用於感測放大器負載電流的系統和方法
2023-10-17 21:49:34 1
專利名稱：用於感測放大器負載電流的系統和方法
技術領域：
本發明的實施例總地涉及電子系統，更具體而言涉及用於感測放大器負載電流的系統和方法。
背景技術：
從放大器流入放大器的負載的負載電流向負載提供功率。經常需要感測負載電流以保護放大器和負載。此外，負載電流的感測值可用於表徵、預測和控制負載的行為。傳統的負載電流感測技術包括設置與負載串聯的附加分路電阻器(shunt resistor)，並測量分路電阻器上的電壓降。分路電阻器上的電壓降與負載電流成正比，與分路電阻器的電阻值成反比。然而，添加附加分路電阻器增加了用於感測負載電流的組件成本。除了組件成本增加以外，分路電阻器一般還具有低電阻以便不對放大器和負載造成影響，因此通過放大器和負載發送的信號不受分路電阻器影響。此外，為了使用分路電阻器的電阻值計算負載電流，分路電阻器通常必須維持恆定的電阻值，即使環境溫度可能改變也是如此。處理具有低電阻值的溫度不敏感(temperature insensitive)分路電阻器需要特別小心費力，從而很難感測負載電流。因此，需要一種用於感測放大器負載電流而不使用分路電阻器的系統和方法。
發明內容
一種感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的系統和方法包括獲取放大器的內部阻抗上的電壓降，並使用內部阻抗和內部阻抗上的電壓降計算負載電流。與包括設置與負載串聯的附加分路電阻器並測量分路電阻器上的電壓降的傳統負載電流感測技術相比，使用放大器的內部阻抗和內部阻抗上的電壓降來計算負載電流不需要附加分路電阻器。去掉附加分路電阻器實現了簡單經濟地感測從放大器流入放大器的負載的負載電流。在實施例中，一種用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的方法包括 獲取放大器的內部阻抗上的電壓降；以及使用內部阻抗和內部阻抗上的電壓降計算負載電流。在實施例中，一種用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的系統包括電壓獲取單元和計算單元。電壓獲取單元配置為獲取放大器的內部阻抗上的電壓降。計算單元配置為使用內部阻抗和內部阻抗上的電壓降計算負載電流。在實施例中，用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的系統包括數位訊號源、數模轉換器、模數轉換器和數位訊號處理模塊。數位訊號源配置為生成數字輸入電壓。數模轉換器配置為將數字輸入電壓轉為為模擬輸入電壓，其中模擬輸入電壓被施加到放大器以生成模擬輸出電壓。模數轉換器配置為將模擬輸出電壓轉換為數字輸出電壓。數位訊號處理模塊配置為將數字輸入電壓乘以放大器的增益因子以產生電壓乘積，計算數字輸出電壓與電壓乘積之間的電壓差作為放大器的內部阻抗上的電壓降，以及使用內部阻抗上的電壓降和內部阻抗計算負載電流。
結合以示例的形式描述本發明原理的附圖，通過以下詳細描述將清楚本發明實施例的其他方面和優點。圖1是根據本發明實施例用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的系統的示意性框圖。圖2示出了具有數位訊號處理(DSP)組件的圖1的系統的實施例。圖3A和;3B示出了兩個不同示例性揚聲器的阻抗曲線。圖4是用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的方法的處理流程圖。整個說明書中，相似的附圖標記可以用於標識相似的部分。
