[發明專利]用于可變電源電壓的開關放大器

有效

• 申請號: 201380027035.8
• 申請日: 2013-05-03
• 公開（公告）號: CN104365018B
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 約瑟夫·科路克鮑爾-赫利梅爾
• 申請（專利權）人: 慕尼黑應用技術大學
• 主分類號: H03F3/217
• 分類號: H03F3/217;H03F1/30
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司11204
• 代理人: 余朦,王艷春

技術領域

本發明涉及音頻技術領域。具體地，本發明涉及適合于高能效操作的開關放大器以及用于高能效地放大音頻信號的方法。

背景技術

在音頻技術領域中采用電功率放大器以放大音頻信號。放大的音頻信號通過揚聲器轉換成聲音信號，而聲音信號隨后可以被用戶感知。這種電功率放大器通常用于已知的消費類電子裝置(諸如CD播放器和電視機)中。

廣泛使用的放大器的類型是所謂的D類放大器，其包括調制器和開關輸出級。這種D類放大器的特征在于，開關輸出級包括開關，該開關僅呈現兩種不相關的切換狀態并且(如與其他放大器中的情況那樣)不會被連續地驅動。因此，這些開關放大器具有相對較高的效率。由于它們的高效率，開關放大器尤其使用在通常需要較高性能的專業領域中。一個示例為例如用于在機場或購物中心以供揚聲器公告的電聲系統。

開關輸出級的開關的控制經由開關信號來實現，其中，開關信號是通過調制器響應于被放大的音頻信號提供的。用于這種D類放大器的調制處理通常是Σ-Δ調制，其中開關信號生成自模擬輸入信號或數字輸入信號，并且開關信號可以是例如二元信號或三元信號。

在專利說明書US 2008/0042746 A1中描述了這種D類放大器的示例。該放大器包括Σ-Δ調制器、開關輸出級和負反饋連接部，該負反饋連接部允許抑制信號通路中的噪聲。開關輸出級的輸出信號基于開關輸出級中的切換操作來生成。開關輸出級中產生的切換損失與施加在開關輸出級處的電源電壓的平方成正比。所施加的電壓的水平越高，切換損失相對越高。這對于放大器的能效而言具有負面效果，尤其是在弱輸入信號的情況下。

在專利說明書US2006/0091945 A1中描述了D類放大器的另一示例。該D類放大器根據誤差校正原理操作。在開關輸出級中基于電源電壓中的誤差所產生的誤差通過由數字電源電壓值分割負反饋連接部之外的信號通路中的信號來最小化。

發明內容

本發明的目的在于，提供能夠以比通常現有技術更高能效的方式工作的放大器。此外，將提供允許音頻信號的高能效放大的方法。

通過根據權利要求1的放大器和根據權利要求21的方法實現了上述目的。在從屬權利要求中記載了有利的進一步發展。

根據本發明的放大器用于將輸入信號放大到輸出信號，并且包括信號通路和負反饋連接部。該信號通路包括：

-適合于接收輸入信號并且適合于響應于接收到的輸入信號生成開關信號的調制裝置；以及

-與電源電壓連接的開關輸出級，其中，開關輸出級包括根據由調制裝置生成的開關信號進行切換的切換裝置，其中，開關輸出級生成輸出信號，輸出信號的振幅取決于電源電壓。

負反饋連接部適合于反饋開關輸出級的輸出信號，以與輸入信號結合。信號通路和負反饋連接部形成具有環路增益的環路。

最終，放大器包括補償裝置，該補償裝置接收開關輸出級的電源電壓或者源自電源電壓的信號，并且適合于至少部分地補償因電源電壓中的變化而產生的環路增益的改變。

包括開關輸出級、調制裝置和負反饋連接部的已知的放大器以恒定或基本恒定的電源電壓操作。即使是對于輸入信號的小振幅，也會將總電源電壓施加到開關輸出級，開關輸出級的切換裝置繼續以一定的切換頻率進行切換。輸出信號的平均振幅通過輸出信號中的脈沖的序列和符號來確定。輸出信號中的脈沖的振幅基本上是恒定的并且與電源電壓相關，但獨立于輸入信號的振幅。對于已知的放大器，因切換裝置的切換而產生、并且以電源電壓的平方增加的切換損失基本上獨立于輸入信號的振幅。因此，即使是在閑置或者在待機模式時，即，不存在輸入信號 或者存在有振幅幾乎為零的輸入信號時，也會發生切換損失，而該切換損失與在具有最大振幅的輸入信號的情況下發生的那些切換損失相當。因此，對于輸入信號的小振幅，這些放大器的效率損失也是相對高的。

對于包括負反饋連接部并且由此包括具有環路增益的環路的、已知的開關放大器，當電源電壓發生變化時，總增益可以在某些情況下因負反饋連接部而保持基本恒定。雖然無可否認的是，電源電壓中的變化也導致了根據放大器的操作狀態的、環路增益中的變化，而這可能導致不穩定的后果。因此，已知的開關放大器僅可以在基本恒定的電源電壓下穩定操作。

與此相反，根據本發明的放大器適合于通過可變電源電壓進行操作，并且特別適合于比通常現有技術更高能效的操作。根據本發明的放大器通過補償裝置的輔助解決上面的問題，其中，補償裝置接收開關輸出級的電源電壓或者源自其的信號，并且適合于至少部分地補償因電源電壓中的變化而產生的環路增益中的變化。