吉他放大器的制造方法
【專利摘要】為吉他放大器提供的裝置和方法。在一個實(shí)施例中，放大器包括過載整形電路，包括對接收的信號的諧波整形的一個或多個元件。所述放大器還可以包括功率放大器電路，被配置為從所述過載整形電路接收所述諧波整形信號，其中所述功率放大器電路包括開關(guān)模式放大器以放大所述諧波整形信號，包括一個或多個元件以增加所述開關(guān)模式放大器的輸出阻抗。所述放大器的輸出端可以輸出具有理想的諧波整形和動態(tài)響應(yīng)的信號。
【專利說明】吉他放大器
[0001]相關(guān)申請交叉引用
[0002]本專利申請主張2011年11月29日提交的美國臨時申請?zhí)?1/564，452以及2012年5月29日提交的美國臨時申請?zhí)?3/482,886的優(yōu)先權(quán)，申請的內(nèi)容通過引用整體并入此文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及放大器裝置及方法，且尤其涉及樂器放大器以及，特別是吉他放大器。

【背景技術(shù)】
[0004]電吉他和伴隨之放大器是在真空管放大時期發(fā)展起來的，因此，吉他拾音器和當(dāng)時的電流放大器的設(shè)計(jì)被經(jīng)驗(yàn)性地優(yōu)化以很好地協(xié)同工作。特別是，吉他拾音器繞有許多匝細(xì)金屬絲，以便產(chǎn)生一高信號電壓，這將最大限度地減少所需的真空管放大器級的數(shù)量。該線圈具有高電感，因此需要一個高輸入阻抗以避免高頻損失。真空管天生就具有高輸入阻抗，因此與該拾音器配合能有良好的表現(xiàn)。簡易的真空管放大器的輸出阻抗天生地也很高，這有助于克服在所述揚(yáng)聲器線圈中的串聯(lián)電感的影響，特別是在開環(huán)設(shè)計(jì)中被經(jīng)常使用以降低成本。這增大了由揚(yáng)聲器再現(xiàn)的有效帶寬。盡管早期的放大器缺乏成熟的音色控制，但這兩種效果的結(jié)合的結(jié)果產(chǎn)生了理想的溫暖而生動的聲音，且具有自然增強(qiáng)的諧波。
[0005]早期的放大器設(shè)計(jì)人員無法確定可獲得的各種類型的吉他將會產(chǎn)生多大電壓，于是在每個管級添加大幅度增益。因此，就早期的放大器而言對更大增益的需求大于對不失真工作的需求是很常見的。吉他手們憑借經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種“過度增益”可被用來在聲音上增加額外的響度、延音和諧波，通過故意驅(qū)動他們的放大器進(jìn)入削波狀態(tài)。對這種“過載”的利用已經(jīng)成為與電吉他相關(guān)聯(lián)的音色范圍的很大一部分，尤其是當(dāng)其用于高能量音樂。
[0006]雖然對于演奏電吉他，管電路設(shè)計(jì)的某些細(xì)節(jié)憑借經(jīng)驗(yàn)被優(yōu)化，但是對于作為一般用作音頻再現(xiàn)的放大管，其被證明在吉他放大器中具有音樂意義上有價值的性能主要是出于偶然。因此，某些對于管放大器而言，典型的動態(tài)特性被納入到傳統(tǒng)的電吉他表演中被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，而并沒有被放大器設(shè)計(jì)人員所熟知。當(dāng)業(yè)界因?yàn)槌杀?、效率、減輕重量和組件壽命這些眾所周知的原因而開始轉(zhuǎn)向固態(tài)放大器時，更多苛刻的音樂家對于表演結(jié)果不能感到滿意，因?yàn)楣芊糯笃鞯膭討B(tài)特性消失了。因此，挑剔的音樂人仍舊喜歡管放大器所具有的更好的音色和動態(tài)的“感覺”，盡管真空管具有被眾人熟知的高成本、重量、脆弱以及越來越難以獲得這些缺點(diǎn)。
[0007]固態(tài)放大器遭受的一些首要缺點(diǎn)已被認(rèn)識到并部分糾正。一個顯而易見的問題是，典型的雙極型晶體管本身是低阻抗器件，無法與高阻抗拾音器有很好的配合。低功率場效應(yīng)晶體管輸入器件的發(fā)展，特別是，基于場效應(yīng)晶體管運(yùn)算放大器的發(fā)展，可以為固態(tài)放大器提供所述高輸入阻抗，使得吉他的拾音器發(fā)展為在其全頻率范圍內(nèi)?，F(xiàn)在還通常提供用于可控過載削波的裝置，有時具有柔性削波拐點(diǎn)，因此，允許音樂家從未失真或從“清音”范圍，以其音量設(shè)置及演奏音頭的功能，轉(zhuǎn)換到過載。即使具有可控過載削波，固態(tài)放大器仍被認(rèn)為是冷的并且尖利的。作為回應(yīng)，各種控件已被添加到傳統(tǒng)的放大器中以擴(kuò)展音色的可能性并添加特殊效果。例如，一些設(shè)備已經(jīng)加入音頻變壓器(如管放大器中需要的)，或在固態(tài)放大器的前置放大器部分加入小信號管，并相信附加部分將會提供所缺失的傳統(tǒng)管放大器的溫暖和音質(zhì)。然而，即使有這些不理想的并發(fā)癥，固態(tài)放大器仍然被認(rèn)為是相對冷的、反應(yīng)遲鈍的以及發(fā)聲不自然的，相較于有溫暖、生動、自然“感覺”的精心設(shè)計(jì)的管放大器而言。
[0008]最近，主要努力方面在于運(yùn)用數(shù)字信號處理(DSP)的力量重現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)固態(tài)放大器所缺失的管放大器的動態(tài)和音色。業(yè)內(nèi)人士提供了“模擬放大器”旨在重現(xiàn)通常與備受推崇的管放大器相關(guān)的各種“標(biāo)準(zhǔn)音色”的聲音。人們普遍認(rèn)為，這種方案對于某些確定的演奏風(fēng)格和響度級比較成功，但仍然無法重現(xiàn)原放大器的實(shí)際動態(tài)特性，因此，缺乏所期望的“感覺”與藝術(shù)上的滿意度。此外，由于實(shí)際原因，這樣的方案通常是被納入到其他傳統(tǒng)的固態(tài)放大器中，它仍然遭受著之前提到的音質(zhì)冷和尖利的問題。類似地，嘗試以不同的比例施加電流和電壓反饋到一個標(biāo)準(zhǔn)的線性放大器，從而提供更高的輸出阻抗以增強(qiáng)揚(yáng)聲器的聲音，仍可能導(dǎo)致削波，即不希望的刺耳的聲音，且該放大器并沒有與如上描述的與其他期望的處理有利地結(jié)合。最常見并在商業(yè)支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出向揚(yáng)聲器提供低阻抗電壓源，且具有上述提到的音色的缺點(diǎn)。
[0009]因此，存在需要對放大器及其方法進(jìn)行改進(jìn)，使其具有改進(jìn)的諧波響應(yīng)，并且克服之前所述的一個或多個缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明在此公開并要求保護(hù)的是用于放大信號的設(shè)備和方法。在一個實(shí)施例中，放大器被配置為接收信號的輸入端，以及與所述輸入端電連接且配置為接收所述輸入信號的過載整形電路，所述過載整形電路包括對所述信號諧波整形的一個或多個元件。所述放大器還包括與所述過載整形電路電連接的功率放大器電路，所述功率放大器電路被配置為從所述過載整形電路接收諧波整形信號，其中所述功率放大器電路包括開關(guān)模式放大器以放大所述諧波整形信號，并且包括增加所述開關(guān)模式放大器的輸出阻抗的裝置。所述放大器還包括與所述功率放大器電路連接的輸出端，所述輸出端被配置為通過所述開關(guān)模式放大器輸出被放大的信號。
[0011]在另一個實(shí)施方式中，吉他放大器提供了包括被配置為接收信號的輸入端，以及與所述輸入端電連接且配置為接收所述輸入信號的過載整形電路，所述過載整形電路包括柔性削波元件、下降控制器、過零處理器和偶次諧波發(fā)生器對所述信號諧波整形。所述吉他放大器還包括與所述過載整形電路電連接的功率放大器電路，所述功率放大器電路被配置為從所述過載整形電路接收諧波整形信號，其中所述功率放大器電路包括開關(guān)模式放大器對所述諧波整形信號放大，并且包括一個或多個元件以增加所述開關(guān)模式放大器的所述輸出阻抗。所述吉他放大器還包括與所述功率放大器電路連接的輸出端，所述輸出端被配置為輸出通過所述開關(guān)模式放大器放大的信號。
