞬間電壓振幅而變動，因此也是跟著負載的功率消耗而變動的。
本發明的另更進一步的目的是要供一種線性功率放大器，其使用脈衝電源供給器，而其脈衝數的密度(即脈衝產生的頻率)是跟隨著加到負載上的電壓振幅而變動的，亦即跟隨著負載的功率消耗而變動的。
而本發明的再一個目的是要供一種線性功率放大器，其使用脈衝電源供給器，此電源供給器能夠送出每秒超過一百萬個脈衝。
本發明的另一目的是要提供一種線性功率放大器，其使用脈衝電源供給器，而能有十分高的信噪比。
本發明的再一個目的是要提供一種線性功率放大器，其使用一脈衝電源供給器，其能在低信號電壓時有很低的交換式雜訊。
本發明的再一個目的是要提供一種線性功率放大器，其能在整個音頻領域，在不同輸出功率的情況下有很低的斜波失真。
本發明的再一個目的是要提供一種線性功率放大器，其能供給線性放大用並且能提供改良的功率效率。
本發明的再一個目的是要提供一種線性功率放大器，其能特別被適用到音頻的應用上。
本發明的另一目的是要提供一種改良的方法來做變動電壓信號的放大用途。發明概要本發明的這些與其他上述目的是經由使用脈衝密度調製切換電源的新穎的線性功率放大器來達成。
更具體地，此線性功率放大器的包括電源裝置、電壓放大裝置、電流放大裝置以及脈衝產生裝置。
電源裝置適用於提供(i)第一相對高的DC電壓，和(ii)第二相對低的DC電壓。
電壓放大裝置連接到一個信號源。電壓放大裝置適於將來自信號源的第一相對低的電壓信號放大為第二相對高的電壓信號。電壓放大裝置由電源裝置供給第一相對高的DC電壓。
電流放大裝置被連接在電壓放大裝置和負載之間。電流放大裝置適於根據需要提升從電壓放大裝置接收的第二相對高的電壓信號的電流，以便適當地驅動負載。電流放大裝置一般由電源裝置提供第二相對低的DC電壓。
脈衝產生裝置連接到將第二相對高的電壓加到負載的線路，並且連接到將電源加到電流放大裝置的線路。脈衝產生裝置適於(i)比較第二相對高電壓信號與電流放大裝置電壓電平的瞬態電壓振幅，(ii)不論什麼時候，只要第二相對高的電壓信號相對於電流放大裝置的電壓電平升得足夠高以使電流放大裝置達到飽和，則提供固定周期的脈衝(以第一相對高的DC電壓)以給電流放大裝置供能。優選地，脈衝產生裝置適於以足夠的頻率提供足夠數目的第一相對高的DC電壓脈衝，並且選擇第一相對高DC電壓的電平以使其相對於第二相對高電壓信號足夠高，從而防止電流放大裝置達到飽和。以此方式，只要低DC電壓適於適當地供能電流放大裝置，電流放大裝置將被第二相對低的電壓供能，但是，不論什麼時候只要那些脈衝需要保持電流放大裝置離開飽和，則它將從脈衝產生裝置接收第一相對高的DC電壓脈衝。
在本發明的優選實施例中，電源裝置包括常規的AC或DC對應於的交聯。電源裝置既可以包括單極性電源也可以包括雙極性電源。
電壓放大裝置包括現有技術中公知的眾多線性電壓放大裝置中的任一種。
電流放大裝置包括眾多現有技術公知的電流增益輸出電晶體用於驅動諸如復電抗負載或具有隨頻率變化特性的負載之類的各種負載。
本發明的脈衝產生裝置包括高速開關、電源開關、補償網絡和脈衝濾波器。
更具體地，高速開關是用來監視(i)由電壓放大裝置產生的第二相當高的電壓信號，及(ii)加在電流放大裝置上的電源電壓兩者間的瞬態電壓差。當該第二相當高信號電壓振幅升到接近加在電流放大裝置上的電源電壓而使電流放大裝置趨向飽和時，高速開關會轉態。特別是高速開關被設定在電流放大裝置未飽和之前就會轉態，因而其能避免線性放大器的輸出被切割以及負載電流被限制的情形。
電源開關是用來在當高速開關轉態時做出反應以提供一高電壓脈衝到電流放大裝置上。特別是，只要是高速開關測知電流放大裝置趨進飽和時，電源開關即會提供高壓脈衝到電流放大裝置的電源輸入上。
補償網路連接在(i)電壓放大裝置和(ii)高速開關之間。補償網路包含，經適當選擇的電阻和電容元件，其用來(i)改正由脈衝產生器產生的相位變化，及(ii)調和高速開關的一輸入端(即從電壓放大裝置輸出的高的相關電壓信號)以使高速開關能在適當的時間啟動送出脈衝。
脈衝濾波器連接在電源開關的輸出和電流放大裝置的電源輸入間，用以在高壓脈衝被加到電流放大裝置的電源之前將其狀態調和。
在本發明的可選實施例中，脈衝產生裝置包括具有雙態阻抗的電壓監視器、高速開關、電源開關、補償網絡和脈衝濾波器。
雙阻抗電壓監視器用以監視以下兩者間的瞬態電壓差，(i)從電壓放大裝置輸出的相當高電壓信號，及(ii)加在電流放大裝置上的電源電壓。當該相當高電壓的信號的電壓振幅上升到接近加在電流放大裝置上電源電壓而使放大器趨向飽和時，雙阻抗電壓監視器會改變其阻抗，特別是，雙阻抗電壓監視器被選用成在電流放大裝置趨向飽和之前就會改變阻抗，因而避免了線性功率放大器的輸出信被切割及負載電流被限制的情形。
高速開關會對雙阻抗電壓監視器的轉態有所反應。
電源開關會依高速開關的轉態而反應，提供高壓脈衝給電流放大裝置。特別是，只要雙阻抗電壓監視器決定電流放大裝置是趨向飽和時電源開關即會輸出高壓脈衝到電流放大裝置電源輸入上。
補償網路是被放置在(i)電壓放大裝置與雙阻抗電壓監視器間，以及(ii)在電壓放大裝置和高速開關之間。補償網路內含有經適當選擇的電阻和容元件，用以來提供合適的偏壓給雙阻抗電壓監視器以及設定高速開關的工作點電壓。而進一步的是，補償網路修正由脈衝產生器產生的相位移以及提供預備，該高速開關能在適當的時刻啟動送出脈衝。
脈衝濾波器接在電源開關的輸出和電流放大裝置的電源輸入端間，以便能在高壓脈衝在被加到電流放大裝置的電源輸入之前將其過濾調和。
附圖簡述本發明的這些和其它目的、特徵及優點將通過以下結合附圖描述的優選實施例而變得明了，附圖中相同的標號代表相同的部件。
圖1是依據本發明的一個優選實施例中使用脈衝密度調製電源的線性功率放大器的方塊圖。
圖2描述了可以用於本發明的一種電源。
圖3線路圖描述了在圖1表示的第一發明構思中電壓放大裝置、電流放大裝置、及脈衝濾波器，圖示了其經一低通濾波器後才連結到負載上。
圖4線路圖描述了在圖1表示過的在此優選實施例中的高速開關、電源開關、補償網路及脈衝濾波器。
圖5是和在圖1表示過的與此優選實施例有關的圖形，其描述了(i)由電壓放大裝置輸出的相當高電壓的信號，和(ii)脈衝密度調製電源供給器在未通過脈衝濾波器前的輸出波形。
