功率放大器和输入信号调节方法
【专利摘要】本发明涉及功率放大器和输入信号调节方法。一种功率放大器，包括：D类放大器和输入信号供应器。所述D类放大器包括输入部和开关装置。所述开关装置根据被输入到所述输入部的输入信号而切换，以便通过所述开关装置将电流从电源供应至负载。所述输入信号供应器将所述输入信号供应给所述D类放大器的所述输入部，计算在从具有指定内部阻抗特性的虚拟电源输出流经所述负载的电流时将要从虚拟电源输出的虚拟输出电压，并且根据所述虚拟输出电压调节所述输入信号的振幅。
【专利说明】
功率放大器和输入信号调节方法
技术领域
[0001]本公开涉及一种功率放大器以及一种输入信号调节方法，并且更具体地涉及一种适合被用作吉他放大器的功率放大器。
【背景技术】
[0002]近年来，使用半导体装置的功率放大器，诸如D类放大器，作为音频功率放大器已经进入到广泛使用。例如，在D类放大器中，输出级晶体管根据输入音频信号通过脉宽调制生成的PWM脉冲序列而被开/关切换，并且经由输出级晶体管将电流从电源供应给扬声器。D类放大器能够高效地将功率供应给扬声器，因为它们输出阻抗非常低，并且因此输出级晶体管的损耗非常低。更具体地，尽管扬声器的阻抗为8至16 Ω，但是D类放大器的输出阻抗近似等于0Ω。
[0003]此外，在D类放大器中，被输入到扬声器的电压通常被反馈给输入部，并且根据输入音频信号和负反馈信号之间的差控制D类放大器。因此，D类放大器能够执行在其中相应于输入音频信号的电压独立于频率地被供应给扬声器的恒定电压驱动。相关技术文献中涉及D类放大器的示范性文献为W02003/090343。
[0004]即使在使用半导体装置的功率放大器普遍使用的今天，真空管放大器仍被频繁地用作放大电吉他的输出信号的吉他放大器。这是因为真空管放大器允许扬声器以高音量级发出具有演奏者优选的质量的声音，这与使用半导体装置的功率放大器相反。
[0005]在使用真空管放大器的情况下，对再现声音质量具有很大影响的因素是用于真空管放大器的功率源的特性。更具体地，对于真空管放大器，使用具有内部电容器和相对大的内部阻抗的功率放大器。结果，真空管放大器能够提供相对于连续波最大功率的大的瞬时最大功率，并且使得可能瞬时发出高音量级的声音。因而，真空管放大器凭借它们的恒定电流输出特性和上述功率源特性实现了具有独特质量的再现声音。
[0006]然而，真空管放大器由于它们的尺寸和重量大而不便于处理。真空管放大器在输出级采用输出阻抗高并且因此在输出级承受大损耗的五级真空管，这导致了它们不能高效地驱动负载(扬声器)的另一问题。
[0007]因此，为了高效地驱动负载，必需使用D类放大器。在这种情况下，为了允许D类放大器执行与真空管放大器所实现的水平相同的水平的声音再现，可设想对D类放大器采用与用于真空管放大器的电源相同的电源的方法。然而，用于真空管放大器的电源具有比用于D类放大器的电源更大的内部阻抗值。在这种具有高内部阻抗的电源被用于D类放大器时，产生了 D类放大器难以执行恒定电压驱动的问题，并且因此D类放大器不能适当地执行其功能。
【发明内容】
[0008]已经在上述情况下做出本公开，并且因此，本公开的目标在于提供一种功率放大器和一种输入信号调节方法，使得能够在不损伤D类放大器的功能的情况下，获得与采用除D类放大器以外的、使用与D类放大器通常使用的电源不同的电源的放大器(例如，真空管放大器)所获得的水平相同的水平的声音再现。
[0009]本公开提供一种功率放大器，包括:
[0010]D类放大器，所述D类放大器包括输入部和开关装置，其中开关装置根据被输入到该输入部的输入信号而切换，以便通过所述开关装置将电流从电源供应至负载;以及
[0011]输入信号供应器，所述输入信号供应器被配置成将所述输入信号供应给D类放大器的所述输入部，计算在从具有指定内部阻抗特性的虚拟电源输出流经所述负载的电流时将要从虚拟电源输出的虚拟输出电压，并且根据所述虚拟输出电压调节所述输入信号的振巾畐O
[0012]在本公开中，根据在从虚拟电源输出流经负载的电流时发生的虚拟电源的虚拟输出电压，调节对D类放大器的输入部的输入信号的振幅，由此调节从D类放大器供应给负载的电流。这使得能够在不损伤D类放大器的功能的情况下，获得如通过使用任何各种类型的虚拟电源的放大器所获得的声音再现。
【附图说明】
[0013]图1是示出根据本公开的实施例的功率放大器的配置的电路图。
[0014]图2是示出实施例中使用的虚拟电源的等效电路的配置的电路图。
[0015]图3是示出由实施例中使用的输入信号供应器的DSP执行的信号处理的细节的方框图。
[0016]图4示出全音域扬声器的阻抗的示例频率特性。
[0017]图5A和5B分别示出D类放大器和真空管放大器的输出电压的频率特性。
[0018]图6比较了根据实施例的功率放大器的输出电流特性和真空管放大器与参考示例功率放大器的输出电流特性。
[0019]图7是示出真空管放大器的电源电压和输出信号的示例波形的波形图。
[0020]图8是示出根据本公开的另一实施例的功率放大器的配置的电路图。
【具体实施方式】
[0021]下面将参考附图描述本公开的实施例。图1是示出根据本公开的实施例的功率放大器的配置的电路图。为了促进对功率放大器I的理解，也在图1中示出了其为功率放大器I的负载的扬声器SP。
