專利名稱：采用增強的級聯(lián)控制方法的脈沖調(diào)制功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于音頻范圍的功率放大器，包括一個脈沖調(diào)制器，一個用于放大該已調(diào)制信號的功率放大級，該功率放大級的輸出在一個解調(diào)濾波器中進(jìn)行低通濾波，以便獲得一組模擬輸出并饋送到用戶那里。
幾乎所有市售的用于上述頻率范圍的各種功率放大器都屬于線性模擬類型，即甲類。甲乙類，和乙類。由于這些放大器的輸出晶體三極管工作在線性區(qū)域內(nèi)，它們的效率很低并且消耗相當(dāng)可觀的熱量?；镜拿}沖調(diào)制(“數(shù)字的”)開關(guān)式丁類功率放大器方法在理論上能提供更高的效率，從而減小放大器的體積和產(chǎn)熱量。先不說這種效率上的好處，在本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)尚未能提供具有可接受的音頻質(zhì)量的諸解決方案，使之成為通用的和針對模擬放大器的直接替代物。相應(yīng)地，數(shù)字式功率放大器的應(yīng)用曾經(jīng)局限于對輸出質(zhì)量要求不高的應(yīng)用場合。其原因?qū)⒃谙挛闹?，在討論現(xiàn)有技術(shù)的一般原理時予以陳述。
為了消除在數(shù)字的開關(guān)式功率放大器的各不同方框中產(chǎn)生的失真，對各種有效的控制系統(tǒng)存在一個基本的要求。在基本的數(shù)字式功率放大器中，該輸入信號被調(diào)制為一組脈沖調(diào)制信號。一個開關(guān)式功率級對該信號進(jìn)行放大，以及一個低通濾波器再生該已調(diào)制的但是現(xiàn)在已被放大了的信號。這種基本方法形成了一類現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計安排的基礎(chǔ)。然而這種方法有著許多不理想的特性-任何調(diào)制器的誤差都直接地被饋送到負(fù)載端。
-任何功率級的誤差都直接地被饋送到負(fù)載端。
-由于該功率級的輸出在很大程度上正比于該電源電壓，任何電源紋波都將跟該音頻信號產(chǎn)生互調(diào)，所以尚無對電源擾動的濾除措施。
-由于磁芯材料是不理想的，所以后置濾波器的各種誤差將引入進(jìn)一步的失真。
-由于該濾波器，使得總的輸出阻抗變高，特別是在高頻率下。
-由于該無源的后置濾波器，所以對負(fù)載變化的敏感性是很高的。相應(yīng)地，負(fù)載阻抗的各種變化將使該放大器的頻率響應(yīng)發(fā)生失真。
-對溫度漂移、元件允差和老化效應(yīng)的敏感性是很高的。因此，這種不受控的數(shù)字的開關(guān)式放大器不具備魯棒性和可靠性。
若希望得到非常高的保真度，則對于這些主要的問題領(lǐng)域的補償絕對地是必不可少的。現(xiàn)有技術(shù)諸方法都基于兩種不同的控制方法，其特征在于具有一個單獨的反饋環(huán)路。
一個基本原理就是反饋該放大器的輸出，然而，該低通濾波器的諸極點產(chǎn)生一個大的相移，它對環(huán)路的設(shè)計產(chǎn)生強有力的約束。因而，合理的環(huán)路帶寬需要高的開關(guān)頻率。這引起若干問題，諸如低效率，以及由于上述前兩種誤差所導(dǎo)致的不良的性能。
在現(xiàn)有技術(shù)中反饋的另一個基本原理是，在該濾波器網(wǎng)絡(luò)之前的單環(huán)路反饋，由此該后置濾波器的相位滯后得以避免。但是，該功率級輸出端的高頻成分使得該反饋源潛在地含有很多噪聲。而且，上述誤差中有很多是無法(或只能部分地)補償?shù)摹?br> 這兩種方法的基本問題是互相矛盾的需求一方面是在低載頻下得到高的增益帶寬乘積，另一方面是在所有情況下都得到良好的穩(wěn)定性特性?，F(xiàn)有技術(shù)各種設(shè)計安排的又一個問題是部分地因低效率控制而帶來的該系統(tǒng)的明顯的復(fù)雜性。
下列各出版物涉及3種現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計安排中的背景材料、方法說明以及疑難問題〔1〕Suzuki,T.脈沖寬度調(diào)制信號放大器。美國專利第4021745號(1977年)。
〔2〕Yokoyama,K.脈沖寬度調(diào)制電路。美國專利第4531096號(1986年)。
