CN1252904A - 功率放大器及功率放大器中的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种功率放大器电路,其包括:用于接收输入信号的输入端和用于提供输出信号的输出端,用于放大输入信号从而提供输出信号的至少一个晶体管,以及用于控制在输入端接收的输入信号的装置,以及用于产生控制信号的装置,所述控制信号至少在所选择的温度范围内基本上跟随至少一个晶体管的温度。用于控制输入信号的装置这样控制输入信号,使得阻止控制信号超过预定的电平。所述电平相应于至少一个晶体管的预定温度,该温度等于或小于至少一个晶体管的特定的最大温度。

Description

功率放大器及功率放大器中的控制方法

本发明涉及一种功率放大器电路，其具有用于控制输入信号的装置，以便限制电路中的元件温度。本发明还涉及用于控制温度的方法。

AB类或A类功率放大器的输出级一般被设计使其承受在输出幅值/输出功率的最坏情况下发生的最大功率耗散。对于正弦波，最坏情况下的功率耗散发生在输出幅值为(π/2)V_cc的情况下，其中V_cc是电源电压。图1说明一种和扬声器13相连的B类放大器10。npn晶体管11的集电极和电源的+V_cc端相连，npn晶体管的发射极和pnp晶体管12的发射极相连，pnp晶体管的集电极和电源的-V_cc端相连。两个晶体管的基极被连接在一起而形成输入端。两个晶体管的发射极和输出端相连。最大输出幅值被电源电压+V_cc和-V_cc限制。如果输入驱动信号上升较高，则由于限幅而使输出失真。输出功率由输出波动和扬声器的阻抗确定。必须处理所有种类的音频信号例如音乐信号的放大器必须能够在最坏情况下的损耗下被连续地驱动。在大多数情况下，正是功率损耗确定晶体管的尺寸和成本。电压和电流容量通常是足够的。

在一些高保真放大器中使用的用于解决大功率元件和大的散热器问题的已有方法是在短的输出峰值时间间隔期间提高电源电压。这意味着，在一个短的时间间隔内输出功率和功率损耗增加。然而，这个时间间隔必须被保持足够短，以便避免输出晶体管过热。

在国际专利申请WO94/16493中披露了一种具有位于功率放大器电路前方的衰减器的音频放大器。所述衰减器被RMS检测器和门限检测器控制。在经过放大之后将超过RMS功率容量的输入信号被所述衰减器衰减。

虽然上述已知的电路的功能是足够的，但是它们却有许多缺点。

第一个缺点在于，现有技术的功率放大器电路电路通过改变电路的电源电压来处理峰值信号的问题。这种设计需要复杂的电路，并且至少要求电源提供两个电位。因而，这种设计的实现成本高，并且要求在印刷电路板上具有大的空间。

第二个缺点和上述的国际专利申请WO94/16493中的功率放大器电路相关，即其中的衰减器被和测量的RMS输入信号电平有关的信号控制。这种设计不能最大限度地利用功率放大器的潜在的功率容量，因为这不是由RMS输入电平确定的，而是由功率晶体管的最大允许温度确定的。这个问题产生的结果是，这种功率放大器电路需要具有大的尺寸，以便处理某个功率输出。这使得放大器的体积增大，成本增高。

本发明的目的在于，提供一种能够克服或减轻上述问题的功率放大器电路。本发明的另一个目的在于，提供一种用于控制功率放大器电路中晶体管的温度的方法。

本发明要解决的问题是，现有技术使用的功率放大器电路的复杂性和要求电源至少提供两个电位，其实施的成本高，并占据印刷电路板上的不可忽略的空间。

本发明要解决的另一个问题是，现有技术中的功率放大器中的功率晶体管的功率容量未被充分利用。这个问题使得现有技术的功率放大器需要大的尺寸来处理一定的输出功率。这使得放大器的体积增大成本增高。

所述问题的解决方案是，提供一种按照本发明的功率放大器电路，其包括：用于接收输入信号的输入端和用于提供输出信号的输出端，用于放大输入信号从而提供输出信号的至少一个晶体管，用于控制在输入端接收的输入信号的装置，以及用于产生控制信号的装置，所述控制信号至少在所选择的温度范围内基本上跟随至少一个晶体管的温度。用于控制输入信号的装置这样控制输入信号，使得阻止控制信号超过预定的电平，所述电平相应于至少一个晶体管的预定温度，该温度等于或小于至少一个晶体管的特定的最大温度。

