模拟信号放大器和音频信号放大器

本发明涉及一种用于放大音频信号或类似信号的模拟信号的模拟信号 放大器，以及一种用于放大输入的音频信号并将该被放大的音频信号提供到 扬声器重放装置的音频信号放大器。

近年来，有鉴于音频信号放大器在其作为功放级期间的工作状态，用于 放大声音信号的音频信号放大器已大致上被分成三种类型的放大器，包括A 类放大器，B类放大器和AB类放大器。除上述已经使用的放大器之外，放 大器的频率已经比前者低得多了。

大多数A类放大器，B类放大器和AB类放大器使用推挽式发射极跟随 器作为其功放级的末级结构。

该推挽式发射极跟随器包括一功率器件，该功率器件具有极性不同的两 个元件作为一对。如果该功率器件是一功率晶体管，则该功率器件包括一 NPN型功率晶体管和一PNP型功率晶体管作为一对。

以下将分别给出关于A类放大器，B类放大器和AB类放大器的简要说 明。A类放大器备有上述连续工作在激发状态的两个功率晶体管。在B类放 大器中，两功率晶体管之一当另一个处于激发状态时总是工作在截止区域。 此外，AB类放大器形成在A类放大器和B类放大器之间的过渡(intermediate) 工作状态，使得当另一晶体管处于激发区域时，一个功率晶体管处于激发区 域或截止区域。

现在将详细描述上述推挽式发射极跟随器。一组(set)构成该推挽式发射 极跟随器的功率器件串接在电源和作为负载的扬声器重放装置之间。具体 地，当该功率器件被用作功率器件的例子时，电流按序从电源流经该功率晶 体管的集电极端、该功率晶体管的发射极和扬声器重放装置再回到电源 (地)。

根据以上描述的结构很明显，电源电压被分成加在该功率晶体管的集电 极端和发射极端之间的一部分电压以及加到作为负载的该扬声器重放装置 上的电压，换言之，由于施加到作为负载的扬声器重放装置的电流总是在功 率晶体管的集电极端和发射极端之间通过，而且上述电压施加在这两端之 间，因此电能将耗损在该功率晶体管上。此外，由于这个电能并未施加到作 为负载的扬声器重放装置，因而产生了不希望有的功率耗损。结果在该功率 晶体管的P-N结中产生了热量。当假定消耗在该功率晶体管中的功率耗损 为Pd时，则在A类放大器，B类放大器和AB类放大器中其耗损最小的B 类放大器的功耗Pd被近似地由下式表示： $P_d=\frac{2\times V_{\mathrm{cc}}\times V_{\mathrm{ouT}}}{\pi \times R_L}-\frac{{V^2}_{\mathrm{ouT}}}{2\times R_L}---\left(1\right)$

(这里电源电压值为±Vcc，输出电压的幅值为Vout以及负载值为RL)

如从该关系表示式了解到的，功耗Pd是取决于电源电压值Vcc的一个 值。通常，当输出电压的幅值VotT以及负载值RL均保持不变时，功耗Pd值 随电源电压值增大而增大。这个事实适用于A类放大器和AB类放大器。

在此期间，当假定一个用于放大声音信号的音频信号放大器的最大输出 功率值为WMAX,WMAX由下述公式近似表示，而不考虑其工作类型，即， 不考虑它是A类放大器，B类放大器还是AB类放大器时， $W_{\mathrm{MAX}}=\frac{{V^2}_{\mathrm{cc}}}{2\times R_L}---\left(2\right)$