圖6是描述了(i)兩電壓放大裝置輸出的相當高電壓的信號，和(ii)脈衝密度調製電源供給器的輸出在通過了脈衝濾波器後的輸出波形。
圖7是依據本發明的可選實施例中使用脈衝密度調製電源的線性功率放大器的方塊圖。
圖8線路圖描述了根據本發明的電流放大裝置、雙阻抗電壓監視器、高速開關、電源開關補償網絡和脈衝濾波器。
圖9線路圖描述了一可以和本發明用在一起的低通濾波器。
優選實施例的詳細描述參考圖1，本發明優選實施例含有電源100、電壓放大裝置200、電流放大裝置300，及脈衝產生器400。
脈衝產生器400一般是由一高速開關600，一電源開關700，一補償網絡800以及一脈衝濾波器900所組成。
電源100可以是一單極性或一雙極性電子電源。例始由傳統式電源提供給的交流電壓，或是直流電壓皆可用於本發明中。在此構思中使用一個有雙極性的電源(見圖2的例子)來提供四個輸出電壓，即(+)和(-)的相當高的直流電壓(在此之後稱為VDC1)及(+)和(-)的相當低的直流電壓(此後稱為VDC2)。
VDC1電壓是用來供功率給電壓放大裝置200的，以使其能輸出高電壓振幅來驅動電流放大裝置300，此細節將在後面詳述。當脈衝產生裝置400給電流放大裝置300提供功率脈衝時，VDC1也是給電流放大裝置300供能的電源電壓，以下還要詳述。
VDC2除了脈衝產生器400正在輸出脈衝(固定寬度及VDC1的脈衝)到電流放大裝置300的期間，被用來供給功率給電流放大裝置300。此細節將會在後面加以討論。
以另外一種方式來講，(+)和(-)VCC是用來表示加在電流放大裝置300經過了脈衝濾波器900以後的電壓(此後稱此電壓為VCC)。在通常時VCC是等於VDC2相當低的直流電壓。然而當脈衝產生器400為了要防止電流放大裝置300呈現飽和的時候，VCC亦可上升到VDC1，以此線性功率放大器能夠完整地把功率輸送到負載上而不使信號被切割。此將在後面詳述細節。
VDC1，以此線性功率放大器能夠完整地把功率輸送到負載上而不使信號被切割。此將在後面詳述細節。
VDC1是依預期的最大信號振幅而選定其電壓值，此值考慮到了當電流放大裝置300是由VDC1供能時，其不會有飽和的情況發生。而預期的最大信號是由功率放大器的最大輸出功率決定其值。一般最大輸出功率都由功率放大器的製造廠以商業性的目的而加以標明，然而，VDC1的選擇亦考慮到絕不超過一個能讓電流放大裝置300輸出完整功率到負載1000上所須的一個值。
本領域的技術人員應該理解在以下電路中，可以設置各種組件以便以(+)VDC1和(+)VDC2或(-)VDC1和(-)VDC2，或者它們兩者操作。為了簡化描述，本發明將在以下以單極性正電壓說明。但是應該理解，本發明的範圍涵蓋以各種電壓操作的各種電路。
電壓放大裝置200包括靈敏的高增益電壓放大電路。在優選實施例中，電壓放大裝置200適於提供從例如麥克風放大器、CD機、計算機聲霸卡等音頻裝置接收的音頻信號的低噪聲電壓放大。電壓放大裝置200被供以VDC1。
電流放大裝置300包括電流增益電晶體或類似的電壓放大裝置200的輸出驅動的器件。電流放大裝置300適於按需要提升從電壓放大裝置200接收的第二相對高的電壓信號的電流，以便適當地驅動負載1000。電流放大裝置300除了當脈衝產生裝置400提供功率脈衝(以固定的周期和電壓電平VDC1)時之外，被供以VDC2，以下詳述。
脈衝產生裝置400連接到電流放大裝置300的輸出(或優選地連接到電壓放大裝置200的輸出)。脈衝產生裝置400(i)比較第二相對高的電壓信號和電流放大裝置300的電源電壓電平，(ii)不論何時，只要第二相對高的電壓信號相對於電流放大裝置300的電源電壓電平升得足夠高以使電流放大裝置達到飽和，則提供固定周期的脈衝(以高電壓VDC1)。
為此目的，脈衝產生裝置400包括高速開關600，高速開關600適於在兩個明顯的狀態之間轉換。更具體地，高速開關600含有一個相當於「關閉」的位置，只要是相當高電壓的信號的瞬態振幅保持在比加在電流放大裝置300的電源輸入上的瞬態電壓足夠低而使其不趨向飽和時，高速開關即會維持在「關閉」的狀態。換句話說，高速開關600在只要(i)電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸出瞬態電壓振幅和(ii)加在電流放大裝置300電源輸入的瞬態電壓(即VCC)之間的差額大於或等於某一預設的電壓值，則高速開關600會推其在「關閉」的狀態。而該某一預設的壓值是經由考慮不讓電流放大裝置300飽和的前提下加以選擇決定的。
高速開關600尚有另一相當於「開動」的位置，此開關會在當相當高壓的信號的瞬態振幅相對升高到與加到電流放大裝置300的電源輸入的瞬態電壓接近而使其瞬向飽和時動作。因此，高速開關600在(I)電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸入端的瞬態電壓，和(II)加在電流放大裝置300的電源輸入的瞬態電壓(即VCC)之間的差額小於前述預設的電壓值時，會從原來的「關閉」狀態轉變成「開動」的狀態。
高速開關600會在其從「關閉」轉為「開動」時觸動電源開關700來把VCC從VDC2很迅速的切換到VDC1。因此電源開關700也會有兩個狀態，第一個是相當於「關閉」位置，此位置會隨著高速開關300的開關而維持關閉，而當電源開關700在「關閉」狀態下，VDC1是被阻隔的，此時VCC被設定在VDC2電源的電壓。
電源開關700另有一「開動」狀態，此狀態將會在當高速開關600轉態在「開動」的狀態時產生。此時電源開關700會讓VCC迅速地升到VDC1，圖1及圖4中的高速二極體1100將會被加上一負偏壓，而把VDC2隔開來。
補償網絡800是放置在(I)電壓放大裝置200(或是電流放大裝置300的輸出)，和(II)高速開關600之間。補償網絡800包含經過適當選擇過的電阻和電容元件，其用來(I)改正由脈衝產生器400引起的相位移，和(II)修飾高速開關600的輸入(即修飾從電壓放大裝置200輸出的相當高壓的信號)而使其能在適當的時間被點火動作。
脈衝濾波器900是用來在脈衝被加到電流放大裝置300的電源輸入前，修飾從脈衝產生器400輸入的脈衝波形。