具體實施例方式圖1是根據本發明實施例用於感測從放大器102流入放大器的負載104的負載電流的系統100的示意性框圖。放大器可以直接電耦合到放大器的負載。放大器的負載是由負載電流供電的電器件。例如，放大器的負載是揚聲器。如圖1所示，系統包括電壓獲取單元106和計算單元108。雖然在圖1的實施例中，電壓獲取單元與計算單元相分離，但是在其他實施例中，電壓獲取單元可以與計算單元集成在一起。在圖1的實施例中，電壓獲取單元106耦合到放大器102的輸入端子110和輸出端子112。放大器具有內部阻抗114，也稱為放大器的輸出阻抗。在圖1的實施例中，內部阻抗是放大器的內部電阻抗。放大器的內部阻抗可以是依賴於頻率的。換言之，放大器的內部阻抗可以依賴於內部阻抗的工作頻率。或者，放大器的內部阻抗可以獨立於內部阻抗的工作頻率。例如，內部阻抗可以是電阻。在此情況下，放大器的內部阻抗由獨立於頻率的電阻表示。電壓獲取單元配置為獲取放大器的內部阻抗上的電壓降。計算單元108耦合到電壓獲取單元106。計算單元配置為使用內部阻抗114和放大器的內部阻抗上的電壓降計算負載電流。例如，計算單元使用內部阻抗模型和放大器的內部阻抗上的電壓降計算負載電流，其中內部阻抗模型與放大器102的工作頻率有關。內部阻抗上的電壓降是由負載電流造成的。在時域中，內部阻抗上的電壓降、負載電流和放大器的內部阻抗可以表示為V = I*Z，(1)其中V表示放大器的內部阻抗上的電壓降，I表示負載電流，*表示卷積運算符，Z 表示放大器的內部阻抗。V、I和Z可以是連續時間表達式或離散時間表達式。例如，內部阻抗Z可以由頻域傳遞函數ζ(ω)、或時域脈衝響應z(t)、或離散時間等效量Z[k]來表徵。電壓獲取單元106還可以配置為在放大器102的輸入端子110處測量放大器的輸入電壓，在放大器102的輸出端子112處測量放大器的輸出電壓，將輸入電壓乘以放大器的增益因子以產生電壓乘積，以及計算輸出電壓和電壓乘積之間的電壓差作為內部阻抗 114上的電壓降。在時域中，負載電流、內部阻抗、內部阻抗上的電壓降、輸入電壓、輸出電壓和增益因子可以表示為V = VinXG-Vout = I*Z，(2) 其中V表示內部阻抗上的電壓降，Vin表示輸入電壓，X表示乘法運算符，G表示增
5益因子，-表示減法運算符，Vout表示輸出電壓，I表示負載電流，*表示卷積運算符，Z表示內部阻抗。v、vin、v。ut、z和I可以是連續時間表達式或離散時間表達式。在實施例中，計算單元108還配置為在校準階段獲取放大器102的內部阻抗114 的值，或者從放大器放大器102的製造商處獲取與放大器的工作頻率有關的內部阻抗模型。在圖1的實施例中，計算單元包括可選的存儲器116，可選的存儲器116配置為存儲放大器的內部阻抗值和負載電流值。存儲的負載電流可用於表徵、預測和控制負載104的行為。可以感測負載電流，而不設置與負載104串聯的分路電阻器並測量分路電阻器上的電壓降。例如，圖1的實施例中的系統100不包括與負載串聯的分路電阻器。在圖1的實施例中，通過獲取放大器102的內部阻抗114上的電壓降並使用內部阻抗和內部阻抗上的電壓降計算負載電流，來感測負載電流。與包括設置與負載串聯的附加分路電阻器並測量分路電阻器上的電壓降的傳統負載電流感測技術相比，獲取放大器的內部阻抗上的電壓降並使用內部阻抗和內部阻抗上的電壓降計算負載電流使得不需要附加分路電阻器。添加與負載串聯的附加分路電阻器增加了用於感測負載電流的組件成本。通過去掉附加分路電阻器，降低了用於感測負載電流的組件成本。此外，附加分路電阻器一般是溫度不敏感的並且一般具有低電阻值。處理具有低電阻值的溫度不敏感分路電阻器需要特別小心費力，這增加了感測負載電流的難度。通過去掉附加分路電阻器，可以不必特別小心費力地處理具有低電阻值的溫度不敏感分路電阻器，降低了感測負載電流的難度。在一些實施例中，放大器102的內部阻抗114是獨立於頻率的電阻。計算單元108 可能不知道放大器的電阻，或者計算單元對放大器的電阻的了解可能不夠精確。在此情況下，圖1的系統100隻能計算與負載電流成正比的信號。