按照本发明的另一个方面，提供一种用于控制功率放大器电路中的晶体管的温度的方法，所述放大器电路具有用于接收输入信号的输入端和用于提供输出信号的输出端。所述方法包括以下步骤：测量对晶体管提供的功率，通过使用测量的对晶体管提供的功率，产生至少在选择的温度范围内基本上跟随晶体管温度的控制信号，并控制输入信号，以便阻止控制信号超过预定电平，所述预定电平相应于晶体管的一个温度，所述温度等于或小于该晶体管的特定的最大温度。

这样，在短的峰值期间内输入信号的波动是允许的，仅仅当输入信号的平均电平太高时输入信号才被限制。

本发明的目的在于提供一种功率放大器电路，其能够充分利用功率晶体管的功率容量。本发明的另一个目的在于提供一种功率放大器电路，其实施成本低，并且可以利用小的物理尺寸实施。本发明的另一个目的在于，提供一种功率放大器电路，其可以利用具有一个固定输出电位的电源供电。本发明的另一个目的在于，提供一种用于控制功率放大器中晶体管的温度的方法，使得输出晶体管的输出功率容量可以被充分地利用。

本发明的功率放大器电路的优点在于，功率放大器电路的输出晶体管的功率容量能够被充分地利用。本发明的功率放大器电路的另一个优点在于，所提供的功率放大器电路的实施成本低，并且占据的空间小。本发明的功率放大器电路的另一个优点在于，其只需要利用具有固定电位的电源供电。本发明的用于控制功率放大器中晶体管温度的方法的优点在于，输出晶体管的输出功率容量能够被充分地利用。

图1说明和扬声器相连的现有技术中的B类放大器的电路；

图2说明按照本发明的第一实施例的功率放大器电路；

图3说明按照本发明的第二实施例的功率放大器电路；

图4说明按照本发明的保护电路；

图5说明按照本发明的平均电平检测器电路；

图6说明和扬声器相连的按照本发明的第三实施例的功率放大器电路部分的电路图；

图7的时间曲线说明按照本发明的保护电路的开环性能；

图8的时间曲线说明按照本发明的保护电路的开环性能；

图9说明按照本发明的功率放大器电路的操作流程图。

在只用于说话的扬声器的放大器中，例如在移动通信装置，即便携电话、蜂窝电话和非手持电话设备的放大器中，可以利用这样的事实，即在信号的峰值电平和平均电平之间的差可以达到20db。事实上，语音信号一般含有短的峰值脉冲。

适用于正弦波和B类或AB类功率放大器的公式1到3，根据功率耗散说明语音信号的影响。

其中P_out是输出功率，x是输出波动(0＜x＜1)，R1是输出端上的负载，P_s是由电源提供的功率，P_d是输出晶体管中的功率耗散。

由式3可以得出结论，在输出晶体管中的最大功率耗散P_d发生在输出波动x为2/π时。如果语音信号的峰值对平均值的比是20db，并假定峰值不会驱动输出到限幅，则平均输出波动x为0.1。比较在输出波动等于0.1时的功率耗散和在输出波动等于2/π时的功率耗散将给出结果：P_d(0.1)/P(2/π)＝0.29。这个结果说明，可以设计输出晶体管和相应的散热器，只用于处理大约30％的最坏情况的功率耗散，如果要被放大的信号被设定为语音信号的话。当然，这要求设置晶体管保护电路，其允许短的输出峰值，但是限制平均功率。

图2说明按照本发明的第一实施例的功率放大器电路20的电路原理图。npn晶体管21的集电极和电源的+V_cc端相连，npn晶体管的发射极和pnp晶体管22的发射极相连。pnp晶体管的集电极和电阻24的第一端相连，电阻的第二端和电源的-V_cc端相连。两个晶体管的基极相互连接并和可变限制器电路26的输出端相连。一个输入端和可变限制器电路的输入端相连。电阻的第一端和保护电路25的输入端相连。保护电路的输出端和可变限制器电路的控制输入端相连。两个晶体管的发射极和输出端相连。

图3说明按照本发明的第二实施例的功率放大器电路30的电路原理图。npn晶体管31的集电极和电源的+V_cc端相连，npn晶体管的发射极和pnp晶体管32的发射极相连。pnp晶体管的集电极和电阻34的第一端相连，电阻的第二端和电源的-V_cc端相连。两个晶体管的基极相互连接并和可变增益放大器36的输出端相连。一个输入端和可变增益放大器的输入端相连。电阻的第一端和保护电路35的输入端相连。保护电路的输出端和可变增益放大器的控制输入端相连。两个晶体管的发射极和输出端相连。