圖1中有關使用脈衝密度調製的線性放大器，依如下所述而動作一相當低壓的信號被輸送到電壓放大裝置200上，電壓放大裝置200將其放大成相當高壓的信號，電壓放大裝置200的電源是由VDC1供給而使其能提供增益給相當低壓的信號，此是在該信號被加在負載1000的先前完成。在此，該注意的是電壓放大裝置200的輸出是接到電流放大裝置300上，然後經由低通濾波器1200去推動負載1000的。
脈衝產生器400會持續的比較在電流放大裝置300或電壓放大裝置200的輸出端的瞬態電壓振幅和電流放大裝置300的電源輸入端上的瞬態電壓。進一步而言，電流放大裝置300輸出端上的信號的瞬態電壓振幅和在電流放大裝置300的電源輸入端的瞬態電壓(即VCC)是經由高速開關600加以比較。如果兩者的差額保持在大於或等於某一預設的電壓值時，高速開關600會停留在「關閉」的狀態，其結果是電源開關700也會停留在「關閉」的狀態，VCC會被保持在VDC2而該某一預設的電壓值是一足夠使電流放大裝置300不會趨向飽和的一個電壓。因此，只要低的VDC2電壓足夠防止電流放大裝置300呈現飽和時，電流放大裝置300將只由低的VDC2電壓供應功率。
但如果電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸出端的瞬態電壓振幅相對升高到與加在電流放大裝置300的電源輸入端的瞬態電壓接近到會引起其趨向飽和時，高速開關600會立即轉態，從「關閉」切換成「開動」，其將使得VCC在瞬間從原來的VDC2上升到高的VDC1電壓，使其能避免電流放大裝置300呈現飽和。
在VCC上升到VDC1時，前述的電壓差額(即電壓放大裝置200的輸出端的瞬態振幅電壓以及如在電流放大裝置300電源輸入上的瞬態電壓之差)會馬上超過前述被高速開關600監控著的某一預設電壓值，此時高速開關600會立即從「開動」的狀態切換回「關閉」的狀態，而引起電源開關700從「開動」切換到「關閉」狀態。因此，VCC會立即趨向電壓VDC2。實際上，只要當線路將其本身開動而使VCC升向VDC1，其也開始把自己「關閉」。以便讓VCC回復到VDC2。因此一個如此產生的脈衝會有很短的期間及有VDC1的固定電壓、此脈衝會在只要相當高壓的信號的瞬態振幅若上升到接近接在電流放大裝置300的電源輸入的瞬態電壓時即會產生。
當若須要輸出更多脈衝的時候，上述線路系統立即並連續地把脈衝產生。
在適當選用線路元件用於上述線路中，此線路可以每秒鐘輸出高於1百萬個脈衝。
該知的是，電流放大裝置300在只要低壓VDC2足夠去防止電流放大裝置300呈現飽和時，通常其是由低壓VDC2供能的(用以減低功率消耗)，而另一方面，在而且只有在電流放器300(或電壓放大裝置200)的輸出的瞬態電壓振幅和加在電流放大裝置電源輸入上的瞬態電壓之間的差額升高於前述的「某預設的值」時，這些有很短脈寬，有固定電壓的脈衝將會被加到電流放大裝置300的電源輸入端上。換句話說，只要相當高壓的信號之間振幅和VCC之間的差額下降到會使電流放大裝置300趨向飽和的一個點時，脈衝產生器400會輸出脈衝。如此負載1000須要的瞬間電流將會被很有效率地供給。
重要的是，被脈衝產生器400加到電流放大裝置300上的高壓脈衝數是和加在電流產器300的瞬信號的瞬態振幅及負載上功率消耗的程度有一比例關係。
前述有關「使用脈衝密度調製電源供給器」的更進一步細節的發明構思會描述於圖2到4。
圖1及圖2中，電源100含變壓器105以能把交流變成直流，變壓器105一般是有眾知的有中間抽頭的雙能圈、50/60Hz的變壓器。變壓器105從交流電源上供給VDC1(圖示24V直流電壓)VDC2(圖示為12V直流電壓)，該了解的是，使用其他數值的電壓並不脫離本發明的涵蓋範圍。
一對全波橋式整流器110及110a被用來接受變壓器的輸出，圖2中全波橋式整流器110及110a是由二極體115，120，125及130，以及115a，120a，125a及130a等組成。電容器130及140提供VDC2及VDC1的濾波。因此電源100供應了四種電壓，(+)和(-)VDC1以及(+)和(-)VDC2。
翻到圖1和圖3，電壓放大裝置200由一本領域公知的靈敏的，高增益的晶體放大器組成。電壓放大裝置200將一小信號輸入加以放大(如從麥克風、CD機、或電腦聲霸卡等音源而來的音頻信號)。電壓放大裝置200可以被供以VDC1。電壓放大裝置200可以是由一隻由國家半導體公司的LM391的電壓放大裝置所構成。
翻到圖1，3及4，電流放大裝置300是由電壓放大裝置200所驅動而提供電流增益加在負載1000的信號。特別該被了解的是，電流放大裝置300提供單一的電壓增益給加在負載1000上的信號，而且電流放大裝置300是由電壓VCC供給功率。VCC除了在脈衝脈衝產生器400輸出時，通常是設定在VDC2電壓，而在有脈衝時VCC會被設定向VDC1。電流放大裝置300可以是由兩隻有電流增益的電晶體305，例如摩託羅拉公司製造的兩隻MJ15024和MJ15025電晶體。
電壓放大裝置200和電流放大裝置300加在一起可以提供須要的電壓擺幅和高電流量恰當的輸出功率到負載1000上。
翻到圖1和4，脈衝產生器400一般由高速開關600，電源開關700，補償網絡800和脈衝濾波器900組成。
高速開關600由一然納二極體630，二極體635，及兩電阻625和640，及電晶體645和650組成。高速開關600是以下方式連接，電阻625包括有腳627及腳628電氣上是連接在電晶體645的基極上。然納二極體630包含腳633及634，腳633電氣上是連接到VCC及腳634是接連在電晶體645和650的射極上。電阻640含有腳634和644。腳643是連接到電晶體645的集極和電晶體650的基極上，腳644是連接到線路的地線電壓613上。另外，電晶體645的基極也連接在二極體635的腳637上。二極體635的腳638也連接到補償網絡800上。
補償網絡800由兩電阻805和810及一電容器815組成。這些元件是被接成電容器815和電阻810是電氣上有連接的關係，而並接線路的電容器815和電阻810的一端是連接在電阻805上，並接線路的電容器815和電阻810的另一端是連接到二極體635的腳638上。電阻805亦連接到電流放大裝置300的輸出端。在本發明的第一優選構思中電容815和電阻805和810的值是選用為讓其合適於20Hz到20KHz的聲頻範圍。當然在實際的應用上，元件的值也許會有所不同。
