具有平面电感器的多通道d类音频放大器的制造方法
【专利摘要】一种用于提供音频信号以驱动扬声器系统的装置，包括第一音频通道和第二音频通道。第一音频通道具有用于接收输入信号的第一D类放大器以及用于接收来自第一D类放大器的输出并且由此重构用于驱动扬声器系统的输出音频信号的第一重构滤波器。第二音频通道具有用于接收输入音频信号的第二D类放大器以及用于接收来自第二D类放大器的输出并且由此重构用于驱动扬声器系统的输出音频信号的第二重构滤波器。第一重构滤波器和第二重构滤波器具有相应的第一平面电感器和第二平面电感器，同时第二平面电感器磁耦合至第一平面电感器。
【专利说明】具有平面电感器的多通道D类音频放大器
【技术领域】
[0001]本发明涉及音频放大器，并且特别涉及D类放大器。
【背景技术】
[0002]因为其高效率，D类放大器对于便携式和紧凑型音频应用(诸如在汽车应用中)是特别有用的。
[0003]典型的D类放大器系统10 (在图1中示出)以D类音频放大器12为特征，D类音频放大器12将输入音频信号14 (其可以是模拟的或数字的)变换成该输入信号的放大的、脉冲编码的表不(以下称为放大器输出16)。重构滤波器22将该放大器输出16转换成相应的模拟音频信号20，模拟音频信号20然后可以用来驱动扬声器18。该过程由重构滤波器22来执行。该重构滤波器22的重要组件是电感器。
[0004]廉价的和耦合的或非耦合的紧凑型平面电感器24 (诸如图2中所示出的)可以用于D类放大器系统10的重构滤波器22中。平面电感器24通常包括印刷电路板26，印刷电路板26具有起电感器的绕组的作用的同心线路(trace) 28。位于印刷电路板的相对侧的第一低磁阻结构和第二低磁阻结构30、32起电感器24的铁心(core)的作用。典型的低磁阻结构30、32通常包括但不限于铁磁材料(诸如铁粉或铁氧体)。为了使电感的变化线性化为频率的函数，这样的结构通常包括空气间隙(air gap)。这些空气间隙可以导致由附近的电感器之间的磁链造成的串扰。
【发明内容】
[0005]本发明基于如下认识:附近的平面电感器之间的串扰可以通过适当的反馈而显著减轻。结果，本发明使得可能构造具有带有廉价的平面电感器的小型封装的放大器。
[0006]在一个方面，本发明以一种用于提供音频信号以驱动扬声器系统的装置为特征。这样的装置包括第一音频通道和第二音频通道。第一音频通道具有用于接收输入信号的第一 D类放大器以及用于接收来自第一 D类放大器的输出并且由此重构用于驱动扬声器系统的输出音频信号的第一重构滤波器。第二音频通道具有用于接收输入音频信号的第二D类放大器以及用于接收来自第二D类放大器的输出并且由此重构用于驱动扬声器系统的输出音频信号的第二重构滤波器。第一重构滤波器和第二重构滤波器具有相应的第一平面电感器和第二平面电感器，同时第二平面电感器磁耦合至第一平面电感器。
[0007]该装置的一些实施例还包括用于将来自第一重构滤波器的输出的信号往回提供至第一 D类放大器的第一反馈回路。在这些实施例当中有那些实施例，其还包括用于将来自第二重构滤波器的输出的信号往回提供至第二D类放大器的第二反馈回路。
[0008]还有其它实施例进一步包括用于减少由于第一平面电感器和第二平面电感器之间的磁耦合所产生的失真的部件。在这些实施例当中有那些实施例，其中用于减少失真的部件包括用于将来自第一重构滤波器的反馈提供至第一D类放大器的部件。后面的这些实施例还包括那些实施例，其中用于减少失真的部件进一步包括用于将来自第二重构滤波器的反馈提供至第二 D类放大器的部件。
[0009]该装置的实施例当中还包括那些实施例，其中第一 D类放大器包括用于提供第一信号的第一输出、用于提供与第一信号异相调制的第二信号的第二输出、第一反馈输入以及第二反馈输入。在这些实施例中，重构滤波器包括分别用于接收第一信号和第二信号的第一 LC电路和第二 LC电路。这些实施例还包括第一反馈回路和第二反馈回路。第一反馈回路将第一 LC电路的输出连接至第一反馈输入。第二反馈回路将第二 LC电路的输出连接至第二反馈输入。
[0010]还有该装置的其它实施例包括第一印刷电路板和第二印刷电路板。D类放大器安装于第一印刷电路板上，而平面电感器安装于第二印刷电路板上。这些印刷电路板彼此垂
直定向。
[0011]在一些实施例中，第一音频通道和第二音频通道被配置以使得第一通道和第二通道之间的串扰在IOkHz处低于第一音频通道的信号水平至少54dB。
[0012]在该装置的实施例当中有那些实施例，其中第一电感器和第二电感器中的每个电感器的中心轴被分开不超过一个体长。
[0013]在一些实施例中，其中第一平面电感器和第二平面电感器安装于在第一平面电感器和第二平面电感器之间具有导电线路的印刷电路板上。在这些实施例中，第一平面电感器具有第一边沿，并且第二平面电感器具有第二边沿，第二边沿面向第一边沿并且与其分开不超过导电线路的宽度。
