高性能音频放大器的制作方法

本发明涉及放大器领域。本发明具体涉及旨在控制至少一个扬声器的高功率音频放大器。高功率放大器在录音室或音乐厅中提供声音方面具有特定的应用。它们特别用于为电动扬声器供电。本发明有利地使得可以获得具有比现有技术的放大器更好的效率同时保证低失真的高功率音频放大器。

背景技术：

1、常规上，高功率放大器包括至少一个有源部件，例如晶体管或管，使得可以放大作为输入接收的信号的功率，同时保持输入信号的形状。

2、高功率放大器的电路通常包括前置放大级，其后是功率放大级。更确切地说，功率放大级的输出被反馈到前置放大级，使得前置放大级例如借助于差分对随时间检测输出信号与输入信号之间的差。然后，在前置放大级检测到的这个差在功率放大级放大，以形成输出信号，该输出信号常规上被发送到至少一个扬声器。

3、因此，以示例的方式，图1例示了输入信号在点s1处施加的高功率放大器100。高功率放大器100的输出为连接在点3和地之间的扬声器供电，该扬声器由电阻器r44表示。

4、高功率放大器100的图是对称的；它还包括放大输入信号s1的正半波的上部140a和放大输入信号s1的负半波的下部140b。

5、在图1的示例中，高功率放大器100由+/-65v的单电压电平供电。

6、前置放大级201包括两个差分对110a、110b，每个差分对包括彼此镜像组装的两个晶体管q1、q2和q3、q4。因此，晶体管q1、q2的发射极经由电阻器r2、r3和第一恒流源i连接到-65v电源总线，而晶体管q3、q4的发射极经由电阻器r4、r5和相同值i的第二电流源连接到+65v电源总线。

7、晶体管q2、q4的集电极分别连接到+65v和-65v电源总线，而晶体管q1、q3的集电极分别经由电阻器r1、r11连接到+65v和-65v电源总线。在没有反馈的情况下，前置放大级201的增益取决于电阻器的比r1/r2和r11/r4。

8、晶体管q1和q3的基极以及晶体管q2和q4的基极彼此连接。晶体管q1和q3的基极也由输入信号s1供电。晶体管q2和q4的基极经由电阻器r18连接到扬声器r44，以便形成施加到前置放大级的反馈。晶体管q1和q3的集电极确保前置放大级201与功率放大级202的耦合。

9、功率放大级202包括两个晶体管q8、q9，它们各自的基极经由电阻器r23、r57连接到前置放大级201。电压源t1也置于电阻器r23和r57之间，以便偏置ab类的晶体管q8、q9。该电压源t1使得可以提供等于导通晶体管q8和q9所需的电压之和的电压。

10、晶体管q8、q9还通过它们的集电极分别连接到+65v和-65v电源总线。晶体管q8、q9的发射极经由电阻器r16、r17连接到扬声器r44。添加这些电阻器r16和r17是为了控制静态电流，也就是说，当放大器没有接收任何输入信号时，控制由放大器传导的电流值。在没有这些电阻器r16、r17的情况下，静态电流将取决于晶体管q8和q9的特性以及温度，这是禁止的。

11、另外，图1中的电路在晶体管q2和q4的基极具有特殊性。实际上，后者连接到包括与接地的电容器c4串联组装的电阻器r28的保护线403。该组件是分压器，使得点s2处的电压等于r28/(r18+r28)乘以ac中的输出信号3的电压。实际上，当通过电路的电压交变时，电容器c4表现得像短路。另一方面，当通过电路的电压是dc时，电容器c4表现得像开路。在这种情况下，高功率放大器100的输出信号3直接连接到点s2。高功率放大器100的电压增益于是等于1，这使得可以限制施加在扬声器r44的端子处的电压上的可能不期望的dc分量。

12、在这种类型的放大器中，在点s1处相对于地测量的电压和在点s2处相对于地测量的电压相等。换言之，高功率放大器100的增益等于电阻器值的比(r18+r28)/r28。

13、因此，图1例示了高功率电压放大器。还存在另一种类别的高功率电流放大器，如图2所示。

14、这类高功率电流放大器101具有与高功率电压放大器100相同的拓扑，即耦合到放大级203的前置放大级201。

15、与图1的高压放大器100不同，电流测量电阻器r6插入在扬声器r44和地之间。此外，电流放大器101不具有保护线403。晶体管q2和q4的基极连接到位于电阻器r6和扬声器r44之间的互连点p1。