再參考圖1和4，電源開關700是由一電晶體702及電阻705組成。電晶體605的集電極輸出腳652電氣上被經由電阻R705接到電晶體702的基極，更詳細的說，電阻705包括腳707和708電阻710包括有腳713和714，電晶體650的集極腳652電氣上被連接到電阻705的腳707上，電阻705的腳708電氣上被連接到電阻710的腳713以及電晶體702的基極上，電阻710的腳714電氣上被連接到線路地電壓613。
電晶體702(圖示為725)的射極電氣上被連接到線路的地線電壓613上，電阻703包括有腳733和734，電阻730的腳734電氣上被連接到電晶體702的集極上，電阻730的腳733是連接到二極體740的陰極上，電阻730的腳733和二極體740的陰極則和電晶體750的基極電氣上相連接。
電阻755含有腳757和758，腳757連接到電晶體750的基極及電阻730的腳700及二極體740的陰極上。電阻器755的腳758是連接在VDC1與電容器759的連接線上，電容器759是置於腳758、VDC1和線路的地線613之間，電晶體750的射極腳762電氣上被接到二極體740的陰極及到功率金鋸氧化場效晶體(MOSFET)763r閘極上。功率金屬氧化場效應電晶體763的源極電氣上是接VDC1而其集電極電氣上是接到VCC線上。
前述線路的功作如下。電阻625和640調整通過開關600的電流。然納二極體630會根據VCC的電壓值來設定電晶體645和655的射極工作點電壓，特別是然納二極體630的選擇是以(I)當相當高壓的信號的瞬態振幅比加在電流放大裝置300電源輸入端上的瞬態電低很多時，電晶體645會在飽和或是「導通」電晶體650不會飽和，或「不通」時不引起電流放大裝置去趨向飽和，及(ii)當相當高的信號的瞬態振幅升到與加在電流放大裝置300的電源輸入端上的瞬態電壓相對接近時，電晶體645不會飽和，或「不通」，電晶體650會飽和，或「導通」而引起電流放大裝置趨向飽和。換句話說，然納二極體630的崩潰電壓Vz的值是選擇在當電晶體645的基極電壓小於(VCC-Vz-Vee)時，其中Vee是電晶體645基極與射極間的正向電壓，電晶體645會「導通」，此條件是相對於電流放大裝置300不趨向飽和。然鈉二極體的崩電壓Vz的值的選擇在另一要在電晶體645的基極電壓在大於(Vcc-Vz-Vbe)時，電晶體645能夠「不導通」，此條件是相對於電流放大裝置300趨向於飽和以及脈衝會被脈衝產生器400放出。
更仔細的說，若電晶體645是「導通」則電晶體650會是「不導通」，此會在當電流放器的輸出端的瞬態電壓(或電壓放大裝置200)保持在比加在電流放大裝置300的電源輸入端的瞬電壓要足夠低時而發生，其不會使電流放大裝置300趨向飽和。依此情況，電晶體702會是「不導通」，電晶體750會是「導通」的，以及功率金屬氧化場效應電晶體763會呈「不導通」。
然而，當該相當高壓的信號的瞬態振幅上升相對高到接近加在電流放大裝置300電源輸入端的瞬態電壓而引起其接近飽和時，電晶體645會被切換成「不導通」電晶體650會被切換到「導通」，及電晶體702會被切換為「導通」。而當電晶體750會被關成「不導通」。當二極體740在導通之下，金屬氧化場效應電晶體的柵極的電壓會下降而加給該晶體正向偏壓而「導電」，金屬氧化場效應電晶體763導通時，VCC會很快地上升到VDC1，因此供給了電流放大裝置300高電壓以使信號不受到切割。
當VCC上升到VDC1時，在然納二極體630的陰極上的電壓會再次的相對於加在電晶體745的高壓信號的振幅而升高到把電晶體645變回「導通」，和把電晶體650轉變回「不導通」。這高速開關600的此種狀態變換會引起電晶體702被切換成「不導通」和電晶體750變成「導通」而功率金屬氧化場效應電晶體763會變成「不導通」以讓VCC回復到VDC2的電壓。其效果是線路在某一時刻下把VCC上升以避免電流放大裝置300趨於飽和，在此時線路卻開始把自己關成「不導通」狀態而停止該脈衝。
因此在每一周期，高速開關600和電源開關700，一個的十百萬分之1秒的脈衝會被產生，而其脈電壓值為VDC1。產出脈的頻率和(i)電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)提供的相當高壓的信號的振，和(ii)加在電流放大裝置300上的電壓瞬態值有直接的關係。特別是每一次當相高壓的信號的瞬態振幅上升至使電流增益電晶體305趨向飽和時，脈衝產生器400即被啟動產生脈衝及VCC會很快的升到VDC1電壓。在VCC達到VDC1的時候，電阻625上會產生一大的電壓降而立刻把電晶體645轉換回「導通」的狀態。因此VCC會回復到VDC2。因此一百萬分之一秒寬的脈衝即產生了。
考慮圖5及6，脈衝產生器400的輸出電壓VCC有被指示出來。其在當該相當高壓的信號的瞬態振幅相對於加在電流放大裝置電源輸入端的瞬態電要為低得多而不使電流放大裝置趨向飽和時；將不會有脈衝的產生。而在相反的情況下電流放大裝置300若有飽和的危險時至少會有一脈衝產生，此脈衝為VDC1電壓值以及約一百萬分之1的脈寬、此脈衝有防止電流增益電晶體305飽和的效果且提供給負載在該瞬間適當的功率。可以感覺到的是在信號有高振幅時，脈衝產生器400所產生的脈衝密度會相當的高(如圖5中1310的示)。而當信號變小時，脈衝密度即降低。其中的原因是因加上的信號在其最高振幅時會有最小的斜率，而加在此點的脈衝會比在其他點有比較短的時間來消耗在間來消耗在電流放大裝置的信號瞬態振幅和電源瞬態電壓差。
翻到圖3，脈衝濾波器900含有一電感器905、一電阻910和電容器915。脈衝濾波開關900有一適當的時間常數用來調整加到電流放大電晶體305的集電極的脈衝流形。因為由信號調變的脈衝在經過脈衝濾波器900後被整形為一類似信號的波形(如圖6中的1311所示)，所以能降低大器輸出的信號失真。
翻到圖7和8，本發明的可選實施例是由電源100、電壓放大裝置200，電流放大裝置300及脈衝產生裝置1400所組成。電源100、電壓放大裝置200和電流放大裝置300等是和在圖1到圖6的本發明優選實施例的電源100，電壓放大裝置200和電流放大裝置300等前述者是相同的東西。
