CN1582527B - 有失真补偿的功率放大器模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一个功率放大器模块，其包括有第一前端放大级(4)和第一后端放大级(5)的第一放大器(2)和有第二前端放大级(6)和第二后端放大级(7)的第二放大器(3)，第一放大器和第二放大器被安排在负载上有反馈的桥接式负载(BTL)结构中，其特征在于：第一和第二后端放大级有相对于源的点对称转送功能，第一后端放大级的输入电流i1基本上等于第二后端放大级的输入电流i2。

Description

有失真补偿的功率放大器模块
发明领域
本发明涉及一种功率放大器模块，特别是涉及一种音频或高频功率放大器，并且尤其是涉及降低放大级的失真。
技术背景
在大多数音频放大器中，失真主要来源于非线性的AB或B偏移元件。后端功率放大级通常工作在AB或B模式中。
局部反馈可被用于最小化输入输出传输特征的非线性特性。为了更进一步地改善总体的线性，已知使用总体负反馈技术来用来实现增益稳定性的需求。
前馈也被使用，并且应当指出，美国专利号4,379,994建议包括误差产生设备，以基于前馈电路和另一个放大器来校正放大器的一些特性。然而，所引起的误差是典型补偿网络足以作为误差产生器引起的可恶噪声和失真分量，而不是元件本身固有的内部非线性。
美国专利号4,549,146示出了一个用于补偿电子电路中的非线性的系统和方法。
由独立有源元件中信号产生的参数变化和诸如音频放大器之类的电路中的电源变化在复合多频波中引入的失真效应，通过使用有源元件的复制品和包括可比失真的反馈信号的产生而被补偿。通过在一个接收可比失真的输入信号的差分放大器中的反馈信号的高增益放大，一个包含失真分量的比较信号被导出。该比较信号在包括经受在某方面消除被引入的失真的参数变化的电路的前馈通路中被使用。
该文献还示出有某种前馈失真补偿的功率放大器。从下列文献中可以了解这种功率放大器：Danyuk、IEEE学报1994年12月12号的电路和系统I第41卷的″前馈放大器合并并行输出总量″；Takahashi，J.Audio Eng.Soc.1981年1/2月1/2号第29栏的″前馈纠错放大器的设计和构造″；Vanderkooy，J.Audio Eng.Soc.1980年1月1/2号的″功率放大器中的前馈纠错″。
现有的前馈失真补偿的功率放大器的一个普遍缺点是补偿所需的电路数量。
另一个普遍的缺点是该补偿仅仅对于一种负载类型来说是精确的。然而重要的是，例如音频放大器，它们可能使用各式各样的负载(以至于一个单片可以覆盖很广的市场范围)。
发明内容
本发明的目的是提供一个克服先有技术特性缺点的被改进的功率放大模块。
本发明的解决根本问题的方法通过施加于独立的权利要求中的特性而被提供。本发明的优选实施例在从属的权利要求中被给出。
本发明的优点在于：它利用桥接式负载(BTL)结构的相对侧的输出端基本上在给出的任何时候都传导相同电流这个事实而提供一个有失真补偿特色的功率放大器模块。即，控制后端放大级的输入，例如MOS功率晶体管的栅极需要相同的控制量。
本发明在象菲力普半导体ABCD流程一样的BiMos流程中是更尤其可适用的。在这种流程中，MOST功率晶体管的低导通电阻RdsOn的热动态强度可以连同小型双极晶体管的高跨导和低噪声一起被采用。
根据本发明的一个优选实施例，第一和第二放大器被安排在一个负载上有反馈的桥接式负载(BTL)结构中。放大器的后端级有相对于原点的点对称传输函数。点对称意味着，为了向上引导后端级的一个输出端，需要一个与为了同量向下引导相同的输出电流而需要被从中取出的正好相同的输入电流。
对于本发明意义内的点对称，一个后端放大级的传输函数的第一象限和另一个后端放大级的第四象限一样就足够了，反之亦然。因此不需要完全的点对称。
