一种前馈放大电路、音频放大器和音频播放装置的制作方法

1.本公开涉及前馈放大电路领域，具体而言，涉及一种前馈放大电路、音频放大器和音频播放装置。


背景技术：

2.目前的前馈放大电路，当进行电路组件参数选择时，需要考虑对主放大器开环频幅特性以及反馈回路的影响，使得电路组件参数的确定过程较为繁琐、选择的目标电路组件可能成本较高、且最终生成的前馈放大电路结构较为复杂。


技术实现要素：

3.本公开提供一种前馈放大电路、音频放大器和音频播放装置，通过摆脱对主放大器的开环频幅特性和反馈回路的依赖，简化电路结构和组件参数选择，并节省成本。
4.本公开提供了一种前馈放大电路，包括：主放大器电路、加法器电路、副放大器电路和减法器电路；所述主放大器电路对第一输入信号增加失真输出失真信号，并将所述失真信号输入所述加法器电路和所述减法器电路进行前馈矫正；所述副放大器电路对第二输入信号进行放大，并作为所述减法器的正输入，以使所述减法器输出的信号增益等于所述主放大器的信号增益；所述减法器电路将所述失真信号作为负输入，对所述失真信号进行反向放大后，进行前馈；加法器电路将所述主放大器电路输出的失真信号与所述减法器输出的反向放大后的失真信号进行叠加，输出无失真信号。
5.可选地，所述主放大器电路包括主放大器、阻抗z1和第一反馈阻抗，所述第一反馈阻抗包括阻抗r和阻抗r；所述第一输入信号从所述主放大器的正极输入端进入，所述主放大器输出端与所述阻抗z1的一端相连接，所述阻抗z1的另一端与所述阻抗r的一端相连接，所述阻抗r的另一端分别与所述阻抗r的一端以及所述主放大器的负极输入端相连接，所述阻抗r的另一端接地。
6.可选地，所述副放大器电路包括副放大器和第二反馈阻抗，所述第二反馈阻抗包括阻抗r和阻抗r；所述第二输入信号从所述副放大器的正极输入端进入，所述副放大器输出端分别与所述减法器以及所述阻抗r的一端相连接，所述阻抗r的另一端分别与所述阻抗r的一端以及所述副放大器的负极输入端相连接，所述阻抗r的另一端接地。
7.可选地，所述减法器电路包括减法器和第三反馈阻抗，所述第三反馈阻抗包括阻抗r2和阻抗r1；所述减法器的正极输入端与所述副放大器电路中的副放大器的输出端相连接，所述减法器的负极输入端与所述阻抗r1的一端以及所述阻抗r2的一端相连接，所述阻抗r1的另一端与所述主放大器电路相连接，所述阻抗r2的另一端与所述减法器的输出端相连接。可选地，所述加法器电路包括阻抗z1、阻抗z2和阻抗z3；所述阻抗z1的一端分别与所述主放大器电路中的主放大器的输出端以及所述减法器电路中的阻抗r1的另一端相连接，所述阻抗z1的另一端分别与所述阻抗z2的一端以及所述主放大器阻抗r中的一端相连接，所述阻抗z2的另一端分别与输出端以及所述阻抗z3的一端相连接，所述阻抗z3的另一端与
所述减法器电路中的减法器输出端相连接。
8.可选地，所述主放大器电路的第一反馈阻抗和所述副放大电路的第二反馈阻抗的放大倍数一致或同比例。
9.可选地，所述减法器电路中的减法器对无失真信号的放大倍数为1，而对所述阻抗z1和所述主放大器电路中主放大器的输出端之间的点失真的放大倍数为-(r2/r1)。
10.可选地，所述加法器电路中的阻抗满足以下关系：(r2/r1)(z1 z2)＝z3
11.可选地，还包括输入端和输出端，所述输入端配置成提供所述输入信号，所述输出端输出无失真信号。
12.可选地，若阻抗z1的阻值为0，则所述主放大器电路、所述副放大器电路、所述减法器电路和所述加法器电路各自分立。
13.可选地，还包括放大器等效电路配置成等效替代所述主放大器电路和所述副放大器电路。
14.可选地，所述放大器等效电路包括放大器、阻抗r1、阻抗r2和阻抗r3。
15.可选地，所述放大器的正极输入端接收第一输入信号，所述放大器的负极输入端分别与所述阻抗r1的一端、所述阻抗r2的一端以及所述阻抗r3的一端相连接，所述阻抗r1的另一端接入第二输入信号，所述阻抗r2的另一端与所述放大器的输出端相连接，所述阻抗r3的另一端接地。