[0014]在一些实施例中，第一 D类放大器被配置为以BD方式操作。在这些实施例当中有那些实施例，其中第一音频通道被配置为在音频频率处以差模方式操作并且在高于音频频率的频率处以共模方式操作。
[0015]在另一方面，本发明以用于放大音频信号的另一装置为特征。该装置包括第一音频通道和第二音频通道。第一音频通道具有用于接收输入信号的第一D类放大器以及用于接收来自第一D类放大器的输出并且由此重构用于驱动扬声器系统的输出音频信号的第一重构滤波器。第二音频通道具有用于接收输入音频信号的第二D类放大器以及用于接收来自第二D类放大器的输出并且由此重构用于驱动扬声器系统的输出音频信号的第二重构滤波器。第一重构滤波器和第二重构滤波器具有相应的第一平面电感器和第二平面电感器。这些平面电感器彼此磁耦合。该装置进一步包括用于减少由第一平面电感器和第二平面电感器之间的该磁耦合引起的信号失真的部件。
[0016]在前述装置的许多实施例当中有那些实施例，其中用于减少信号失真的部件包括用于将来自第一重构滤波器的反馈信号提供至第一 D类放大器的部件。
[0017]在又另一方面，本发明以一种用于提供音频信号以驱动扬声器系统的装置为特征。这样的装置包括具有平面电感器的电路以及第一音频通道。该音频通道具有用于接收输入信号的第一D类放大器以及用于接收来自第一D类放大器的输出并且由此重构用于驱动扬声器系统的输出音频信号的第一重构滤波器。该第一重构滤波器包括第一平面电感器，第一平面电感器磁耦合至与电路相关联的平面电感器。
[0018]存在前述装置的若干实施例，其中的一些实施例列举如下。
[0019]在许多实施例当中有那些实施例，其包括用于减少由第一平面电感器和第二平面电感器之间的磁耦合弓I起的信号失真的部件。[0020]在附加的实施例中，具有第一平面电感器的电路包括用于第一音频通道的电源。
[0021]其它实施例包括用于将来自第一重构滤波器的输出的信号往回提供至第一 D类放大器的第一反馈回路。
[0022]这样的装置的许多实施例当中还有那些实施例，其中第一 D类放大器包括用于提供第一信号的第一输出、用于提供与第一信号异相调制的第二信号的第二输出、第一反馈输入以及第二反馈输入。在这样的实施例中，重构滤波器包括用于分别接收第一信号和第二信号的第一 LC电路和第二 LC电路、将第一 LC电路的输出连接至第一反馈输入的第一反馈回路以及将第二 LC电路的输出连接至第二反馈输入的第二反馈回路。
[0023]根据下面的详细描述和附图，本发明的这些和其它特征将是显而易见的，其中:
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1示出了具有既放大又调制输入信号的放大器以及可以驱动扬声器的信号的重构滤波器的典型的D类音频放大器系统；
[0025]图2示出了用于图1中所示的重构滤波器的平面电感器；
[0026]图3示出了具有用于减少相邻音频通道中的平面电感器之间的耦合的反馈回路的电路；
[0027]图4示出了一个示例性实施例，其中并非如在其它实施例中那样处于主板上，平面电感器反而被置于分开的子板上以进一步减小放大器封装；以及
[0028]图5示出了具有用于减少与相邻电路中的平面电感器的耦合的反馈回路的电路。
【具体实施方式】
[0029]因包括空气间隙的平面电感器而出现的难题是由该空气间隙导致的显著的磁通泄漏。由于该磁通泄漏，相邻平面电感器可以本质上起变压器的作用。两个电感器之间的磁耦合导致串扰。在不需要这样的磁耦合的应用中，通常将平面电感器彼此远离而隔开。虽然平面电感器之间的该宽大间隔确实减少了它们之间的磁耦合，但是也导致了具有不可接受地大的封装的电路。
[0030]在具有两个或更多个独立通道的音频放大器中，期望将通道之间的串扰维持在低于任何一个通道中的感兴趣信号至少54dB。当在这样的放大器的重构滤波器中使用平面电感器时，已经发现期望将平面电感器隔开至少三倍于平面电感器的体长(即，低磁阻结构30,32的长度)，以足够削弱相邻电感器之间的磁耦合来达到该串扰水平。该间隔导致不合理地大的音频放大器，其难以安装在典型的机动车的有限空间内。出于该原因，在其重构滤波器中依赖于平面电感器的D类音频放大器通常被限制为单通道放大器(诸如低音放大器)。
[0031]图3示出了具有反馈回路的多通道D类音频放大器系统34，该反馈回路被配置为有效地减少相邻音频通道36、38中的平面电感器之间的磁耦合的影响。这样的反馈回路的存在使得通道能够被安装得更接近彼此而不引入不可接受的串扰。这转而使得能够构造可以容易地安装在机动车的有限空间内的紧凑型多通道D类音频放大器系统。