根据本发明的又一优选实施例，为了获得一个充分的稳定性而给后端级施加米勒。后端放大级内的米勒(Miller)级连同功率放大级一起形成一个非线性积分器。
根据本发明的再一优选实施例，两个单端放大器被安排在一个桥接式负载(BTL)结构中。后端级的传输函数还是相对于原点点对称。后端放大级中的一个的输出电流被放大器加倍。被加倍的输出电流被提供为另一个后端放大级的输入电流。在这个实施例中，放大器通过输入信号电流而被差分地驱动。
本发明的优点还在于：它降低了由AB类或B型中的功率放大所引 起的非线性失真。这通过只增加最小限度的附加电路来完成。这还有实现成本效率的优点。
另外，本发明提供精确的补偿，而不考虑在两个输出节点之间施加的负载。不管它是否是电感的、电阻性的、或两者的结合乃至随时间或温度而变，误差补偿机理的准确性都不会受到影响。先有技术中没有给出共享这个优点的方法。此外，假设后端级的传输函数是本发明含义内的点对称，现有放大器设计可以被再使用。
根据本发明的功率放大器模块操作包括主馈操作，例如电视伴音、个人电脑音频、便携式音频、汽车音频系统和其它所有种类的音频和音响系统。然而，本发明不局限于音频信号放大的领域而也可以被使用于其它种类的信号。例如本发明可以被使用于高频操作。
附图简要说明
在下面，本发明的一个优选实施例通过参考以下附图而被非常详细地描述：
图1是本发明第一实施例的一个电路图，
图2是本发明第二实施例的一个电路图，
图3是图1和图2中使用的后端放大级的实施例的电路图。
详细说明
图1示出根据本发明的放大器模块1的一个实施例。在这里考虑的优选实施例中，放大器模块1是一个在单个集成电路片上被实现的集成电路。
放大器模块1包括放大器2和放大器3。放大器2有前端放大级4和后端放大级5。放大器3同样也有前端放大级6和后端放大级7。
前端放大级4有正相输入端8和反相输入端9。正相输入端8施加基准电压Hvp操作端，其一般有电源电压一半的值。正相输入端8和反相输入端9两端之间的电压是误差电压Verrl。
图1中描述的前端放大级4通过有跨导Gm和压控电流源10的跨导运算放大器而被模型化。
压控电流源10有被连接到后端放大级5的输入端12的输出端11。
压控电流源10还有一个输出端13。
后端放大级5有一个输出端14。输出端14通过电阻15-Rfb被 连接到放大器2的反相输入端。
放大器3有分别对应放大器2的正相输入端8和反相输入端9的正相输入端16和反相输入端17。放大器3的前端放大级6也被有跨导Gm和压控电流源18的跨导运算放大器模型化。压控电流源18有被连接到后端放大级7的输入端20的输出端19。
压控电流源18还有被接地的输入端21。
输出端19和输入端20之间的电流总量节点32借助于线路23被连接到放大器2的压控电流源10的输出端13。
后端放大级7有借助于电阻25-Rfb被耦合到放大器3的反相输入端17的输出24。
电流源26被施加在正相输入端16和反相输入端17之间，来提供一个信号电流Iin。信号电流Iin表示将被放大器模块1放大的信号。正相输入端16还被连接到放大器2的反相输入端9。以这种方式在该负载上形成有反馈的桥接式负载(BTL)结构。该负载将被连接在输出端14和24之间，例如在Vout1和Vout2之间。
后端放大级5和后端放大级7两者组成与功率放大级结合形成用符号1/(sC)表示的非线性积分器的米勒级。
应当指出，后端放大级5和后端放大级7有相对于原点的点对称传输函数。点对称在这里意味着以下：假定向上引导输出要求放进正好与为了相同量地向下引导相同的输出而将被抽出的电流相同的电流。此外，假设在Vout1和Vout2之间有一个负载。根据Kirchhoff电流定律，放大器2的输出将不得不正好吸收与放大器3需要的输出到源极的相同的电流量，反之亦然，借此对后端级的AB或B类操作被假定。还假设放大器2和3都吻合并且积分器功率放大级后端放大级5和7有所需要的点对称。