[0022]如图1中所示，功率放大器I包括输入信号供应器50、D类放大器100、负载电流反馈电路200和滤波器电流反馈电路300。
[0023]输入信号供应器50是用于在被输入到功率放大器I的音频信号AIN上执行振幅调节，并且由此将输入信号AIN’供应给D类放大器100的电路。根据实施例的功率放大器I可以被用作电吉他放大器，在这种情况下，电吉他的输出信号作为音频信号AIN被供应给输入信号供应器50。下面将描述输入信号供应器50的细节。
[0024]D类放大器100包括运算放大器(或者比较仪)110、输出级120、滤波器130和反馈电阻器140。
[0025]运算放大器110是用作向其输入D类放大器100的输入信号的输入部的电路。输入信号AIN’被从输入信号供应器50输入至运算放大器100的同相输入端子。
[0026]输出级120包括作为开关装置的晶体管121和晶体管122，晶体管121被提供在正电源+B和输出级120的输出端子123之间，以及晶体管122被提供在负电源-B和输出级120的输出端子123之间。例如，晶体管121和122为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。在输出级120中，根据运算放大器110的输出信号，正电源+B通过接通晶体管121和断开晶体管122被连接至输出端子123，或者负电源-B通过断开晶体管121和接通晶体管122被连接至输出端子123。因此，输出级120的输出信号具有矩形波形。
[0027]滤波器130是消除来自输出级120的输出信号处于高于音频段的频率范围内的高频分量，并且将剩余的音频段频率分量供应给扬声器SP的低通滤波器。滤波器130包括电感器131和电容器132。电感器131被提供在输出级120的输出端子123和扬声器SP的一个端子(节点133)之间。电容器132的一端被连接到在电感器131和扬声器SP之间的节点133，以及另一端经由滤波器电流反馈电路300的电流检测电阻器310接地。也就是说，电容器132并联地连接至其为负载的扬声器SP。
[0028]反馈电阻器140被提供在节点133和运算放大器110的反相输入端子之间，节点133处于电感器131和扬声器SP之间。反馈电阻器140是将扬声器SP的输出电压反馈给运算放大器110(其为D类放大器100的输入部)，并且由此引起D类放大器100自振荡的自振荡反馈回路的一部分。以指定自振荡频率振荡时，D类放大器100基于输入信号AIN’，通过脉宽调制从输出级120输出PffM脉冲序列。滤波器130用于消除来自PffM脉冲序列处于高于自振荡频率的频率范围内的高频分量，并且将结果信号供应给扬声器SP。对D类放大器100的配置的描述在此完成。
[0029]负载电流反馈电路200是用于将流经扬声器SP(其为D类放大器100的负载)的负载电流负反馈给其为D类放大器100的输入部的运算放大器100的电路。负载电流反馈电路200包括电流检测电阻器210、放大部220和耦合部230。
[0030]电流检测电阻器210被提供在扬声器SP的、与节点133相对的端子和地线之间。放大部220具有运算放大器221和电阻器222与223。运算放大器221的反相输入端子经由电阻器222接地，并且经由电阻器223连接至运算放大器221的输出端子。跨电流检测电阻器210的电压被应用于运算放大器221的同相端子。因此，放大部220以增益(Ra+Rb)/Ra放大跨电流检测电阻器210的电压并且输出结果信号，其中Ra和Rb分别是电阻器222和223的电阻。在实施例中，由于以这种方式通过放大部220将跨电流检测电阻器220的电压放大为足够高的电压，所以能够使电流检测电阻器210的电阻小。
[0031]耦合部230是被提供在放大部220的输出端子和运算放大器110的反相端子之间的电阻器231和电容器232的串联连接。耦合部230用于通过负载电流反馈电路220调节负反馈的反馈量的频率特性。
[0032]滤波器电流反馈电路300是用于将流经滤波器130的电容器132的电流负反馈给其为D类放大器100的输入部的运算放大器110的电路。滤波器电流反馈电路300包括电流检测电阻器310和耦合部320。耦合部320是被提供在运算放大器110的反相端子，与电流检测电阻器310和电容器132之间的连接点之间的电阻器321和电容器322的串联连接。耦合部320用于通过滤波器电流反馈电路300调节负反馈的反馈量的频率特性。
[0033]接下来，将描述输入信号供应器50。输入信号供应器50是用于确定其为在从虚拟电源输出流经扬声器SP(负载)的电流时发生的指定虚拟电源的输出电压的虚拟输出电压，并且根据所确定的虚拟输出电压来调节对D类放大器100的输入部的输入信号AIN’的振幅的电路。该实施例中使用的指定虚拟电源是具有指定内部阻抗特性的电源;在该实施例中，虚拟电源被假定为有意用于真空管放大器并且具有高阻抗的电源。
[0034]输入信号供应器50被提供在D类放大器100的上游的原因如下。通常，在真空管放大器中，使用具有比D类真空管的内部阻抗值更大的内部阻抗值的电源。在使用真空管放大器的声音再现中，经由真空管放大器从电源流经扬声器的负载电流根据扬声器的阻抗变化而很大程度地变化。结果，负载电流在电源内部引起了用作确定扬声器的再现声音的独特质量的一个因素的大电压降。