[0012]鑒于實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，其他方面、特征和技術(shù)對于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員而H將是顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]特征、目的和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將通過以下列出的與附圖結(jié)合的詳細(xì)描述變得更加清晰，相同的參考字符相應(yīng)地標(biāo)識在整組附圖中，其中:
[0014]圖1所示是根據(jù)一個或多個實(shí)施例的放大器的簡化框圖；
[0015]圖2所示是根據(jù)一個或多個實(shí)施例的吉他放大器；
[0016]圖3所示是根據(jù)一個或多個實(shí)施例的前置放大器組件的簡化框圖；以及
[0017]圖4所示是根據(jù)一個或多個實(shí)施例的放大信號的過程。
具體實(shí)施例
[0018]概沭以及術(shù)語
[0019]本發(fā)明的一個方面涉及提供一種放大器，具有改進(jìn)的諧波響應(yīng)。提供一種裝置和方法，通過一個或多個電路元件放大聲音信號，其中，所述一個或多個電路元件呈現(xiàn)出的與備受推崇的管放大器關(guān)聯(lián)的動態(tài)特性和特征。根據(jù)一實(shí)施例，在此描述的放大器和方法提供了與管放大器相關(guān)聯(lián)所述動態(tài)特性，而無需依賴于真空管。相對于傳統(tǒng)的固態(tài)放大器，根據(jù)在此描述的一個或多個實(shí)施例，放大器可以驅(qū)動揚(yáng)聲器自由地產(chǎn)生共鳴，并且所述放大器可以在高頻率下克服感應(yīng)輸入的影響。
[0020]本公開的一實(shí)施方式涉及一種放大器，具有與原始管放大器相同的理想的動態(tài)特性，且具有附加特征包括增強(qiáng)的可控性、更高的輸出功率、更輕的重量和更小的箱體尺寸?；诜糯笃靼ǖ凸哪M電路，所述電路是以與典型的管放大器類似的方式被控制，以及高效率的功率電路，如開關(guān)模式放大器，管放大器的動態(tài)特性可以被提供。通過舉例的方式，此處所描述的放大器可以被配置為提供一個或多個壓縮以提供更好的延音、動態(tài)特性、動態(tài)頻率響應(yīng)和失真。
[0021]本發(fā)明的另一個方面涉及提供良好控制的過載，具有從清音到過載的可預(yù)測的轉(zhuǎn)換，以及具有音樂上理想的過載諧波。在一個實(shí)施方案中，在此描述的放大器以及放大聲音的方法可以有利于提供如使用者希望的響亮和柔和水平的過載。另一個好處是可以增強(qiáng)在清音和過載區(qū)域的清晰度，在過載中對和弦結(jié)構(gòu)有較好保留。另一個好處是可提供具有通常與管放大器相關(guān)聯(lián)的具有溫暖音色的放大器。此外，這些理想的屬性可以由一個產(chǎn)品提供，這一產(chǎn)品具有的優(yōu)點(diǎn)是減小的尺寸和重量，而且增加了效率和元件的有效性。進(jìn)一步，在此所描述的放大器和方法可以輕易地與音頻效果和用戶控制結(jié)合起來，而不依賴于真空管技術(shù)。
[0022]如這里所使用的，術(shù)語“一”將意味著一個或多于一個。術(shù)語“多個”將意味著兩個或多于兩個。術(shù)語“另一”被定義為第二個或更多。術(shù)語“包括”和/或“具有”是開放式的(例如，包括)。這里所使用的術(shù)語“或”被理解成包含的或者意味著任一個或任意組合。因此，“A、B或C，，意味著“以下情況中的任一個:A ；B ；C ；A和B ;A和C ；B和C ;A、B和C”。該定義的例外僅在要素、功能、步驟或動作的組合在某些方式中固有地互相排斥時出現(xiàn)。
[0023]參考本文檔各處對“一個實(shí)施例”、“某些實(shí)施例”、“實(shí)施例”，或類似術(shù)語的引用意味著結(jié)合該實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特點(diǎn)被包含在本發(fā)明的至少一個實(shí)施例中。因此，這些短語在本說明書各處的出現(xiàn)不一定都指代同一實(shí)施例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特點(diǎn)可不受限制地以任何適當(dāng)方式結(jié)合到一個或多個實(shí)施例上。
[0024]根據(jù)計(jì)算機(jī)編程領(lǐng)域技術(shù)人員的實(shí)踐，在下面參考由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或相似電子系統(tǒng)執(zhí)行的操作來描述本發(fā)明。這些操作有時被稱為計(jì)算機(jī)運(yùn)行的。將理解，用符號表示的操作包括由諸如中央處理元件之類的處理器對代表數(shù)據(jù)比特的電信號進(jìn)行的操縱，以及對諸如系統(tǒng)存儲器之類的存儲場所處的數(shù)據(jù)比特的維護(hù)還有其他信號處理。數(shù)據(jù)比特被維護(hù)的存儲場所是具有與數(shù)據(jù)比特相對應(yīng)的特定電、磁、光或有機(jī)屬性的物理場所。
[0025]當(dāng)以軟件形式實(shí)現(xiàn)時，發(fā)明的要素本質(zhì)上是執(zhí)行必要任務(wù)的代碼段。代碼段可被存儲在包括任何可以存儲信息的介質(zhì)在內(nèi)的“處理器存儲介質(zhì)”中。處理器存儲介質(zhì)的示例包括電子電路、半導(dǎo)體存儲設(shè)備、只讀存儲器(ROM)、閃存或其他非易失性存儲器、軟盤、CD-ROM、光盤、硬盤、非臨時性存儲器等。
[0026]示例件實(shí)施方式
[0027]圖1所示是根據(jù)一個或多個實(shí)施例的放大器的簡化框圖。根據(jù)一實(shí)施方式，放大器100可提供改進(jìn)的諧波響應(yīng)，基于一個或多個過載處理部分、開關(guān)模式放大器和揚(yáng)聲器的熱保護(hù)。如圖1所示，放大器100包括輸入端105、過載整形元件110、功率放大器電路115、輸出端120和揚(yáng)聲器保護(hù)125。輸入端105可以是一個或多個端口(例如,立體聲插孔，XLR等)，用于接收一個或多個聲音通道。輸入端105可以被配置為接收來自樂器的信號，如吉他(例如，電吉他)或其他具有一個或多個拾音器的設(shè)備。過載整形元件110與輸入端110電連接，并被配置為接收輸入信號。
[0028]在上例中，輸出端120可以包括一個或多個驅(qū)動器(例如，揚(yáng)聲器)，包括但不限于內(nèi)置揚(yáng)聲器和外置揚(yáng)聲器，用于聲音的輸出。根據(jù)另一實(shí)施例，輸出端120可包括一個或多個端口(例如，立體聲插孔，XLR等)，用于將功率放大器電路115與一個或多個外部揚(yáng)聲器、電纜、聲音驅(qū)動器、揚(yáng)聲器組件或其它的裝置連接。在某些實(shí)施例中，放大器100可以包括可選音量控制元件130，這與圖3有關(guān)，并將在下面進(jìn)行更詳細(xì)地描述，還應(yīng)當(dāng)理解的是，輸出端120可提供多個輸出通道。
[0029]放大器100可被配置成展示備受推崇的管放大器的一個或多個屬性。備受推崇的管放大器的自然屬性在很大程度上取決于常用的推挽輸出部分的偶然屬性。例如，管放大器逐漸削波，使得與削波相關(guān)的增強(qiáng)的諧波逐漸發(fā)生，有利于降低泛音，為了更賞心悅目的音樂效果。另一個備受推崇的屬性是吉他管放大器的輸出阻抗相當(dāng)高，尤其是相對于典型的閉環(huán)電壓反饋放大器，使得進(jìn)入到實(shí)際感應(yīng)式揚(yáng)聲器的特性與進(jìn)入到常用的電阻性負(fù)載有很大不同，有更多的附加電壓過沖以及在揚(yáng)聲器阻抗很高的區(qū)域內(nèi)有額外的電壓擺動。管放大器的其它屬性包括:由于過載使得功率管的偏置點(diǎn)是動態(tài)變化的；削波信號峰值電壓在高輸出時稍許下降；以及削波的波形在嚴(yán)重過載的情況下偏離完美對稱，這是由于前置管級的非對稱削波。大多數(shù)這些效果/屬性將被傳統(tǒng)放大器的設(shè)計(jì)師視為缺陷被淘汰。然而，這些屬性都有助于吉他手理想的動態(tài)響應(yīng)。本發(fā)明的目標(biāo)即是模仿和產(chǎn)生管放大器的理想屬性，并將不理想的效果最小化，通過設(shè)計(jì)電路以受控的方式再現(xiàn)這些特性。在某些實(shí)施例中，放大器100可以是經(jīng)配置以模仿一特定管放大器的屬性，這被認(rèn)為是具有理想的響應(yīng)的，如在特定時間段內(nèi)由特定的公司制造的放大器。還應(yīng)當(dāng)理解的是，放大器100可經(jīng)配置以允許用戶選擇聲音的一個或多個特征和/或是管放大器的特別推崇的特征。
