专利名称：音频放大器以及用于重新配置音频放大器的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于借助输出放大级将输入信号放大成输出信号的音频放大器， 其中，输出放大级被构造为以开关运行方式工作的放大器以将中间信号放大成输出信号。 此外，本发明还涉及一种用于改装音频放大器的方法。
背景技术：
音频放大器以很多已知的构造形式应用在音乐设备中——例如用于家庭使用或 者用于在电影院、迪斯科舞厅等等中播放音乐，但音频放大器也应用在扩音设备中——如 这些扩音设备例如在公共建筑物、学校、大学等等中用于传播广播通知。这样的音频放大器 可以基于任意的放大器原理并且集成有将输入信号转换成经放大的输出信号的特性。但是，音频放大器的输出接口具有标准，其中，目前主要使用两种不同的技术来应 用这些标准，这两种技术在如何向机电的声转换器馈送输出信号的方式方面不同。一方面，音频放大器的低阻抗运行是公知的，其中，音频放大器从电方面来看是低 欧姆的受控电压源，并且直接驱动所连接的扬声器或者机电的声转换器。但是，此技术在较 大建筑物或场地的扩声时由于所需的电流和扬声器导线长度往往需要扬声器导线的过大 的导体横截面。尤其是在这样的应用中使用另一种技术——高阻抗运行，其也称作100伏技术。在 此技术中，音频放大器的输出信号借助于低频变换器变换成100伏并且与在配电网中类似 地以此电压水平传输给多个并联的扬声器。为了电压和阻抗方面的匹配，扬声器中的每一 个都具有一个自身的变换器或变压器。此技术的优点在于，为了供电可以使用具有小横截 面的扬声器导线，可以通过并联另外的扬声器来非常容易地实现扩音系统的扩展，并且可 以通过扬声器中的变换器或变压器处的分接实现各个扬声器在电平方面的匹配。高阻抗系 统不限于100伏的电平，例如70伏的电平也是常用的。
发明内容
在本发明的范围内公开了具有权利要求1的特征的音频放大器和具有权利要求 11的特征的用于重新配置一个或所述音频放大器的方法。从从属权利要求、以下说明以及 附图中得出本发明的优选的或有利的实施方式。根据本发明的音频放大器适用于和/或被构造用于将输入信号放大成输出信号。 音频放大器例如可以应用在音乐设备中或者优选应用在扩音设备中，尤其是应用在用于复 杂区域的扩音的公共广播系统中。音频放大器的输出信号优选定义为输出给机电的声转换 器和/或扬声器的信号。输出信号优选被构造为例如来自麦克风或其它音频源的模拟信号。音频放大器除其他的可选部件外还包括至少一个输出放大级，所述至少一个输出 放大级适用于和/或被构造用于将中间信号放大成输出信号。中间信号尤其被构造为一个 基于输入信号产生的信号。
输出放大级被实现为以开关运行方式工作的放大器，尤其是放大基于输入信号和 /或中间信号产生的或者表示输入信号和/或中间信号的、经脉宽调制的信号的放大器。在本发明的范围内提出，将限幅器装置集成到音频放大器中，所述限幅器装置通 过编程技术和/或电路技术构造用于基于输入信号产生中间信号，其中，中间信号的电平 根据可调节的最大电平被一直如此限幅，使得输出信号与输入信号无关地不超过所述最大 电平。本发明基于以下构思提出一种音频放大器，所述音频放大器灵活地既可用于低 阻抗运行也可用于高阻抗运行。通过可调节的最大电平，音频放大器优选不限于确定的、离 散的输出功率，而是可以在输出功率中或最大输出电平中的宽的区域中缩放。另一优点在 于，在高阻抗运行中，在音频放大器的输出端处不需要变换器或变压器。可以从下面得出本发明的另一有益的优点在许多扩音任务中，混合使用低阻抗 和高阻抗应用。这样例如有意义的是，以低阻抗技术执行具有舞台的主室的扩音，但以高阻 抗技术实现副室、通道等等的扩音。迄今为止，需要或者提供不同的音频放大器或者提供可 切换的音频放大器，其通常必需根据运行方式提供不同的内部供电电压。