〔3〕Attwood,B.E.甚高保真度PWM(D類)音頻放大器的優(yōu)化中的重要設(shè)計參數(shù)，《音頻工程學(xué)會志》，1983年11月，第842-853頁。
〔4〕Taylor,W.E.數(shù)字音頻放大器。美國專利第4724396號(1988年)。
〔5〕Hancook,J.一種使用縮短了的少數(shù)載流子壽命的MosFET的D類放大器，音頻工程學(xué)會第89屆會議，加利福尼亞州洛杉磯市，1991年9月21-25日。
〔6〕Solomon,E.E.數(shù)字功率放大器。美國專利第5126684號(1992年)。
〔7〕McCorkle,D.P.:D類放大器。歐洲專利公布第557032A2號(1993年)。
〔8〕Nakajima,Y.脈沖寬度調(diào)制放大器。歐洲專利公布第503571A1號(1993年)。
〔9〕Leigh,S.P.等在一個完全地數(shù)字化的PWM D類功率放大器中的失真分析和降低，《國際建模與仿真雜志》，第14卷，第2期，1994年。
根據(jù)存在于現(xiàn)有技術(shù)方案中的上述諸問題，本發(fā)明的主要目標(biāo)就是提供一種脈沖調(diào)制放大器，它能提供非常高的功率輸出，并且仍然提供極低的失真率(小于0.01％)和噪聲(小于100μV有效值)，一種非常高的效率(90-95％)以及低的無信號損耗。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)就是，通過避免使用先進(jìn)的但是復(fù)雜的和因而是不可靠的電路以保持低的復(fù)雜性，并且消除在生產(chǎn)中進(jìn)行調(diào)整的需求。
本發(fā)明的另一個重要目標(biāo)是消除對一部穩(wěn)壓電源的需求，這意味著只要有一個具有一個穩(wěn)壓電容器的簡單的不穩(wěn)壓的橋式整流器就足夠了。這樣一來，從電源輸入端到放大器諸輸出端都能得到最低的復(fù)雜性和最高的效率。
本發(fā)明的最終目標(biāo)是獲得對負(fù)載變化的最低的敏感性，而且提供魯棒性和可靠性。
采用本發(fā)明可以達(dá)到上述目標(biāo)。在第1種實施方式中，一個根據(jù)本發(fā)明的放大器的特點在于，從輸出到一個或多個環(huán)路的該開關(guān)式功率級的輸出端到位于調(diào)制器前面的一個或多個前置放大器級之間引入了負(fù)反饋。這就在性能與穩(wěn)定性控制方面提供了在業(yè)界中前所未有的一系列優(yōu)點。本發(fā)明的又一種實施方式的特點在于，該局部反饋具有一種增強的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，它有一條單獨的反饋路徑，其中包括一個濾波器，該濾波器的相位特性使得在解調(diào)濾波器中的一個極點得以補償。本發(fā)明的另一種實施方式的特點在于，從該解調(diào)濾波器的輸出端到一個或多個前置放大器級之間建立了進(jìn)一步的反饋，使得該脈沖調(diào)制(“數(shù)字的”)開關(guān)式功率放大器諸元件被一個增強的諸反饋環(huán)路的級聯(lián)結(jié)構(gòu)所包圍，從而提供進(jìn)一步改進(jìn)的性能和穩(wěn)定性控制。
本發(fā)明的再一種實施方式的特點在于，該脈沖調(diào)制器是一個受控的自激振蕩調(diào)制器，它包括一個用于脈沖調(diào)制的無滯后的比較器，以及一個借助于兩個極點、最好是在該第1(局部)前向路徑和反饋路徑中各有一個極點，來實現(xiàn)的高階振蕩環(huán)路。這就提供了一種極端簡單的和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而排除了對一個單獨的載頻發(fā)生器的需求。
本發(fā)明還有一種實施方式，其特點在于，該脈沖調(diào)制器是一個基于載頻的調(diào)制器。這就意味著，用于各種基于載頻的調(diào)制器的人所共知的各種設(shè)計技術(shù)都可以用于根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)之中。
在使用基于載頻的調(diào)制的條件下，本發(fā)明的又一種有利的實施方式的特點在于，在介于該放大器以及諸環(huán)路之間的該單獨的反饋路徑方框中，提供了一個陷波濾波器。由此就有可能在基于載頻的系統(tǒng)中，簡化用于排除載頻對該系統(tǒng)性能的影響的濾波過程。在本發(fā)明的再一種有利的實施方式中獲得類似的結(jié)果，其特點在于，在該反饋路徑方框中提供了用以產(chǎn)生一個高頻極點的一種結(jié)構(gòu)。