[0035]—种用于实现与采用真空管放大器所获得的同样质量水平的声音再现的方法将是使用自身具有如用于真空管放大器的高内部阻抗的电源，作为D类放大器100的输出级120的电源。
[0036]然而，为了实现以高速瞬时响应于快速变化的音频信号的放大操作，使用具有低内部阻抗的电源是必要的。具有高内部阻抗的、如用于真空管放大器的电源不能实现提供这种超高瞬时响应的功率放大。
[0037]考虑到上述情况，在该实施例中，如用于普通D类放大器的具有小内部阻抗值的电源+B和-B被用作D类放大器100的输出级120的电源，并且内部信号供应器50被提供在D类放大器100的上游，以补偿对电源+B和-B的使用。
[0038]输入信号供应器50确定其为在从虚拟电源输出流经扬声器SP的负载电流时发生的虚拟电源(在该实施例中为用于真空管放大器的电源)的输出电压的虚拟输出电压，并且根据所确定的输出电压调节输入信号AIN’的振幅。例如，假定晶体管121已经被接通，并且负载电流I已经经由晶体管121从电源+B流经扬声器SP。并且同样假定当负载电流I已经被从虚拟电源输出时，虚拟电源的虚拟输出电压已经由于跨虚拟电源的内部阻抗的电压降而从+B变为+αΒ(0〈α〈1))
[0039]基于这些假定，输入信号供应器50通过将音频信号AIN乘以α，并且将作为结果的振幅调节信号AIN’=CiAIN供应给D类放大器100来调节被输入到功率放大器I的音频信号AIN的振幅。以这种方式调节输入信号的振幅使得可以实现与采用真空管放大器所获得的质量水平相同的质量水平的声音再现。
[0040]如图1中所示，输入信号供应器50包括A/D转换器51、DSP 52、D/A转换器53、检波电路54和A/D转换器55。检波电路54对跨电流检测电阻器210的AC电压全波整流，以及使其在时间轴上平滑，并且输出代表流经电流检测电阻器210的AC电流的振幅包络波形的模拟信号。A/D转换器51、D/A转换器53、A/D转换器55和DSP 52与公共采样钟Φ同步操作。
[0041]甚至更具体地，A/D转换器55通过根据采样钟Φ对模拟信号采样来将从检波电路54输出的模拟信号转换为数字信号，并且输出作为结果的数字信号。A/D转换器51通过根据采样钟Φ对音频信号AIN采样来将从被输入到功率放大器I的音频信号AIN转换为数字信号，并且输出作为结果的数字信号。DSP 52使用A/D转换器51和55的输出信号执行与公共采样钟Φ同步的数字处理，并且输出作为结果的数字信号。D/A转换器53保持与公共采样钟Φ同步的DSP 52的输出信号，并且将该输出信号转换为其为模拟信号的输入信号AIN’，并且将作为结果的输入信号AIN’输出至D类放大器。
[0042]下面将描述由DSP52执行的数字信号处理。DSP 52通过模拟图2中所示的虚拟电源56的等效电路的操作来计算系数α(下文所述)，以及将A/D转换器51的输出信号乘以系数α，并且输出作为结果的信号。为了促进对DSP 52执行的处理的细节的理解，在图2中不仅示出了虚拟电源56，而且也示出了输出级120。
[0043]如图2中所示，虚拟电源56包括内部DC电压源V1、内部电感器L、内部电阻器R和内部电容器C ο内部DC电压源Vi的负极接地。内部DC电压源Vi的正极经由内部电感器L和内部电阻器R的串联连接被连接至输出级120的高电势电源端子(S卩，电源+B与其连接的电源端子)。内部电容器C被连接在输出级120的高电势电源端子和地线之间。在用于真空管放大器的电源中，内部电感器L的电感约为几十亨利，内部电阻器R的电阻约为几十欧姆，以及内部电容器C的电容约为几十微法拉。这些值取决于真空管放大器的类型。
[0044]采用具有上述配置的虚拟电源56，由下列方程(I)给出其虚拟输出电压:
[0045]Vo = V1-1Z.....(I)
[0046]其中Z是内部电感L、内部电阻R和内部电容C的合成阻抗，以及I代表由Α/D转换器55的输出信号指不的负载电流。
[0047]在方程(I)中，阻抗Z和负载电流I取决于频率f。因此，虚拟电源56的虚拟输出电压Vo也取决于频率f，并且因此写成Vo(f)。
[0048]DSP 52基于在过去的指定时段中接收的负载电流I的采样序列确定负载电流I的频率特性I(f)，并且基于所确定的负载电流I的频率特性I(f)和根据上述方程(I)的阻抗Z的频率特性Z(f)来计算虚拟电源56的虚拟输出电压Vo的频率特性Vo (f)。然后，DSP 52通过将虚拟电源56的虚拟输出电压Vo的频率特性Vo (f)除以输出级120的电源电压+B来计算系数a(f)=Vo(f)/B0
[0049]之后，DSP52使用系数a(f)在Α/D转换器51的输出信号上执行信号处理。图3是示出使用系数a(f)的信号处理的细节的方框图。如图3中所示，由N个BPFs 501_k(k= I至N)、N个乘法器502_k(k= I至N)和N个移相器503_k(k= I至N)，以及加法器504执行使用系数a(f)的信号处理。