雖然不能計算負載電流，但是對於某些應用而言，與負載電流成正比的信號可能就足夠。例如，在揚聲器線性化應用中，知道與負載電流成正比的信號足以估計揚聲器阻抗曲線中諧振峰的位置和寬度。諧振峰的位置和寬度可以產生足夠的信息以執行線性化操作。可以方便地利用DSP組件實現圖1的系統100。圖2示出了具有DSP組件的圖1 的系統的實施例。如圖2所示，系統200包括數位訊號源(DSS) 202、數模轉換器(DAC) 204、 模數轉換器(ADC) 206和DSP模塊208。系統配置為感測從放大器210流入負載212 (在此情況下是揚聲器)的負載電流。DSS、DAC、ADC和DSP模塊執行與圖1的實施例的電壓獲取單元106的功能類似的功能，DSP模塊執行與圖1的實施例的計算單元108的功能類似的功能。在圖2的實施例中，DSS 202配置為生成數字輸入電壓「Vin[k] 」，其中k表示離散時間索引(index)。將數字輸入電壓「Vin[k]」提供給DSP模塊208，並施加到DAC 204。雖然在圖2的實施例中，DSS與DSP模塊分離，但是在其他實施例中，DSS可以與DSP模塊集成
在一起。DAC 204耦合到DSS 202和放大器210。DAC配置為將數字輸入電壓Vin[k]轉換成模擬輸入電壓「Vin(t)」，其中t代表時間。將模擬輸入電壓vin(t)施加到放大器以生成模擬輸出電壓「vin(t)」。放大器210具有內部阻抗214和電壓增益因子。在圖2的實施例中，放大器的內部阻抗是內部電阻抗。放大器耦合到揚聲器212。如圖2所示，放大器使用「理想」放大器216(即具有零內部阻抗的放大器)，以電壓增益因子「G」對輸入電壓Vin(t)進行縮放。該理想放大器對內部阻抗施加電壓。所施加的電壓具有與模擬輸入電壓Vin(t)和電壓增益因子 G的乘積相等的值。當放大器用於頭戴式耳機(headphone)或揚聲器電話(speakerphone) 時，可以將放大器集成到DAC 204中。在一些實施例中，可以將放大器和系統200集成到單個集成電路(IC)中，以減少製造成本和放大器以及系統的尺寸。ADC 206耦合在放大器210和揚聲器212之間，並且配置用於將模擬輸出電壓 v。ut(t)轉換為數字輸出電壓「V。ut[k]」。將數字輸出電壓V。ut[k]提供給DSP模塊208用於計算負載電流。DSP模塊208配置用於將數字輸入電壓Vin[k]乘以放大器210的增益因子以產生電壓乘積，計算數字輸出電壓V。ut[k]與電壓乘積之間的電壓差作為放大器的內部阻抗214 上的電壓降，使用內部阻抗上的電壓降和內部阻抗計算負載電流。在時域中，負載電流、內部阻抗、內部阻抗上的電壓降、數字輸入電壓、數字輸出電壓和增益因子可以表示為
V[k] = Vin [k] X G-Vout [k] = I [k] *Z [k]，(3)其中V[k]表示離散時間的內部阻抗上的電壓降，X表示乘法運算符，G表示放大器的電壓增益因子，vin[k] XG表示電壓乘積，-表示減法運算符，I[k]表示離散時間的負載電流，*表示卷積運算符，Z[k]表示離散時間的內部阻抗。圖1和2的實施例中的系統100、200可以用於例如放大器保護、揚聲器保護、揚聲器輸出最大化、揚聲器響應線性化和揚聲器音圈(voice coil)溫度檢測。圖1和2的實施例中的系統可以用於生成阻抗曲線，所述阻抗曲線表示放大器102、210的負載104、212的電阻抗與負載的工作頻率之間的函數。例如，DSS 202向DSP模塊208和DAC 204提供測試信號，例如白噪聲片段。將來自DAC的輸出施加到放大器210。將放大器的輸出電壓提供給 ADC 206並施加到負載212。DSP模塊使用來自ADC的輸出V。ut [k]和來自DSS的測試信號計算負載電流Uk]。可以將輸出電壓v。ut[k]和負載電流I[k]變換為頻域等效量V。ut( ) 和Ι(ω)，其中ω表示放大器和負載的工作頻率。