此外，在必要时必 需在音频放大器的输出端处连接变压器或变换器。与此不同，在新颖的音频放大器中，最大 的输出电压或电平电压不是仅仅由内部供电电压实现，而且由限幅器装置实现，所述限幅 器装置在小信号区域中、即在输出放大级前面对音频信号进行限幅。在一个优选实施方式中，输出放大级由仅仅一个唯一的双极电压供给装置供电和 /或被构造为D类放大器和/或具有恒定的增益。此优选的实施方式强调本发明的以下优 点可通过成本有利的电路表示音频放大器。优选如此选择双极电压供给装置的供电电压， 使得输出放大级可以在所连接的扬声器的最小阻抗率下提供最高的、需要的输出电压。输 出放大级构造为D类放大器和/或具有恒定的增益基于这样的放大器在中间信号的输入 电平的宽的区域上显示出恒定的高效率。在本发明的一个可能的实际实施方案中，可通过调节最大电平在低阻抗运行与高 阻抗运行之间切换音频放大器。在低阻抗运行中，扬声器或机电的声转换器直接由音频放 大器驱动，可能的典型阻抗为4欧姆。在高阻抗运行中，信号电压或信号电平高达70伏(70 伏技术)或者高达100伏(100伏技术)。优选地，机电的声转换器具有变换输出信号的变 压器或变换器。此实际实施方案再次强调本发明的思想提出一种音频放大器，其可灵活地 用于不同的标准，尤其是用于高阻抗运行和低阻抗运行，其中，由于所选择的放大器构造， 既不必设置多个内部供电电压也不必在音频放大器的输出端处设置变换器。在本发明的一个扩展方案中，限幅器装置包括分析器单元和限幅器单元，其中，分 析器单元基于施加的音频载波信号将一个限幅信号输出给和/或反馈给限幅器单元。音频 载波信号可以被构造为输入信号或者已经进一步处理的信号。分析器单元和限幅器单元形 成调节回路，其中，如此设计调节，使得输出信号不超过一个经调节的最大电平或者在小信 号区域中中间信号不超过一个与其对应的最大电平。在此，限幅器单元可以被构造为前置放大装置和/或衰减装置，所述前置放大装 置的增益根据所反馈的限幅信号被调节，而所述衰减装置基于所反馈的限幅信号衰减施加 的音频载波信号。可选地，分析器单元同样可以被构造为限幅器组件，使得限幅器装置以 两级实施限幅，其中，在第一级中——在限幅器单元中——控制或调节增益，并且在第二级中——在分析器单元中——控制或调节衰减。在一个可能的实施方式中，限幅器装置连接在输出放大级前面，并且对模拟的音 频载波信号进行分析或限幅，并且以此方式形成中间信号。在本发明的一个替代的实施方 式中，限幅器装置通过电路技术如此集成，使得首先对音频载波信号进行脉宽调制并且随 后对经脉宽调制的音频承载信号进行限幅并且由此形成中间信号。在本发明的一个改进方案中，音频放大器具有用于对音频载波信号进行滤波的可 接入的高通，其例如被构造为二阶巴特沃斯滤波器。音频放大器优选被如此构造，使得可接 入的高通仅仅在高阻抗运行中激活。如在所有的高阻抗放大器中那样，这是值得推荐的，以 免扬声器中的变换器由于低频信号进入饱和。在本发明的下一改进方案中，音频放大器具有输入放大器装置，所述输入放大器 装置被构造用于输入信号的调整，尤其是用于输入阻抗与输入电平的匹配。可选地，音频放大器还包括电平调节器装置，用于声强和/或增益的匹配。电平调 节器装置优选被如此连接，使得其在小信号区域中作用于音频载波信号。在本发明的一个优选的实施方式中，音频方法器包括控制装置，所述控制装置被 构造为接口，尤其是例如到用户的手动接口或者电/电子接口并且所述控制装置允许最大 电平的调节。优选地，控制装置作用于可接入的高通(只要存在)或限幅装置。尽管在此仅仅根据一个输出放大级和一个限幅装置描述了本发明，但在本发明的 范围中，音频放大器可以具有多个通道，这些通道分别具有输出放大级，这些输出放大级分 配有一个或多个限幅器装置。