[发明专利]用于可变电源电压的开关放大器

说明书

技术领域

本发明涉及音频技术领域。具体地，本发明涉及适合于高能效操作的开关放大器以及用于高能效地放大音频信号的方法。

背景技术

在音频技术领域中采用电功率放大器以放大音频信号。放大的音频信号通过扬声器转换成声音信号，而声音信号随后可以被用户感知。这种电功率放大器通常用于已知的消费类电子装置(诸如CD播放器和电视机)中。

广泛使用的放大器的类型是所谓的D类放大器，其包括调制器和开关输出级。这种D类放大器的特征在于，开关输出级包括开关，该开关仅呈现两种不相关的切换状态并且(如与其他放大器中的情况那样)不会被连续地驱动。因此，这些开关放大器具有相对较高的效率。由于它们的高效率，开关放大器尤其使用在通常需要较高性能的专业领域中。一个示例为例如用于在机场或购物中心以供扬声器公告的电声系统。

开关输出级的开关的控制经由开关信号来实现，其中，开关信号是通过调制器响应于被放大的音频信号提供的。用于这种D类放大器的调制处理通常是Σ-Δ调制，其中开关信号生成自模拟输入信号或数字输入信号，并且开关信号可以是例如二元信号或三元信号。

在专利说明书US 2008/0042746 A1中描述了这种D类放大器的示例。该放大器包括Σ-Δ调制器、开关输出级和负反馈连接部，该负反馈连接部允许抑制信号通路中的噪声。开关输出级的输出信号基于开关输出级中的切换操作来生成。开关输出级中产生的切换损失与施加在开关输出级处的电源电压的平方成正比。所施加的电压的水平越高，切换损失相对越高。这对于放大器的能效而言具有负面效果，尤其是在弱输入信号的情况下。

在专利说明书US2006/0091945 A1中描述了D类放大器的另一示例。该D类放大器根据误差校正原理操作。在开关输出级中基于电源电压中的误差所产生的误差通过由数字电源电压值分割负反馈连接部之外的信号通路中的信号来最小化。

发明内容

本发明的目的在于，提供能够以比通常现有技术更高能效的方式工作的放大器。此外，将提供允许音频信号的高能效放大的方法。

通过根据权利要求1的放大器和根据权利要求21的方法实现了上述目的。在从属权利要求中记载了有利的进一步发展。

根据本发明的放大器用于将输入信号放大到输出信号，并且包括信号通路和负反馈连接部。该信号通路包括：

-适合于接收输入信号并且适合于响应于接收到的输入信号生成开关信号的调制装置；以及

-与电源电压连接的开关输出级，其中，开关输出级包括根据由调制装置生成的开关信号进行切换的切换装置，其中，开关输出级生成输出信号，输出信号的振幅取决于电源电压。

负反馈连接部适合于反馈开关输出级的输出信号，以与输入信号结合。信号通路和负反馈连接部形成具有环路增益的环路。

最终，放大器包括补偿装置，该补偿装置接收开关输出级的电源电压或者源自电源电压的信号，并且适合于至少部分地补偿因电源电压中的变化而产生的环路增益的改变。

包括开关输出级、调制装置和负反馈连接部的已知的放大器以恒定或基本恒定的电源电压操作。即使是对于输入信号的小振幅，也会将总电源电压施加到开关输出级，开关输出级的切换装置继续以一定的切换频率进行切换。输出信号的平均振幅通过输出信号中的脉冲的序列和符号来确定。输出信号中的脉冲的振幅基本上是恒定的并且与电源电压相关，但独立于输入信号的振幅。对于已知的放大器，因切换装置的切换而产生、并且以电源电压的平方增加的切换损失基本上独立于输入信号的振幅。因此，即使是在闲置或者在待机模式时，即，不存在输入信号 或者存在有振幅几乎为零的输入信号时，也会发生切换损失，而该切换损失与在具有最大振幅的输入信号的情况下发生的那些切换损失相当。因此，对于输入信号的小振幅，这些放大器的效率损失也是相对高的。

对于包括负反馈连接部并且由此包括具有环路增益的环路的、已知的开关放大器，当电源电压发生变化时，总增益可以在某些情况下因负反馈连接部而保持基本恒定。虽然无可否认的是，电源电压中的变化也导致了根据放大器的操作状态的、环路增益中的变化，而这可能导致不稳定的后果。因此，已知的开关放大器仅可以在基本恒定的电源电压下稳定操作。

与此相反，根据本发明的放大器适合于通过可变电源电压进行操作，并且特别适合于比通常现有技术更高能效的操作。根据本发明的放大器通过补偿装置的辅助解决上面的问题，其中，补偿装置接收开关输出级的电源电压或者源自其的信号，并且适合于至少部分地补偿因电源电压中的变化而产生的环路增益中的变化。