[0050]在该实施例中，至于其为对频率f连续的函数的系数a(f)，对从可听频率范围中选择的并且用于信号处理的N个代表性频率fk(k=l至N)计算系数a(fk)(k=l至N)。图3中所示的BPFs 501_k(k=l至N)的通带的中心频率分别被设为fk(k=l至N) oBPFs 501_k(k= I至N)从A/D转换器51的输出信号中选择处于它们分别的通带内的信号，并且输出所选信号。[0051 ] 乘法器502_k(k=l至N)和移相器503_k(k=l至N)组成用于将BPFs 501_k(k=l至N)的输出信号分别乘以系数a(fk)(k=l至N)的装置。甚至更具体地，系数a(fk)是复数，并且由下列方程(2)给出:
[0052]a(fk) =a(fk).exp( j0(fk)).....(2)
[0053]乘法器502_k(k=l至N)将BPFs 501_k(k=l至N)的输出信号分别乘以系数a(fk)(k=l至N)的绝对值a(fk)，并且输出乘法结果。移相器503_k(k=l至N)将相应于幅角0(fk)(k=l至N)的相移分别赋予乘法器502_k(k=l至N)的输出信号，并且输出作为结果的信号。加法器504将移相器503_k(k=l至N)的输出信号加和在一起，并且输出结果信号。加法器504的输出信号被D/Α转换器53进行D/Α转换，并且作为结果的模拟信号作为输入信号AIN’被输入至D类放大器100。对根据实施例的功率放大器I的配置的描述在此完成。
[0054]接下来，将做出根据实施例的功率放大器I如何操作的说明。在D类放大器100中，在输出级120的输出信号经过滤波器130和反馈电阻器140时，该输出信号被赋予相位旋转，并且因而被反馈给运算放大器110(输入部)。结果，D类放大器100自振荡。D类放大器100被设计成其自振荡频率足够高于输入信号AIN’的频率范围。
[0055]鉴于输出级120的输出信号为矩形波，因为矩形波在滤波器130(电容器132)中经过一阶积分，所以节点133处的信号波形为三角形。运算放大器110将输入信号AIN’与经由反馈电阻器140从节点133处反馈的三角波进行比较。结果，根据输入音频信号通过脉宽调制生成的PWM脉冲序列被从运算放大器110输出，并且然后经由输出级120被输入给滤波器130。通过滤波器130从PffM脉冲序列中消除了高频分量，并且将作为结果的信号供应给扬声器SP ο
[0056]更具体地，当输入信号AIN’的电压等于OV时，输出级120输出具有50%占空比的Pmi脉冲序列，并且扬声器SP接收电压0V。随着输入信号AIN’的电压在正方向中从OV变化，从输出级120输出的PWM脉冲序列的占空比从50%变为100% (在最大情况下)，并且被应用于扬声器SP的电压从OV变为+B(在最大情况下)。另一方面，随着输入信号AIN’的电压在负方向中从OV变化，从输出级120输出的Pmi脉冲序列的占空比从50 %变为O % (在最小情况下)，并且被应用于扬声器SP的电压从OV变为-B(在最小情况下)。以这种方式，在波形中接近输入信号AIN’的信号被应用于扬声器SP。
[0057]在D类放大器100以上述方式执行放大操作时，负载电流反馈电路200将流经扬声器SP的负载电流I负反馈给其为D类放大器100的输入部的运算放大器110，并且滤波器电流反馈电路300将流经滤波器130的电流负反馈给相同的运算放大器110。作为这些负反馈控制的结果，无关于扬声器SP的驱动频率，流经扬声器SP的负载电流保持恒定。
[0058]此外，在D类放大器100执行放大操作时，输入信号供应器50根据流经扬声器SP的负载电流I调节将被供应给D类放大器100的输入信号AIN’的振幅。甚至更具体地，输入信号供应器50的DSP 52确定其为在从虚拟电源输出负载电流I时发生的虚拟电源(在该实施例中是用于真空管放大器的电源)的输出电压的虚拟输出电压Vo。并且DSP 52供应已经使用由虚拟输出电压Vo确定的系数α来调节其振幅的输入信号ΑΙΝ’=αΑΙΝ。
[0059]通过调节输入信号AIN’的振幅，用于接通D类放大器100的输出级120的开关装置的脉冲的脉冲宽度被调节，并且从D类放大器100输出至扬声器SP的负载电流I由此被调节。作为这些调节的结果，产生与在由真空管放大器驱动扬声器SP的情况中的水平相同的水平的声音再现。
[0060]接下来，将描述实施例的优点。图4示出全音域扬声器的阻抗的示例频率特性。大体上，全音域扬声器具有约80至10Hz的共振频率f0，并且它们的阻抗在共振频率f0处高。共振频率fO周围的频率范围是确定电吉他的声音质量的重要范围，因为该频率范围相应于将由电吉他的第五和第六弦产生的声音的音域。
[0061]具有输出电压的负反馈的功率放大器(例如，一般的D类放大器)，即在扬声器上执行恒定电压驱动的功率放大器，在不受扬声器的阻抗的频率特性的影响的情况下，使用相应于输入音频信号的电压驱动扬声器。因此，如图5A中所示，即使在其中扬声器的阻抗高的共振频率f0周围的频率范围内，也以恒定电压驱动扬声器。结果，扬声器的振动振幅，以及因此从扬声器发出的声音的振幅保持恒定。
[0062]另一方面，大体上，作为输出放大装置的真空管放大器使用输出阻抗高的五级真空管。使用五级真空管的真空管放大器以相应于被供应给真空管的栅极的输入信号、与扬声器的阻抗变化无关的恒定电流驱动扬声器。因此，如图5B中所示，在其中扬声器的阻抗高的共振频率f0周围的频率范围内，真空管放大器以其驱动扬声器的电压增大。扬声器的振动振幅以及因此从扬声器发出的声音的振幅增大。