脈衝產生裝置1400通常由一具有雙態阻抗的電壓監視器1500、一高速開關1600、一電源開關1700、一補償網絡1800和一脈衝濾波器1900所構成。補償網絡1800和脈衝濾波器1900與圖1-6所示的本發明優選實施例的補償網絡800和脈衝濾波器900是相同的。
再回到圖7，具有雙態阻抗的電壓監視器1500比較電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)輸出信號的振幅與電流放大裝置300的電源電壓電平(即VCC)。具有雙態阻抗的電壓監視器1500適於為兩個明顯的狀態之一。在第一狀態，其特徵在於當第二相對高的電壓信號遠低於電流放大裝置300的輸入電流的電壓以使電流放大裝置遠離飽和狀態時，呈現非常低的阻抗。在第二狀態，其特徵在於當第二相對高的電壓信號遠高於電流放大裝置300的輸入電流的電壓以使電流放大裝置達到飽和狀態時，呈現非常高的阻抗。應該理解具有脈衝密度調製切換電源的線性功率放大器將確定具有雙態阻抗的電壓監視器1500改變狀態的確切位置。
高速開關1600也適於為兩個狀態之一。更具體地說，高速開關1600包括相當於「關閉」位置的第一狀態，只要具有雙態阻抗的電壓監視器1500在其第一非常低阻抗狀態，該「關閉」狀態就保持。高速開關1600還包括相當於「開啟」位置的第二狀態，表示具有雙態阻抗的電壓監視器1500從其第一低阻抗狀態變為其第二高阻抗狀態。
電源開關1700也可以為兩個狀態之一。更具體地說，電源開關1700包括相當於「關閉」位置的第一狀態，只要高速開關1600在其第一「關閉」狀態，該「關閉」狀態就保持。當電源開關1700在其第一「關閉」狀態，VDC1被阻斷而VCC被供以DC2。電源開關1700還包括相當於「開啟」位置的第二狀態，「開啟」位置表示高速開關1600在其第二「開啟」位置。當電源開關1700在其第二「開啟」位置時，VDC1不被阻斷而VCC快速升到VDC1。隨之高速二極體1100(圖7和8)被反向偏置，而有效阻斷VDC2。
補償網絡1800設在電壓放大裝置200和具有雙態阻抗的電壓監視器1500與高速開關1600之間。優選地，補償網絡1800設在電流放大裝置300和具有雙態阻抗的電壓監視器1500與高速開關1600之間。補償網絡1800包括適當選擇的電阻和電容以給具有雙態阻抗的電壓監視器1500提供偏壓，同時設置高速開關1600的工作點。此外，補償網絡1800校正脈衝產生裝置1400不希望的相移。
脈衝濾波器1900用於調整脈衝產生裝置1400在將脈衝施加到電流放大裝置300之前提供的高壓脈衝的波形。
回到圖7，本發明的上述可選實施例(即圖7和8的實施例)以如下方式工作。首先，電壓放大裝置200接收相對低電壓信號。電壓放大裝置200將該第一相對低電壓信號放大成第二相對高電壓信號。電壓放大裝置200被高壓VDC1，且在確定負載1000之前給所有低電平信號提供電壓增益。電壓放大裝置200的輸出被施加到電流放大裝置300以便通過低通濾波器1200給負載1000供能。
此時，脈衝產生裝置1400連續地比較電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸出信號的瞬態電壓振幅與電流放大裝置300的電源電壓電平。更具體地，電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸出信號的瞬態電壓振幅被與電流放大裝置300的電源電壓電平(VCC)通過具有雙態阻抗的電壓監視器1500連續地比較。只要兩者的差大於或等於預定的值，即足以保證電流放大裝置300不達到飽和的值，則具有雙態阻抗的電壓監視器1500將保持在其第一、相當低的阻抗狀態。結果是，高速開關1600將保持在其第一「關閉」位置，而電源開關1700將保持在其第一「關閉」位置。VCC將保持在VDC2。因此，只要低電壓電平足以保證電流放大裝置300離開飽和，則電流放大裝置300將被供以該低電壓VDC2。
但是，如果電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸出信號的瞬態電壓振幅升高到相對於電流放大裝置300的輸入電源電壓足夠高以引起電流放大裝置達到飽和時，具有雙態阻抗的電壓監視器1500將改變狀態。特別地，具有雙態阻抗的電壓監視器1500將從其第一相當低阻抗狀態切換到其第二相當高阻抗狀態。這種狀態改變隨後又引起高速開關1600從其第一「關閉」位置切換到其第二「開啟」位置。一旦高速開關1600從其「關閉」位置切換到其「開啟」位置，電源開關1700從其「關閉」位置切換到其「開啟」位置。這使得VCC同時從其正常的電平VDC2升到更高的電平VDC1。結果是，電流放大裝置300將被供以更高的電壓VDC1以便保持電流放大裝置300離開飽和。
但是，VCC一升到VDC1，具有雙態阻抗的電壓監視器1500上的電壓差將再次超過上述的由具有雙態阻抗的電壓監視器1500測試的預定值。結果是，具有雙態阻抗的電壓監視器1500立即從其第二相當高的阻抗狀態切換到其第一相當低的阻抗狀態。從而高速開關1600立即從其第二「開啟」位置切換到其第一「關閉」位置，從而電源開關1700也立即從其第二「開啟」位置切換到其第一「關閉」位置。因此，VCC置回到VDC2。然後，電路一變到其「開啟」而使VCC升到VDC1，電路也變到其關閉以便將VCC恢復到VDC2。因此，只要第二相對高的電壓信號的電壓振幅相對於電流放大裝置的電源電壓升得足夠高，就產生周期非常短和固定振幅VDC1的功率脈衝，以便使電流放大裝置達到飽和。
隨後系統立即連續地不斷重複上述過程以判斷是否以及何時採用另一個功率脈衝。
通過選擇合適的電路組件，已發現採用每秒超過一百萬個脈衝是可能的。