[0030]根據(jù)一個實(shí)施例，過載整形元件110可以包括被配置為提供理想的諧波整形和動態(tài)響應(yīng)的一個或多個元件。過載整形元件110可以是電路，包括多個元件，呈現(xiàn)出與受到廣泛推崇或是古老的管放大器相關(guān)聯(lián)的光滑并且溫暖的過載音色的一動態(tài)范圍。過載元件110可以包括一個或多個柔性削波元件、下降控制器、過零處理器以及偶次諧波發(fā)生器。過載元件110可以通過提供與管放大器相關(guān)聯(lián)的過載音色的動態(tài)范圍提供諧波整形。
[0031]功率放大器電路115與過載整形元件110電連接，并且被配置為從過載整形電路接收一諧波整形信號。功率放大器電路115可以包括開關(guān)模式放大器、PWM(脈沖寬度調(diào)制)放大器和D類放大器中的一種。開關(guān)模式放大器，如此處所使用的，使用所接收的輸入信號(例如，聲音信號)調(diào)制PWM載波信號以驅(qū)動輸出端。在開關(guān)模式放大器的工作過程中，放大器電路的開關(guān)是完全開啟或完全關(guān)閉的，且因此到輸出設(shè)備的功率損耗顯著降低。開關(guān)模式放大器的效率理論上可以達(dá)到100%。功率放大器電路115的開關(guān)模式放大器的效率可以高達(dá)90%。與此相反，線性放大器的固有的低效率通常是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于70%的效率。功率放大器電路115可以被配置有高輸出阻抗以改善揚(yáng)聲器的音色，并有充足的峰值功率來重現(xiàn)整形削波的諧波而不削波。
[0032]功率放大器電路115可以在揚(yáng)聲器阻抗較高的頻率附加地配置額外的電壓擺動。在根據(jù)一個實(shí)施例中，功率放大器電路115米用了一開關(guān)模式技術(shù)，以在所述揚(yáng)聲器阻抗較高的頻率提供額外的電壓擺動。典型的動態(tài)揚(yáng)聲器受益于達(dá)到6dB的額外電壓擺動以在阻抗峰值提供全功率，而管放大器提供3dB左右的該額外電壓，而線性固態(tài)放大器幾乎沒有。與此相反，開關(guān)模式放大器的優(yōu)點(diǎn)在于部分功率工作中只有少量的效率損失。例如，一個400瓦的開關(guān)模式放大器通?？商峁?00瓦，但可能有額外的余量以在高阻抗點(diǎn)提供100%的輸出電壓。使用線性放大器提供這種額外的電壓擺動是昂貴的，因?yàn)?00瓦的線性放大器在100瓦的部分功率工作時的固有損耗是“正常大小”100瓦的線性放大器在相同功率下工作的好幾倍。其中的一些同樣的損失通常發(fā)生在管放大器的設(shè)計(jì)中，由于其高內(nèi)阻，再加上與燈絲加熱相關(guān)的損失。通過舉例的方式，對每一種類型的放大器供給100瓦且具有在高阻抗處高達(dá)100% (6dB)的電壓擺動，其具有代表性的損失通常是:管設(shè)計(jì)，150-200瓦損失，線性固態(tài)管大約100瓦損失以及開關(guān)模式10-20瓦的損失。這些損失等同于浪費(fèi)熱量且必須被移除，在管放大器的情況下通過大型且通風(fēng)性能優(yōu)良的底盤移除廢熱，在線性固態(tài)放大器中使用專用的散熱器，但是在開關(guān)模式放大器中熱量消散可以相對容易，通過導(dǎo)熱外殼，例如壓縮鋁制底盤。
[0033]放大器100可被配置成提供和/或呈現(xiàn)出一種或多種理想的特征，如與管放大器相關(guān)聯(lián)的備受推崇的特征，基于過載整形元件110和功率放大器電路115的工作和配置。尤其是放大器100可經(jīng)配置以提供理想水平的音色、動態(tài)響應(yīng)以及溫暖，而傳統(tǒng)的固態(tài)放大器不曾提供這些。此外，放大器100的配置可克服傳統(tǒng)吉他放大器的一個或多個缺點(diǎn)，特別是真空管放大器。
[0034]經(jīng)典的管放大器，尤其是那些沒有全局反饋的“開環(huán)”設(shè)計(jì)，提供一電流源而非電壓源至揚(yáng)聲器。這使得揚(yáng)聲器的自然音色顯現(xiàn)的更強(qiáng)烈。市售的功率管具有充分的線性以及在開環(huán)設(shè)計(jì)中可預(yù)測它們都可以被小心地使用，并且可能會保留的適度的低位殘余失真，增加了理想的溫暖的音質(zhì)。另外，真空管和與其相關(guān)聯(lián)的耦合變壓器增加了相當(dāng)大的電阻與輸出信號串聯(lián)，這會降低效率，但是顯示了其在所述揚(yáng)聲器的高阻抗頻率處遞送額外電壓擺動的能力。
[0035]與此相反，功率晶體管具有非常低的飽和電阻，從而通過直接連接多個電源電壓至所述揚(yáng)聲器以提高效率。然而，傳統(tǒng)的功率晶體管產(chǎn)生生硬的和平頂削波，沒有進(jìn)一步的電壓擺動甚至進(jìn)入到無功負(fù)載。晶體管也很少是線性的，專為高保真或一般用途設(shè)計(jì)的放大器幾乎總是使用大量的電壓反饋以大大減少非線性誤差；其中也有呈現(xiàn)出低阻抗電壓源到揚(yáng)聲器的效果。呈現(xiàn)一低阻抗源到揚(yáng)聲器，通過一個放大器抑制揚(yáng)聲器的天然缺陷，并且因此，在一般情況下提高保真度，卻產(chǎn)生了吉他使用的純凈音質(zhì)。這樣的結(jié)果是不理想的。此外，專為吉他放大器設(shè)計(jì)的揚(yáng)聲器具有一定的音色屬性，以意圖使其成為聲音的一部分。連接該揚(yáng)聲器至低阻抗電壓源放大器往往會抑制其音色，并且糾正均衡聽起來做作。與此相反，一電流源放大器允許所述揚(yáng)聲器可以自由地產(chǎn)生共鳴，并且還克服了電感在高頻時的影響，從而產(chǎn)生了更豐富和更亮的聲音。
[0036]根據(jù)一實(shí)施例，功率放大器電路115可以采用PWM或D類放大，以提供比線性放大器更高的效率，不論是管狀或是固態(tài)。因此，在此描述的實(shí)施例可以具有更大功率，與減少能量消耗的附加利益一同被提供在更小、更輕的包裹中。對于功率放大器電路115，滿意的誤差校正和線性度可以根據(jù)從放大器100的某些有利點(diǎn)取電壓反饋來獲得。
[0037]根據(jù)另一實(shí)施例中，當(dāng)功率放大器電路115被整合進(jìn)一具有采樣子系統(tǒng)的常用機(jī)箱，例如數(shù)字效果處理器，通常需要同步所述功率放大器的切換頻率以使其具有數(shù)字處理器時鐘的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)，以防止不想要的拍頻產(chǎn)生。出于這個原因，功率放大器電路115可以被配置為基于一個固定頻率工作，而不是自激振蕩頻率。應(yīng)當(dāng)理解的是，在此所描述的一般原理是可以被應(yīng)用到自激振蕩方案中的，允許可能增加的噪聲或拍音的問題。在一個實(shí)施例中，功率放大器電路115可以基于介于150kHz到500kHz之間的一固定頻率工作。功率放大器電路115的這個范圍可以提供在較低范圍內(nèi)的高頻質(zhì)量以及在較高范圍內(nèi)的較高開關(guān)損失之間的權(quán)衡。根據(jù)一個示例性實(shí)施例，250kHz的頻率范圍在實(shí)踐中可以是相當(dāng)今人滿意的。
[0038]揚(yáng)聲器熱保護(hù)125用于保護(hù)可能由于過度長時間的峰值功率輸出導(dǎo)致的熱失控。電流反饋以及電流源通過放大器110的近似結(jié)果，與具有額外電壓擺動的放大器100結(jié)合，對揚(yáng)聲器的性能有進(jìn)一步的影響并需要附加的保護(hù)。通常，作為被驅(qū)動至全功率的揚(yáng)聲器，消耗在音圈繞組的功率增加了繞組的溫度，且由于導(dǎo)體的溫度系數(shù)，他們的電阻增加了50%以上。這一附加的電阻，當(dāng)與電壓源放大器連接時，自動減少了揚(yáng)聲器支取的功率，且被稱為“熱壓縮”。正由于熱壓縮，所述揚(yáng)聲器的輸出電平被不理想地降低，但是所述揚(yáng)聲器趨于在極端過載的過程中自我限制其能耗，因而使其溫度上升多少受到限制。