[0063]结果，使得电吉他的第五和第六弦生成的声音是独特、有力的声音，并且演奏者坚定地理解这种特征。例如，当扬声器被其最大输出功率为100W的真空管放大器驱动时，扬声器在共振频率f0周围的频率范围内被赋予接近90V的峰值电压，并且因此能够发出有力、大音量的声音。
[0064]为了在例如扬声器被一般的D类放大器驱动的情况下，在共振频率??周围的频率范围内将足够大的负载电流供应给扬声器，D类放大器需要具有高输出级的电源电压，并且因而能够提供大输出功率。然而，在扬声器被这种高功率D类放大器驱动的情况下，即使在其中扬声器的阻抗低的频率范围内，也执行恒定电压驱动，并且过量电流可以流经扬声器，可能导致扬声器受损。
[0065]相反，在该实施例中，在D类扬声器100执行放大操作时，负载电流反馈电路200将流经扬声器SP的负载电流负反馈给其为D类放大器100的输入部的运算放大器110，并且滤波器电流反馈电路300将流经滤波器130的电流负反馈给相同的运算放大器110。如果扬声器SP的驱动频率变化，使得增大了扬声器SP的阻抗，并且由此减小了流经扬声器SP的负载电流，则经由负载电流反馈电路200被供应给D类放大器100的输入部的反馈信号减小，从而增大了D类放大器100的输出信号。结果，从D类放大器100供应给扬声器SP的有效电压增大，从而增大了流经扬声器SP的负载电流。
[0066]另一方面，如果扬声器SP的驱动频率变化，使得减小了扬声器SP的阻抗，并且由此增大了流经扬声器SP的负载电流，则经由负载电流反馈电路200被供应给D类放大器100的输入部的反馈信号增大，从而减小了 D类放大器100的输出信号。结果，从D类放大器100供应给扬声器SP的有效电压减小，从而减小了流经扬声器SP的负载电流。作为这种负反馈控制的结果，无关于扬声器SP的驱动频率，流经扬声器SP的负载电流保持恒定。
[0067]如上所述，在该实施例中，通过将流经扬声器SP的负载电流负反馈给D类放大器100的输入部，能够有效地增大或者减小D类放大器100的输出阻抗，并且能够恒定保持源自D类放大器100并且流经扬声器SP的负载电流。这使得可以通过允许在其中扬声器SP的阻抗增大的共振频率f0附近的80至10Hz频率范围内流经扬声器SP的足够大的负载电流来实现发出大音量的声音。
[0068]此外，在该实施例中，由于执行无关于扬声器SP的驱动频率而保持流经扬声器SP的负载电流恒定的控制，所以在除了共振频率f0周围的80至10Hz的频率范围之外的频率范围内防止了过量电流流经扬声器SP，并且由此能够防止扬声器受损。以这种方式，根据实施例的使用半导体装置的功率放大器I能够实现传统仅能够通过真空管放大器来实现的高质量、大音量的声音再现。
[0069]该实施例也提供了能够防止D类放大器100的自振荡频率减少的优点，这将在下文详细描述。在诸如D类放大器100的自振荡放大器中，通过调节开环增益特性和相位特性来将自振荡频率设置为高于音频段(低于20kHz)的频率(例如，200至500kHz)是必要的。
[0070]然而，在该实施例中，主反馈路径是负载电流反馈电路200的路径，并且电压反馈的贡献的百分比小。因此，其为电压反馈点的滤波器130的输出节点133处的阻抗降低，从而使得其为确定自振荡频率的因素之一的开环增益特性退化。如果不采取适当措施，则自振荡频率变为低于预期频率(例如，200至500kHz)的频率(例如，30至50kHz)。考虑到这种情况，在该实施例中，除了负载电流反馈电路200之外，还提供了滤波器电流反馈电路300。[0071 ]在滤波器130中，由从输出级120输出的P丽脉冲的高频分量(高于LC共振频率)生成流经被并联连接至扬声器SP(负载)的电容器132的电流。通过反馈流经滤波器130的电容器132的电流，能够防止高频开环增益特性退化，由此能够使得D类放大器100的自振荡频率等于未配有负载电流反馈电路200的传统自振荡放大器的频率。
[0072]此外，与真空管放大器不同，根据实施例的采用半导体装置的功率放大器I的尺寸和重量能够被减少，并且便于处理。另外，与真空管放大器不同，根据实施例的采用其中输出级120中的损耗低的D类放大器100的功率放大器I能够以高频率驱动扬声器SP。
[0073]再进一步，在该实施例中，由于提供了输入信号供应器50，所以能够通过模拟包括电源的真空管放大器的操作由D类放大器再现真空管放大器的声音再现。下面将描述这种优点。
[0074]图6示出通过从根据实施例的功率放大器I移除输入信号供应器50而获得的功率放大器的输出电流特性11、真空管放大器的输出电流特性12和根据实施例的功率放大器I的输出电流特性13。在图6中，水平轴代表时间t，以及垂直轴代表从功率放大器供应的负载电流。图6示出在输入信号AIN的振幅从时间t = 0处的OV逐步升高时，从分别的功率放大器供应给扬声器(负载)的负载电流Il、12、13随时间的变化。
[0075]如图6中所示，在无输入信号供应器50的功率放大器中，在输入信号AIN的振幅在时间t = 0处逐步升高之后，相应于输入信号AIN的振幅的恒定负载电流Il继续被供应给负载。