在操作中，流入向上后端放大级5的电流i1与流入向下后端放大级7的电流i2，形状一样然而符号相反。如果向上放大器2的跨导(10)会给向下后端放大级7添加一个它的输出电流的符号相反的形式的电流，则后者正好得到它要提供等于向上放大器2的失真的输出信号所需的电流。从而，如果放大器(3)的跨导(18)不需要产生任何电流(举例来说，如果它的Gm被选择为零：没有反馈)，放大器3的失真将等于放大器2的失真，因为负载上的反馈已经被使用(即，放大器3的回 路增益大于0)，则放大器3的结果失真减少了那个回路增益。
对于差分输出信号Vout1-Vout2，仅仅放大器3的失真是相关的(放大器2的失真对Vout1和Vout2都是共模)。从而，由于上述机制，如果放大器2和放大器3吻合，则来自后端的非线性失真被减去回路增益(其在任何给定的频率对两个放大器一样)的平方。应当注意，没有失真补偿的常规放大器仅仅减少了回路增益。然而应当注意，对于失真补偿的运作机制，是不必选择前端6的Gm等于前端4的Gm。
在这个操作中，放大器3把放大器2用作一个共模参考。从而，放大器3的回路理论上″看″不见放大器2的回路。
根据那个道理，从放大器2的回路导出并流入放大器3的电流可以作为一个前馈控制量而被预料。
在实际执行过程中，后端放大级5和7通常有某种参照地的局部反馈。
根据那个道理，两个放大器的回路都能″看见″彼此的回路(尤其在很低的电阻负载)。必然地，补偿电流会有更少的前馈特征。从而，高频电极会因为施加了补偿电流而变得稍微更复杂。为了防止这个，补偿电流通过一个80kHz低通滤波器被过滤。补偿在音频范围中同样地保持有效。
图2示出一个本发明的替换操作的框图。对应图1类似的元件的图2的元件通过相同的参考数字被指定。
相比图1的电路布置，图1的放大器2和3是被安排在其负载上没有反馈的桥接式负载(BTL)结构中的单端放大器。这通过分别连接放大器2和3的反相输入端9和反相输入端17之间的电流源26被完成。基准电压Hvp被分别施加于放大器2和3的正相输入端8和16。
在线路23上还有一个电流放大器27。电流放大器27用来把双倍电流2*i1提供给电流求和节点32。补偿电流这样被放大系数2。从而放大器3被过度补偿100％。
从而放大器3的余量变得和放大器2的一致。从而失真变成共模。(因此在第一级中失真被差分地消除。因此，放大器2和3的反馈回路都有一个被激烈地降低的失真作为开始。实际上，降低机制非常类似已经参照图1作出解释的机制。
再次的，如果两个放大器等同，则通过负载可见的后端的非线性 失真部分减少了放大器2和3每一个的回路增益的平方。再次注意，对于常规放大器(即，没有线路23和电流放大器27)来说，后端的非线性失真会仅仅已经减少了回路增益。
在一个替换应用中，电流源26被除去并且放大器2和3被使用于独立的通道。在这种情况下，负载被连接在相应的输出端和地之间。这种方法提供了对于各种操作的附加的灵活性。当然，为了在那种情况下防止两个通道之间的串馈，电流放大器27的电流放大系数被改变为零。
图3分别示出后端放大级5和7的优选实施例的电路图。电容Cm1被连接到后端放大级的输入端。电容Cm1的另一端被连接到功率晶体管M2的栅极。晶体管M3的栅极还被连接到输入端12(在如果考虑放大器3的放大器2和20情况下)。电流源28被耦合到晶体管M2的栅极和晶体管M3的漏极。三极管M3的源极被耦合到电流吸收器29。电流源28提供电流I并且电流吸收器29吸收电流I+2xIq。
晶体管M3的栅极还被连接到晶体管M4的漏极。晶体管M4的栅极被连接到基准电压Vref。晶体管M4的源极被连接到电容Cm2。晶体管M4用来共基共射串联米勒电容Cm2。
电容Cm2被连接到功率晶体管M2的源极和功率晶体管M1的漏极。输出电压Vout以这个电位被提供。
