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CN109716647B - 包括补偿电路的放大装置 - Google Patents

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CN109716647B CN201780056999.3A CN201780056999A CN109716647B CN 109716647 B CN109716647 B CN 109716647B CN 201780056999 A CN201780056999 A CN 201780056999A CN 109716647 B CN109716647 B CN 109716647B
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Abstract

本发明涉及一种用于放大输入信号的放大装置(10)，包括：第一放大级(12)和第二放大级(14)，每个放大级(12，14)包括：开关电路(22)和电感元件(24)，该开关电路(22)能够作为输出端(22A，22B)生成具有至少两个状态的切换信号；该电感元件能够使切换信号平滑以获得平滑信号(I1，I3)，该平滑信号(I1，I3)具有有用分量和寄生分量。放大装置(10)还包括用于每个放大级(12，14)的补偿电路(16)，每个补偿电路能够生成用于对在所述放大级(I2，I4)的电感元件(24)中生成的平滑信号(I1，I3)的寄生分量进行补偿的补偿信号(I2，I4)。

Description

包括补偿电路的放大装置
技术领域
本发明涉及一种输入信号的放大装置，包括：
-用于输入信号的差分输入端；
-用于输出信号的差分输出端；
-具有输入端的第一放大级；以及
-具有输入端的第二放大级，
每个放大级的输入端形成差分输入端，
每个放大器包括：
·用于负载的输出端，每个放大级的输出端形成差分输出端；
·开关电路，该开关电路能够作为输出端生成具有至少两个状态的切换信号；以及
·连接在开关电路的输出端和放大级的输出端之间的电感元件，该电感元件能够使开关电路所生成的切换信号平滑以获得平滑信号，该平滑信号具有有用分量和寄生分量，
在每个放大级的开关电路的输出端的切换信号是相反的。
背景技术
上述放大装置例如用作负载两端的电压的放大器。
当负载是诸如扬声器的音频部件时，在放大级的电感元件中生成的三角高频寄生分量会损害扬声器所检索到的音频信号的质量。
此外，这种寄生分量源于放大装置和负载的发热，导致放大装置的输出端处的性能损耗。
因此，需要减少由该放大装置的电感元件生成的寄生分量。
发明内容
为此，本发明涉及一种如前面所描述的放大装置，其中，该放大装置还包括针对每个放大级的补偿电路，该补偿电路能够生成用于对在所述放大级的电感元件中生成的平滑信号的寄生分量进行补偿的补偿信号，每个补偿电路被连接到相应的放大级的输出端以及另一放大级的开关电路的输出端，每个平滑信号和相应的补偿信号之差在放大装置的输出端形成输出信号。
根据具体实施例，放大装置包括以下单独地或根据任意技术上可能的组合考虑的特征中的一个或多个：
每个补偿电路包括至少一个电感元件，补偿电路的电感元件的电感和相应的放大级的电感元件的电感之间的相对偏差小于或等于30％；
每个放大电路包括高通滤波器；
高通滤波器包括电容器；
输入信号是由载波频率调制的信号，高通滤波器的截止频率严格小于输入信号的载波频率；
输入信号是使用频率，高通滤波器的截止频率严格大于输入信号的使用频率；
放大级是数字信号的放大级，该装置还包括连接在放大级中的一个的输出端的至少一个模拟放大器；
所述模拟放大器或每个模拟放大器是A类放大器或AB类放大器；
该装置还包括用于测量每个模拟放大器的输出电流的装置和能够至少接收每个模拟放大器的输出电流的测量值的控制模块，控制模块能够根据所测量的输出电流在放大级的输入端生成信号，一方面使得在所述放大级的开关电路的输出端的切换信号相反，并且另一方面使得模拟放大器中的每一个的输出电流最小；
每个放大级的输入信号在超过70％的时间期间相位相反。
本发明还涉及一种音频系统，包括：
如前面所描述的放大装置；以及
连接到每个放大级的输出端的扬声器。
附图说明
通过阅读以下仅作为示例提供并参照附图描述的对本发明的实施例的说明，本发明的其他特征和优点将变得明显，在附图中：
图1为根据本发明的第一实施例的放大装置的一个示例的示意图；
图2为示出放大装置的每个放大级的开关电路的输出电压的第一时序图的示例；