16、在该配置中，在图3中的点s2处施加的电流的图像因此穿过扩音器r44。因此得出，跨导(即通过扬声器r44的输出电流和在放大器101的点s1处施加的输入电压之间的比)等于1/r6 a/v。对于阻抗为z的扬声器，电压增益为z/r6。

17、因此，电压或电流放大组件是类似的，特别是关于前置放大级和功率放大级。它们仅在扬声器连接和反馈方面不同。

18、在以下现有技术中，将参考电压放大器来描述其他类的放大器，尽管本发明不限于这种类型的放大器。

19、可以使用类系统来表征不同的高功率放大器拓扑。类系统基于输入信号的形状和输出信号的形状之间的关系以及在输入信号的放大期间使用有源部件的持续时间来分配字母。

20、在现有的放大器类中，a类放大器具有使得有源部件在没有输入信号的情况下传导大约为最大输出电流的50％的大电流的拓扑。该电流被称为静态电流。在调制中，后者被叠加在输出电流上。这种类型的放大器可以提供极好的声音质量，但是其具有生成显著散热的缺点。因此，由有效输出功率和吸收功率之间的比定义的这类放大器的能量效率大约是10％。

21、b类放大器的特征在于使得有源部件在正弦输入信号作为输入被施加时在50％的输入信号周期内导通的拓扑。对于这类放大器，静态电流为零。这种类型的放大器的效率高于a类放大器，但是输出信号的失真特性与a类放大器相比显著劣化。因此，b类放大器产生质量较差的声音。现在制造商很少使用这类放大器。

22、ab类放大器的特征在于一种拓扑，其使得有源部件在100％的输入信号周期内导通，但是具有为最大输出电流的大约1％的低静态电流。这种类型的放大器具有比a类放大器更高的能量效率，通常在30％和50％之间，但是具有更低的声音质量。因此，ab类放大器是性能和能量效率之间的良好折衷。

23、对于d类放大器，使用有源部件像开关一样操作的技术。然后通过脉宽调制来转换信号。该系统将能量效率提高到大约70％。另一方面，输出信号包含更多的噪声和失真，并且难以用这类放大器再现高频。

24、g类放大器具有几个电源总线，并且可以根据功率输出需求从一者切换到另一者。这使得可以通过减少有源部件中耗散的功率来提高能量效率。

25、h类放大器使用电源总线，其电源电压“跟随”输入信号或由输入信号调制。通常，它们具有两个电源总线，如g类的电源总线，但是仅调制最高电源电压。调制的电源通常使用d类放大器来实现。

26、本发明的主题特别涉及这最后两类放大器。

27、图3例示了功率放大级204的上部。后者连接到电源电路150。当然，该功率放大级还包括未示出的下部，其利用等同电源电路与上部镜像。同样，电路还包括前置放大级，例如连接到独立电源或也连接到电源电路150的强电源总线。

28、电源电路150使得可以选择适应放大功率需求的功率放大级204的功率电平。因此，当放大电压大于阈值时，必须使用第一强电源总线，而当放大电压低于该阈值时，可以使用第二弱电源总线。与a、b和ab类放大器相比，较低电源总线使用阶段提高了放大器的整体效率。

29、此外，电源电路150具有独立于前置放大级201和功率放大级204的结构。在图3的示例中，功率放大级204包括晶体管q10，其基极连接到晶体管q8的发射极。这种所谓的“达林顿”配置使得可以增加电流增益。晶体管q8和q10的发射极通过它们各自的电阻器r16和r19耦合到扬声器r44。它们具有例如对于晶体管q8等于6ma并且对于晶体管q10等于75ma的相应静态电流。

30、功率放大级204在晶体管q8和q10的集电极处连接到电源电路150。该电源电路150连接到具有不同电平v+、v++的两条电压总线。因此，电源电路150使得可以根据放大需求来选择这些电压电平中的一者或另一者。通常，第一电源总线递送65v，第二电源总线递送35v。第二电源总线旨在用于在要生成的输出信号不具有非常高的电压(通常小于32v)时向功率放大级204供电。

31、由于通过晶体管q8的电流相对较低，通常小于通过晶体管q10的电流的10％，晶体管q8的集电极可以直接连接至第一电源总线v++，而不会导致显著的额外功耗。该实施例可以提高放大器的稳定性，该放大器作为电流放大器的操作容易受到破坏。