因而只要低電壓VDC2不足以保持電流放大裝置300離開飽和，電流放大裝置300就將被低電壓VDC2正常地供能。另一方面，只要電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸出信號的瞬態電壓振幅與電流放大裝置300的輸入電源電壓的差升到預定值以上，即只要電流放大裝置300在被以低電壓VDC2供能時達到飽和，就將非常短周期和固定電壓振幅的脈衝施加到電流放大裝置300。換句話說，只要第二相對高的電壓信號的瞬態電壓振幅與VCC之間的差降到使電流放大裝置300達到飽和處，脈衝產生裝置1400將產生功率脈衝。以此方式，負載1000要求的瞬態電流要求得以滿足。
重要地，根據負載1000所消耗的功率，通過脈衝產生裝置1400施加到電流放大裝置300的高電壓脈衝密度正比於施加到電流放大裝置300的信號的瞬態電壓振幅。
具有脈衝密度調製切換電源的線性功率放大器的可選實施例的其它細節示於圖7和8。
更具體地，脈衝產生裝置1400包括具有雙態阻抗的電壓監視器1500、高速開關1600、電源開關1700、補償網絡1800和脈衝濾波器1900。
具有雙態阻抗的電壓監視器1500可以包括具有陽極151O和陰極1515的齊納二極體1505。陰極1515電連接到VCC。齊納二極體1505的陽極1510電連接到高速開關1600和補償網絡1800，以下詳述。
補償網絡1800包括兩個電阻1805和1810，以及電容1815。電容1815與電阻1810是並聯關係。電容1815和電阻1810並聯電路的一端連接到電阻1805，另一端連接到陽極1510。電阻1805還連接到電流放大裝置300的輸出。如同圖1-6優選實施例所示，補償網絡1800中電阻1805、1810和電容1815的值是優選的以便與20Hz到20KHz的音頻帶寬相匹配。當然，本發明的其它應用選用其它的元件值。
齊納二極體1505的陽極1510還電連接到高速開關1600的電容1605和1610。電容1605和1610包括管腳1611和1612。電容1605通過管腳1611電連接到陽極1510，而通過管腳1612電連接到地電位1613。電容1610包括管腳1614和1615。電容1610連接在齊納二極體1505的陽極1510和施密特觸發器1620的輸入之間。更具體地，電容1610通過管腳1614電連接到陽極1505，而通過管腳1615電連接到施密特觸發器1620的輸入。
施密特觸發器1620包括電阻1625、1630、1635、1640和兩個電晶體1645和1650。施密特觸發器1620如下連接。電阻1625包括管腳1627和1628。管腳1627電連接到電壓VCC而管腳1628電連接到電晶體1645的基極。電阻1630包括管腳1633和1634。管腳1633電連接到VCC而管腳1634電連接到電晶體1645和1650的發射極。電阻1635包括管腳1637和1638。管腳1637電連接到電晶體1645的基極而管腳1638連接到電路地電位1613。電阻1640包括管腳1643和1644。管腳1643連接到電晶體1645的集電極和電晶體1650的基極。管腳1644連接到地電位1613。此外，電晶體1645的基極連接到電容1610的管腳1615。
電晶體1650的集電極輸出管腳通過電阻1705電連接到電源開關1700的電晶體1702的基極。更具體地，電阻1705包括管腳1707和1708。電阻1710包括管腳1713和1714。電晶體1650的集電極1652電連接到電阻1705的管腳1707。電阻1705的管腳1708電連接到電阻1710的管腳1713和電晶體1702的基極。電阻1710的管腳1714電連接到地電位1613。
電晶體1702的發射極1725電連接到電路地電位1613。電阻1730包括管腳1733和1734。管腳1734電連接到電晶體1702的集電極而電阻1730的管腳1733連接到二極體1740的陰極。電阻1730的管腳1733和二極體1740的陰極亦電連接到電晶體1750的基極。
電阻1755包括兩個管腳1757和1758。管腳1757電晶體1750的基極和電阻1730的管腳1733以及二極體1740的陰極。電阻1755的管腳1758在VDC1和電容1759之間的點處連接到VCC。電容1759位於管腳1758、VDC1和電路地電位1613之間。電晶體1750的集電極1753連接到VDC1。電晶體1750的發射極1762連接到二極體1740的陽極和功率MOSFET的柵極。功率MOSFET的源極電連接到VDC1而其漏極電連接到VCC。
脈衝產生裝置1400按如下操作。
具有雙態阻抗的電壓監視器1500包括其陽極1510通過補償網絡1800電連接到電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸出端、同時通過電容1610(圖8)的管腳1614連接到高速開關1600的輸入端的齊納二極體1505。齊納二極體1505的陰極1515在電源開關1700的輸出端電連接到VCC。
齊納二極體1505當施加到其管腳上的電位差超過其擊穿電壓(以下稱為Vz)時具有相當低的阻抗。齊納二極體1505當施加到其管腳上的電位差低於其擊穿電壓Vz時具有相當高的阻抗。這樣來選擇齊納二極體1505的擊穿電壓以便(i)當第二相對高電壓信號保持足夠低於電流放大裝置300的輸入電源電壓電平以使電流放大裝置300離開飽和時，齊納二極體具有相當低的阻抗(即表現為「關閉」狀態)；(ii)當第二相對高電壓信號保持足夠高於電流放大裝置300的輸入電源電壓電平以使電流放大裝置300達到飽和時，齊納二極體具有相當高的阻抗(即表現為「開啟」狀態)。
對於圖7和8所示的電路，齊納二極體1505的擊穿電壓值優選為約4.7伏。本領域的普通技術人員可以理解，這種擊穿電壓的選擇可以根據電路中其它組件的參數要求而變化。
再看高速開關1600，電晶體1645和1650與電阻1625、1630、1635和1640相結合構成了常規的施密特觸發器電路。電晶體1645的基極偏置由電阻1625(位於VCC和圖電晶體1645的基極之間)和電阻1635(位於電晶體1645的基極和電路地電位1613之間)設定。電晶體1650的基極偏置由電阻1630和1640設定。電容1610不設定電晶體1645和1650的偏置而用於阻斷具有雙態阻抗的電壓監視器1500輸出端的DC成分以便不影響施密特觸發器1620的工作點。在脈衝產生裝置1400中，電晶體1645當電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸出信號的電壓遠低於電流放大裝置300的輸入電源電壓電平時處於飽和(即「開啟」)以使電流放大裝置300離開飽和。電晶體1645當電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)的輸出信號的電壓足夠高於電流放大裝置300的輸入電源電壓電平時不處於飽和(即「關閉」)以使電流放大裝置300達到飽和。此外，當電晶體1645「開啟」時電晶體1650「關閉」，而當電晶體1645「關閉」時電晶體1650「開啟」。