后端模块还有箝位电路30和31。静态电流控制通过使用箝位电路30和31被执行。电流Iq流入morror-mostM2b。这样获得的箝位电压经由晶体管T1和T3被施加于M2的栅极。因为在静止状态中M2和M1趋向在低效率反转中运行，所以使用这些npn晶体管使箝位电压的误差保持很低，这对于能获得精确的静态电流很重要。
在静止状态中，在负载上没有压降。
因此，放大器没有电流流出。必然地，通过M1和M2的电流必定等同，它们的Vgs电压也是一样。那样依次产生通过T1和T2的相等的箝位电流。
根据Kirchoff电流定律，T1、T2、T3、T4 M1b和M2b全部都会传导等于Iq的电流。通过M1和M2的静态电流从而变成：Iq分别乘上M1b和M1之间和M2b和M2之间的区域的比值。
在图3中描述的电路可以被用于后端放大级5和后端放大级7两 者(参照图1和图2)。这个电路有电压传输的(动态)点对称电流以及精确的静态电流控制的特点。
参考数字列表
放大器模块1
放大器2
放大器3
前端放大极4
后端放大极5
前端放大极6
后端放大极7
正相输入端8
反相输入端9
压控电流源10
输出端11
输入端12
输出端13
输出端14
电阻15
正相输出端16
反相输出端17
压控电流源18
输出端19
输入端20
输入端21
节点22
线路23
输出24
电阻25
电流源26
放大器27
电流源28
电流吸收器29
箝位电路30
箝位电路31
电流总量节点32.

Claims (9)

1.一个功率放大器模块，其包括有第一前端放大级(4)和第一后端放大级(5)的第一放大器(2)和有第二前端放大级(6)和第二后端放大级(7)的第二放大器(3)，第一放大器和第二放大器被安排在负载上有反馈的桥接式负载BTL结构中，其中：第一和第二后端放大级有相对于原点的点对称传输函数，第一后端放大级的输入电流(i1)等于第二后端放大级的输入电流(i2)，其中，至少第一前端放大级包括：压控电流源(10)、为第一后端放大级提供输入电流(i1)的压控电流源的输出端(11)、和连接到第二后端放大级的输入端(20)的压控电流源的输出端(13)。
2.权利要求1的功率放大器模块，其中，第一前端放大级的正相输入端、或第一和第二前端放大级的正相输入端被适配连接到供电电源电压(Hvp)。
3.权利要求1的功率放大器模块，其包括一个被安排来给第二前端放大级的正相和反相输入端(16、17)提供输入信号电流(Iin)的输入端。
4.一个功率放大器模块，其包括有第一前端放大级(4)和第一后端放大级(5)的第一单端放大器(2)和有第二前端放大级(6)和第二后端放大级(7)的第二单端放大器(3)，第一和第二单端放大器被安排在桥接式负载BTL结构中，表示为：第一和第二后端放大级有相对于原点的点对称传输函数，第一后端放大级的输入电流(i1)等于第二后端放大级的反相输入电流(i2)的两倍。
5.权利要求4的功率放大器模块，其中，第一前端放大级包括压控电流源(10)，该压控电流源有连接到第一后端放大级的输入端(12)的输出端(11)和连接到提供第二后端放大级的两倍反相输入电流(i2)的放大器(27)的输出端(13)。
6.权利要求4或5的功率放大器模块，第一和第二单端放大器被安排来被差分地驱动。
7.根据之前的权利要求1、2、4或5中的任意一个的功率放大器模块，其中，第一和第二后端放大级借助于相同电路被实现。
8.之前的权利要求1、2、4或5中的任意一个的功率放大器模块，其中，第一和第二后端放大级每个都包括共基共射的输出电容器(Cm2)。
9.一个为了放大音频信号的功率而包括根据前面权利要求1、2、4或5中任意一个的功率放大器模块的声频系统，为CD播放器、DVD播放器、电视机、汽车收音机或其它音频系统。
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