32、为了选择适当的电压电平，mosfet晶体管m1通过其漏极直接连接到第一电源总线v++且通过其源极经由第四二极管d3连接到第二电源总线v+。mosfet晶体管m1通常针对27v的阈值切换，然后其在超过该阈值时线性操作。当在mosfet晶体管m1上施加大于阈值的控制电压时，mosfet晶体管m1使第一电源总线v++导通。该电压由连接在mosfet晶体管m1的栅极和扬声器r44之间的第一二极管d8、d10、以及连接在mosfet晶体管m1的漏极和栅极之间的第二电阻器r8、r27的关联来控制。

33、二极管d15连接在晶体管q10的集电极和扬声器r44之间，二极管的阴极连接到晶体管q10的集电极。

34、图4中例示了利用该组件获得的不同信号。

35、因此，图3和图4中编号为1的信号表示mosfet晶体管m1的栅极信号。图3和图4中编号为3的输出信号表示放大器的输出信号，也就是说扬声器r44的端子处的信号。图3和图4中编号为2的输出信号表示电源电路150的输出信号。因此我们注意到输出信号3是失真的。实际上，正弦曲线的波峰变平，并且在27μs附近发生移位。输出信号3的这种饱和通过mosfet晶体管m1的电源电压不足以使放大器能够正确地递送输出电压的事实来解释。

36、同样，信号2在40和47μs之间具有对应于mosfet晶体管m1栅极处的过电压的异常电压峰值。这导致功率损失和放大器效率的劣化。

37、因此，本发明提出解决的技术问题是获得一种高功率音频放大器，其使得可以限制在信号上识别的失真，并且因此提高效率并降低放大器的饱和。

技术实现思路

1、为了解决这个问题，本发明提出了一种电源电路，包括mosfet晶体管，其由用于辅助充电的子电路、用于辅助放电的子电路和电压移位子电路控制，从而使得可以在限制放大器输出信号的饱和和失真的同时获得放大器的更好的效率。

2、换言之，本发明涉及一种旨在控制至少一个扬声器的高功率音频放大器，所述放大器包括：

3、-前置放大级，其接收输入信号；

4、-功率放大级，其连接到前置放大级，并且提供旨在为所述至少一个扬声器供电的输出信号；前置放大级和功率放大级具有镜像安装的上部和下部；

5、-反馈，其向前置放大级提供输出信号的图像；

6、-上电源电路，其连接到功率放大级的上部，并允许其由第一或第二电源总线供电；

7、-下电源电路，其连接到功率放大级的下部，并允许其由第一或第二电源总线供电；

8、-各个电源电路包括mosfet晶体管和监测装置，mosfet晶体管由监测装置控制，以便在两条电源总线中的一者或另一者之间进行切换，mosfet晶体管经由第四二极管连接到第二电源总线，第四二极管的第一端子连接到mosfet晶体管的源极，并且mosfet晶体管的漏极连接到第一电源总线。

9、本发明的特征在于，各个电源电路还包括：

10、-子电路，其用于辅助对所述mosfet晶体管充电，包括至少第一电阻器，第一电阻器的第一端子连接到mosfet晶体管的栅极，并且第一电阻器的第二端子连接到互连点；

11、-子电路，其用于辅助对所述mosfet晶体管放电，包括至少第二电阻器和第三电阻器以及双极晶体管；双极晶体管的基极连接到第三电阻器的第一端子，其发射极连接到mosfet晶体管的栅极，并且其集电极经由第二电阻器连接到mosfet晶体管的源极，第三电阻器的第二端子连接到互连点；以及

12、-电压移位子电路，其包括与第一电容器并联安装的第一二极管；第一二极管的第一端子和第一电容器的第一端子连接到第一互连节点；第一二极管的第二端子和第一电容器的第二端子连接到第二互连节点。

13、特别地，用于辅助充电的子电路允许mosfet晶体管更快地充电。实际上，该子电路首先包括第一电阻器，其优选地具有高电阻值，以便不与放大器的输出交换太多能量并且生成更多失真，即大约15kω。该第一电阻器仅允许低电流流动以对mosfet晶体管的栅极充电或放电。栅极表现得像电容器，然而，mosfet晶体管与第一电阻器的组合增加了充电和放电时间的持续时间。

14、辅助放电的子电路允许mosfet晶体管更快地放电。双极晶体管使得当正弦输入信号处于其下降阶段时特别可以对mosfet晶体管的栅极进行放电。

15、电压移位子电路确保mosfet晶体管的栅极电势总是高于放大器输出的电势。典型地，mosfet晶体管的栅极电势可以比放大器输出的电势高15v。电压移位子电路还补偿mosfet晶体管中的电压降。