借助这样的多通道音频放大器，可以实现低阻抗运行与高阻 抗运行之间的混合运行，并且以此方式——例如鉴于以上所述的示例——从音频放大器出 发既在例如4欧姆的阻抗下启用低阻抗扬声器也在直接驱动模式下或者以100伏或70伏 技术启用高阻抗扬声器。在重新配置这样的音乐设备时，仅须在控制装置处转变运行方式。本发明的另一主题涉及一种用于在低阻抗运行与高阻抗运行之间重新配置根据 以上权利要求中任一项所述的音频放大器的方法，其中，在第一步骤中，将低阻抗扬声器系 统或高阻抗扬声器系统与音频放大器分离，在下一步骤中，将最大电平转变为低阻抗运行 或高阻抗运行，在最后一个步骤中，连接高阻抗扬声器系统或低阻抗扬声器系统。因此，在 本发明的范围内，还公开一种具有音频放大器的音乐设备，其中，低阻抗扬声器系统和/或 高阻抗扬声器系统可以依次地、交替地或者——在多个通道下——共同运行。
本发明的其他特征、优点和效果从以下对本发明的优选实施例的描述以及附图中 得出。在此示出图1 根据本发明的音频放大器的框图；图2 图1中的音频放大器中的分析器单元的电路图。
具体实施例方式图1以示意性框图示出音频放大器1，所述音频放大器1被构造用于将一个施加在 输入接口 2上的输入信号放大成一个施加在输出接口 3上的输出信号。如此实现音频放大 器1，使得在输出接口 3上在例如设计用于4欧姆阻抗的低阻抗运行中输出用于扬声器系统(未示出)的输出信号，或者在高阻抗运行中输出信号电平或信号电压的有效值高达70伏 和/或高达100伏的输出信号。在框图中以实线表示出最重要的组成部分，以虚线示出音频放大器1的可选组成 部分。从输入接口 2起，输入信号可选地经过另外的功能组件——以原始状态或者以经处 理的状态也称作音频载波信号——传导到限幅器装置4，所述限幅器装置4根据控制单元5 的控制信号对音频载波信号进行限幅并且作为经限幅的中间信号转送给输出放大级6。输出放大级6被构造成D类放大器。所述D类放大器以开关运行方式工作，其中， 效率在理论上为100%，实际上由于切换和导通损耗达到大约90%的效率。在一个示例性 的实施方式中，D类放大器可被划分成三个区域，其中，第一区域包括用于中间信号的输入 端、三角信号发生器和比较器，第二区域包括开关放大级并且第三区域包括低通滤波器。在第一区域中，由信号发生器产生的优选三角形式的信号通过中间信号进行调 制，其中，比较器将中间信号的电压值与信号发生器的信号进行比较，随后其输出端根据 两个信号中的哪一个具有恰好较高的电压而接通或者关断。因此，第一区域是脉宽调制 (PWM)，其作为输出信号提供具有与信号发生器的信号相同的频率但具有不同宽度的矩形、 即脉宽的矩形信号。脉宽反映关于音频信号的振幅和频率的信息。在第二区域中，PWM信 号例如通过晶体管增强，其中，晶体管完全导通或者关断，所述晶体管因此或者接通或者关 闭，所述电路设计的高效率的原因也在于此。在第三区域中，由信号发生器产生的载波信号 被滤除，其中，通常使用无源的LC滤波器。由于内部结构以及效率与调制的无关性，D类放 大器也可以在仅仅是实际可用的运行电压的一部分的输出电压区域中运行。此外，应当注 意，本发明并不限于D类放大器的确定的拓扑，并且尤其是不束缚于D类放大器的确定的调 制方案或反馈方案。通过可由控制单元5调节的限幅装置4实现音频载波信号的对称的限幅，使得在 后面的输出放大级6处施加经限幅的中间信号。相应限幅的大小由控制单元5根据所选择 的运行方式适当地预给定。因为后面的D类放大器具有恒定的增益并且由于所选择的供电 电压的大小而始终在线性区域中工作，所以整个音频放大器1从外部观察表现得如同常规 的放大器，其中，内部的供电电压可被虚拟地、无级地调节。在此，如此设计限幅，使得输出 接口3处的最大输出电压不是由内部的供电电压确定而是由限幅装置4在小信号区域中确 定。如此选择输出放大级6的供电电压，使得输出放大级6可以在最小阻抗率下提供最高 的、需要的输出电压。