图3为示出平滑信号的寄生分量、所述寄生分量的补偿信号以及这两种信号的合成的第二脉冲时序图的示例；以及
图4为根据本发明的第二实施例的放大装置的一个示例的示意图。
具体实施方式
根据本发明的第一实施例的放大装置10在图1中示出。
放大装置10的名称还公知为“放大桥”。
放大装置10包括接收形成待放大的差分输入信号的相位相反的信号的两个输入端10A、10B和用于接收经放大的差分输出信号的两个输出端20A、20B。放大装置10的两个输入端10A、10B形成差分输入端。放大装置10的两个输出端20A、20B形成差分输出端。
如图1所示，输入信号例如由控制模块11和反相器13生成。输入信号例如是脉冲宽度调制信号，由载波频率和有用频带来表征。有用频带例如是包含在20赫兹(Hz)和100千赫兹(kHz)之间的间隔。载波频率例如大于或等于400kHz。
输入信号是电压。如图1所示，由放大装置的两个输入端10A、10B中的一个接收到的信号被反相器13反相，使得由两个输入端10A、10B中的每一个接收到的信号相位相反并形成差分输入信号。
放大装置10还包括第一放大级12、第二放大级14和用于每个放大级12、14的补偿电路16。
每个放大级12、14包括：对应于放大装置10的输入端10A、10B的输入端；对应于放大装置10的输出端20A、20B的输出端20A、20B；开关电路22以及电感元件24。每个放大级12、14的输出端20A、20B旨在被连接到诸如扬声器的同一负载26以形成音频系统。
两个放大级12、14由相同的电源电压V1供电。电源电压V1例如是正的。
每个开关电路22包括串联连接在电源电压V1和地之间的至少两个晶体管31、32。每个开关电路22的输入端对应于相应的放大级12、14的输入端10A、10B。放大级12、14的每个开关电路22的输出端由介于放大级12、14中的每一个的两个晶体管31、32之间的中点22A、22B形成。
每个放大级12、14的晶体管31、32的栅极被连接到开关电路22的输入端以由输入信号供电。当晶体管31、32中的一个开启，晶体管31、32中的另一个关断时，每个放大级12、14的晶体管31、32中的一个的栅极被连接到反相器34。
晶体管例如是MOSFET晶体管。
每个放大级12、14的开关电路22能够根据所述放大级12、14的输入信号10A、10B和电源电压V1生成具有至少两个状态的切换信号。两个放大级12、14的电源电压V1相同并且所述放大级12、14的输入信号10A、10B的相位相反，每个放大级12、14的开关电路22的切换输出信号22A、22B具有相反的状态。因此，当第一放大级12的开关电路22的切换输出信号22A的电压等于电源电压V1时，第二放大级12的开关电路22的切换输出信号22B的电压等于零电压(nil)，相应地，当第一放大级12的开关电路22的切换输出信号22A的电压等于零电压时，第二放大级12的开关电路22的切换输出信号22B的电压等于电源电压V1。
电感元件24例如由线圈形成。每个放大级12、14的电感元件24一方面被连接到所述放大级12、14的开关电路22的输出端22A、22B，另一方面被连接到所述放大级12、14的输出端20A、20B。
电感元件24能够使由相应的开关电路22生成的切换信号平滑，以得到平滑信号I1、I3。平滑信号I1、I3具有有用分量和寄生分量。有用分量是低频，寄生分量是高频。
平滑信号I1、I3的有用分量是承载待放大的输入信号的有用部分的分量。在音频放大器的情况下，有用分量是待放大的音乐，例如介于20Hz至100kHz之间的频率信号。
平滑信号I1、I3的寄生分量是在电感元件24中生成的三角纹波电流相关的分量。这种纹波电流是由于电感元件24的两端的电压的高频偏差而产生。这种纹波电流例如具有等于400kHz的载波频率。
每个补偿电路16一方面被连接到相应的放大级12、14的输出端20A、20B，另一方面被连接到另一放大级12、14的开关电路22的输出端22A、22B。换言之，放大级12、14的补偿电路16并联连接到电感元件24和另一放大级12、14的输出端20A、20B。
每个补偿电路16能够针对在相应的放大级12、14的电感元件24中生成的平滑信号I1、I3的寄生分量生成补偿信号I2、I4。
每个补偿电路16至少包括电感元件36和高通滤波器38。
理想地，每个电感元件24和相应的补偿电路的电感元件36的电感具有相同的值。实际上，补偿电路16的电感元件36的电感和相应的放大级12、14的电感元件24的电感之间的相对偏差小于或等于30％。在当前情况下，该相对偏差是补偿电路16的电感元件36的电感和相应的放大级12、14的电感元件24的电感之差的绝对值与所述放大级12、14的电感元件24的电感的比率。