[0039]電流源放大器趨于保持相同的電流，不論音圈電阻。因此，消耗在揚(yáng)聲器上的功率隨著其阻抗上升實(shí)際上是增加了，而不是限制其本身，這可以導(dǎo)致音圈的熱失控和破壞。具有高峰值輸出電平的吉他放大器很少需要在其最大功率時使用，但是如果需要這樣做，仍希望其能夠經(jīng)受住。提高揚(yáng)聲器的性能以承受這種偶爾的峰值使用會增加成本和重量。因此更有利的是添加低成本電路，例如揚(yáng)聲器保護(hù)電路125，以檢測過度的音圈溫度的影響并不知不覺地降低所述峰值輸出功率以將揚(yáng)聲器的溫度限制在一個安全的值內(nèi)。
[0040]給予通過放大器100建立所述前置放大器削波電平以及所述閉環(huán)功率放大器增益的能力，使得處于其最大理想功率處的所述揚(yáng)聲器兩端的峰值電壓且具有在正常溫度下的驅(qū)動器的所述音圈，可以被測量且閾值的設(shè)定略高于峰值電壓點(diǎn)。根據(jù)一實(shí)施例，當(dāng)輸出擺動超過所述峰值電壓點(diǎn)，可以假定其是由于溫度過度升高而引起的音圈阻抗的上升。超過這個閾值應(yīng)最有利地導(dǎo)致在所述削波電路中的下降量增加。根據(jù)另一個實(shí)施例，增加所述下降可靠地限制所述電壓擺動而不減少過載的感覺，并且這一行為在具有較低峰值電壓的清音信號上不會發(fā)生，因此通過最少量合理的介入并保存最大化動態(tài)的效果。
[0041]在其他實(shí)施例中，放大器100可以包括一個或多個附加特征，例如多個輸入通道、音色控件、特殊效果以及可切換的設(shè)置。放大器100可以被配置為在低功率、在定義范圍從少于5V到+/-15V的范圍內(nèi)的低電壓下工作，因此，在此討論的音色整形可以在兼容的電壓和電流下工作。
[0042]根據(jù)一實(shí)施例，放大器100可以是吉他放大器，具有小信號削波元件(例如，圖2中的削波元件220)，其具有響應(yīng)于定義的過載電平的削峰電平下降，并具有對應(yīng)于典型的音樂表演節(jié)奏的時間常數(shù)，可以在每分鐘70-150次的范圍內(nèi)，典型的快速模進(jìn)以每秒2-10個音符的速度發(fā)生。在此情況下的合適的時間常數(shù)可以是大約1/2秒。放大器100的所述削波元件可以采用具有固定電阻負(fù)載的電流控制二極管整流橋，與一個被引起下降以響應(yīng)所定義的過載電平的電流源相結(jié)合。所述吉他放大器還可以包括削波元件和過零處理元件的結(jié)合。在一個實(shí)施例中，所述過零處理元件采用正向和反向電流源以保持在正負(fù)電容器上充電，正負(fù)電容器與相鄰的正負(fù)二極管連接，由此被正向偏置以通常地保持信號的連續(xù)性，但是當(dāng)驅(qū)動超出了定義的電平，受改變電容器電壓的整流電流控制，引起所述二極管在低電壓成為反向偏置，且在所述信號中央部位形成空白，具有與典型表演節(jié)奏匹配的時間常數(shù)。在其他實(shí)施例中，小信號過零處理元件可以被配置為無損通過低電平信號，但是在過零點(diǎn)產(chǎn)生一空隙以響應(yīng)高于定義閾值的信號，且具有與典型表演節(jié)奏匹配的時間常數(shù)。
[0043]在另一個實(shí)施例中，放大器100可以是吉他放大器，具有在一閾值處產(chǎn)生可控量的偶次階諧波失真的裝置，所述閾值與削波方案關(guān)聯(lián)的所述削波閾值匹配或略高于所述削波閾值。所述偶次階諧波失真發(fā)生器可以包括二極管和串聯(lián)電阻器，其添加到線性放大器級的電阻反饋回路，并被調(diào)整為在與削波系統(tǒng)相匹配的閾值之上產(chǎn)生一非對稱的正負(fù)增益。所述放大器可以包括削波元件、過零處理器和偶次諧波發(fā)生器的組合。放大器100的激活和調(diào)整可以被用戶控制。由于放大器100的單一效果可能難以被未受過培訓(xùn)的用戶辨另IJ，某些組合和行為的程度可以在一些實(shí)施例中被組合成“預(yù)設(shè)”，以表示某個熟悉的音質(zhì)和/或音樂風(fēng)格。
[0044]在另一實(shí)施例中，放大器100可以是吉他放大器，包括開關(guān)模式放大器，其具有電壓和電流反饋的組合以產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上高于所附接的揚(yáng)聲器阻抗的輸出阻抗，因此其實(shí)質(zhì)上充當(dāng)一電流源進(jìn)入所述揚(yáng)聲器，且具有充足的峰值輸出電壓以支撐發(fā)生在阻抗峰值的額外的電壓擺動，而不達(dá)到其自身的削波范圍。所述開關(guān)模式放大器可以通過積分器從開關(guān)電壓、方波時鐘輸入以及音頻信號輸入對電壓反饋求和以執(zhí)行調(diào)制，以獲得具有內(nèi)部誤差校正的固定工作頻率。所述開關(guān)模式放大器可以包括在所述調(diào)制部分之前的一附加誤差校正放大器，從電流檢測元件接收反饋信號，其增加大約12dB的附加電流反饋。所述開關(guān)模式放大器還可以自動地改變基于附加的并聯(lián)揚(yáng)聲器連接的反饋系數(shù)，以向所述并聯(lián)負(fù)載提供實(shí)質(zhì)上相等或更大的總功率。所述開關(guān)模式放大器可以包括電流檢測元件，例如小阻值電阻器，置于電路接地和所述揚(yáng)聲器的返回導(dǎo)線之間。所述開關(guān)模式放大器可以包括輸出濾波電容器，其連接在所述放大器的所述輸出端和所述電流檢測電阻器之間，以在所述電流檢測信號上增加相位超前。
[0045]在另一實(shí)施例中，放大器100可以涉及吉他放大器，具有揚(yáng)聲器保護(hù)方案，以檢測所述揚(yáng)聲器兩端由于音圈阻抗的電阻分量的增加而增加的電壓，并且利用這一情況降低傳送到所述揚(yáng)聲器的峰值電壓以保持其在一個既定的范圍內(nèi)。所述揚(yáng)聲器的保護(hù)方案可以降低削波的所述閾值以抑制施加到所述揚(yáng)聲器上的電壓。所述揚(yáng)聲器保護(hù)系統(tǒng)可以與高輸出電壓開關(guān)模式放大器、和/或可變下降失真系統(tǒng)結(jié)合。在某些實(shí)施例中，放大器100可以包括與功率放大器電路115連接的輸出監(jiān)視器，所述監(jiān)視器配置為限制開關(guān)模式放大器的所述輸出信號。
[0046]雖然上面已經(jīng)描述了放大器100與吉他相連，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，放大器100可以是一個或多個電吉他、弦樂器和其他一般樂器。
[0047]現(xiàn)在參考附圖2，放大器200根據(jù)一個或多個實(shí)施例被描述。放大器200可涉及圖1的所述放大器的一示例性電路圖。根據(jù)一個實(shí)施例，放大器200可以包括一個或多個過載整形元件、開關(guān)模式放大器以及揚(yáng)聲器熱保護(hù)。如圖2所描述的，放大器200包括輸入端205,其可以被配置為接收一個或多個聲音信號,例如電吉他的輸出、樂器、聲音信號輸入坐寸ο
[0048]I過載整形
[0049]根據(jù)一個實(shí)施例，過載整形可以模仿管放大器的一個或多個屬性。過載整形可基于一個或多個偶次諧波發(fā)生器210、過零處理器215、柔性削波元件220和下降控制器225來執(zhí)行。
[0050]柔性削波元件
[0051]過載整形包括小信號柔性削波元件220，其被配置為具有響應(yīng)于定義的過載電平的削峰電平下降，并具有對應(yīng)于典型演奏節(jié)奏的時間常數(shù)。所述柔性削波元件220包括固定電阻負(fù)載的電流控制二極管整流橋，以及一個被配置為下降以響應(yīng)定義的過載電平的電流源。如圖2所示，所述柔性削波元件220包括四個小信號二極管D4、D5、D6和D7組成，被安排在一電流控制橋中，被任何便利的全幅信號源驅(qū)動，如Ul:1，其可以是運(yùn)算放大器(例如，運(yùn)算放大器)或具有輸出阻抗實(shí)質(zhì)上比負(fù)載電阻器R22小得多的離散放大器級。所述橋電路是由電流源通過電阻R20、R21提供的，且裝載一個已知的電阻R22，由此最大可能的限制了對定義的削波電壓的信號擺動，并且進(jìn)一步具有有利屬性以形成所述系統(tǒng)的一部分。特別地，柔性削波元件220逐漸削波，沒有突兀的人工痕跡，并且電阻R20/R21和R22可以被調(diào)節(jié)以調(diào)整峰值電壓和削波急緩度。柔性削波元件220可以在實(shí)際的削波失真前提供逐步上升的失真，讓表演者和聽眾預(yù)料到削波的發(fā)生，由此控制過渡以達(dá)到更好的效果。通過調(diào)整所述削波閾值來改變所述諧波失真，如測量低于削波點(diǎn)3dB，從0.1%至5%覆蓋了與最原始的放大器相關(guān)聯(lián)的從高保真度的音質(zhì)到相當(dāng)模糊的音質(zhì)的范圍。