16.本公开还提供一种音频放大器，包括如上所述的前馈放大电路。
17.本公开还提供一种音频播放装置，包括如上所述的音频放大器，还包括与所述音频放大器相连接的处理芯片和播放组件。
18.本公开提供的一种前馈放大电路、音频放大器和音频播放装置具有如下有益效果。
19.主放大器和副放大器的输入一致，副放大器输出信号和从主放大器输出的负输入信号经减法器后输出，再经过加法器电路与主放大器输出合成总输出信号，对主放大器负反馈的依赖小。另外，等效阻抗位于主放大器反馈的环内和环外，减法器负输入端从环内阻抗和主放大器输出之间取样，减法器输出端连接的阻抗和环外阻抗组成加法电路；主放大器反馈的环外与环内的等效阻抗的比值等于减法器反向放大倍数，当减法器输出与总输出端无失真信号的电平一样时，阻抗z3没有无失真信号的压差，即阻抗z3没有无失真电流流过，即减法器输出端不输出无失真电流，实现减法器不分流。此外，加法器、副放大器及减法器的阻抗仅用电阻即可，实现失真抑制和副电路不大量分流的效果。本公开提供的音频放大器、音频播放装置相对于现有技术的有益效果与上述的前馈放大电路相对于现有技术的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
20.为了更清楚地说明本公开的技术方案，下面将对其中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本公开的某些实现方式，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
21.图1为一种传统的无前馈音频放大器的电路结构图。
22.图2为一种传统的前馈放大器的电路结构图。
23.图3为本公开提供的一种前馈放大器的电路结构图。
24.图4为本公开提供的一种前馈放大器的电路结构示意图。
25.图5为本公开提供的一种等效替换电路的电路结构图。
26.图6为本公开提供的另一种等效替换电路的电路结构图。
27.图标：1-第一电路结构；2-第二电路结构。
具体实施方式
28.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开中的附图，对本公开中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本公开的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
30.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
31.下面结合附图，对本公开的具体实施方式进行详细说明。
32.图1为无前馈的音频放大器常见结构，输出级的失真大多可由大环路负反馈消除。对于小功率放大器，一颗性能较好的运算放大器的反馈量即可把1khz以下的失真降到很低的水平，能够达到应用要求；但随着频率上升，其开环倍数快速降低，反馈量因而快速减少，失真会上升；且对于大功率放大器，输出级在乙类或甲乙类状态大功率输出时会产生巨大失真以致低频失真也无法被降到低水平，因此此种无前馈的音频放大器的应用效果较为一般。
33.图2在上述图1所示的放大器基础上添加了前馈电路，还增加了阻抗1、阻抗2和副输出级，该结构最早于上世纪70、80年代进行应用。前馈电路结构可提供更多的失真抑制量，因其不随频率升高而失真抑制效果下降，故被着重用于补足高频时负反馈量衰减带来的失真抑制量的衰减。其中，该副输出级可以省略也可以为一个独立的放大器。
34.其失真抑制原理为：输出级输出点的失真经过反馈回路(反馈回路1和反馈回路2)和输入及放大级后变为相位和幅值与前述路径相关的信号并由副输出级输出，然后两个输出级的输出信号经过根据前述路径选定的阻抗1和阻抗2形成的加法电路后可在输出点得到失真被抑制的信号，理想情况下可完全消除失真。