當將負載端接到地時，在頻域中，負載的阻抗、輸出電壓V。ut( )和負載電流Ι(ω)可以表示為Vout (ω) = Ζι-(ω) ΧΙ(ω)，(4)其中ZlMd(co)表示負載的阻抗，X表示乘法運算符，因為頻域的乘法運算對應於時域的卷積運算。當負載是揚聲器時，阻抗曲線產生與揚聲器的電聲 (electro-acoustical)特性有關的信息，該信息可用於預測和控制揚聲器的行為。圖3A和圖:3B示出了兩個不同的示例性揚聲器與傳統分路電阻器相對比的阻抗曲線，其中所述兩個不同的示例揚聲器使用圖1和2的實施例中的系統100、200。對於所有阻抗曲線，X軸表示負載的工作頻率，Y軸表示揚聲器的電阻抗的幅度「 Izl 」。兩個不同示例性揚聲器的阻抗曲線分別由實線和虛線表示。圖3A示出了使用圖1和2的實施例中的系統生成的兩條阻抗曲線。圖3B示出了使用傳統分路電阻器生成的另兩條阻抗曲線。如圖3A和圖:3B所示，使用圖1和2的實施例中的系統生成的兩條阻抗曲線與使用傳統分路電阻器生成的另兩條阻抗曲線幾乎相同。與使用傳統分路電阻器生成阻抗曲線相比，使用圖1和2的實施例中的系統生成阻抗曲線利用更少的組件獲得了相同的效果。圖4是用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的方法的處理流程圖。在框402，獲取放大器的內部阻抗上的電壓降。在框404，使用內部阻抗和內部阻抗上的電壓降計算負載電流。以上描述或圖示的實施例的各種組件或單元可以由存儲在計算機可讀介質、硬體、或存儲在計算機可讀介質中的軟體與硬體的組合來實現。例如，圖1的實施例中的計算單元和圖2的實施例中的DSP模塊可以由處理器實現。雖然以特定順序示出和描述了本文的方法的操作，但是該方法的操作順序可以改變，從而特定的操作可以以相反的順序執行，或者可以至少部分地與其他操作同時執行。在另一實施例中，可以以間歇或交錯方式執行不同操作的指令或子操作。此外，雖然以上描述或圖示的本發明的特定實施例包括本文描述或圖示的幾種組件，但是本發明的其他實施例可以包括更少或更多的組件以實現更少或更多的功能。此外，雖然已經描述和圖示了本發明的特定實施例，但是本發明不限於這樣描述和圖示的部分的特定形式或布置。本發明的範圍由所附權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的方法，該方法包括 獲取放大器的內部阻抗上的電壓降；以及使用內部阻抗和內部阻抗上的電壓降計算負載電流。
2.根據權利要求1所述的方法，其中將內部阻抗上的電壓降、負載電流和內部阻抗表述為V=其中V表示內部阻抗上的電壓降，I表示負載電流，*表示卷積運算符，Z表示內部阻抗。
3.根據權利要求1所述的方法，其中感測負載電流而不測量分路電阻器上的電壓降。
4.根據權利要求1所述的方法，其中獲取內部阻抗上的電壓降包括 測量放大器的輸入電壓；測量放大器的輸出電壓；將輸入電壓乘以放大器的增益因子以產生電壓乘積；以及計算輸出電壓與電壓乘積之間的電壓差作為內部阻抗上的電壓降。
5.根據權利要求4所述的方法，其中將負載電流、內部阻抗、內部阻抗上的電壓降、輸入電壓、輸出電壓和增益因子表述為V= VinXG-Vout = I*Z，其中V表示內部阻抗上的電壓降，Vin表示輸入電壓，G表示增益因子，V。ut表示輸出電壓，I表示負載電流，*表示卷積運算符，Z表示內部阻抗。
6.根據權利要求1所述的方法，其中獲取內部阻抗上的電壓降包括 使用數位訊號源生成數字輸入電壓；使用數模轉換器將數字輸入電壓轉換為模擬輸入電壓； 將模擬輸入電壓施加到放大器，並且生成模擬輸出電壓； 使用模數轉換器將模擬輸出電壓轉換成數字輸出電壓；使用數位訊號處理模塊將數字輸入電壓乘以放大器的增益因子以產生電壓乘積；以及使用數位訊號處理模塊計算數字輸出電壓與電壓乘積之間的電壓差作為內部阻抗上的電壓降。