[0052]下降控制器
[0053]放大器200的過載整形電路包括下降控制器電路225，其被配置為產(chǎn)生削波電壓電平的可控量下降。柔性削波元件220本身產(chǎn)生了適當(dāng)?shù)臐M意結(jié)果，但可能只包含上面提到的許多動態(tài)的第一項(xiàng)(即，柔性削波)。當(dāng)完全過載時，柔性削波元件220產(chǎn)生最大未削波信號的兩倍功率的方波。最大清音以及所述過載音更為緊密的被匹配是理想的，且很偶然地，經(jīng)典管放大器有電源供給，其在通過過載施加額外負(fù)載的情況下下降，以降低所述過載功率。為了以可控制的方式產(chǎn)生這一效果，下降控制器225包括分壓器R17、R18，晶體管Q3、Q4和電流縮放電阻器R14、R15，以消耗可控量的在C2、C3上的電壓，其由R10/R14和R11/R15的比例確定，當(dāng)音頻信號足以觸發(fā)Q3、Q4時。所述削波元件R20、R21的電流源被元件連接到C2、C3，由此產(chǎn)生在所述削波電壓中的可控量的下降，其可以被調(diào)整以平衡最大的清音電平和過載電平的相對響度，從而使表演者采用過載的音樂刺激而不會對揚(yáng)聲器或聽眾的耳朵造成過分的壓力。時間常數(shù)和所述下降的深度是可調(diào)節(jié)的，并可以被設(shè)置為對應(yīng)于撥弦或典型演奏節(jié)奏的動態(tài)。
[0054]過零處理器
[0055]所述過載整形電路包括過零處理器電路215，被配置為無損通過低電平信號，且在過零點(diǎn)產(chǎn)生一個空隙以響應(yīng)高于定義閾值的信號，且具有與典型表演節(jié)奏匹配的時間常數(shù)。所述過零處理器電路215采用正向和反向電流源以保持在正負(fù)電容器上充電，正負(fù)電容器與相鄰的正負(fù)二極管連接，由此被正向偏置以通常地保持信號的連續(xù)性，但是當(dāng)驅(qū)動超出了定義的電平，所述二極管受整流電流控制改變所述電容器電壓，引起所述二極管在低電壓成為反向偏置，且在信號中央部位形成空白，具有與典型表演節(jié)奏匹配的時間常數(shù)。
[0056]典型的管放大器具有推挽輸出部分，包括一個R-C耦合反相器，向每個所述功率管提供了一個相等但異相的信號以產(chǎn)生所述理想的推挽放大至中心抽頭輸出變壓器。所述功率管的偏置點(diǎn)通常在A類或AB類運(yùn)算中被控制，通過高阻值電阻器連接到負(fù)偏壓電源或接地并配合使用陰極電阻器。在任一情況下，來自所述反相器的相對低阻抗的信號能夠電容耦合到所述輸入端柵極。當(dāng)驅(qū)動至削波時，這些柵極矯正輸入電流，從而改變所述耦合電容器上的電壓，從而驅(qū)動輸出管至C類運(yùn)算，在所述過零點(diǎn)周圍產(chǎn)生了一個重要的區(qū)域，其中沒有管是導(dǎo)電的。這將導(dǎo)致在幾個方面的效果:一個失真的新閾值在過零點(diǎn)周圍產(chǎn)生，這在削波的基本聲上增加撕撕聲和聲音的豐富性，信號擺動的中心部分是被空白的，從而使所述余下的信號中含有較多的所述輸入信號的包絡(luò)，因此，保留了更多的所述和弦結(jié)構(gòu)；并且當(dāng)過載音符結(jié)束后這一空白持續(xù)一個很短的時間，當(dāng)所述偏置返回到正常時，如通過所述耦合電容器的R-C時間常數(shù)和所述柵極偏置電阻器確定，從而幫助吉他手在快速過載段落中實(shí)現(xiàn)音符的清脆分離。這些效果有助于賦予管型放大器“感受和清晰度”，而且可以理解的是，這個效果是在最后輸出級產(chǎn)生的，在那里不方便調(diào)節(jié)削波點(diǎn)或增加其他進(jìn)一步的效果。
[0057]上述確定的效果是由過零處理器215模擬的，與先前的線性(例如，偶次諧波發(fā)生器210)以及所述柔性削波元件220組合，以產(chǎn)生表現(xiàn)經(jīng)典管放大器的完整動態(tài)特性。還應(yīng)當(dāng)指出的是，各種低功耗的元件值可以很容易地進(jìn)行調(diào)整，以增強(qiáng)或減弱為了有趣的音樂效果的這一復(fù)雜的削波特性的各種元素，而不是實(shí)際考慮到在經(jīng)典管設(shè)計(jì)中的相當(dāng)窄的取值范圍而受到限制。
[0058]在一個實(shí)施方案中，過零處理器215的R12和R13形成正向和反向電流源以保持在正負(fù)電容器C4和C5上充電，使得相鄰的正負(fù)二極管D2和D3正向偏壓，由此通過此網(wǎng)絡(luò)通常地保持了信號連續(xù)性。當(dāng)驅(qū)動超過定義的電平，由R19呈現(xiàn)的負(fù)載分出不平衡的整流電流通過每個二極管D2和D3，這改變了所述電容器C4和C5的電壓，造成二極管D2和D3在所述信號擺動的一部分中成為反向偏置，并因此使得信號的中心部分空白。C4、C5和電流源R12、R13的值建立一恢復(fù)時間常數(shù)，其被優(yōu)先地與典型表演節(jié)奏匹配。
[0059]偶次諧波發(fā)生器
[0060]到現(xiàn)在為止提出的放大器200的削波部分都基本上在其特性上是對稱的，從而產(chǎn)生了數(shù)量變化的奇次諧波。但是自然的樂器有理想的奇次和偶次諧波的混合。
[0061]所述過載整形電路包括偶次諧波發(fā)生器電路210，被配置為產(chǎn)生具有控制量的偶次諧波失真，在與削波電壓的削波閾值相匹配的或略高于所述削波閾值的閾值處。偶次諧波發(fā)生器電路210包括二極管Dl和串聯(lián)電阻器R5，其被加到一個線性放大器級的電阻反饋回路，調(diào)整以在一與削波系統(tǒng)匹配的閾值之上產(chǎn)生非對稱正負(fù)增益。
[0062]盡管諧波發(fā)生器210通過在一個反饋網(wǎng)絡(luò)中增加Dl和R5與R4并聯(lián)以在輸入信號中故意引入不對稱性，當(dāng)所述信號電平在之后部分已經(jīng)足夠大到產(chǎn)生削波時，會產(chǎn)生偶次諧波。偶次諧波發(fā)生器210向所述過載諧波添加了音色的附加層而無需在削波以下區(qū)域增加失真。在不同的過載深度產(chǎn)生奇次和偶次過載諧波是經(jīng)典的管放大器的偶然屬性，通常不會被設(shè)計(jì)師高度地控制。在本發(fā)明中，我們可以很容易地操縱各元件值，以平衡所述奇次和偶次諧波，從而為所述過載的基本聲音增加新程度的趣味性。
[0063]圖2中的過載處理系統(tǒng)的結(jié)果，是結(jié)合可以通過圖1的可選音量控制元件130提供的均衡器、可切換預(yù)設(shè)置和效果增強(qiáng)，向音樂家提供極大地擴(kuò)展動態(tài)響應(yīng)和音色資源。根據(jù)一個實(shí)施例，將被理解的是，所述過載處理系統(tǒng)的輸出是一個可以被標(biāo)準(zhǔn)電位器控制的電子信號，這里稱為主音量控件，以在任何音量產(chǎn)生其效果，最多可以達(dá)到由所述最終功率放大器的所述削波電平施加的極限。所述主音量控件可以位于過載整形電路110和功率放大器電路115之間，如圖1所示。如圖2所示，所述主音量控件可以位于緩沖器245和電阻R23之間，輸入到放大器塊，或緩沖器245本身可以被認(rèn)為是一個可變增益塊。將進(jìn)一步理解的是，均衡器可以在對整體音色修改的所述過載處理系統(tǒng)之后提供，并插入添加外部效果的補(bǔ)丁的連接，從而提供不可能通過過載任何特定放大器進(jìn)入任何特定揚(yáng)聲器所獲得的多功能的音色，只要經(jīng)處理的信號保持在所述最終功率放大器的未削波范圍內(nèi)。因此，根據(jù)實(shí)施例，一優(yōu)化的功率放大器被提供以達(dá)到完全令人滿意的結(jié)果。
[0064]II開關(guān)模式放大器