参看第一和第二实施例，在输入端的电位用V1表示，在输出端的电位用V3表示，在电阻的第一端的电位用V5表示，在保护电路的输出端的电位用V2表示。

第一和第二实施例的功率放大器电路的操作类似。图9说明按照本发明的实施例的功率放大器的操作流程图。第一步是测量对至少一个输出晶体管22，32提供的功率。电位V5相应于被半波整流的通过输出晶体管的电流。因为电源电压是恒定的，所以电位V5是通过输出晶体管的电流的量度，因而，也是对输出晶体管提供的功率的量度。应当注意，电阻的值最好选择一个小的值。假定电源电压+V_cc和-V_cc是恒定的，则电位V5将是在输出晶体管中的瞬态功率损失的很好的近似。第二步是产生基本上跟随输出晶体管的温度的控制信号。这利用保护电路25，35实现，其中利用测量的供给功率(见第一步)。保护电路在下面进一步讨论。第三步是控制功率放大器电路的输入信号，以便阻止控制信号超过预定电平。输入信号的控制例如可以如第一实施例所示通过限制输入信号来实现，或者如第二实施例所示通过衰减输入信号来实现。因为控制信号基本上跟随至少一个输出晶体管的温度，预定电平可被设置为相应于至少一个晶体管的最大允许温度，或者相应于略低于最大允许温度的温度，以便形成裕度。晶体管的最大允许温度也被称为特定最大温度，因为这个温度一般由晶体管制造者规定。上述三步被连续地重复，如图9所示。

现在确定输出晶体管的大小，以便允许语音信号或者具有类似特性的信号的输入信号的整幅波动。晶体管保护电路只有在平均电平太高时才减少输入信号的波动。例如在高电平的恒定的正弦波的情况下。

参看第一和第二实施例，在利用可变限制器电路和利用可变增益放大器用于减少输入信号或衰减输入信号之间的主要差别在于限制器对输出信号将引入较多的失真。不过，可变限制器电路需要的元件较少，因而占据印刷电路板上的较小的空间。

图4说明按照本发明的保护电路40的电路原理图。这种保护电路可以用作第一和第二实施例中的保护电路25，35。平均电平检测器41的输入端和保护电路的输入端相连。平均电平检测器的输出端和第一电阻43的第一端相连。第一电阻的第二端和作为减法器的运算放大器47的正输入端相连，并和第二电阻44的第一端相连。第二电阻的第二端和-V_cc相连。运算放大器的负输入端和第三电阻45的第一端相连，并和第四电阻46的第一端相连。第三电阻的第二端和参考电位相连，第四电阻的第二端和运算放大器的输出相连。在保护电路输入端的电位用V5表示，在平均电平检测器输出端的电位用V4表示，在保护电路的输出端的电位用V2表示。

在V5是低的信号电平(这近似相应于输出晶体管中的小的瞬态功率损耗)时保护电路的输出信号V2将接近于-V_cc，可变限制器电路或者可变增益放大器都不减少或衰减输入信号V1。如果在输出晶体管中的瞬态功率损耗增加，则来自平均电平检测器的输出信号V4增加。当来自平均电平检测器的输出信号超过构成门限电平的参考电位时，根据放大器的-V_cc的输出信号V2将等于：(A·V4)-(B·(参考电位))，其中A和B是运算放大器电路的增益系数，·代表相乘。增益系数被第一、第二、第三和第四电阻43，44，45和46的值确定。

图5说明按照本发明的平均电平检测器电路。这种平均电平检测器可以用作上面结合图4讨论的平均电平检测器41。这一平均电平检测器是一个包括电阻51和电容52的RC电路。在检测器的输入端的电位用V5表示，在其输出端的电位用V4表示。电阻和电容的值被这样选择，使得时间常数RC相应于输出晶体管的“热时间常数”。“热时间常数”将在下面讨论。当选择一个合适的时间常数后，保护电路25，35，40的输出信号V2将至少在所选择的温度范围内跟随输出晶体管的温度。最好是，这个温度范围包括为输出晶体管规定的最大温度。来自保护电路的输出信号V2将滞后于输入信号电平V1，正如温度滞后于输出晶体管中的功率损耗一样。