从该式能理解到当负载值RL保持不变时，音频信号放大器的最大输出 功率值WMax为只取决于电源电压值Vcc的值。

目前，为了主要降低产品的生产成本，有必要使用在各种产品中的结构 和另件标准化。在这种情况下，急需将音频信号放大器和它的电源尽快使其 标准化。

使音频信号放大器及其电源标准化的中心问题在于上述电源电压值和 该音频信号放大器的最大输出功率之间的关系，以及在功率放大过程中的功 耗。

假定现在进行音频信号放大器及其电源的标准化，并且在相同电源电压 值条件下得到具有不同最大输出功率值的音频信号放大器。

通常，在一般音频信号放大器的情况下，将一个热量散热器安装在用于 放大电能的功率器件上，以便抑制由于在功率放大过程时期产生的功耗而引 起的温升。在此情况下，设计者最初希望在具有一小的最大输出功率值的音 频信号放大器上安装一个较小的热量散热器。反之，由于较大的热量散热器 因产品或类似物的尺寸限制或电源的输出电流不能充分增加而不能安装在 音频信号放大器上，所以最佳的办法是限制该音频信号放大器的最大输出功 率值。

如上所述，作为在相同电源电压值Vcc条件下实现具有不同最大输出功 率电压值的音频信号放大器的一种方法可以是优选的，即，输入到该音频信 号放大器的信号电压的最大值是由该音频信号放大器的最后增益(finish gain) 条件限制的。在此情况下，该音频信号放大器的输出电压被表示成：

(输入信号电压)×(音频信号放大器的最后增益)。因此，当输入到该音 频信号放大器的信号电压的最大值被限制时，该音频信号放大器的最大输出 功率也受到限制。

但是，如上所述，由于消耗在功率晶体管中的功率Pd主要取决于电源电 压值Vcc，即使最大输出功率值由规定最大输入电压值加以限制，如果同具 有原有的(original)最大输出功率值的音频信号放大器相比较，消耗在功率放 大的功率晶体管中的功率Pd的值是难以改变的。因此，热量散热器必须具有 类似固有最大输出功率的音频信号放大器的散热器的尺寸。从而，限制输入 信号的最大电压值将没有意义。

此外，作为当电源电压Vcc保持不变时用于限制最大输出功率值的另外 一种方法，可以被考虑的一种方法是，其中最大输入电压的幅度被预测，而 音频信号放大器的最后增益根据该幅度进行设置。然而按照这种方法不可能 使消耗在功率晶体管中的功率Pd的值小于消耗在具有原有最大输出功率值 的音频信号放大器的功率晶体管中的功率值Pd。

最后，当起负载作用的扬声器重放装置被确定时，只要通过降低提供给 音频信号放大器的电源电压就能限制目前使用的A类放大器，B类放大器和 AB类放大器中的最大输出功率值，降低在功率放大阶段期间的功耗，以及 使热量散热器小型化。

如上所述，要注意到，当用于各种模拟信号，例如用于视频信号，测量 仪器的传感器信号等的信号放大器的电源以及该音频信号放大器被标准化 时将产生相同的问题。

本发明的一个目的在于当电源电压值保持不变以及被标准化的同时提 供一种改进的模拟信号放大器和改进的音频信号放大器，其中依赖由功耗引 起的制约操作，最大输出功率值能够改变，并且热量散热器能够小型化。

为达到上述目的，本发明的一个方案在于提供了一种模拟信号放大器， 包括：一信号源，用于产生信号；一设定装置，用于设定该信号的电压：一 输入限制装置，用于按照由所述设定装置设定的所述电压隈制所述信号的电 压；一放大装置，用于放大从所述输入限制装置输出的所述信号：一解调装 置，用于解调从所述放大装置输出的所述信号；一重放装置，用于重放所述 信号。

该模拟信号可为音频信号，并将放大的输入音频信号提供到扬声器重放 装置。

具体地，按照该模拟信号放大器，该输入模拟信号的最大电压值由限制 装置所限制，其输出被送到功率放大装置，并被转换成一开关信号，以使输 入信号变成低频分量，之后使功率被放大。

此外，在音频信号的情况，输入音频信号的最大电压值由输入限制装置 限制，其输出被送到功率放大装置，并被转换成沿时间轴(timing axis)方向的 信息。之后该转换的信息被放大并输出用作功率。