電容1605用作為加速電容。電容1605的值選擇為響應於功率脈衝穿過VCC線而對地短路，如下詳述。響應於VCC增加到VDC1，電容1605的「加速」效應在齊納二極體1505上產生瞬態大電壓降。這個通過電容1610連接到電晶體1645基極的大電壓降當通過VCC線施加功率脈衝時有效地使電晶體1645變為飽和(即「開啟」)。實際上，在脈衝產生裝置1400在VCC線上向電流放大裝置300輸出功率脈衝時，短路啟動以再次將其關閉。補償網絡1800在這個過程中通過在電晶體1610的管腳1614建立電壓值而起輔助作用。
再看電源開關1700，電阻1705和1710偏置電晶體1702的基極。當電晶體1650通過改變電晶體1645的基極偏置而切換到「開啟」時，電晶體1702也變到「開啟」。電晶體1702的集電極通過電阻1730連接到電晶體1750的基極。當電晶體1702變為「開啟」，二極體1740偏置到導通，電晶體1750變為「關閉」。當二極體在導通狀態，MOSFET1763的柵極電壓下降，給其正向偏置，從而使其變為「開啟」，以便將VCC升到VDC1。隨後，在復位期間，電晶體1750移走功率MOSFET1763柵極存儲的電荷以便用於快速恢復。
但是，只要VCC升到VDC1，齊納二極體1505陰極處的電壓將再次相對於齊納二極體1505陽極處的第二相對高電壓信號的振幅而足夠高以使齊納二極體1505回到其第一相當低阻抗狀態。與此同時，VCC和電晶體1645的基極(電阻1625上)之間的電壓增加，從而使電晶體1645變回到「開啟」而使電晶體1650變回到「關閉」。這引起電晶體1702變回到「關閉」，電晶體1750變回到「開啟」，MOSFET1763變回到「關閉」。這引起VCC變回到VDC2。實際上，在脈衝產生裝置1400提升VCC以保持電流放大裝置300離開飽和時，短路開始變回到其關閉狀態。
可以看出，只要電流放大裝置300的輸出電壓保持足夠低於電流放大裝置300的輸入電源電壓以保持電流放大裝置300離開飽和，電晶體1645將「開啟」、電晶體1650將「關閉」、電晶體1702將「關閉」、電晶體1750將「開啟」、MOSFET1763將「關閉」。換句話說，只要第二相對高電壓信號的振幅保持足夠低於電流放大裝置300的輸入電源電壓以保持電流放大裝置300離開飽和，就不會採用脈衝。但是，當電流放大裝置300的輸出電壓相對於電流放大裝置300的輸入電源電壓電平升到足夠高而引起電流放大裝置300達到飽和時，電晶體1645將「關閉」、電晶體1650將「開啟」、電晶體1702將「開啟」、電晶體1750將「關閉」、MOSFET1763將「開啟」。換句話說，只要第二相對高電壓信號的振幅相對於電流放大裝置300的輸入電源電壓電平升到足夠高而引起電流放大裝置300達到飽和時，VCC將升到VDC1。當然，只要VCC升到VDC1，電晶體1645將「開啟」、電晶體1650將「關閉」、電晶體1702將「關閉」、電晶體1750將「開啟」、MOSFET1763將「關閉」，因而再次引起VCC置回VDC2。
上述過程將不斷重複以確定是否和何時將採用另一個功率脈衝。
因而，對於齊納二極體1505、施密特觸發器1620和電源開關1700的每一個周期產生約1微秒周期和相應於VDC1的振幅的功率脈衝。所產生的脈衝頻率與(i)電流放大裝置300(或電壓放大裝置200)提供的第二相對高電壓信號的振幅和(ii)電流放大裝置的輸入電源電壓直接有關。特別地，每當第二相對高電壓信號的瞬態電壓振幅升到引起電流增益電晶體305達到其飽和點的電平時，脈衝電路1400啟動同時VCC快速升到更高的對電壓電平VDC1。但是，只要VCC達到VDC1，齊納二極體1505上的電位差同時升高(主要因為當然1605的動作)，引起齊納二極體1505立即變回到其第一低阻抗狀態，因而改變施密特觸發器1620的狀態並關閉電源開關1700，從而VCC被置回VDC2。因此，產生振幅為VDC1的1微秒寬的脈衝。
再回到圖5和6，示出了脈衝產生裝置1400的輸出電壓VCC。更具體地，只要第二相對高電壓信號的振幅保持足夠低於電流放大裝置300的輸入電源電壓以保持電流放大裝置300離開飽和，就不會採用脈衝。只要第二相對高電壓信號的振幅保持足夠低於電流放大裝置300的輸入電源電壓以保持電流放大裝置300離開飽和，脈衝產生裝置1400就不會採用脈衝且VCC將保持等於VDC1(圖5中以1300示出)。但是，只要第二相對高電壓信號的振幅相對於電流放大裝置300的輸入電源電壓電平升到足夠高而引起電流放大裝置300達到飽和時(以1305示出)，脈衝產生裝置1400產生至少一個振幅為VDC1和周期為1微秒的脈衝。這個脈衝具有驅動電流增益電晶體305離開飽和並以該信號電壓振幅提供更高的所需的電流電平以適當地驅動負載的效應。在此應該理解，在更高的信號電壓振幅處，將由脈衝產生裝置1400產生更高的脈衝密度(圖5中以1315示出)。隨著信號電壓降低，脈衝密度也降低。
圖6還示出了脈衝濾波器1900怎樣調整各個脈衝波形以示出接近於信號的功率波形。更具體地，脈衝濾波器1900包括電感1905、電阻1910和電容1915。脈衝濾波器1900具有適當選擇的時間常數用於調整在電流增益電晶體305的集電極接收的脈衝波形。更具體地，因為脈衝密度依賴於信號，在被脈衝濾波器1900濾波後這些脈衝變為接近於信號的功率波形(如圖6中1311所示)，以便降低放大器輸出端的信號失真。
在本發明的上述說明中，參考了連接在電流放大裝置300和負載1000之間的低通濾波器1200(見圖1、3和7)。從圖9可見，低通濾波器1200包括電感1205、電阻1210和電容1215。低通濾波器1200的時間常數被選擇為具有5倍於所涉及的音頻帶寬的截止頻率。以此方式，低通濾波器1200將不會影響線性放大器在所需帶寬內的頻率響應，還將有效地降低出現在電流放大裝置300輸出端的脈衝雜訊。