下面參考諸附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，在諸附圖中，

圖1表示現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的脈沖調(diào)制(“數(shù)字的”)開關(guān)式功率放大器的原理。
圖2表示一種現(xiàn)有技術(shù)的方法，它以基于總的放大器輸出的單環(huán)路反饋作為反饋源。
圖3表示一種現(xiàn)有技術(shù)單環(huán)路反饋，它以功率級輸出作為反饋源。
圖4表示本發(fā)明的第1種實施方式的總方框圖，借助于基于來自該開關(guān)式功率級輸出的單(環(huán)路)反饋的多變量增強的級聯(lián)控制器(MECC)使一個數(shù)字的開關(guān)式放大器得到改進(jìn)。
圖5表示本發(fā)明的第2種實施方式的總方框圖。
圖6a和6b用實例說明本發(fā)明的第1種和第2種實施方式的總的遞歸環(huán)路的綜合方法。
圖7表示單(環(huán)路)反饋MECC的一種優(yōu)選實施方式的細(xì)節(jié)。
圖8表示本發(fā)明的第2種實施方式的一個優(yōu)選實例(雙環(huán)路反饋多變量增強的級聯(lián)控制器MECC)的細(xì)節(jié)，圖9a和9b說明示于圖7和圖8的本發(fā)明的前兩種實施方式的兩個優(yōu)選實例的環(huán)路特性。
圖10說明本發(fā)明的第3種實施方式，這是一個受控的自激振蕩脈沖調(diào)制器，其特征在于，在該第1局部環(huán)路中用以保證自激振蕩條件的一個無滯后比較器和附加的諸極點。
圖11表示本發(fā)明的第3種實施方式(受控振蕩脈沖調(diào)制器)的重要的諸信號。
圖12說明本發(fā)明的第4種實施方式(一個用一個4晶體三極管橋式功率級來實現(xiàn)的可供選擇的3電平脈沖寬度調(diào)制器)的原理。諸信號從上到下依次為諸特征信號，在一個橋式功率級(A,B)中在每一相上的歸一化電壓，最后是該歸一化的差模和共模輸出信號(A-B和A+B)。該差模信號被饋送到該負(fù)載端。
圖13表示該可供選擇的3電平調(diào)制器的諸頻譜特性。輸出幅度譜線被表示為0dB和-60dB的相對輸出諸電平。
圖14(a)-(c)表示具有250W最大功率處理能力的本發(fā)明的一種實施方式的已實現(xiàn)的例子。圖14(a)表示功率與效率的關(guān)系。在250kHz開關(guān)頻率上，效率達(dá)到92％，而采用50kHz開關(guān)頻率時，效率達(dá)到96％。
圖14(b)分別表示在100Hz,1kHz和10kHz(頂部曲線)的頻率下，所測得的非常低的總諧波失真+噪聲(THD+N)與輸出功率的關(guān)系。
圖14(c)表示所測得的放大器噪聲。在-150dB處的噪聲本底對應(yīng)于僅為70μV的有效值噪聲電平。
圖1表示基本的(“數(shù)字的”)功率放大器。該輸入信號被調(diào)制(11)為一組脈沖調(diào)制信號。一個開關(guān)式功率級(12)對該已調(diào)制信號進(jìn)行放大，并且一個低通濾波器(13)再現(xiàn)該音頻波形。
圖2表示一種第1類現(xiàn)有技術(shù)控制原理。它顯示出諸基本問題由于后置濾波器的相位延遲以及沒有局部的校正方案，使得一個合理的增益-帶寬乘積需要非常高的開關(guān)頻率。因此，在該放大器帶寬的所有頻率上都不可能獲得合理的增益-帶寬乘積。
圖3表示一種第2類現(xiàn)有技術(shù)控制原理，它顯示出下列基本問題由單環(huán)路控制引起的含有噪聲的反饋源，沒有后置濾波器誤差校正，對負(fù)載的敏感性以及有限的增益-帶寬乘積。
