[發明專利]低功耗放大器

有效

• 申請號: 201080018400.5
• 申請日: 2010-02-25
• 公開（公告）號: CN102449903A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: O·約翰斯;L·R·芬查姆
• 申請（專利權）人: THX有限公司
• 主分類號: H03F1/32
• 分類號: H03F1/32
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

相關申請信息

本申請要求保護在2009年2月25日提交的美國臨時申請序列號61/155,385(代理卷號157835-0041)的權益，其通過如全文展示的引用被并入本文。

技術領域

本發明的領域一般涉及放大器并且更具體地，涉及最小化緊湊型放大器中的失真和功耗的改進方法。

背景技術

在多種應用中使用的放大器包括音頻信號處理、視頻處理、通信、控制系統、衛星等等。基于它的功耗特性，放大器可被分類為A級、B級、AB級、D級、G級或H級。不同放大器級別的一般背景內容可在例如2005年第110屆音頻工程協會(AES)會議的五月12-15第1-14頁R.Bortoni等人的“Analysis，Design?and?Assessment?of?Class?A，B，AB，G?and?H?Audio?Power?Amplifier?Output?Stages?Based?on?MATLAB?Software”和在2006年音頻工程協會期刊的第54卷4期第319-323頁中找到。

已知A級放大器要求相對較大的未運轉功率并且是低效的，并且因此其在需要低功耗的很多應用中是不可靠的。B級放大器可具有非常低的未運轉功耗但是引入了失真。AB級放大器處于這兩者之間，并且使用偏置電流來降低B級放大器固有的失真。由于偏置電流，AB級放大器具有比B級放大器更高的功耗。

隨著器件越來越小，放大器逐漸在降低封裝尺寸能力方面成為較大的限制。放大器不可避免的受限效率導致必須通過冷源被驅散以便防止放大器過熱的功耗；然而，較大的冷源能占據封裝空間中的過大量。存在改進標準AB級放大器設計效率的技術并且因此降低對冷源的需要，但是這些方法通常導致放大器的帶寬、噪聲或失真性能的妥協。

存在對于放大器系統的功耗的至少兩個方面。第一是通常被稱作空載功耗或未運轉功耗-即當放大器沒有輸送功率至負載時的功耗。使用常規的線性放大器，這種包括應用至放大器的偏置電流的未運轉功耗主要集中在放大器的驅動器和輸出級并且一般在常規的放大器設計中是被需要的以最小化交叉失真。在向8Ω負載提供標稱100瓦正弦波功率能力4的高性能音頻功率放大器中，例如，空載電流可以是約為每通道100-200毫安。通過一般+/-45伏的靜態功率供給電壓，該空載電流導致每通道大致9-18瓦的空載功耗。這對于立體聲放大器是一個嚴重的問題，其對于多通道放大器也是更大的問題，因為由于放大器數目的增加空載功耗迅速過大。

對于家庭型音頻放大器，較大的冷源通常能被用于驅散能量并且保持功率器件較低的溫度，但是對于尺寸受限制的應用，例如自動娛樂系統，冷源的尺寸和重量不能被承受。

放大系統的空載電流必須在生產時被大體設定以優化失真性能并且因此提高了生產成本。空載電流的要求還隨溫度和壽命變化。因此，隨著時間或者在延長使用之后，放大器輸出的質量可能惡化。

除空載功率的功耗問題之外，當它輸送信號至負載時放大器產生了額外的功耗，有時其被稱作動態功耗。實踐上，當輸送正弦波信號至負載時，標稱100瓦容量的線性功率放大器可良好驅散40瓦的最壞情況。使用音樂作為放大器的音頻源，這種數據更低，因為音樂與正弦波相比具有較高的波峰因數，但是每通道仍接近30瓦。

已經使用各種技術來降低線性放大器的空載功耗和動態功耗。可用來降低空載功耗的技術是降低輸出級偏置電流。但是，這將導致交叉失真的增加，其通過圍繞放大器的常規負反饋難于消除。再有，這種技術對于動態功耗具有很小的作用。

另一可降低空載和動態功耗二者的方法是使用‘G級’放大器配置。該‘G’級術語通常用于日立(參見“Highest?Efficiency?and?Super?Quality?Audio?Amplifier?Using?MOS?Power?FETs?in?Class?G?Operation”，IEEE?tansactions?on?Consumer?Electronics，1978年8月卷CE-24第3號)，雖然基本技術已經在先前被描述(參見，例如美國專利號3,622,899)。‘G級’放大器裝置通過保證當驅動信號至負載時穿過功率裝置的電壓也被降低，在空載條件下保持了穿過輸出裝置的低壓同時而還降低動態功耗。因此，空載功耗和動態功耗均被降低。然而，功率軌之間的輸出器件的開關通常導致輸出波形的小故障，其被視為失真。這些小故障具有非常高頻的能量并且因此難于通過負反饋校正。精心的設計能夠減少這種作用但不能完全消除它并且傾向于升高高頻動態的功耗。