由於在不背離本發明精神的情況下可以對本發明的優選實施例作出各種變化，本發明說明書中所述的內容並不意在限制而僅用於說明。
權利要求
1.一種使用脈衝密度調製開關電源的線性功率放大器，包括電源裝置，用於連接到電源並適於提供第一相對高DC電壓和第二相對低DC電壓；電壓放大裝置，用於連接到信號源並適於將從所述信號源接收的第一相對低電壓信號放大為第二相對高電壓信號；電流放大裝置，用於連接到所述電壓放大裝置並適於提高所述第二相對高電壓信號的電流，如果需要，用於適當驅動負載，其中所述電流放大裝置被所述電源裝置正常地供以所述第二相對低DC電壓；脈衝產生裝置，連接到一條帶有第二相當高電壓信號到所述負載上的線路上，和把電源送到所述電流放大裝置的線路上，所述脈衝產生裝置適於(i)比較所述第二相對高電壓的輸出信號的瞬態振幅和所述電流放大裝置的電源電壓電平，(ii)只要第二相對高電壓信號的振幅相對於電流放大裝置的輸入電源電壓電平升到足夠高而引起電流放大裝置達到飽和時，給所述電源裝置提供具有第一相對高DC電壓的具有固定周期的脈衝。
2.如權利要求1所述的線性功率放大器，其特徵在於所述電源裝置包括雙極性電源。
3.如權利要求1所述的線性功率放大器，其特徵在於所述電壓放大裝置包括線性電壓放大器。
4.如權利要求1所述的線性功率放大器，其特徵在於所述電流放大裝置包括至少兩個電流增益電晶體。
5.如權利要求1所述的線性功率放大器，其特徵在於所述脈衝產生裝置能產生和所述第二相對高的直流電壓一樣，有足夠數量及頻率的第一相對高DC電壓的所述脈衝，用於防止所述電流放大裝置呈現飽和而選定。
6.如權利要求1所述的線性功率放大器，其特徵在於所述線性功率放大器還包括接在所述脈衝產生裝置和所述電流放大裝置之間的脈衝濾波裝置，其中所述脈衝濾波裝置是用來修飾每一脈衝的形狀以形成一信號相近似的電壓波形來加在所述電流放大裝置上。
7.如權利要求1所述的線性功率放大器，其特徵在於所述脈衝產生裝置包括一高速開關和一電源開關，其中所述高速開關適於在第二相對高電壓信號的振幅相對於電流放大裝置的輸入電源電壓電平升到足夠高而引起電流放大裝置達到飽和時改變狀態，且其中所述電源開關適於相應於所述高速開關的狀態改變而給所述電流放大裝置提供所述第一相對高DC電壓脈衝。
8.如權利要求1所述的線性功率放大器，其特徵在於所述脈衝產生裝置包括具有雙態阻抗的電壓監視器，且其中所述具有雙態阻抗的電壓監視器適於當所述第二相對高電壓信號的瞬間電壓振幅，在相對於所述電流放大裝置的電源輸入電壓而上升到足夠使所述電流放大裝置趨向飽和時改變其阻抗狀態。
9.如權利要求8所述的線性功率放大器，其特徵在於所述脈衝產生裝置包括高速開關，其適於響應具有雙態阻抗的電壓監視器的阻抗轉變而改變狀態。
10.如權利要求9所述的線性功率放大器，其特徵在於所述高速開關包括施密特觸發器。
11.如權利要求10所述的線性功率放大器，其特徵在於所述脈衝產生裝置包括一個電源開關，其適於響應所述高速開關的改變狀態而所述電流放大裝置提供所述第一相對高DC電壓的脈衝。
12.如權利要求11所述的線性功率放大器，其特徵在於所述電源開關包括功率MOSFET。
13.一種用於操作線性功率放大器的方法，所述線性功率放大器包括(i)電源裝置用於連接到電源並適於提供第一相當高的直流電壓和第二相對低的DC電壓；(ii)電壓放大裝置連接到信號源適於用來放大從外部信號源接來的第一相對低電壓信號到第而相對高電壓信號；(iii)電流放大裝置連接到所述電壓放大裝置，適於增加與第二相當高壓的信號有關的信號電流量，使其在必要的時候能適當地的驅動負載，而所述電流放大裝置是由所述電源裝置正常地供給所述第而相對低DC電壓；其中所述方法包含以下步驟(1)比較所述電流放大裝置電源輸入的瞬態電壓和所述第二相當高電壓信號的瞬態電壓振幅；(2)當第二相對高電壓信號的振幅相對於電流放大裝置的輸入電源電壓電平升到足夠高而引起電流放大裝置達到飽和時，給所述電源裝置提供具有第一相對高DC電壓的具有固定周期的脈衝。(3)回到步驟(1)。
14.如權利要求1所述的線性功率放大器，其特徵在於所述放大器還包括一連接在所述電流放大裝置與所述負載之間的低通濾波器。
15.一種用於一線性功率放大器的脈衝產生裝置含有電源裝置，用於連接到電源並適於提供第一相對高DC電壓和第二相對低DC電壓；電壓放大裝置，用於連接到信號源並適於將從所述信號源接收的第一相對低電壓信號放大為第二相對高電壓信號；電流放大裝置，用於連接到所述電壓放大裝置並適於提高所述第二相對高電壓信號的電流，如果需要，用於適當驅動負載，其中所述電流放大裝置被所述電源裝置正常地供以所述第二相對低DC電壓；所述脈衝產生裝置，連接到一條帶有第二相當高電壓信號到所述負載上的線路上，和把電源送到所述電流放大裝置的線路上，所述脈衝產生裝置適於(i)比較所述第二相對高電壓的輸出信號的瞬態振幅和所述電流放大裝置的電源電壓電平，(ii)只要第二相對高電壓信號的振幅相對於電流放大裝置的輸入電源電壓電平升到足夠高而引起電流放大裝置達到飽和時，給所述電源裝置提供具有第一相對高DC電壓的具有固定周期的脈衝。
全文摘要
一種具有脈衝密度調製電源的功率放大器包括:電源(100)用於提供第一相對較高直流電壓(Vdc1)和第二相對較低直流電壓(Vdc2);電壓放大器(200)用於將第一相對低電壓信號放大到第二相對高電壓信號;電流放大器(300)用於增加第二信號的電流以驅動負載(1000),其中電流放大器由第二直流電壓供電,脈衝發生器(400)連接到線路將第二信號送到負載並且該線路提供能量到電流放大器,脈衝發生器將第二信號的瞬時電壓幅值與提供給電流放大器的電壓值相比較,並當第二信號的電壓幅值相對供給電流放大器的電壓升高以引起電流放大器接近飽和時,提供固定的持續脈衝,以第一直流電壓提供給電流放大器。
文檔編號H03F1/02GK1171175SQ95197080
公開日1998年1月21日 申請日期1995年10月23日 優先權日1994年10月25日
發明者E·湯 申請人:瓦克－科姆有限公司