圖4表示本發(fā)明的第1種實施方式。該基本的脈沖調(diào)制(“數(shù)字的”)開關(guān)式功率放大器電路被諸反饋環(huán)路的一種增強的級聯(lián)(或嵌套)結(jié)構(gòu)所包圍。這個第1種實施方式被稱為一個(單環(huán)路反饋)多變量增強的級聯(lián)控制(MECC)的數(shù)字式功率放大器。該控制結(jié)構(gòu)的特征首先在于，具有一個單獨的反饋源，其次在于，一條單獨的反饋路徑A(7)具有低通特性。由于該控制結(jié)構(gòu)包括一條單獨的反饋路徑A以及一組前向路徑方框Bi，所以實現(xiàn)起來是很簡單的。使用優(yōu)選的環(huán)路設(shè)計諸步驟，每一條環(huán)路都具有一種非常穩(wěn)定的一階特性，并且諸前向路徑方框最好是簡單的。MECC提供了在業(yè)界中前所未有的一系列優(yōu)點-由于每一條環(huán)路被個別地考慮時是非常穩(wěn)定的，所以一個高階控制系統(tǒng)能跟高水平的穩(wěn)定性和魯棒性結(jié)合在一起。
-增強的級聯(lián)控制方法在環(huán)路設(shè)計與優(yōu)化的可能性方面提供了迄今為止前所未見的自由度。因此，在任何頻率上等效的環(huán)路增益帶寬相對于沒有折衷考慮穩(wěn)定性的各種單環(huán)路系統(tǒng)而言，可以名符其實地被無限地增加。
-該反饋路徑的低通特性提供了一種閉環(huán)零點-極點領(lǐng)先特性，它可以被設(shè)計成能抵消一個濾波器極點。其結(jié)果是得到一個用于全局反饋的更加改進(jìn)的系統(tǒng)。
-每一條環(huán)路通過一個對應(yīng)于該環(huán)路增益的因子，個別地降低對功率級誤差的敏感性并改進(jìn)系統(tǒng)性能(失真，噪聲...)。MECC提供了對應(yīng)于每一條環(huán)路的貢獻(xiàn)的乘積的一種等效反饋。
-通過多個環(huán)路的連續(xù)改進(jìn)跟單環(huán)路實現(xiàn)相比更為有效。
-與單環(huán)路系統(tǒng)相比，在仍然提供改進(jìn)的性能的條件下，(多環(huán)路系統(tǒng)中)每一條環(huán)路的單位環(huán)路增益頻率可以降低。因此，該開關(guān)頻率可以降低。
-MECC對個別的補償器方框A和BI的動態(tài)范圍的要求較低。使用優(yōu)選的設(shè)計步驟，貫穿該控制系統(tǒng)的諸信號電平將具有類似于該輸入信號的電平。
本發(fā)明的第2種實施方式涉及將第1種實施方式擴展為一種雙(環(huán)路)反饋多變量增強級聯(lián)控制(MECC)結(jié)構(gòu)，其中該兩級反饋被靠近地連接。其一般的方框圖示于圖5。該系統(tǒng)依賴于由該局部增強級的單低通反饋路徑所導(dǎo)致的零點-極點領(lǐng)先特性。雙(環(huán)路)反饋MECC向該系統(tǒng)提供了進(jìn)一步的改進(jìn)。該系統(tǒng)帶寬被增加到超出該解調(diào)濾波器帶寬的限制。這就使在音頻頻帶范圍內(nèi)的相位與幅度失真最小化。而且瞬態(tài)響應(yīng)也得以改進(jìn)。后置濾波器的誤差被糾正，這意味著對濾波器中電感元件的直線性要求較低。還有，輸出阻抗降低的相當(dāng)可觀，對負(fù)載變化的敏感性也是如此。
本發(fā)明的第3種實施方式是一個強迫自激振蕩脈沖寬度調(diào)制器，其特征在于首先，一個無滯后的比較器用作一個調(diào)制器，其次，為了確立自激振蕩條件，用前向路徑B1以及反饋路徑A來實現(xiàn)一條高階振蕩環(huán)路。
本發(fā)明的第4種實施方式是一種可供選擇的、與MECC相結(jié)合的具有各種有吸引力的特性的基于載頻的3電平脈沖寬度調(diào)制器。
本發(fā)明的進(jìn)一步的諸實施例包括-通過在該局部反饋路徑或另一條前向路徑中使用一個陷波濾波器以及諸高頻極點，從有噪聲的反饋信號中獲得改進(jìn)的噪聲消除的裝置。當(dāng)使用基于載頻的脈沖寬度調(diào)制時能使失真得以改善。
-用于補償大幅度的電源擾動，以便在所有輸出電平上都獲得改進(jìn)的穩(wěn)定性和效率改進(jìn)的裝置，這跟基于載頻的調(diào)制有關(guān)，在這種調(diào)制方式下，調(diào)制器和功率級的增益依賴于該電源的供電狀況，這就意味著，電源的擾動會影響穩(wěn)定性，除非采取預(yù)防措施，第1種實施方式的說明在業(yè)界中前所未有的增強的級聯(lián)控制方法依賴于這樣的事實，即，在一個寬的帶寬范圍內(nèi)，可以用一個恒定的增益Kp來表示該調(diào)制器和放大器。圖6a示出了用于設(shè)計該局部級聯(lián)的一種通用的遞歸方案。該反饋路徑具有一種低通特性A(s)=1K1τ1S+1---(1)]]>該反饋路徑的低通特性從幾個方面來說是有利的。