图6说明和扬声器68相连的按照本发明第三实施例的功率放大器60的一部分。在这实施例中，扬声器被连接在桥路中。第二npn晶体管63和第一npn晶体管61的集电极和电压源+V_cc相连。第一npn晶体管的发射极和第一pnp晶体管62的发射极相连，并和扬声器68的第一端相连。第二npn晶体管的发射极和第二pnp晶体管64的发射极相连，并和扬声器的第二端相连。第一pnp晶体管的集电极和第二pnp晶体管的集电极相连，并和第一电阻65的第一端以及第二电阻66的第一端相连。第一电阻的第二端和-V_cc相连。第二电阻的第二端和电容器67的第一端相连。电容器的第二端和-V_cc相连。第一npn晶体管和第一pnp晶体管的基极和第一输入端相连。第二npn晶体管和第二pnp晶体管的基极和第二输入端相连。第一电阻分别相应于第一和第二实施例中的电阻24和34。电阻66和电容67构成相应于上述的平均电平检测器50的RC电路。在电容器67的第一端的电位V4以和结合图4所述的方式类似的方式和运算放大器相连。在第一和第二输入端上的输入信号具有相等的幅值但是相反的相位。第一和第二输入端的前面有一用于控制输入信号的装置。可以使用分别和结合第一和第二实施例所述的类似的可变限制器电路或可变增益放大器。不过，用于控制输入信号的装置应当能够例如通过减少或衰减来控制第一和第二输入端上的信号。在这种情况下，信号V4将是通过扬声器驱动晶体管61，62，63和64的电流的整流和滤波值。

本发明将结合图7和图8被进一步讨论，其中图7用时间曲线说明按照本发明的保护电路的开环性能。开环指的是保护电路25，35被从可变限制器电路或可变增益放大器上断开。开环性能只是为了帮助理解本发明。图8用时间曲线说明按照本发明的保护电路的一般的闭环性能，即当电位V2控制输入信号的减少或限制时的性能。作为时间函数的输出功率，作为时间函数的输出晶体管的温度，和作为时间函数的电位V2在图7和图8的3个曲线中示出了。P1是最大允许连续输出功率，T1是输出晶体管的最大允许结温。

在功率放大器的输出功率远低于其额定值的情况下，输出晶体管也停留在远低于其限制温度的温度。当信号电平被瞬时增加时，功率损耗也将同时增加，但是输出晶体管中的温度将缓慢增加，并且在一个无限长的时间间隔之后，温度将稳定在由热阻和环境温度确定的结温。这个过程如图7所示。

在数学上对于输出功率阶跃变化的温度响应由式4给出(·代表乘)： $T\left(t\right)=P\·R_{\mathrm{th}}+T_a-(P\·R_{\mathrm{th}}+T_a-T_o)e^{-t/(m\·h{\·R}_{\mathrm{th}})}$ 式4

其中P是在阶跃(W)之后的功率损耗，R_th是特定晶体管和特定散热器的热阻(K/W)，T_a是环境温度，被认为是常数(K)，T₀是初始温度(K)，m是特定晶体管和特定散热器的质量(kg)，h是热容量(J/(K.kg))。

式4来源于式5给出的一阶微分方程(·代表乘)。 $T\left(t\right)=T_0+\underset{o}{\overset{t}{\∫}}(\frac{P}{m\·h}-\frac{T\left(t_1\right)-T_a}{m\·h{\·R}_{\mathrm{th}}}){\mathrm{dt}}_1$ 式5

如果T_a被设置等于T₀，则该式类似于经过电阻由恒定电压充电的电容器的电位的形式。如果平均电平检测器的时间常数(RC)被设置等于“热时间常数”(m. h.R_th)，并且正确地选择从晶体管电流到电位V4的传递函数，则当输出功率等于最大允许连续输出功率P1时，电位V4将等于参考电压，如图4所示。

如图8所示，当电位V2控制输入信号的减少或限制时，当输出功率经历一个超过最大允许连续输出功率电平的阶跃值时，输出功率将在一个短的时间间隔内有一个峰值。然后，输出功率缓慢地接近最大允许连续输出功率P1。与此同时，输出晶体管的结温将缓慢地接近最大允许结温。