在低阻抗运行中，运行电压也不被切换或者减小，此外，被构造为末级模块的输出 放大级6被供给高的运行电压。替代地，输出接口 3处的输出电压的限幅由可调节的限幅 装置4在小信号区域中实现。如此调节所谓的削波界限(Clipgrenze)，使得输出接口 3处 可由此实现的最大输出电压与所选择的运行方式相适应。在一个可能的实施方式中，限幅装置4可以如图1中所示的那样由分析器单元7 和限幅器单元8构成。从功能方面来看，分析器单元7分析施加的音频载波信号并且向限幅 器单元8输出限幅信号，使得所述限幅器单元8可以匹配地放大或衰减音频载波信号。可 选地，分析器单元7也衰减音频载波信号。在图2中，以示意性电路图示出分析器单元7的可能的实现方式。音频载波信号 在输入端E处通过电阻Rl输送给分析器单元7。电阻Rl与电阻R2—起形成分压器。所述分压器的共同的中点M作为节点同时连接到晶体管Tl和T2的发射极上，其中，信号限幅通 过两个晶体管Tl和T2进行。如果两个晶体管处于截止状态，则音频载波信号的电流通过 电阻Rl流到运算放大器IC 2的负输入端上，所述运算放大器IC 2接虚地。因为运算放大 器IC2通过R1+R2负反馈，所以限幅器的增益为OdB。限幅装置4的工作区域由来自控制 单元5的正控制电压预给定，所述正控制电压施加在输入端S上。为了实现对称的信号限 幅，借助于运算放大器IC 1反转控制信号S。经反转的控制信号输送给Tl的基极，未经反 转的控制信号输送给T2的基极。如果分压器Rl和R2的中点处的音频载波信号比控制电 压高出基极-中点正向电压(Basis-Mitte-Flussspannung)，则T2导通。由此T2将正电压 区域中的输入电平钳位到控制电压的大小加上二极管路径上。Tl以相同方式钳位负电压区 域中的输入信号。通过这种方式，通过选择控制电压进行后面的输出放大级6的控制信号 的对称的信号限幅。仅仅当存在限幅器单元8时才需要两个晶体管T3和T4。这些晶体管 T3和T4在分析器单元7中进行信号限幅的情况下向限幅器单元8提供控制信号。所述控 制信号在静态时为0伏，在进行信号限幅时达到正UB,因为T4变为导通。由于所述控制回 路，在限幅器装置4中不出现音频信号的硬削波，而是前置的限幅器单元8相应地减小增益 直到通过分析器单元7恰好达到限幅的使用极限。 作为其他的功能模块，音频放大器1可选地具有以下部件输入放大装置9负 责输入信号在阻抗和电平方面与音频放大器1的后面的级的匹配。在此，对于根据本发 明的放大器而言，输入放大器是构造用于对称的输入信号还是非对称的输入信号是不重 要的。电平调节器10用于声强和增益匹配。对于音频放大器1的功能而言，电平调节器 10不是必需的，并且也可以可选地取消。可通断的高通11由控制单元5仅仅以直接驱动 (Direct-Drive)运行方式和/或在高阻抗运行中激活。如同在所有高阻抗放大器中那样， 这是值得推荐的，以免所连接的线路的扬声器中的变换器由于低频信号进入饱和。所述高 通11的典型实现方式是具有50Hz极限频率的2阶巴特沃斯滤波器。也可以考虑以下可行 方案高通11的极限频率设计成是可分级或无级地调谐的。在低阻抗运行中，高通11由控 制单元5禁用。限幅器单元8作为可选的补充功能确保输出信号的失真在所有情况下都不 超过一定的百分比(例如)。如果音频放大器1例如在达到运行电压极限时或者在通 过分析器单元7进行限幅时必需离开其线性区域，则限幅器单元8降低增益，使得所产生的 输出信号失真受限。在可替代的运行方式中，也可能有利的是，控制单元5在限幅器单元8 中执行整个音频放大器1的增益匹配。由此可以自由地选择不同运行方式中的增益，例如 既可以在低阻抗运行中也可以在高阻抗运行中实现恒定的输入灵敏度。
权利要求