[0076]另一方面，被用作吉他放大器的真空管放大器进行接近恒定电流操作的操作。其为真空管放大器的负载的扬声器的阻抗在扬声器的共振频率f0周围高。因此，可能发生真空管放大器的输出信号被限幅于应用于真空管放大器的电源电压电平的事件。图7示出这种真空管放大器的示例操作。
[0077]当对真空管放大器的输入信号AIN的振幅在时间t= 0处升高至太大的值，使得其输出信号被限幅时，被应用于真空管放大器的电源电压+B和-B以及其输出信号Vsp如图7中所示地变化。也就是说，在时间t = 0之后，被应用于真空管放大器的电源电压+B和-B逐渐降低，并且真空管放大器的输出信号Vsp的限幅电平也逐渐降低。
[0078]结果，在真空管放大器中，如图6中所示，在输入信号AIN的振幅在时间t= 0处升高至太大的值，使得其输出信号被限幅时，流经负载的负载电流12随着时间的消逝而缓慢减小。如果真空管放大器在扬声器的共振频率f0周围的频率范围内产生如图7中所示的输出信号Vsp，则能够实现具有超高声压感觉的声音再现。真空管放大器的这类特性对于吉他演奏者特别重要。
[0079]上述现象由于用于真空管放大器的电源而发生。如图2中所示，用于真空管放大器的电源包括电容器C。当输入信号AIN的振幅逐步升高时，存储在电容器C中的电荷经由真空管放大器被供应给负载。因此，在输入信号AIN的振幅升高至太大的值使得其输出信号被限幅的瞬间，大电流被从真空管放大器供应至负载。然而，随着之后电容器C被放电，由于电源的内部阻抗高，所以用于真空管放大器的电源的输出电压以及因此从真空管放大器供应给负载的负载电流逐渐减小。以这种方式，真空管放大器能够提供相对于连续最大功率的大瞬时最大功率，并且因而使得能够瞬时发出大音量声音。
[0080]在根据实施例的功率放大器I中，输入信号供应器50模拟图2中所示的虚拟电源56的操作，并且根据虚拟电源56输出负载电流1(f)时发生的虚拟输出电压Vo(f)来调节输入信号AIN’的振幅。因此，与真空管放大器的情况相同，流经负载的负载电流13在输入信号AIN的振幅逐步升高后随着时间消逝而缓慢减小。
[0081]另一方面，在该实施例中，与一般D类放大器中相同，具有低内部阻抗的电源+B和-B被连接至D类放大器100的输出级120，并且输出级120输出其H电平和L电平分别为+B和-B的矩形脉冲。并且输入信号供应器50通过调节将被赋予D类放大器100的输入信号AIN’的振幅，实现了与真空管放大器的输出电流特性类似的输出电流特性。因而，该实施例能够实现与采用真空管放大器所实现的水平相同的水平的声音再现。
[0082]〈其它实施例〉
[0083]上文已经描述了本公开的一个实施例。本公开的其它可能实施例如下:
[0084](I)可以以这种方式配置功率放大器1:涉及图2中所示的虚拟电源56的配置的信息，诸如L、R和C值被存储在存储器中，并且DSP52从存储器读取该信息，并且基于负载电流I(0而计算系数<1(0。
[0085](2)功率放大器I可以是这样的:忽略系数a(f)的幅角0(fk)，并且省略移相器503_k(k=l至N) ο
[0086](3)在上述实施例中，基于涉及虚拟电源56的配置的信息计算在虚拟电源56输出负载电流Hf)时发生的虚拟输出电压Vo(f)。作为代替，功率放大器I可以是这样的:指示显示虚拟电源56的输出电流I (f)和输出电压Vo (f)之间的关系的输出电流对输出电压特性的表等等被存储在存储器中，并且DSP 52基于负载电流1(f)和存储在存储器内的信息计算虚拟输出电压Vo(f)。在这种情况下，为了减少表的数据量和DSP 52的计算量，可以仅使用输出电流I (f)和输出电压Vo (f)的绝对值，即忽略它们的幅角，来定义输出电流对输出电压特性。
[0087](4)虽然在上述实施例中，在对D类放大器100的输入信号AIN’的振幅调节中仅涉及流经扬声器SP的负载电流，但是在输入信号AIN’的振幅调节中，除了负载电流之外，也可以涉及被应用于扬声器SP的输出电压。
[0088](5)在将被模拟的电源是将连接至具有输出变压器的真空管放大器的电源的情况下，输入信号供应器50的DSP 52可以执行以下信号放大处理。首先，令用于真空管放大器的电源电路的内部电感、内部电阻和内部电容由L、Rs和C表示，并且令真空管放大器的输出变压器的初级侧的匝数和次级侧的匝数由nl和π2表示。流经输出变压器的初级绕组的电流变为等于(n2/nl)I，其中I为被从输出变压器的次级绕组供应给扬声器SP的电流。电流(η2/nl) I被从电源输出至真空管放大器。
[0089]假定虚拟电源具有内部电感Ld = LX (n2/nl)2、内部电阻Rsd = RsX (n2/nl)2和内部电容Cd = CX (nl/n2)2 ASP 52根据在虚拟电源输出流经扬声器SP的电流时发生的虚拟电源的虚拟输出电压，执行用于调节对D类放大器100的输入信号AIN’的振幅的信号放大处理。根据该实施例的功率放大器I使得可以再现如具有输出变压器的真空管放大器所执行的声音再现。
[0090](6)虽然在上述实施例中，基于流经扬声器SP的负载电流调节对D类放大器100的输入信号AIN’的振幅，但是可以基于被应用于扬声器SP的输出电压执行输入信号AIN’的振幅调节。