[0065]根據(jù)一個實(shí)施方式,放大器200可包括一功率放大器電路,包括開關(guān)模式放大器235。開關(guān)式放大器235可根據(jù)一個或多個實(shí)施例被配置為具有高輸出阻抗和額外電壓擺動。開關(guān)式放大器235可產(chǎn)生一輸出阻抗實(shí)質(zhì)上比輸出端(例如,揚(yáng)聲器，附接負(fù)載等)高得多，并作為電流源到輸出端，具有充足的峰值輸出電壓以支持發(fā)生在阻抗峰值的所述額外電壓擺動，而無需達(dá)到開關(guān)模式放大器的削波范圍。開關(guān)模式放大器235還可以提供逐步的削波。
[0066]開關(guān)式放大器235可以是放大器200的功率放大器電路中的一個組成部分。根據(jù)一個實(shí)施例，放大器200的功率放大器級可以包括一個或多個開關(guān)模式放大器235、緩沖器245和誤差放大器250。一功率放大器電路，包括:積分器，被配置為通過從開關(guān)電壓、方波時鐘輸入236和音頻信號輸入對電壓反饋求和，來調(diào)制開關(guān)放大器235，以獲得具有內(nèi)部誤差校正的固定工作頻率。
[0067]開關(guān)模式放大器235可以被配置為電壓和電流反饋的組合，以便產(chǎn)生一輸出阻抗比一附加的揚(yáng)聲器、揚(yáng)聲器殼體或輸出裝置實(shí)質(zhì)上高得多。其結(jié)果是，所述開關(guān)模式放大器將充當(dāng)一電流源到輸出端/揚(yáng)聲器，具有足夠的峰值輸出電壓，以支持在阻抗峰值發(fā)生的所述額外電壓擺動，而無需達(dá)到其削波范圍。
[0068]通過舉例的方式，由于連接開關(guān)模式放大器235的輸出端至負(fù)載/輸出的LC輸出濾波器243(例如，圖2的LI和C12)的相移，對于在所述輸出濾波器之前采取局部電壓反饋是有利的，如根據(jù)一實(shí)施例所確定的244。電壓反饋回路246可以減少誤差除了那些輸出濾波器的誤差，這是可以預(yù)見。此外，可以施加一定量的電流反饋以產(chǎn)生理想的更高的輸出阻抗，并提供與揚(yáng)聲器的更好的相互作用。電流反饋回路247可以采用疊加附加的電流反饋(例如，約12dB)，它生成一個輸出阻抗大致是預(yù)期負(fù)載3倍的輸出阻抗，這近似造成用電流源驅(qū)動揚(yáng)聲器255的結(jié)果，同時限制開放負(fù)載的電壓上升到+12dB，以防止危險的高過沖。
[0069]如該圖2所示。開關(guān)模式放大器235包括柵驅(qū)動器240，開關(guān)241和開關(guān)242。柵驅(qū)動器240被配置來驅(qū)動開關(guān)晶體管241和242以交替切換至脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號的正負(fù)高壓電平。
[0070]在一個實(shí)施例中，開關(guān)模式放大器235的開關(guān)頻率是由一個時鐘發(fā)生器電路塊236建立的，其可以是具有0-5V電壓軌的250KHZ的時鐘發(fā)生器，使用任何便利的裝置，例如一標(biāo)準(zhǔn)的5V CMOS邏輯電路，它結(jié)合了晶體控制振蕩器與合適的分頻以提供介于O和5V之間的穩(wěn)定的250kHz方波開關(guān)。塊236經(jīng)由R31和ClO被連接到積分電容器Cl I，它被標(biāo)定為轉(zhuǎn)換所述時鐘方波為三角波，在地面上下方小幅切換。例如，+/_250mV的峰值。比較器U3:I檢測到該三角波的所述過零點(diǎn)并且在該頻率產(chǎn)生一切換輸出信號。三角波形在地上和地下被相對緩慢地驅(qū)動，經(jīng)由R29和ClO對音頻頻率的信號求和，導(dǎo)致在過零交叉點(diǎn)的定時有一相應(yīng)的變化，其產(chǎn)生可變的脈沖寬度，具有與所述音頻幅度成比例的開/關(guān)比。此PWM信號通過柵驅(qū)動器240連接到開關(guān)晶體管241和242(例如，Q5，Q6)的柵極，其交替地切換到正負(fù)高電壓軌，被PWM信號控制。包括LI和C12的輸出濾波器在音頻頻率范圍通過這些高/低開關(guān)脈沖的平均電壓施加到所述揚(yáng)聲器，同時開關(guān)頻率進(jìn)行積分并使其平整化，從而產(chǎn)生一個高電壓，是對輸入信號高度放大的副本，而沒有高電壓線性放大器的通常損失。誤差校正和輸出的直流定心是經(jīng)由R32從開關(guān)電壓取負(fù)反饋回到同一積分電容器Cll提供。
[0071]開關(guān)模式放大器235可以提供可接受的再現(xiàn)，但是自然地呈現(xiàn)出低輸出阻抗至所述揚(yáng)聲器。疊加附加的負(fù)反饋是從所述輸出電流發(fā)展出的，優(yōu)選地是額外的12dB的范圍內(nèi)，這會導(dǎo)致所述輸出阻抗上升到預(yù)期的負(fù)載阻抗的幾倍，從而近似為一電流源并允許所述揚(yáng)聲器的音色顯現(xiàn)的更加飽滿。
[0072]誤差放大器250是誤差校正放大器，被配置為從電流檢測元件接收反饋信號以提供額外的電流反饋。電流反饋率可以根據(jù)附加的并聯(lián)揚(yáng)聲器的連接而自動改變，向所述并聯(lián)負(fù)載提供基本上相等或更大的總功率。電流檢測元件是一個小阻值電阻器R36，其安置在電路接地和揚(yáng)聲器的返回引線之間。
[0073]為了產(chǎn)生電流反饋，檢測電阻器R36與所述揚(yáng)聲器回路串聯(lián)放置，從而發(fā)展為電壓正比于通過所述揚(yáng)聲器的電流。這一電壓通過CS和R28被返回到誤差放大器250 (例如，U2:1)，在被傳遞到調(diào)制器部分之前，它在那里被放大并與來自前置放大器緩沖器245的音頻信號求和(例如，Ul:2)。所述輸出濾波電容器C12連接在所述放大器的輸出端與電流檢測電阻器R36之間，以將相位超前添加到所述電流檢測信號。
[0074]一敏銳的帶寬受限系統(tǒng)，在音頻范圍的上端具有2極大相移，可以限制總體的負(fù)反饋量，使其可以被采用而消除不穩(wěn)定性。從放大器輸出端到所述檢測電阻器(而不是接地)連接C12，增加了具有理想程度的相位超前至所述反饋信號，從而提高了最大可能的反饋比，同時仍然除去了在所述揚(yáng)聲器的開關(guān)頻率。根據(jù)在這一領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)做法，C7、C6和C9這幾個電容器通過過濾開關(guān)邊沿改善閉環(huán)性能或提高相位裕量。
[0075]開關(guān)模式放大器235的總功率放大系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)具有幾個重要的優(yōu)點(diǎn)和注意事項(xiàng)。
[0076]由于開關(guān)模式放大器235的高效率，在開關(guān)模式功率放大器中提供更多的電壓擺動會比通常需要符合額定功率目標(biāo)更為實(shí)用，這通常是與揚(yáng)聲器的能力相匹配的。由于電感或反電動勢，使得放大器200的輸出電壓的在所述揚(yáng)聲器阻抗上升的頻率處大幅增加，提高了在高頻和低頻全面驅(qū)動所述揚(yáng)聲器的能力。用線性放大器提供這種額外的電壓擺動將是非常低效的，因?yàn)榉糯笃鲗⒒ㄙM(fèi)其大部分時間在其最大損失區(qū)域，即約50%的所述峰值輸出擺動。與此相反，開關(guān)模式放大器，如開關(guān)模式放大器235,在比較輸出電平時具有低得多、更線性的輸出損失。這將產(chǎn)生一個更大的動態(tài)響應(yīng)和額外的電壓擺動，甚至相較于管放大器，沒有管技術(shù)的大量低效率。特別是，現(xiàn)在有可能在所述削波處理器的輸出端和所述功率放大器的輸入端之間插入增益控制電位器，具有最大電平校準(zhǔn)以產(chǎn)生額定的峰值功率，但具有提供充足附加電壓擺動的放大器，使其永遠(yuǎn)不會發(fā)生自我削波。以這種方式，可以在放大器的整個音量范圍以再現(xiàn)完全相同的諧波，而典型的管放大器僅在其最大輸出功率產(chǎn)生其理想的諧波，使得它不太適用于在較寬范圍內(nèi)演奏的音量需求。
[0077]出于同樣的原因，在給定的功率電平,在開關(guān)模式放大器235的損失對于負(fù)載阻抗不太敏感，因此，允許使用外延或外部揚(yáng)聲器260，而不需要在放大器內(nèi)的過多產(chǎn)能。然而，添加一并聯(lián)揚(yáng)聲器到一電流源放大器在保持相同電流的同時減小了負(fù)載兩端的電壓，導(dǎo)致凈輸出功率減小，這違背了用戶的期望，即加入第二揚(yáng)聲器將增加聲音輸出。為解決這個問題，當(dāng)內(nèi)置揚(yáng)聲器255和外延揚(yáng)聲器260通過連接器Jl的指定部分連接，一觸電打開，這增加了額外的電阻R35與所述反饋信號串聯(lián)起來，從而創(chuàng)造一個分壓器R35和R34，從而電流反饋比降低了一理想量，使得雙揚(yáng)聲器負(fù)載減小的阻抗仍能保持相同的功率。