35.根据上述的现有前馈原理，由于对主放大器的开环频幅特性以及反馈回路的依
赖，在实践时主要会出现如下几个缺点：
36.1.因为加法器电路的阻抗1和阻抗2与反馈取点到输入及输出级的输出点的路径的参数直接相关，故路径的频幅特性曲线应尽可能直或有规律，以方便阻抗1和阻抗2的选取。假设输入及放大级是一个开环倍数非常大的运算放大器，为得到较直的频幅特性线，反馈回路可以是电阻和一个密勒电容，取值合适的情况下，频幅特性为电容阻抗与电阻之比，因阻抗1与输出级直接相接，故要承受非常大的电流且不能有大失真，因而其选择基本局限在电阻和电感，若选择阻抗1为电阻则阻抗2最好是纯电容，但这要求副输出级有很好的带容性负载能力，这就让副输出级结构更复杂，或者阻抗2选为相互串联的小电阻和电容，而这会影响加法器电路与路径的匹配，需要在反馈路径加以补偿；若选择阻抗1为电感，则阻抗2应选为电阻，但电感必定有在这种情况下不可忽视的寄生电阻，这要求阻抗2要串有电容以与寄生电阻对应，且常用电感为纯铜，寄生电阻有很大的温度系数，而靠选取有相应温度系数的电容去补偿不实际，因为电感发热而电容受热，温度变化难以预测，且电容应为高性能电容不会有如此大的温度系数，故电感需要串以比寄生电阻阻值大一数量级的电阻来减弱寄生电阻温漂的影响。可见即使输入输出级为较贴近理想情况的开环倍数很大的运算放大器，阻抗的选择仍有诸多问题；而现实情况下阻抗尤其是电容和电感的大误差直接限制了失真抑制的力度。
37.2.上述为输入放大级为较理想运算放大器的情况，当该级用的是自己设计的分立电路，频幅特性线很可能弯弯曲曲，要获得较直的频幅特性线，密勒电容要够大，这会牺牲很大的反馈量，得不偿失。上述为使用一个密勒电容进行单极点补偿的情况，若想榨取更多的反馈量，需要采用双极点补偿，为了对应双极点补偿产生的弯曲的频幅特性线，加法器电路将会更加复杂。
38.3.根据原理，输出级输出点的失真会被放大很大的倍数，若失真很大比如削波，即使是轻微的削波也会让前馈不能正常工作。若设计的路径的放大倍数很小，比如密勒电容用不太大的电阻代替，这样可让较大的失真也能被纠正，还可以获得音频范围内都较平直的频幅特性线，使得加法器电路仅需两个电阻就能起失真抑制的效果，但这样牺牲了巨大的反馈量，得不偿失。
39.4.副输出级也要提供电流给负载，分流比是阻抗比也就是上述路径的放大倍数，当负载很大电流也大时，因副输出级的输出电流为失真电流加上分流电流，对其电流输出能力和规模有一定要求。
40.5.现有方式对负反馈非常依赖，因此对反馈量有较高要求。
41.6.现有方式需要可以从输出级前面取点，对于一个整体的放大器芯片若不多加一个输入放大级并将放大器芯片用反馈环包在其中则不能应用。
42.基于此，本公开提供了一种前馈放大电路、音频放大器和音频播放装置，通过摆脱对主放大器的开环频幅特性和反馈回路的依赖，能够简化电路结构和组件参数选择，并节省成本。
43.参照图3，本公开提供了一种前馈放大电路，其组成部分包括：主放大器电路、加法器电路、副放大器电路和减法器电路；需要说明的是，本公开中的阻抗不限定于电阻，可以是合适的电感、电容、电阻或其组合。而本公开假定电路结构中阻抗均是电阻，且放大器的开环放大倍数很大，以此来进行说明。示例性地，若阻抗可全部采用电阻，成本较低、精度
高、稳定和可选取数值较多。