它導(dǎo)致一種閉環(huán)零點-極點領(lǐng)先特性，這在實現(xiàn)該解調(diào)濾波器的諸極點中的一個的抵消時可能是有利的。而且，該極點顯著地濾除了來自該功率級輸出的高頻開關(guān)噪聲，當(dāng)使用基于載頻的調(diào)整方法(本發(fā)明的第4種實施方式)時這一點是很重要的。在這個簡單的示例性的實施方式中，該初始的前向方框是一個簡單的增益(方框)，在感興趣的頻帶范圍內(nèi)，該增益(方框)具有一個恒定的開環(huán)增益以及數(shù)值為K的閉環(huán)增益B1=KKPτ1τ2----(2)]]>而第i個方框具有一種能補償前一條環(huán)路的零點-極點特性的零點-極點特性Bi(s)=τ1τ2τ2S+1τ1S+1----(3)]]>借助于這種實現(xiàn)方法，該單環(huán)路配置的開環(huán)增益可以被寫成下列的一階表達(dá)式HL1,ol=KPA(s)B(s)]]>=KP1K1τ1S+1KKPτ1τ2----(4)]]>=1τ1S+1τ1τ2]]>對于所有的環(huán)路，都可以顯而易見地表示為HLi,ol(s)≅HL1,ol(s)=τ1τ21τ1S+1---(5)]]>閉環(huán)傳遞函數(shù)可以近似地表示為Hli,cl(s)≅kτ1S+1τ2S+1-----(6)]]>通過這樣具體說明的簡單的環(huán)路綜合步驟，如圖6a所示，每一條環(huán)路都將展現(xiàn)出相同的和穩(wěn)定的一階特性。
可以設(shè)計多種可供選擇的環(huán)路綜合方案。上述的遞歸設(shè)計步驟提供了在目標(biāo)帶寬范圍內(nèi)的所有頻率上的與頻率無關(guān)的環(huán)路增益，而不必考慮諸級聯(lián)的環(huán)路的數(shù)目以及該環(huán)路的單位增益頻率。取代一個恒定的環(huán)路增益，每一條環(huán)路都可以實現(xiàn)例如一個積分器。另一方面，也可以用雙極點補償方法來設(shè)計每一條環(huán)路。這兩種方法在感興趣的頻帶范圍內(nèi)都導(dǎo)致一個高得多的但是依賴于頻率的環(huán)路增益。
單環(huán)路反饋MECC功率放大器的可供選擇的諸變種包括使用可供選擇的不同的反饋路徑A，它在噪聲衰減方面被優(yōu)化，在使用基于載頻調(diào)制的系統(tǒng)中，這一點是很重要的。若含有開關(guān)頻率的高頻分量到達(dá)該調(diào)制器，就不可能得到一個符合于該音頻信號的瞬時幅度的脈沖寬度。通過引入一個陷波濾波器，就能消除重要的基波分量以及諸互調(diào)分量。在該反饋環(huán)路中專門放置該陷波濾波器有效地消除了在所有環(huán)路中的開關(guān)信號基波成分。通過在方框A中進(jìn)一步地增加一個高頻極點，就能實現(xiàn)在該反饋路徑中該開關(guān)頻率的高次諧波的二階衰減特性，由此進(jìn)一步地改善了噪聲衰減特性。在該反饋路徑中放置該噪聲衰減電路的另一個好處就是，若仔細(xì)地選擇該單位環(huán)路增益頻率以及開關(guān)頻率，則它對每一條環(huán)路將僅有一種局部的影響。在單位環(huán)路增益上該噪聲消除電路工作情況良好，并且因此不致影響任何環(huán)路的閉環(huán)特性。
第2種優(yōu)選實施方式的說明本發(fā)明的第2種實施方式涉及將第1種實施方式擴展為一種雙(環(huán)路)反饋多變量增強級聯(lián)控制(MECC)結(jié)構(gòu)，其中該兩級反饋被靠近地連接。其一般的方框圖示于圖5。該系統(tǒng)依賴于由該局部增強級的單低通反饋路徑所導(dǎo)致的零點-極點領(lǐng)先特性。由于使用兩個反饋源，本實施方式被稱為雙反饋多變量增強級聯(lián)控制。該第2級聯(lián)具有跟第1級聯(lián)相同的特定的諸特性，它僅有一條單反饋路徑C以及一組前向路徑方框Di。雙反饋MECC設(shè)計的一個優(yōu)選方案是基于圖6a所示的局部增強級聯(lián)，并示于圖6b。該主重構(gòu)濾波器F(s)被假定為2階。該反饋路徑具有一種恒定增益特性C(s)=1K---(7)]]>該初始前向方框D1是一個簡單的增益方框，在感興趣的頻帶范圍內(nèi)的增益為D(s)=τ1τ3---(8)]]>而該第i個前向方框具有一種零點-極點特性Di(s)=τ1τ3τ3S+1τ1S+1----(9)]]>通過這種簡單的遞歸設(shè)計步驟，每一條環(huán)路將展現(xiàn)出相同的特性，在圖6b中分別用開環(huán)特性HGi,OL(s)和閉環(huán)特性HGi,CL(s)來表示HGi,ol(s)≅HG1,ol(s)=τ1τ31(τ1S+1)(τ2S+1)---(10)]]>該閉環(huán)傳遞函數(shù)可以近似地表示為HGi,ol(s)≅K(τ3S+1)(τ2S+1)----(11)]]>應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是，所給出的設(shè)計方案主要是說明性的，還有多種可能的擴展方法，這對專業(yè)人士來說是顯而易見的，例如，在每一條環(huán)路中的一階特性能改進(jìn)在較低頻率上的誤差的校正。