[0032]换言之，对于任何水平的可接受的串扰，存在这样的距离，串扰在该距离以下变得不可接受。在图3中所示的配置中，该距离小于在没有图示的反馈回路的情况下的距离。[0033]图示的系统仅包括彼此相邻的第一通道和第二通道36、38。然而，本文所描述的原理适用于任意数量的通道。
[0034]如根据图3显而易见的，第一通道和第二通道36、38具有相似的结构。因此，仅详细描述第一通道36，同时理解其它通道具有相似的构造。
[0035]第一通道36以与重构滤波器42串联的D类音频放大器40为特征。D类音频放大器40接受音频信号44 (其可以是数字的或者模拟的)并且调制音频信号44，以输出音频信号的第一放大的、脉冲编码的版本和第二放大的、脉冲编码的版本(下文称为“放大器输出信号” 46、48)。第一 D类音频放大器输出信号和第二 D类音频放大器输出信号46、48优选地被同相调制(BD类调制)，以减少电磁干扰、减少放大器启动和关闭期间的气爆杂音(popnoise)以及致使重构滤波器42与中心柱(center-pole)裂开的、稱合的平面电感器结构一起恰当地工作。
[0036]放大器输出信号46、48被提供至重构滤波器42 (例如，低通滤波器)。
[0037]重构滤波器42至少包括被连接以形成用于低通滤波第一放大器输出信号46的第一 LC电路的第一平面电感器50和第一电容器52，以及被连接以形成用于滤波第二放大器输出信号48的第二 LC电路的第二平面电感器54和第二电容器56。该重构滤波器42因此去除了与放大器输出信号46、48中的脉冲相关联的高(即，RF)频率，留下然后可以被用来驱动扬声器60的放大的基带音频信号58。
[0038]第一平面电感器和第二平面电感器50、54的差分电感的典型值在10微亨的级别。在一个实施例中，电感为10.7微亨(在IOkHz处使用IVrms测得)。第一电容器和第二电容器52、56的典型电容值在8安培的饱和电流的情况下在I微法的级别。
[0039]在一些实施例中，平面电感器是使用3C92铁氧体材料的型号EFR28之一，具有250微米的总空气间隙。
[0040]每个通道36、38还包括第一反馈回路和第二反馈回路62、64。第一反馈回路62提供第一信号至D类音频放大器40中的第一反馈输入66，而第二反馈回路64提供第二信号至D类音频放大器40中的第二反馈输入68。第一信号和第二信号是相对于彼此异相的正输出和负输出。
[0041]第一反馈回路和第二反馈回路62、64操作以校正由音频输出58处的非线性引起的误差。结果，反馈回路62、64可以被用来对总谐波失真以及由相邻通道38中的平面电感器的磁耦合引起的失真进行校正。这转而允许相邻通道36、38更接近彼此而被定位，从而导致以物理上较小的布局和低的成本而被布置的放大器系统42。
[0042]图3中所示的电路配置使得第一音频通道36能够在音频范围频率处起差分滤波器的作用以及在RF频率处起共模滤波器的作用。这部分地因为平面电感器起共模滤波器的作用而出现，共模滤波器倾向于阻止较高的频率。结果，这些高频率分量倾向于比其在更多常规方法中衰减得多。
[0043]图3中所示的配置允许分开的通道36、38共享相同的印刷电路板。然而，图3中所示的配置还允许来自分开的通道36、38的平面电感器对50、54被置于分开的子板70上(如图4中所示)，子板70然后可以垂直于包含用于每个通道36、38的D类音频放大器66的板72而被安装。这进一步减小了整个放大器系统42的物理封装。
[0044]如图4中所示，每个平面电感器50、54具有中心体轴74、平行于该体轴74的第一边沿和第二边沿76、78以及垂直于该体轴74并且还垂直于第一边沿和第二边沿76、78的第三边沿和第四边沿80、82。第三边沿和第四边沿80、82被分开一个体长。平面电感器50、54彼此分开小于该体长的尺寸。尽管该小的间隔，但是图3中所示的反馈回路62、64的存在阻止了图4中的平面电感器50、54之间的磁耦合超过在任何音频通道36、38的信号水平以下54dB。
[0045]正如根据图4还是显而易见的，每个平面电感器对50、54被分开不超过子板74上的导电线路84的宽度。尽管该小的间隔，但是图3中所示的反馈回路62、64的存在阻止了图4中的平面电感器50、54之间的磁耦合超过在任何音频通道36、38的信号水平以下54dB。
[0046]当具有平面电感器的音频通道靠近也包括平面电感器的任何电路而被安装时，出现磁耦合及其伴随的音频频率失真的可能。因此，这里所描述的反馈机制适用于这样的情况，其中第一通道36靠近另一电路而被安装，该另一电路可以不一定是另一音频通道，但是该另一电路不过可以包括与音频通道足够接近以引起可听见的失真的一个或多个平面电感器。例如，如图5中所示，靠近第一通道36而被安装的电路38可以是具有一个或多个平面电感器的电源，该一个或多个平面电感器足够接近以磁耦合至第一通道36中的平面电感器。