高通滤波器38由电容器与相应的补偿电路16的电感元件36相互作用而形成。
高通滤波器38能够使平滑信号I1、I3的高频寄生分量在所述高通滤波器38的补偿电路16中通过。
每个补偿电路16的高通滤波器38的截止频率严格小于载波频率。
高通滤波器38的截止频率严格大于平滑信号I1、I3的使用频率。
截止频率例如介于100kHz至300kHz之间。
因此，这种放大装置10使得能够通过由补偿电路16生成的补偿信号I2、I4补偿在放大级12、14的电感元件24中生成的平滑信号I1、I3的高频寄生分量。补偿信号I2、I4使得能够防止平滑信号I1、I3的高频寄生分量通过负载26。
平滑信号I1、I3和每个放大级12、14的补偿信号I1、I4之差在放大装置10的输出端20A和20B形成放大输出信号l5。该放大信号是电流。
图2和图3的脉冲时序图示出了信号的形状。
特别地，图2以虚线示出了第一放大级12的开关电路22的输出电压22A，并且以实线示出了第二放大级14的开关电路22的输出电压22B。如图2所示，这两个电压具有相反的状态并且以400kHz在等于20伏(V)和0V的两个相应的电压状态之间切换。
图3以细实线示出了第一放大级12的平滑信号I1的高频三角寄生分量；以虚线示出了所述寄生分量的补偿信号l2；以及以粗实线示出了通过平滑信号I1和补偿信号I2之差得到的输出信号I5。在图3的示例中，平滑信号I1是在400kHz频率下幅度等于正或负0.4安培的电流。在图3的示例中，输出信号I5是去除了高频三角寄生分量的平滑信号I1，并且仅包括信号的低频部分(即，有用分量)。
第一放大级12和第二放大级14的配置使得补偿电路16的生产简单。事实上，每个补偿电路16由另一放大级12、14的开关电路22直接供电。因此，不需要任何其他的附加电源或任何其他的有源部件(诸如例如任何晶体管)。
根据第二实施例的放大装置10在图4中示出。
根据第二实施例的放大装置10包括与第一实施例相同的元件。因此不再赘述这些元件。
放大装置10还包括至少一个模拟放大器40。在图4中，示出了两个模拟放大器40。
每个模拟放大器40被连接到放大级12、14中的一个的输出端20A、20B。在当前情况下，图4所示的放大器40中的一个被连接到第一放大级12的输出端20A，并且另一放大器40被连接到第二放大级14的输出端20B。
每个放大器40例如是A类放大器或AB类放大器。A类放大器是具有很高线性度和低输出阻抗的放大器。优选地，A类放大器的输出阻抗小于0.2欧姆。B类放大器是包括放大元件的放大器，这些放大元件仅一半时间工作在线性状态并且另一半时间基本上关闭。AB类放大器是能够从开启状态切换到关闭状态以使该放大器是低功率的A类放大器和高功率的B类放大器的放大器。
在图4所示的示例中，待放大的信号41被增益为-1的放大器43反相以产生中间信号44。待放大的信号41和中间信号44因此构成差分信号。
参考电压Vcom通过加法器45被添加到待放大的信号41和中间信号44中的每一个，以形成放大器40中的每一个的相应的输入信号46A和46B。参考电压Vcom介于电源电压V1和地之间。有利地，参考电压Vcom等于电源电压V1的一半。放大器40的输入信号46A和46B是电压。
因此，放大器40的输入信号46A和46B具有相同的直流分量Vcom和相反的交流分量。
如图4所示，测量装置47能够测量放大器40中的每一个的输出电流并向控制模块11提供所完成的测量。例如，测量装置47包括能够经由放大器40中的每一个的供电电流之差测量输出电流的霍尔效应传感器。
控制模块11能够控制放大级12、14中的每一个以使放大级12、14的输入信号10A、10B相反(因此所述放大级12、14的开关电路22的输出信号22A、22B相反)，同时使由放大器40中的每一个提供的电流最小。放大器40的输入信号46A和46B的相位相反并且以参考电压Vcom为中心，如果参考电压Vcom等于电源电压V1的一半并且如果放大级12、14的所有部件22、31、32、24、36、38针对放大级12、14中的每一个具有相同的值，则放大级12、14的输入信号10A和10B也具有相反的状态。实际上，这些部件的值的低分散性(小于30％)保证放大级12、14的输入信号10A、10B处于相反的相位超过70％的时间。