為了使該雙反饋MECC數(shù)字式功率放大器的魯棒性最大化，諸全局環(huán)路的數(shù)目應(yīng)當(dāng)最小化，并且最好是僅使用一條全局環(huán)路。由于主要的誤差是在該開關(guān)功率級方框中引入的，并因此應(yīng)當(dāng)局部地進(jìn)行校正，所以，調(diào)整到所需的失真和噪聲諸特性應(yīng)當(dāng)通過調(diào)整諸局部環(huán)路的數(shù)目來進(jìn)行。
在以上兩個實施例中強有力的多變量增強級聯(lián)控制方法的一個基本優(yōu)點是，關(guān)于調(diào)制器、功率級、后置濾波器以及電源的設(shè)計都可以相當(dāng)可觀地放寬，用不著折衷考慮音頻性能?？梢杂煤唵蔚闹T標(biāo)準(zhǔn)元件來實現(xiàn)這些基本的諸部件，從而具有較低的價格和復(fù)雜性。
含有本發(fā)明的第1和第2實施例的控制方法的運行與脈沖調(diào)制器和功率級的實現(xiàn)方法無關(guān)。對這兩個方框的唯一要求就是，它們在一個比所需帶寬再寬一些的頻率范圍上實現(xiàn)該模擬調(diào)制器參考輸入(信號)的放大。因此，該調(diào)制可以是單側(cè)的或雙側(cè)的、雙電平或多電平脈沖寬度調(diào)制，或者甚至是例如∑-Δ調(diào)制那樣的可供選擇的調(diào)制方案。
本發(fā)明的第3實施例關(guān)于在該MECC數(shù)字式功率放大器中調(diào)制器的實現(xiàn)的又一個優(yōu)選實施例就是在業(yè)界中前所未有的受控自激振蕩脈沖調(diào)制器。實現(xiàn)這種方法的一種實施方式的一個例子示于圖10。該優(yōu)選方法的特征在于，具有一個無滯后的比較器作為一個調(diào)制器，在于修改該第1局部環(huán)路使之具有高階特性，還在于在前向路徑方框B1和反饋路徑A中有一個附加的極點。這就保證了受控的和穩(wěn)定的自激振蕩條件。通過將該振蕩信號疊加到該輸入信號(Vi)之上，就能得到所需的調(diào)制效果。圖11表示當(dāng)該振蕩信號疊加到該輸入信號之上時，在該調(diào)制器的參考點上該信號特性的一個例子。而且，還示出了脈沖調(diào)制的效果。
上述受控自激振蕩脈沖調(diào)制器相對于恒定頻率的基于載頻的方法的優(yōu)點有若干條。首先，由于不需要載頻發(fā)生器，所以該調(diào)制器實現(xiàn)起來是極其簡單的。其次，該第1局部環(huán)路的單位增益頻率帶寬是導(dǎo)致寬帶寬控制的該振蕩頻率，即使在適中的開關(guān)頻率下也是如此。第三，電源供電狀況不再決定該調(diào)制器/功率級的等效增益，這意味著大幅度的電源擾動被自動地抵消，并且不再影響在該增強的級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的其他諸環(huán)路的穩(wěn)定性。該局部環(huán)路的單位增益頻率內(nèi)在地取決于正反饋的頻率，即，該控制環(huán)路帶寬可觀地寬于傳統(tǒng)的基于載頻的諸系統(tǒng)的帶寬，根據(jù)常識粗略地推斷，后者是介于單位增益頻率以及載頻3種因素中的一個。
其他諸實施例本發(fā)明的其他諸實施例包括使用脈沖寬度調(diào)制，最好是具有3種離散的幅度電平。為了幫助理解這個涉及調(diào)制器實現(xiàn)方法的可供選擇的實施例，圖12示出了各種重要的時域波形，圖13示出了頻域的諸幅頻特性。從圖12可以明顯地看出，通過使用3電平的脈沖寬度調(diào)制，由于在每一個開關(guān)周期中有兩個樣本，所以，該有效的采樣頻率翻了一番。由于每一個晶體三極管都工作在等于該開關(guān)頻率的一個速率上，所以在沒有增加功率損耗的條件下實現(xiàn)了這一點。相應(yīng)地，3電平的脈沖寬度調(diào)制允許增加諸環(huán)路的帶寬，或者換句話說，允許降低該開關(guān)頻率。