[0078]開關(guān)模式放大器235大幅減少損失降低了散熱需求，并且當(dāng)與開關(guān)模式電源相結(jié)合，降低了電源部分的尺寸和重量，從而大大減少放大器以及其揚(yáng)聲器的凈重。此外，提供更多功率的能力允許使用更小的揚(yáng)聲器以產(chǎn)生一個給定的聲級，從而在降低流行的“二合一”模式的尺寸和重量上提供特別的益處，“二合一”模式中放大器和揚(yáng)聲器被組合在單個箱體中。雖然，在此描述的放大器可以被配置為最大功率大于200瓦的功率配置,基于一個或多個實(shí)際揚(yáng)聲器的能力、交流電源的限制以及預(yù)防聽力損失，可以提供一個示例性的功率輸出范圍在50-200瓦。當(dāng)實(shí)施例是針對低音放大時，放大器200的輸出功率可能會更高，在一個與連接的電子設(shè)備兼容的頻率范圍。在此所描述的放大器的另一好處可以是一個示例性的電源部分的底盤重量，由于放大器200的配置，重量可以是等于或低于5磅。相比較而言，傳統(tǒng)的放大器的底盤重量通常為25磅或以上。
[0079]III揚(yáng)聲器保護(hù)電路
[0080]根據(jù)一個實(shí)施例，放大器200包括揚(yáng)聲器保護(hù)電路230，以防止熱失控。揚(yáng)聲器保護(hù)電路230可以被配置為檢測輸出端兩端增加的電壓，這是由于在音圈阻抗中的電阻分量的增加，并且減少傳送到所述輸出端的所述峰值電壓以保持在預(yù)定限度內(nèi)。揚(yáng)聲器保護(hù)電路230降低了削波的所述閾值以抑制向輸出端施加的電壓。
[0081 ] 揚(yáng)聲器保護(hù)電路230可以基于一個呈現(xiàn)在開關(guān)模式放大器235中的嵌套的電壓反饋回路。當(dāng)所述音圈溫度上升且所述阻抗上升時，所述電流反饋系統(tǒng)自然命令所述揚(yáng)聲器兩端更大的輸出電壓。由于嵌套的電壓反饋回路包括R32和R28以及R29，所述誤差放大器U2:1的所述輸出電壓正比于所述功率放大器的所述輸出電壓，因此，誤差放大器U2:1的輸出電壓可以是用于觸發(fā)一個限流電路，增加內(nèi)置到所述削波電路的所述電壓下降，并由此防止了在所述揚(yáng)聲器兩端的過度的電壓升高，而不削弱所述過載或清音的輸出電平。R3和R6形成的分壓器減少了來自所述誤差放大器的輸出至與Ql和Q2的結(jié)電壓相匹配的電平。在圖2中，Cl是并聯(lián)添加以在高頻時補(bǔ)償由于音圈電感而產(chǎn)生的正常的輸出電壓上升，以使凈檢測到的電壓大體上僅由所述揚(yáng)聲器阻抗的電阻部分確定。當(dāng)該電壓擺動超過所理想的限制，Ql和Q2開始導(dǎo)通并經(jīng)由R7、R8對C2、C3進(jìn)行放電，從而增加了所述削波下降電路的功能，從而限制傳送到揚(yáng)聲器的峰值功率。
[0082]根據(jù)另一實(shí)施例，但應(yīng)理解的是，所述放大器的實(shí)際輸出電壓可以很容易地被使用以替代誤差放大器250的輸出電壓，這取決于哪個信號是對于在此描述的相同的結(jié)閾值最容易得到的，且具有合適的衰減。
[0083]考慮放大器200作為一個系統(tǒng)，應(yīng)該顯而易見的是，一些子系統(tǒng)結(jié)合，以有利的方式產(chǎn)生一個比各個單獨(dú)部分更好的結(jié)果。所述過載/失真整形電路體現(xiàn)了一種理想的下降元件，它也提供了一有利的揚(yáng)聲器保護(hù)方案的環(huán)節(jié)；高電壓開關(guān)模式放大器的使用，當(dāng)電流反饋增強(qiáng)時，提供了理想的額外電壓擺動以充分驅(qū)動輸出端(例如，揚(yáng)聲器)，同時減小尺寸和重量，并且當(dāng)防止極端和延長過載時，所述揚(yáng)聲器保護(hù)系統(tǒng)允許這個額外的動態(tài)余量在正常情況下被利用，從而導(dǎo)致僅具有系統(tǒng)中的幾部分不容易獲得表演的總電平。
[0084]現(xiàn)在參考圖3所示是根據(jù)一個或多個實(shí)施例中描述的音量控制元件的簡化框圖。根據(jù)一個實(shí)施例，放大器可包括一個或多個音色元件用于放大前修飾輸入信號。音量控件300可被應(yīng)用到輸入端305接收的信號。音量控件300的輸出端310可以包括在一個前置放大器級(例如，過載整形元件110)前的放大器中。如圖3所示,音量控件300包括輸入緩沖控件315、均衡器320和增益控件325。輸入緩沖控件315可被用來選擇一個特定的輸入源。均衡器320可被用于信道均衡和/或壓縮。增益控件325也可以用于設(shè)置所述放大器(例如放大器200)的音量。
[0085]現(xiàn)在參考圖4，描述了放大器工作的一個過程。過程400可包括通過一開關(guān)模式放大器放大信號，以產(chǎn)生所述諧波整形和管放大器的動態(tài)響應(yīng)。過程400可通過一個放大器來執(zhí)行，并且特別地，可以通過所述放大器(例如，放大器100)的一個或多個電路元件來執(zhí)行。在方框405，過程400可通過接收一信號被模仿。所述信號可以通過輸入端被接收，例如一輸入端用于連接一樂器。在方框410，所述放大器的一過載整形電路可以對接收的信號進(jìn)行諧波整形。在方框415，來自所述過載整形電路的諧波整形信號可以通過所述放大器的開關(guān)模式放大器被放大。在方框420，所述增益控制信號可以被輸出，基于過載整形電路的所述諧波整形和所述開關(guān)模式放大器的增益。過程400的一個或多個動作可以通過一個放大器的模擬電路組件來執(zhí)行。應(yīng)當(dāng)理解的是，在一些實(shí)施例中，在某些情況下，除了模擬電路，過載整形電路可以包括諧波整形的數(shù)字信號處理，用于提供理想的音色。
[0086]雖然參照樂器的放大器已在上面描述，尤其是吉他，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的實(shí)施例可類似地應(yīng)用于其它樂器、方法和其它類型的設(shè)備。
[0087]雖然本公開內(nèi)容已經(jīng)具體示出并參考示例性實(shí)施例進(jìn)行描述，但是本領(lǐng)有技術(shù)人員應(yīng)了解，在不背離由所附權(quán)利要求涵蓋的本發(fā)明的范圍的情況下，可對本發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)做出各種變更。
【權(quán)利要求】
1.一種放大器，包括: 被配置為接收信號的輸入端； 與所述輸入端電連接且配置為接收所述輸入信號的過載整形電路，所述過載整形電路包括對所述信號諧波整形的一個或多個元件； 與所述過載整形電路電連接的功率放大器電路，所述功率放大器電路被配置為從所述過載整形電路接收諧波整形信號，其中所述功率放大器電路包括開關(guān)模式放大器以放大所述諧波整形信號，并且包括增加所述開關(guān)模式放大器的輸出阻抗的裝置；以及 與所述功率放大器電路連接的輸出端，所述輸出端被配置為通過所述開關(guān)模式放大器輸出被放大的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述輸入端接收來自吉他或樂器的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述過載整形電路包括一個或多個柔性削波元件、下降控制器、過零處理器以及偶次諧波發(fā)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中通過所述過載整形電路進(jìn)行諧波整形提供了與真空管放大器相關(guān)聯(lián)的過載音色的動態(tài)范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的放大器，其中所述過載整形電路包括柔性削波元件，所述柔性削波元件被配置為具有響應(yīng)于定義的過載電平的削峰電平下降，且具有對應(yīng)于典型的音樂表演節(jié)奏的時間常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的放大器，其中所述柔性削波元件包括具有固定電阻負(fù)載的電流控制二極管整流橋以及被配置成為了響應(yīng)定義的過載電平而下降的電流源。