[0091]图8是示出在其中基于被应用于扬声器SP的输出电压执行输入信号AIN’的振幅调节的功率放大器Ia的配置的电路图。以这种方式配置功率放大器la:将电阻器521和522添加至根据上述实施例的功率放大器I，并且由输入信号供应器50a代替功率放大器I的输入信号供应器50。在输入信号供应器50a中，由DSP 52a代替输入信号供应器50的DSP 52。
[0092]如图8中所示，被应用于扬声器SP的输出电压也被应用于具有电阻器521和522的分压电路。具有电阻器521和522的分压电路的输出电压被检波电路54检测，并且被Α/D转换器55转换为被供应给DSP 52a的数字信号。DSP 52a基于被供应给扬声器SP的由Α/D转换器55的输出信号指示的输出电压，以及被提前存储的扬声器SP的阻抗特性，计算流经扬声器SP的负载电流I。被赋予DSP 52的扬声器SP的阻抗特性可以是通过在激活功率放大器Ia时在扬声器SP上的测量所获得的阻抗特性，或者通过从工厂出货时的测量所获得的阻抗特性。
[0093]与上述实施例中使用的DSP52相似，DSP 52a计算在虚拟电源输出负载电流I时发生的虚拟电源56的虚拟输出电压Vo，使用由虚拟输出电压Vo确定的系数α调节Α/D转换器51的输出信号的振幅，并且将振幅调节的输入信号AIN’=CtAIN供应给D类放大器100。该实施例提供了与上述实施例的优点相同的优点。
[0094]下面将把根据本公开实施例的上述功率放大器以及输入信号调节方法的特征总结为各项目[1]_[12]。
[0095][ I ]本公开提供一种功率放大器，包括:
[0096]D类放大器，所述D类放大器包括输入部和开关装置，其中所述开关装置根据被输入到所述输入部的输入信号而切换，以便通过所述开关装置将电流从电源供应至负载；以及
[0097]输入信号供应器，所述输入信号供应器被配置成将所述输入信号供应给所述D类放大器的所述输入部，计算在从具有指定内部阻抗特性的虚拟电源输出流经所述负载的电流时将要从虚拟电源输出的虚拟输出电压，并且根据所述虚拟输出电压调节所述输入信号的振幅。
[0098][2]在根据项目[I]所述的功率放大器中，所述输入信号供应器包括信号处理电路，所述信号处理电路基于虚拟电源的内部阻抗特性执行信号放大处理以调节所述输入信号的振幅，所述虚拟电源是用于真空管放大器的电源的模拟。
[0099][3]在根据项目[2]所述的功率放大器中，所述信号处理电路基于所述虚拟电源执行信号放大处理，所述虚拟电源是用于所述真空管放大器电源电路的模拟，所述虚拟电源具有内部电感Ld = LX (n2/nl)2、内部电阻Rsd = Rs X (n2/nl)2和内部电容Cd = CX (nl/n2)2，其中是L、Rs和C分别是用于所述真空管放大器的所述电源电路的内部电感、内部电阻和内部电容，以及nl和π2是所述真空管放大器的输出变压器的初级侧和次级侧的匝数。
[0100][4]在根据项目[I]至[3]任一项所述的功率放大器中，所述输入信号供应器基于指示所述虚拟电源的等效电路的配置的信息，从流经所述负载的所述电流计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压。
[0101]同样地，例如，所述输入信号供应器基于由所述虚拟电源的所计算的虚拟输出电压确定的系数调节所述输入信号的所述振幅。
[0102][5]在根据项目[I]至[3]任一项所述的功率放大器中，所述输入信号供应器根据所述虚拟电源的输出电流对输出电压特性，基于流经所述负载的所述电流计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压。
[0103][6]在根据项目[I]至[5]任一项所述的功率放大器中，进一步包括:
[0104]负载电流反馈电路，所述负载电流反馈电路被配置成将流经所述负载的所述电流负反馈给所述D类放大器的所述输入部。
[0105][7]本公开提供了一种用于调节被输入给D类放大器的输入部的输入信号的输入信号调节方法，所述D类放大器包括所述输入部和开关装置，其中所述开关装置根据所述输入信号而切换，以便通过所述开关装置将电流从电源供应至负载，所述输入信号调节方法包括:
[0106]计算在从具有指定内部阻抗特性的虚拟电源输出流经所述负载的电流时将要从虚拟电源输出的虚拟输出电压；以及
[0107]根据所述虚拟输出电压调节所述输入信号的振幅。
[0108][8]在根据项目[7]所述的输入信号调节方法中，在所述计算所述虚拟输出电压中，基于虚拟电源的内部阻抗特性计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压，所述虚拟电源是用于真空管放大器的电源的模拟。
[0109][9]在根据项目[8]所述的输入信号调节方法中，在所述计算所述虚拟输出电压中，基于包括内部电感Ld = L X (112/111)2、内部电阻1^(1 = 1^ X (112/111)2和内部电容01 = 0\(nl/n2)2的所述虚拟电源计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压，其中是L、Rs和C分别是用于真空管放大器的电源电路的内部电感、内部电阻和内部电容，以及nl和π2是所述真空管放大器的输出电压器的初级侧和次级侧的匝数。