7.根據權利要求6所述的方法，其中將負載電流、內部阻抗、內部阻抗上的電壓降、數字輸入電壓、數字輸出電壓和增益因子表述為v[k] = Vin [k] X G-Vout [k] = I[k]*Z[k],其中V[k]表示離散時間的內部阻抗上的電壓降，k表示離散時間的索引，Vin[k]表示數字輸入電壓，G表示增益因子，Vout [k]表示數字輸出電壓，I[k]表示離散時間的負載電流， *表示卷積運算符，Z[k]表示離散時間的內部阻抗。
8.根據權利要求1所述的方法，其中放大器的負載包括揚聲器。
9.根據權利要求2所述的方法，其中放大器的內部阻抗是依賴於頻率的。
10.根據權利要求2所述的方法，其中放大器的內部阻抗是獨立於頻率的電阻。
11.一種用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的系統，該系統包括 電壓獲取單元，配置用於獲取放大器的內部阻抗上的電壓降；以及計算單元，配置用於使用內部阻抗和內部阻抗上的電壓降計算負載電流。
12.根據權利要求11所述的系統，其中將內部阻抗上的電壓降、負載電流和內部阻抗表述為V=其中V表示內部阻抗上的電壓降，I表示負載電流，*表示卷積運算符，Z表示內部阻抗。
13.根據權利要求11所述的系統，其中該系統不包括與負載串聯的分路電阻器。
14.根據權利要求11所述的系統，其中電壓獲取單元還配置用於 測量放大器的輸入電壓；測量放大器的輸出電壓；將輸入電壓乘以放大器的增益因子以產生電壓乘積；以及計算輸出電壓與電壓乘積之間的電壓差作為內部阻抗上的電壓降，其中將負載電流、 內部阻抗、內部阻抗上的電壓降、輸入電壓、輸出電壓和增益因子表述為V= VinXG-Vout = I*Z，其中V表示內部阻抗上的電壓降，Vin表示輸入電壓，G表示增益因子，V。ut表示輸出電壓，I表示負載電流，*表示卷積運算符，Z表示內部阻抗。
15.根據權利要求11所述的系統，其中放大器的內部阻抗由獨立於頻率的電阻表示。
16.根據權利要求11所述的系統，其中放大器的負載包括揚聲器。
17.一種用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的系統，該系統包括 數位訊號源，配置用於生成數字輸入電壓；數模轉換器，配置用於將數字輸入電壓轉換為模擬輸入電壓，其中將模擬輸入電壓施加到放大器，以生成模擬輸出電壓；模數轉換器，配置用於將模擬輸出電壓轉換為數字輸出電壓；以及數位訊號處理模塊，配置用於將數字輸入電壓乘以放大器的增益因子以產生電壓乘積，計算數字輸出電壓與電壓乘積之間的電壓差作為放大器的內部阻抗上的電壓降，以及使用內部阻抗上的電壓降和內部阻抗計算負載電流。
18.根據權利要求17所述的系統，其中將負載電流、內部阻抗、內部阻抗上的電壓降、 數字輸入電壓、數字輸出電壓和增益因子表述為V[k] = Vin [k] X G-Vout [k] = I[k]*Z[k],其中V[k]表示離散時間的內部阻抗上的電壓降，k表示離散時間的索引，Vin[k]表示數字輸入電壓，G表示增益因子，Vout [k]表示數字輸出電壓，I[k]表示離散時間的負載電流， *表示卷積運算符，Z[k]表示離散時間的內部阻抗。
19.根據權利要求17所述的系統，其中該系統不包括與負載串聯的分路電阻器。
20.根據權利要求17所述的系統，其中放大器的負載包括揚聲器。
全文摘要
本發明提出了一種用於感測從放大器流入放大器的負載的負載電流的系統和方法，包括獲取放大器的內部阻抗上的電壓降；以及使用內部阻抗和內部阻抗上的電壓降計算負載電流。
文檔編號G01R19/00GK102193018SQ20111003508
公開日2011年9月21日 申請日期2011年1月30日 優先權日2010年2月8日
發明者泰穆金·高塔馬 申請人:Nxp股份有限公司