本發(fā)明的又一個實施例涉及MECC跟恒定頻率的基于載頻的調(diào)制相結(jié)合的情況，并且其特征在于，該設(shè)計發(fā)生了如下文所述的變化，通過在該第1局部環(huán)路中的智能自動增益調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對任何大幅度的電源電壓變化進(jìn)行補償?shù)母倪M(jìn)的裝置。該調(diào)制器和功率級的等效增益Kp在很大程度上與該電源電壓成正比。相應(yīng)地，B1的增益應(yīng)當(dāng)被調(diào)整到與該電源電壓的變化成反比B1(KP)=KKPτ1τ2----(12)]]>由于該第1環(huán)路的諸特性跟電源擾動無關(guān)，這種設(shè)計上的更改將對基于MECC的數(shù)字式功率放大器產(chǎn)生進(jìn)一步的穩(wěn)定效應(yīng)。電源電壓的大幅度擾動將不會影響到穩(wěn)定性。這種電源的自適應(yīng)調(diào)節(jié)允許對電源供電電壓進(jìn)行智能控制，例如，通過音量控制來進(jìn)行控制，而不必折衷考慮穩(wěn)定性?？梢岳眠@一點來保證在所有輸出電平上的最佳效率。
進(jìn)一步的諸實施例包括位于放大器輸出端的二次濾波電路，用以進(jìn)一步地消除開關(guān)(頻率)分量，以及增加一個輸入濾波，以便在頻域和時域上形成總的放大器響應(yīng)。
第1種和第2種實施方式的諸實例圖7a和7b示出了單和雙反饋MECC諸實施例的更具體的雙環(huán)路的諸實例。圖9a和9b分別給出了每一條環(huán)路的設(shè)計步驟。跟一般的設(shè)計步驟相比，該低頻性能已經(jīng)被優(yōu)化，使得在兩條環(huán)路中在較低頻率上的等效環(huán)路增益，與一般方案相比，顯著地增加了。表1給出了相對于該放大器帶寬的示例性參數(shù)的諸數(shù)值。
表1
跟業(yè)界熟知的各種單環(huán)路方案相比，該增強的級聯(lián)方法提供了重大的改進(jìn)，僅僅由于增加了前向方框B2，使得在系統(tǒng)復(fù)雜性上略有增加。假設(shè)該重構(gòu)濾波器合理地為直線性，則該局部反饋的MECC實施方式能實現(xiàn)高端的各種性能。通過增加等同于B2的諸方框，就能實現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。本發(fā)明的第1實施例的變通使用就是不用重構(gòu)濾波器而直接地驅(qū)動諸揚聲器。
圖7b提供了具有一個局部的和一個全局的環(huán)路(二者靠近連接)的雙反饋多變量增強級聯(lián)控制(MECC)的一種實施方式的一個例子，與圖6所示的一般設(shè)計步驟相比，這兩條環(huán)路已經(jīng)在低頻端進(jìn)行優(yōu)化，以便在較低的頻率上顯著地提升這兩條環(huán)路的環(huán)路增益。表2給出了相對于該放大器帶寬的諸參數(shù)數(shù)值的實例。
表2
為了說明該雙反饋MECC數(shù)字式功率放大器相對于現(xiàn)有技術(shù)的顯著的優(yōu)點，圖8所示的實施方式已經(jīng)在兩個較大功率的實例中付諸實現(xiàn)，其中一個利用一個250kHz的開關(guān)頻率，覆蓋了20kHz的全部音頻帶寬，另一個實例利用一個50kHz的開關(guān)頻率，覆蓋了一個4kHz的縮減了的帶寬。
應(yīng)當(dāng)強調(diào)指出，所選擇的諸參數(shù)僅僅是說明性的，還要指出，在一個更寬范圍的輸出功率和帶寬上，該MECC數(shù)字式功率放大器也工作得很好。圖14(a)-(c)表示所給出實例的各種重要性能，并且所得結(jié)果匯總于表3。若希望得到進(jìn)一步的改進(jìn)，則一個優(yōu)選方案就是通過簡單地增加一個前向方框B，以便使用一個雙局部環(huán)路。
表3
一般來說，還沒有一種現(xiàn)有技術(shù)的方案能產(chǎn)生可比擬的保真度、效率以及低復(fù)雜性的組合。
權(quán)利要求