16、根据第二实施例，电压移位子电路还包括并联安装的至少第四电阻器和第二二极管。第二二极管的第一端子和第四电阻器的端子连接到第一互连节点，第四电阻器的第二端子和第二二极管的第二端子连接到第三互连节点。

17、这些部件的添加使得可以减少在放大器输出信号上观察到的失真。如果正弦输入信号具有相对低的频率，即大约1khz，则这种失真的改善对于正弦输入信号是有效的。

18、有利地，根据第三实施例，用于辅助充电的子电路还包括与第三二极管串联安装的第五电阻器，第五电阻器和第三二极管与包括第一电阻器的用于辅助充电的子电路的支路并联安装。

19、与第一电阻器并联安装的第三二极管允许旨在对mosfet晶体管的栅极充电的电流流动，并阻断旨在对mosfet晶体管的栅极放电的电流。第五电阻器优选地具有低值，即大约300ω。由于充电时间常数等于电阻和电容的乘积，该第五电阻器使得可以更快地对mosfet晶体管的栅极充电。

20、在此添加这些部件再次使得可以改善高达20khz频率的正弦输入信号的失真。因此，在整个频谱上改善了失真。因此，改善了连接到本发明的放大器的扬声器的声音再现。与现有技术的放大器相比，收听者感知到较少的失真。

21、根据第四实施例，电压移位子电路还包括第二电容器和第三电容器，第二电容器与第一电容器和第一二极管并联安装，并且第三电容器与第三二极管和第五电阻器并联安装。这些额外的部件使得可以限制干扰，即叠加在期望的输出信号上的干扰信号。

22、实际上，各个电源电路包括第一保护二极管，其第一端子连接到mosfet晶体管的源极，其第二端子连接到mosfet晶体管的栅极。同样，各个电源电路还包括连接在mosfet晶体管的源极和漏极之间的第二保护二极管。

23、添加第一保护二极管，以便保护mosfet晶体管免受其栅极上的过电压，该过电压可能通过破坏栅极和沟道之间的绝缘来损坏mosfet晶体管或者甚至使其不可用，该绝缘仅能够连续地承受+/-20v以及瞬时承受+/-30v。

24、第二保护二极管的作用是保护mosfet晶体管免受反向漏-源电压的影响，如果第一电源总线的电压仅在第二电源总线的电压之后出现，则可能出现反向漏-源电压。不同的电源总线分别具有它们自己的变压器绕组和平滑电容器，因此具有不同的时间常数。

25、根据第五实施例，各个电源电路还包括与第四二极管并联安装的电容器。该电容器使得可以消除当mosfet晶体管切换时由二极管生成的干扰峰值，该二极管的第一端子连接到mosfet晶体管的源极。谐波失真(thd)也得到改善。这种谐波失真是所执行的处理的线性的度量。其通过将设备的输出信号与完美正弦输入信号进行比较来计算。

26、实际上，前置放大级经由用于阻尼所述第一电源总线的功率变化的电路连接到各个电源电路的第一电源总线，所述功率变化阻尼电路包括作为低通滤波器安装的至少一个电容器和至少一个电阻器。换言之，电阻器与电容器串联连接，电容器接地。

27、这种组件使得可以隔离噪声和电压骤降。这种现象特别发生在高压放大器递送高电流时。电容器则起到能量贮存器的作用。

28、有利地，所述功率变化阻尼电路还包括与至少一个电容器并联安装的额外电容器。并联安装的电容器具有更适中的值，通常低103倍。它使得能够抑制高频干扰。

29、根据本发明的具体实施例，施加到前置放大级的反馈提供与通过扬声器的电流成比例的信号。该实施例使得可以获得高功率电流放大器。如参考现有技术的图2所述，这类高功率电流放大器具有与高功率电压放大器相同的拓扑，即耦合到放大级的前置放大级。然而，施加到前置放大级的反馈不同。

30、通过将本发明的电源电路用于大功率电流放大器，大功率电流放大器的功耗非常有限。

31、实际上，当放大器递送低电压时，本发明的电源电路将不工作。因此，由电源提供的功率将等于输出电流乘以由较低功率电源总线递送的电压的乘积，而不是由用于标准ab类放大器的单个电源总线递送的最大电压。在相等的功率下，并且假定例如由较低功率电源总线递送的电压等于较高功率电源总线的电压的一半，则电源将提供只有一半的功率。耗散由电源提供的功率和提供给扬声器的功率之间的差的晶体管将显著更少地发热。