[0047]已经描述了本发明及其优选实施例，所声称的作为新的、通过文字保护的专利是:
【权利要求】
1.一种用于提供音频信号以驱动扬声器系统的装置，所述装置包括: 第一音频通道，具有 第一 D类放大器，用于接收输入信号，以及 第一重构滤波器，用于接收来自所述第一 D类放大器的输出并且由此重构用于驱动所述扬声器系统的输出音频信号， 所述第一重构滤波器包括第一平面电感器，以及电路，具有第二平面电感器，所述第二平面电感器磁耦合至所述第一平面电感器。
2.根据权利要求1所述的装置， 其中所述第一 D类放大器包括 第一输出，用于提供第一信号， 第二输出，用于提供第二信号，所述第二信号与所述第一信号异相调制， 第一反馈输入，以及 第二反馈输入； 其中所述重构滤波器包括 第一 LC电路，用于接收所述第一信号，以及 第二 LC电路，用于接收所述第二信号； 所述装置进一步包括 第一反馈回路，其将所述第一 LC电路的输出连接至所述第一反馈输入；以及 第二反馈回路，其将所述第二 LC电路的输出连接至所述第二反馈输入。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其中 所述电路包括第二音频通道，所述第二音频通道具有 第二 D类放大器，用于接收输入音频信号，以及 第二重构滤波器，用于接收来自所述第二 D类放大器的输出并且由此重构用于驱动所述扬声器系统的输出音频信号，以及 所述第二重构滤波器包括所述第二平面电感器。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的装置，进一步包括第一反馈回路，用于将来自所述第一重构滤波器的输出的信号往回提供至所述第一 D类放大器。
5.根据权利要求4所述的装置，进一步包括第二反馈回路，用于将来自所述第二重构滤波器的输出的信号往回提供至所述第二 D类放大器。
6.根据权利要求1或权利要求3所述的装置，进一步包括用于减少由于所述第一平面电感器和所述第二平面电感器之间的磁耦合所产生的失真的部件。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述用于减少失真的部件包括用于将来自所述第一重构滤波器的反馈提供至所述第一 D类放大器的部件。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述用于减少失真的部件进一步包括用于将来自所述第二重构滤波器的反馈提供至所述第二 D类放大器的部件。
9.根据权利要求3所述的装置，进一步包括 第一印刷电路板，所述D类放大器安装于所述第一印刷电路板上，以及 第二印刷电路板，所述平面电感器安装于所述第二印刷电路板上， 所述第二印刷电路板垂直于所述第一印刷电路板而被定向。
10.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一音频通道和所述第二音频通道被配置以使得所述第一通道和所述第二通道之间的串扰在IOkHz处低于所述第一音频通道的信号水平至少54dB。
11.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一平面电感器和所述第二平面电感器各自具有体长和中心轴，并且其中所述第一电感器和所述第二电感器中的每个电感器的所述中心轴被分开不超过一个体长。
12.根据权利要求3所述的装置， 其中所述第一平面电感器和所述第二平面电感器安装于在所述第一平面电感器和所述第二平面电感器之间具有导电线路的印刷电路板上； 其中所述第一平面电感器具有第一边沿，并且所述第二平面电感器具有面向所述第一边沿的第二边沿，并且 其中所述第一边沿和所述第二边沿被分开不超过所述导电线路的宽度。
13.根据权利要求1或权利要求3所述的装置，其中所述第一D类放大器被配置为以BD方式操作。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一音频通道被配置为在音频频率处以差模方式操作并且在高于所述音频频率的频率处以共模方式操作。
15.根据权利要求1所述的装置，其中具有所述第二平面电感器的所述电路包括用于所述第一音频通道的电源。
【文档编号】H03F3/68GK103733514SQ201280040269
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年8月16日 优先权日:2011年8月19日
【发明者】R·特瓦尔 申请人:伯斯有限公司