44.主放大器电路对第一输入信号增加失真输出失真信号，并将失真信号输入加法器电路和减法器电路进行前馈矫正；副放大器电路对第二输入信号进行放大，并作为减法器电路的正输入，以使减法器输出的信号增益等于主放大器的信号增益；减法器电路将失真信号作为负输入，对失真信号进行反向放大后，进行前馈；加法器电路将主放大器电路输出的失真信号与减法器输出的反向放大后的失真信号进行叠加，输出无失真信号。在实际应用中，可选地，主放大器电路输出失真信号后并进行前馈，同时该失真信号与副放大器电路对输入信号放大增益后的信号共同输入减法器电路中，减法器对该失真信号进行反向放大，并进行前馈，主放大器前馈的失真信号与被减法器反向放大并被前馈而得到的信号进行叠加，输出无失真状态的信号。可选地，该无失真信号可包括第一输入信号、第二输入信号或第一输入信号和第二输入信号。本公开采用了独立的前馈电路进行信号和失真的放大，对主放大器电路的依赖大大减少，不需要直的有规律的频幅特性线以方便加法器电路中器件参数的匹配，主放大器不需要牺牲过多反馈量，甚至可以用双极点补偿进一步加大反馈量来提高性能；此外，不需要在主放大器的输出级和放大级之间取点以引出接加法器，使得电路更加灵活、适用范围更广。
45.副放大器的信号增益效果使得主放大器信号增益与减法器的信号增益相同。其中，主放大器电路的输出和减法器电路的输出间是存在失真电压差的。本公开中的副放大器电路能够使得主放大器电路的输出和减法器电路的输出间不具有信号电压差，即阻抗z3两端无信号电压差。如果两者之间存在电压差，就会使副放大器电路也变成负载。
46.在前述实施例的基础上，副放大器增益也可高于或低于主放大器输出的增益，在后面电路中，再经过衰减或放大至主放大器输出的增益。
47.可选地，在本实施例中，还包括输入端和输出端，输入端配置成提供输入信号，输出端输出无失真信号。
48.其中，主放大器电路包括主放大器、阻抗z1、第一反馈阻抗，第一反馈阻抗包括阻抗r和阻抗r；第一输入信号从主放大器的正极输入端进入，主放大器输出端与阻抗z1的一端相连接，阻抗z1的另一端与阻抗r的一端相连接，阻抗r的另一端分别与阻抗r的一端以及主放大器的负极输入端相连接，阻抗r的另一端接地。可以理解的是，主放大器电路包括的第一反馈阻抗，由阻抗r和阻抗r构成，阻抗r和阻抗r构成分压电路。
49.主放大器的开环可以是低开环放大倍数，这时阻抗的取值需对应变化以实现减法器不分流。
50.示例性地，副放大器电路包括副放大器和第二反馈阻抗，第二反馈阻抗包括阻抗r和阻抗r；第二输入信号从副放大器的正极输入端进入，副放大器输出端分别与减法器以及阻抗r的一端相连接，阻抗r的另一端分别与阻抗r的一端以及副放大器的负极输入端相连接，阻抗r的另一端接地。
51.可选地，减法器电路包括减法器和第三反馈阻抗，第三反馈阻抗包括阻抗r2和阻抗r1；减法器的正极输入端与副放大器电路中的副放大器的输出端相连接，减法器的负极输入端与阻抗r1的一端以及阻抗r2的一端相连接，阻抗r1的另一端与主放大器电路相连接，阻抗r2的另一端与减法器的输出端相连接。
52.其中，减法器理论上只输出或吸收失真电流，不需要给负载提供电流，故其电流输
出能力要求较小。在主放大器的开环倍数很大且阻抗z2大于阻抗z1的情况下，失真电流约等于如图1所示中没有前馈时主放大器输出端的失真电压除以z2。又因为减法器不需要分流，故反向放大倍数和z3不需要取大值，故即使主放大电路失真较大，经过放大也仍可正常前馈，在主放大器有不严重的削波时也可进行失真抑制。
53.可选地，加法器电路包括阻抗z1、阻抗z2和阻抗z3；阻抗z1的一端分别与主放大器电路中的主放大器的输出端以及减法器电路中的阻抗r1的另一端相连接，阻抗z1的另一端分别与阻抗z2的一端以及主放大器阻抗r中的一端相连接，阻抗z2的另一端分别与输出端以及阻抗z3的一端相连接，阻抗z3的另一端与减法器电路中的减法器输出端相连接。
54.可选地，主放大器电路的第一反馈阻抗和副放大电路的第二反馈阻抗的放大倍数一致或同比例。其中，主放大器还可以是反向放大，相应的，副放大器应改成反向放大。
55.示例性地，减法器电路中的减法器对无失真信号的放大倍数为1，而对阻抗z1和主放大器电路中主放大器的输出端之间的点失真的放大倍数为-(r2/r1)。加法器电路中的阻抗z1～z3满足以下关系：(r2/r1)