下面将结合实施例参考附图对本发明进行详细描述：

图1是说明按照本发明一实施例的一种音频信号放大器的示意结构的方 框图；

图2是说明用于图1所示音频信号放大器的一种输入限制电路3的一个 例子的示意结构方框图：

图3是说明用于图1所示音频信号放大器的一种功率放大电路5的一个 例子的示意结构的方框图：

图4是用于说明图3所示电路的工作的波形图。

参照附图，将描述关于按照本发明的一种音频信号放大器的一个实施 例。

如图1所示，在本发明的一实施例的音频信号放大器中，由信号源1以 电压变化的形式提供的一输入信号通过输入端2接收，电压值在输入限制电 路3中受到限制，使用功率放大电路5将电功率进行放大，一个声音信号被 加到扬声器重放装置7。其中，功率放大电路5用于将来自输入限制电路3 的信号转换为一低频分量的开关信号，将该信号进行功率放大并输出该开关 信号。例如，在这种功率放大电路中，通过由脉宽调制(PWM)或类似机制瞬 时地将输入信号电压的幅度信息转换成沿时间轴方向的信息，这并不会使电 源电压值同音频信号放大器相关，然后该转换的信息被提供到所谓的D类放 大部分它是用于功率放大的开关电路，功率就此被放大。

现在将详细描述各个组成部分的结构和工作。

由信号源1通过输入端2提供的输入信号电压加到输入限制电路3。输 入限制电路3按照音频信号放大器最大输出功率值的限制来限制该输入电压 值。功率受到限制的输出被加到功率放大电路5。如图2所示，输入限制电 路3包括衰减部分31和限制器部分32。衰减部分31是由输入信号电压设置 电路4控制的电路并根据由该电路4提供的一个信号控制输入信号电压的幅 度。由衰减部分31输出的信号电压被送到限制器部分32，其中确定上述信 号电压的最大值。换言之，该输入限制电路3确定了按照本发明实施例的音 频信号放大器的最终的最大输出电压值。

假定能够通过输入限制电路3的最大信号电压值为VINMAX，以及音频信 号放大器的最后增益为AG，则音频信号放大器的最终的最大输出电压值能表 示为：               VMAX=VINMAX×AG      (3)

其中，如上所述，通过输入限制电路3的最大信号电压值由在输入限制 电路3中的限制器部分32确定。根据(被设置的一个音频信号放大器的最大 输出电压值)/AG的关系，输入限制电路3的最大信号电压值由在输入限制电 路3中的限制器部分32设定。

作为输入限制电路3的衰减部分31，例如可以使用一个电子电位器 (electronic Volume)那样的可变衰减器，而其衰减量通过输入信号电压值设置 电路4改变。作为限制器部分32，例如，可以使用普通的二极管限制器或由 VCA(可变增益放大器)使用电平压缩(leuel compression)的软(soft)限制电路 或类似的电路。当形成的放大器的最大输出功率不同于上述功率时，限制器 部分32可以由一种具有不同限制电压的新器件取代，或者限制电压可以通 过使用一种限制电路加以改变，在该限制电路中，限制电压能作某些调整。

之后，图1所示的功率放大电路5对通过输入限制电路3的信号电压施 加PWM调制。使信号电压的幅度信息转换成沿时间轴方向的信息，并由所 谓的D类放大进行功率放大。例如D类放大器通过两态操作功率晶体管的导 通/截止来控制电源的切换并输出PWM调制的功率信号。功效的最大值为 100％，并且因此能极大地减小该晶体管的功耗。