根据第二实施例的放大装置10使得能够对待放大的模拟信号41执行模拟放大和数字放大。放大装置10具有线性度至少等于在系统中使用的模拟放大器40的线性度，并且该放大装置10的能量效率非常接近于在模拟放大器40中所使用的数字放大级12、14的能量效率，这是因为模拟放大器40消耗很小的电流，由此消耗很少的功率。例如，放大器40提供小于提供给负载26的电流I5的1％。因此，这种放大装置适于放大例如扬声器的音频信号，具有非常高的线性度和非常高的能量效率。
此外，补偿电路16使得能够防止平滑信号的高频三角寄生分量被模拟放大器40吸收，该吸收会导致模拟放大器40升温并衰减所述放大器40的性能和输出信号的质量。

Claims (9)

1.一种输入信号的放大装置(10)，包括：
-用于输入信号的差分输入端(10A，10B)；
-用于输出信号(I5)的差分输出端(20A，20B)；
-具有输入端(10A)的第一放大级(12)；以及
-具有输入端(10B)的第二放大级(14)，
每个放大级(12，14)的输入端(10A，10B)形成差分输入端，
每个放大级(12，14)包括：
·用于负载(26)的输出端(20A，20B)，每个放大级(12，14)的输出端(20A，20B)形成差分输出端；
·开关电路(22)，所述开关电路(22)能够作为输出端(22A，22B)生成具有至少两个状态的切换信号；以及
·电感元件(24)，所述电感元件连接在所述开关电路(22)的输出端(22A，22B)和所述放大级(12，14)的输出端(20A，20B)之间，所述电感元件(24)能够使所述开关电路(22)所生成的切换信号平滑以获得平滑信号(I1，I3)，所述平滑信号(I1，I3)具有有用分量和寄生分量，
在每个放大级(12，14)的所述开关电路(22)的输出端(22A，22B)的切换信号是相反的，
所述放大装置(10)还包括用于每个放大级(12，14)的补偿电路(16)，所述补偿电路能够生成用于对在所述放大级(12，14)的电感元件(24)中生成的所述平滑信号(I1，I3)的寄生分量进行补偿的补偿信号(I2，I4)，每个补偿电路(16)一方面被连接到相应的放大级(12，14)的输出端(20A，20B)，并且另一方面被连接到另一放大级(12，14)的所述开关电路(22)的输出端(22A，22B)，每个平滑信号(I1，I3)和相应的补偿信号(I2，I4)之差在所述放大装置(12，14)的输出端(20A，20B)形成输出信号(I5)；
所述放大级(12，14)是数字信号的放大级，所述放大装置(10)还包括至少一个模拟放大器(40)，所述模拟放大器(40)的输出端连接在所述放大级(12，14)中的一个的输出端(20A，20B)；
所述放大装置(10)还包括用于测量每个模拟放大器(40)的输出电流的装置(47)和能够至少接收每个模拟放大器(40)的输出电流的测量值的控制模块(11)，所述控制模块(11)能够根据所测量的输出电流在所述放大级(12，14)的输入端(10A，10B)生成信号，一方面使得在所述放大级(12，14)的所述开关电路(22)的输出端(22A，22B)的切换信号相反，并且另一方面使得所述模拟放大器(40)中的每一个的输出电流最小。
2.根据权利要求1所述的放大装置(10)，其中，每个补偿电路(16)包括至少一个电感元件(36)，所述补偿电路(16)的电感元件(36)的电感和相应的放大级(12，14)的电感元件(24)的电感之间的相对偏差小于或等于30％。
3.根据权利要求1所述的放大装置(10)，其中，每个补偿电路(16)包括高通滤波器(38)。
4.根据权利要求3所述的放大装置(10)，其中，所述高通滤波器(38)包括电容器。
5.根据权利要求3所述的放大装置(10)，其中，所述输入信号是由载波频率调制的信号，所述高通滤波器(38)的截止频率严格小于所述输入信号的载波频率。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的放大装置(10)，其中，所述输入信号是使用频率，所述高通滤波器(38)的截止频率严格大于所述输入信号的使用频率。
7.根据权利要求1所述的放大装置(10)，其中，所述模拟放大器或每个模拟放大器(40)属于由以下各项组成的组：A类放大器和AB类放大器。
8.根据权利要求1所述的放大装置(10)，其中，每个放大级(12，14)的输入信号(10A，10B)在超过70％的时间期间相位相反。
9.一种音频系统，包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的放大装置；以及
连接到每个放大级(12，14)的输出端的扬声器(26)。
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