×
(z1 z2)＝z3,；此外，加法器电路中的阻抗还可包括以下关系：z2/z1＝r2/r1，其中，阻抗z1和阻抗z2因为要承受很大电流，故一般取较小的阻抗值。
56.其中，当仅满足(r2/r1)
×
(z1 z2)＝z3，而不满足z2/z1＝r2/r1时，仍有很好的失真矫正效果，但副输出级将参与分流。
57.本公开因对主放大器的反馈依赖大大减小，阻抗也不用严格根据主放大器的性质进行取值，对开环放大倍数大的主放大器，只需要知道其闭环放大倍数即可，减法器的反向放大倍数可自行设定，加法器电路的取值也是前文所述的简单关系。
58.当阻抗满足上面的关系且假设副放大器及减法器均对输入信号无失真，主放大器输出端的失真信号经过减法器的反相放大以及加法器进行正负对消后，输出点无失真；又假设主放大器输出电流为i，输入为u，负反馈取点处无失真信号为u，则z1的压降为i
×
z1，z2的压降为i
×
z2即i
×
(r2/r1)
×
z1，故输出的信号为(u-i
×
(r2/r1)
×
z1)，z1的压降经过减法器反向(r2/r1)倍放大，则减法器的输出无失真信号为(u-i
×
(r2/r1)
×
z1)，与输出点相同，故减法器不输出无失真信号的电流或者说不带载。
59.可选地，若阻抗z1的阻值为0，则主放大器电路、副放大器电路、减法器电路和加法器电路各自分立，减法器取点实际上在主放大器环外，对主放大器的负反馈没依赖性。
60.当z1为0且(r2/r1)z2＝z3时，仍有很好的失真矫正效果且完全不依赖主放大器的负反馈，故可单独对输出级进行失真矫正后再加上负反馈环路。
61.在本公开中，如图4所示，可将前馈放大电路划分成两个部分，包括第一电路结构1和第二电路结构2。
62.可选地，可将第一电路结构1与图5中所示电路结构，进行等效替换，此时阻抗有如下关系，(r1/(r1 r2))
×
z＝z1，(r2/(r1 r2))
×
z＝z2，r＝r1//r2，其中r1//r2表征阻抗r1与阻抗r2相并联的值。
63.可选地，还可将第一电路结构2与图6中所示的放大器等效电路，进行替换。其中，放大器等效电路配置成等效替代主放大器电路和副放大器电路。放大器等效电路包括放大器、阻抗r1、阻抗r2和阻抗r3。放大器的正极输入端接收第一输入信号，放大器的负极输入端分别与阻抗r1的一端、阻抗r2的一端以及阻抗r3的一端相连接，阻抗r1的另一端接入第
二输入信号，阻抗r2的另一端与放大器的输出端相连接，阻抗r3的另一端接地。此时，副放大器中阻抗有如下关系，r＝r2，r＝r1//r3。
64.可选的，副放大器或减法器还可用等效的并联方式达到相应的等效替代效果。
65.可选的，主放大器、副放大器均可采用反相输入或差分输入。
66.本公开还提供一种音频放大器，包括如上所述的前馈放大电路，应用于音频放大技术领域中，与前述前馈放大电路解决相同的技术问题，实现相同的技术效果，在此不再赘述。
67.本公开还提供一种音频播放装置，包括如上所述的音频放大器，还包括与所述音频放大器相连接的处理芯片和播放组件。处理芯片发出控制信号，控制音频信号经过音频放大器后，无失真输出，再通过播放组件进行播放，实现音频播放的无失真效果。
68.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本公开的具体实施方式，用以说明本公开的技术方案，而非对其限制，本公开的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
69.工业实用性
70.本公开的前馈放大电路包括主放大器电路、加法器电路、副放大器电路和减法器电路，主放大器和副放大器的输入一致，副放大器输出信号和从主放大器输出的负输入信号经减法器后输出，再经过加法器电路与主放大器输出合成总输出信号，对主放大器负反馈的依赖小。