1．一種用于音頻范圍的脈沖調(diào)制功率放大器，包括一個脈沖調(diào)制器，一個用于放大該已調(diào)制信號的功率放大級，其輸出在一個解調(diào)濾波器中進(jìn)行濾波，以便獲得一個模擬輸出并饋送到一個用戶那里，其特征在于，從該功率放大器輸出端到送往在該調(diào)制器前面的一個或多個前置放大器級的一個或多個環(huán)路之間引入了負(fù)反饋。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一個功率放大器，其特征在于，從該解調(diào)濾波器的輸出端到一個或多個前置放大器級之間建立起又一條反饋環(huán)路。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一個功率放大器，其特征在于，該反饋配置是一種多環(huán)路配置，至少有一條環(huán)路被這樣構(gòu)成，使得來自該開關(guān)放大器級的一組信號被注入到諸前置放大器鏈中，并且至少有一條其他環(huán)路為從該濾波后輸出端到該放大器輸入端的全局反饋。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的一個功率放大器，其特征在于，至少有一條來自該開關(guān)功率級輸出端的反饋環(huán)路含有一個濾波器，該濾波器具有這樣一種相位特性，使得在該解調(diào)濾波器中的一個極點得以補償。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的一個功率放大器，其特征在于，使用一個單反饋路徑方框(A)向該前置放大器鏈提供反饋，其特征還在于，每一條環(huán)路都具有穩(wěn)定的一階特性。
6．根據(jù)權(quán)利要求2所述的一個功率放大器，其特征在于，使用一個單反饋路徑方框(C)向該前置放大器鏈提供反饋，其特征還在于，每一條環(huán)路都具有穩(wěn)定的一階特性。
7．根據(jù)前述各項權(quán)利要求中任何一項所述的一個功率放大器，其特征在于，該脈沖調(diào)制器是一個受控的自激振蕩調(diào)制器，包括一個用于脈沖調(diào)制的無滯后的比較器，還包括一個高階振蕩環(huán)路，后者借助于兩個極點來實現(xiàn)，最好是一個極點位于該前向路徑(B)中，并且一個極點位于該反饋路徑(A)中。
8．根據(jù)前述各項權(quán)利要求中任何一項所述的一個功率放大器，其特征在于，該脈沖調(diào)制器是一個基于載頻的脈沖調(diào)制器。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的一個功率放大器，其特征在于，在該反饋路徑方框(A)中介于該放大器以及諸環(huán)路之間，提供了一個陷波濾波器。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的一個功率放大器，其特征在于，在該反饋路徑方框(A)中提供了一種用以產(chǎn)生一個高頻極點的結(jié)構(gòu)。
11．根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一個功率放大器，其特征在于，在該放大器輸出端增加了附加的二次濾波電路，用以進(jìn)一步地消除開關(guān)諸分量。
12．根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一個功率放大器，其特征在于，增加了一個輸入濾波器，用以在頻域和時域上形成總的放大器響應(yīng)。
13．根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一個功率放大器，其特征在于，借助于在該第1局部環(huán)路中的各種自適應(yīng)增益調(diào)節(jié)，獲得對任何大幅度電源變化進(jìn)行補償?shù)母倪M(jìn)的裝置。
全文摘要
一個具有多變量增強級聯(lián)控制(MECC)的數(shù)字式開關(guān)功率放大器包括一個調(diào)制器,一個開關(guān)功率級以及一個低通濾波器。在第1種優(yōu)選實施方式中,增加了一個局限于該開關(guān)功率級的增強級聯(lián)控制結(jié)構(gòu),其特征在于,具有一個單局部反饋路徑A(7),它具備低通特性,以及諸局部的前向方框B
文檔編號H03F1/34GK1235711SQ97199272
公開日1999年11月17日 申請日期1997年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月31日
發(fā)明者尼爾森·卡斯騰 申請人:邦及奧盧夫森公司, 尼爾森·卡斯騰