[0110][10]在根据项目[7]至[9]任一项所述的输入信号调节方法中，在所述计算所述虚拟输出电压中，基于指示所述虚拟电源的等效电路的配置的信息，从流经所述负载的所述电流计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压。
[0111][11]在根据项目[7]至[9]任一项所述的输入信号调节方法中，在所述计算所述虚拟输出电压中，根据所述虚拟电源的输出电流对输出电压特性，基于流经所述负载的所述电流计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压。
[0112][12]在根据项目[7]至[11]任一项所述的输入信号调节方法中，进一步包括:
[0113]将流经所述负载的所述电流负反馈给所述D类放大器的所述输入部。
【主权项】
1.一种功率放大器，包括: D类放大器，所述D类放大器包括输入部和开关装置，其中所述开关装置根据被输入到所述输入部的输入信号而切换，以便通过所述开关装置将电流从电源供应至负载;以及 输入信号供应器，所述输入信号供应器被配置成将所述输入信号供应给所述D类放大器的所述输入部，计算在从具有指定内部阻抗特性的虚拟电源输出流经所述负载的电流时将要从虚拟电源输出的虚拟输出电压，并且根据所述虚拟输出电压调节所述输入信号的振巾畐O2.根据权利要求1所述的功率放大器，其中所述输入信号供应器包括信号处理电路，所述信号处理电路基于虚拟电源的内部阻抗特性执行信号放大处理以调节所述输入信号的振幅，所述虚拟电源是用于真空管放大器的电源的模拟。3.根据权利要求2所述的功率放大器，其中所述信号处理电路基于所述虚拟电源执行信号放大处理，所述虚拟电源是用于所述真空管放大器的电源电路的模拟，所述虚拟电源具有内部电感Ld = LX (n2/nl)2、内部电阻Rsd = Rs X (n2/nl)2和内部电容Cd = CX (nl/n2)2，其中是L、Rs和C分别是用于所述真空管放大器的所述电源电路的内部电感、内部电阻和内部电容，以及nl和π2是所述真空管放大器的输出变压器的初级侧和次级侧的匝数。4.根据权利要求1至3任一项所述的功率放大器，其中所述输入信号供应器基于指示所述虚拟电源的等效电路的配置的信息，从流经所述负载的所述电流计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压。5.根据权利要求1至3任一项所述的功率放大器，其中所述输入信号供应器根据所述虚拟电源的输出电流对输出电压特性，基于流经所述负载的所述电流计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压。6.根据权利要求1至5任一项所述的功率放大器，进一步包括: 负载电流反馈电路，所述负载电流反馈电路被配置成将流经所述负载的所述电流负反馈给所述D类放大器的所述输入部。7.—种输入信号调节方法，用于调节被输入给D类放大器的输入部的输入信号，所述D类放大器包括输入部和开关装置，其中所述开关装置根据所述输入信号而切换，以便通过所述开关装置将电流从电源供应至负载，所述输入信号调节方法包括: 计算在从具有指定内部阻抗特性的虚拟电源输出流经所述负载的电流时将要从虚拟电源输出的虚拟输出电压；以及 根据所述虚拟输出电压调节所述输入信号的振幅。8.根据权利要求7所述的输入信号调节方法，其中在所述计算所述虚拟输出电压中，基于虚拟电源的内部阻抗特性计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压，所述虚拟电源是用于真空管放大器的电源的模拟。9.根据权利要求8所述的输入信号调节方法，其中在所述计算所述虚拟输出电压中，基于包括内部电感Ld = LX (112/111)2、内部电阻1^(1 = 1^\ (112/111)2和内部电容0(1 = 0\ (nl/π2)2的所述虚拟电源计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压，其中是L、Rs和C分别是用于真空管放大器的电源电路的内部电感、内部电阻和内部电容，以及nl和π2是所述真空管放大器的输出变压器的初级侧和次级侧的匝数。10.根据权利要求7至9任一项所述的输入信号调节方法，其中在所述计算所述虚拟输出电压中，基于指示所述虚拟电源的等效电路的配置的信息，从流经所述负载的所述电流计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压。11.根据权利要求7至9任一项所述的输入信号调节方法，其中在所述计算所述虚拟输出电压中，根据所述虚拟电源的输出电流对输出电压特性，基于流经所述负载的所述电流计算所述虚拟电源的所述虚拟输出电压。12.根据权利要求7至11任一项所述的输入信号调节方法，进一步包括: 将流经所述负载的所述电流负反馈给所述D类放大器的所述输入部。
【文档编号】H03G3/30GK105978510SQ201610140446
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】大谷洋平, 野吕正夫
【申请人】雅马哈株式会社