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的放大器，其中所述過載整形電路包括下降控制器電路，所述下降控制器電路被配置為產(chǎn)生具有可控量的削波電壓電平下降。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述過載整形電路包括過零處理器電路，所述過零處理器電路被配置為無損通過低電平信號，并且在過零點(diǎn)產(chǎn)生一空隙以響應(yīng)高于定義閾值的信號，且具有與典型表演節(jié)奏匹配的時間常數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大器，其中所述過零處理器電路采用正向和反向電流源以保持對正負(fù)電容器充電，所述電容器與鄰近的正負(fù)二極管連接，其中所述二極管是正向偏置以通常地保持信號的連續(xù)性， 其中當(dāng)所述二極管被驅(qū)動超過定義的電平時，所述二極管被整流電流控制以改變所述電容器的電壓以使所述二極管在低電壓時變成反向偏置，以使所述信號的中心部分是空白的，且具有與典型表演節(jié)奏匹配的時間常數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述過載整形電路包括偶次諧波發(fā)生器電路，所述偶次諧波發(fā)生器電路被配置為在與削波電壓的所述削波閾值匹配或略高于所述削波閾值的閾值處產(chǎn)生具有可控量的偶次諧波失真。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放大器，其中所述偶次諧波發(fā)生器電路包括被添加到線性放大器級的電阻反饋回路的二極管和串聯(lián)電阻器，所述反饋回路被調(diào)整為在與所述削波電壓匹配的閾值以上產(chǎn)生非對稱正負(fù)增益。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述開關(guān)模式放大器被配置為產(chǎn)生高于輸出負(fù)載阻抗的輸出阻抗，并且充當(dāng)電流源至所述輸出端，且具有充足的峰值輸出電壓以支撐發(fā)生在阻抗峰值的額外電壓擺動，而無需達(dá)到所述開關(guān)模式放大器的削波范圍。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的放大器，其中所述功率放大器電路包括積分器，所述積分器被配置為通過從一個或多個開關(guān)電壓、方波時鐘輸入和音頻信號輸入對電壓反饋求和以提供對所述開關(guān)放大器的調(diào)制，以使所述積分器獲得具有內(nèi)部誤差校正的固定工作頻率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的放大器，其中所述功率放大器電路包括誤差校正放大器，所述誤差校正放大器被配置為接收來自電流檢測元件的反饋信號以提供附加的電流反饋。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的放大器，其中電流反饋率可以根據(jù)附加的并聯(lián)揚(yáng)聲器的連接而自動改變，以向所述并聯(lián)負(fù)載提供大體上相等或更大的總功率。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的放大器，其中所述電流檢測元件是小阻值電阻器，所述小阻值電阻器被置于電路接地和所述揚(yáng)聲器的返回導(dǎo)線之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的放大器，其中所述輸出濾波電容器連接在所述放大器的所述輸出端和所述電流檢測電阻器之間，以增加相位超前至所述電流檢測信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述開關(guān)模式放大器包括柵驅(qū)動器，所述柵驅(qū)動器被配置為驅(qū)動開關(guān)晶體管在脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號的正負(fù)高壓電平間切換。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述開關(guān)模式放大器是脈沖寬度調(diào)制(PWM)放大器或D類放大器。
20.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的放大器，其中所述開關(guān)模式放大器在所述輸出端的高阻抗區(qū)域增加所述電壓擺動。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述開關(guān)模式放大器是固定頻率開關(guān)放大器。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述開關(guān)模式放大器的特征在于通過所述放大器的一個或多個元件的高輸出阻抗。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述輸出端包括一個或多個輸出聲音的驅(qū)動器，基于被所述開關(guān)放大器放大的所述信號。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，其中所述輸出端包括輸出信號至一個或多個電纜、聲音驅(qū)動器和揚(yáng)聲器組件的一個或多個端口。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器，進(jìn)一步包括揚(yáng)聲器保護(hù)電路，所述揚(yáng)聲器保護(hù)電路被配置為檢測由所述音圈阻抗中電阻分量的增加導(dǎo)致的輸出端兩端增加的電壓，并且減少傳送至所述輸出端的峰值電壓以保持所述輸出在預(yù)定范圍內(nèi)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的放大器，其中所述揚(yáng)聲器保護(hù)電路降低了削波的所述閾值以抑制向所述輸出端施加的電壓。
27.一種通過開關(guān)模式放大器放大信號以產(chǎn)生所述諧波整形和真空管放大器的動態(tài)響應(yīng)的方法，所述方法包括以下操作: 通過放大器的輸入端接收信號； 通過所述放大器的過載整形電路對所述信號執(zhí)行諧波整形； 通過所述放大器的開關(guān)模式放大器放大來自所述過載整形電路的諧波整形信號，其中所述開關(guān)模式放大器被配置為提供增加的輸出阻抗；以及 基于過載整形電路的所述諧波整形和通過所述開關(guān)模式放大器的信號輸出以輸出被放大的信號。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，進(jìn)一步包括檢測由音圈阻抗中電阻分量的增加所導(dǎo)致的所述放大器的輸出端兩端增加的電壓，并且減少傳送至所述放大器的輸出端的峰值電壓以保持輸出信號在預(yù)定范圍內(nèi)。
29.—種吉他放大器,包括: 被配置為接收信號的輸入端； 與所述輸入端電連接且配置為接收所述輸入信號的過載整形電路，所述過載整形電路包括柔性削波元件、下降控制器、過零處理器和偶次諧波發(fā)生器對所述信號諧波整形； 與所述過載整形電路電連接的功率放大器電路，所述功率放大器電路被配置為從所述過載整形電路接收諧波整形信號，其中所述功率放大器電路包括開關(guān)模式放大器對所述諧波整形信號放大，并且包括一個或多個元件以增加所述開關(guān)模式放大器的所述輸出阻抗；以及 與所述功率放大器電路連接的輸出端，所述輸出端被配置為輸出通過所述開關(guān)模式放大器放大的信號。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的吉他放大器，進(jìn)一步包括揚(yáng)聲器保護(hù)電路，所述揚(yáng)聲器保護(hù)電路被配置為所述 放大器的削波閾值并且抑制向所述輸出端施加的電壓。
【文檔編號】H03F3/04GK104081663SQ201280068383
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月29日
【發(fā)明者】帕特里克·H·奎爾特 申請人:奎爾特實(shí)驗(yàn)室有限責(zé)任公司