1.用于将一输入信号放大成一输出信号的音频放大器(1)，具有一输出放大级(6)，其中，所述输出放大级(6)被构造用于将一中间信号放大成所述输出信号，以及其中，所述输出放大级(6)被构造为一以开关运行方式工作的放大器，其特征在于一限幅器装置，所述限幅器装置(4)通过编程技术和/或电路技术构成 用于基于所述输入信号产生所述中间信号，其中，所述中间信号的电平根据一可调节的最 大电平被始终如此限幅，使得所述输出信号与所述输入信号无关地不超过所述最大电平。
2.根据权利要求1所述的音频放大器(1)，其特征在于，所述输出放大级(6)由一个唯 一的双极的电压供给装置供电和/或所述输出放大级被构造为D类放大器和/或具有恒定 的增益。
3.根据以上权利要求1或2中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于，所述音频放 大器(1)可通过所述最大电平的调节被在一低阻抗运行与一高阻抗运行之间切换。
4.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于，所述限幅器装置 (4)具有一分析器单元(7)和一限幅器单元(8)，其中，所述分析器单元(7)基于一施加的 音频载波信号将一限幅信号输出给和/或反馈给所述限幅器单元(8)。
5.根据权利要求4所述的音频放大器(1)，其特征在于，所述限幅器单元(7)被构造为 一前置放大装置和/或一衰减装置。
6.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于一可通断的高通 (11)，用于对所述音频载波信号进行滤波，其中，所述可通断的高通(11)优选仅仅在所述 高阻抗运行中是激活的。
7.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于一输入放大器装置 (9)，用于所述输入信号的调整。
8.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于一电平调节器装置 (1)，用于所述音频放大器(1)的声强和/或增益匹配。
9.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于一控制单元(5)，所 述控制单元(5)被构造用于调节所述最大电平并且控制所述可通断的高通(11)和/或所 述限幅器装置⑷。
10.根据以上权利要求中任一项所述的音频放大器(1)，其特征在于多个通道，其中， 每个通道都具有一输出放大级(6)和一所分配的限幅器装置G)。
11.用于在一低阻抗运行与一高阻抗运行之间重新配置根据以上权利要求中任一项所 述的音频放大器(1)的方法，其特征在于下列步骤将一低阻抗扬声器系统或高阻抗扬声器系统与所述音频放大器(1)分离；将所述最大电平转变为所述高阻抗运行或所述低阻抗运行；连接所述高阻抗扬声器系统或低阻抗扬声器系统。
全文摘要
音频放大器以很多已知的构造形式应用在音乐设备中，例如用于家庭使用或者用于在电影院、迪斯科舞厅等等中播放音乐，但音频放大器也应用在扩音设备中，如这些扩音设备例如在公共建筑物、学校、大学等等中用于传播广播通知。本发明涉及一种音频放大器，用于借助输出放大级(6)将输入信号放大成输出信号，其中，所述输出放大级(6)被构造用于将中间信号放大成所述输出信号，其中，所述输出放大级(6)被构造为以开关运行方式工作的放大器，其特征在于所述音频放大器具有限幅器装置(4)，所述限幅器装置(4)通过编程技术和/或电路技术构成用于基于所述输入信号产生所述中间信号，其中，所述中间信号的电平根据可调节的最大电平被始终如此限幅，使得所述输出信号与所述输入信号无关地不超过所述最大电平。
文档编号H03F3/217GK102089968SQ200980126580
公开日2011年6月8日 申请日期2009年6月10日 优先权日2008年7月9日
发明者J·塔费纳, J·普拉格尔, M·迈尔 申请人:罗伯特·博世有限公司