由图8可见，输出功率的第一峰值最初不受影响，但是随着V2的增加，输出功率被减少，因而，输出晶体管的温度缓慢地接近其极限。当输出功率低时，温度也保持低。第二输出幅值太短，不能使V2增加到超过-V_cc的值，并且温度停留在限制值以下。在第三峰值之前，输出功率在一段时间内已经接近允许连续电平，输出晶体管的温度也是如此。此时，即使第三个峰值是短的，也能使V2上升超过-V_cc，从而减少输出功率。

应当理解，包括保护电路的反馈环可以使用数字技术来实现。在这种情况下，电位V5借助于模数转换器被转换为数字值，然后，利用数字计算装置计算输出晶体管的温度。

此外，本发明第一和第二实施例的可变限制器26和可变增益放大器36也可以利用数字技术通过数字信号处理器DSP来实现。

此外，应当理解，可以使用若干已有的***来控制用于控制输入信号的装置，其具有基本上跟随晶体管的温度的产生的控制信号和作为输入信号的预定的门限值。

按照本发明的功率放大器电路的优点在于，输出晶体管的输出功率容量可以被充分地利用。按照本发明的功率放大器电路的另一个优点在于，它们的制造成本低，并且体积小。按照本发明的功率放大器电路的另一个优点在于，它们只要求电源具有恒定的电位。按照本发明的用于控制功率放大器电路中晶体管温度的方法的优点在于，输出晶体管的输出功率容量能够被充分地利用。

Claims (15)

1一种功率放大器电路(20；30)，包括：

用于接收输入信号的输入端和用于提供输出信号的输出端；以及

用于放大输入信号从而提供输出信号的至少一个晶体管(21，21；31，32；61，62，63，64)；以及

用于控制在输入端接收的输入信号的装置(26；36)；其特征在于，所述电路还包括：

用于产生控制信号的装置(40)，所述控制信号至少在所选择的温度范围内基本上跟随至少一个晶体管的温度；以及

所述用于控制输入信号的装置这样控制输入信号，使得阻止控制信号超过预定的电平，所述电平相应于至少一个晶体管的预定温度，该温度等于或小于至少一个晶体管的特定的最大温度。

2如权利要求1所述的功率放大器电路，其中所述选择所温度范围包括至少一个晶体管的特定最大温度。

3如权利要求1或2任何一个所述的功率放大器电路，其中用于产生控制信号的装置包括用于测量提供给至少一个晶体管的功率的装置。

4如权利要求3所述的功率放大器电路，其中用于测量提供的功率的装置包括这样连接的电阻，使得通过电阻的电流和电阻上的电压相乘的结果相应于提供给所述至少一个晶体管的功率。

5如前面任何一个权利要求所述的功率放大器电路，其中用于产生控制信号的装置包括具有RC电路的平均电平检测器。

6如前面任何一个权利要求所述的功率放大器电路，其中用于产生控制信号的装置包括数字信号处理器，DSP。

7如前面任何一个权利要求所述的功率放大器电路，其中用于控制输入信号的装置通过对信号进行衰减或限制来控制输入信号。

8如前面任何一个权利要求所述的功率放大器电路，其中用于控制输入信号的装置包括具有被控制信号控制的可调增益的放大器。

9如权利要求1到7任何一个所述的功率放大器电路，其中用于控制输入信号的装置包括具有可变的门限电平的限制器，用于限制输入信号，其被所述控制信号控制。

10一种用于控制功率放大器电路中的晶体管的温度的方法，所述放大器电路具有用于接收输入信号的输入端和用于提供输出信号的输出端，所述方法包括以下步骤：

测量对所述晶体管提供的功率；

通过使用测量的对晶体管提供的功率，产生至少在选择的温度范围内基本上跟随晶体管温度的控制信号；

控制输入信号，以便阻止控制信号超过预定电平，所述预定电平相应于晶体管的一个温度，所述温度等于或小于该晶体管的特定的最大温度。

11如权利要求10所述的方法，其中选择的温度范围包括晶体管的特定最大温度。

12如权利要求10或11任何一个所述的方法，其中产生控制信号的步骤包括检测所述测量的供给的功率的步骤。

13如权利要求10到12任何一个所述的方法，其中控制输入信号的步骤包括对输入信号进行衰减或限制的步骤。

14如权利要求10到13任何一个所述的方法，其中控制输入信号的步骤包括调整和输入信号相连的放大器的增益的步骤。

15如权利要求10到13任何一个所述的方法，其中控制输入信号的步骤包括设置和输入信号相连的可变限制器电路的门限值的步骤。

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