图3是上述功率放大电路5的具体结构示例。图4说明图3所示各部分 的信号的波形。参照图3，例如，如图4A所示，来自输入限制电路3的输 出电压通过输入端51加到相加/和积分电路52。例如，如图4B所示，占空 比50％的一方波从一方波产生电路53加到相加和积分电路52。这些信号在 相加和积分电路52中被相加和被积分。结果得到如图4C所示波形的信号， 并且该信号被送到一比较器54。图4C所示的波形是由类似于图4A虚线表 示的波形的信号叠加在一三角波上形成的。合成波形在比较器54中同0电 平相比较，结果得到如图4D所示的矩形波信号。该矩形波信号在其低频分 量中包括图4A所示的信号。该矩形信号由所谓D类放大器55进行放大，由 此得到其幅度基本上等于电源电压的一个矩形波信号。所得到的矩形波信号 从输出端56输出。从输出端56输出的输出信号作为功率放大电路5的输出 加到在图1中说明的一声音信号解调电路6。

图1中所示的声音信号解调电路6分解(remove)包括在功率放大电路5 的输信号中的开关频率并将该输出信号解调成类似于原始信号源的信号。之 后，来自声音信号解调电路6的解调信号，被加到扬声器重放装置7以便将 扬声器重放装置7驱动。

声音信号解调电路6包括一低通滤波器，使包括在功率放大电路5上的 输出信号中的开关频率被分解(remove)，并将该输出信号解调成类似于原始 信号源的信号。将被解调的信号加到扬声器重放装置7由此驱动该器件7。

通常，在功率放大过程期间，由于音频信号放大器中的功耗引起热量的 产生。按照本发明，由于所有输入信号电压的信息被调制成沿时间轴方向的 信息，在功率放大过程期间加到功率放大电路5的电源电压值与在这个音频 信号放大器中的功耗无关。

假定在功率放大电路5的D类放大部分中的一功率晶体管的饱和电压为 VSAT，输出电流为IouT，D类放大部分基本开关周期为T，以及在D类放大 部分中的基本开关波形(方波)的上升时间tr和下降时间tf都是足够短的，该音 频信号放大器的功耗PDd被近似地由下式表示： $P_{\mathrm{Dd}}=\frac{1}{T}\times {{\int }^T}_0(V_{\mathrm{SAT}}\times I_{\mathrm{ouT}})\mathrm{dt}......\left(4\right)$

其中，当假定VSAT是常数，则基于输出电流，功耗能够明确地加以确定。

因此，由于输入信号电压值的限制引起通过声音信号解调电路6加到作 为负载的扬声器重放装置7的输出电流也受到限制，使得在功率放大过程期 间的功耗也同时受到限制。由此最大输出功率值可以改变而不改变电源电压 值，而且热量散热器根据功耗的限制作用能做得小型化。

如上所述，按照本发明的音频放大器，该输入信号电压的幅度信息在功 率放大电路5中被瞬时地转换成沿时间轴方向的信息，使得其在功率放大的 过程中与施加到功率放大电路5的电源电压值无关。结果最大输出功率值可 以被改变而不改变由源电压值，而且热量散热器能够被减小到与按功耗限制 作用所要求的那样小的程度。

需要指出的是本发明并不仅仅限制到上述实施例。作为一个输入模拟信 号例如，不仅是一个音频信号的，而且也是各种类型的模拟信号，例如视频 信号，测试仅器的传感信号等，只要它们要求功率放大，均可应用本发明。 此外，在功率放大电路中可以应用例如一个PPM(脉冲相位调制)，一个 PNM(脉冲中数调制)或△∑调制替代PWM(脉冲宽度调制)，这意味着允许将输 入限制装置的输出信号转换成具有包括在低频分量中的原始模拟信号的开 关信号。

如上所述，本发明的模拟信号放大器包括输入限制装置，用于限制输入 模拟信号的最大信号电压值，以及功率放大装置，用于将输入限制装置的输 出信号转换成包括在低频分量中的开关信号，并且用于放大其功率和输出该 开关信号，这样，当电源电压值保持不变时最大输出功率能够改变，而功耗 能够降低，以及使热量散热器或类似物能适用其最大输出功率。

此外，按照本发明的音频信号放大器，除上述效果外，能够改变扬声器 重放装置的最大输出功率电压，使热量散热器的尺寸视功耗的限制能够减 少。