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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines vorgebbaren, über einer Lastimpedanz auftretenden Spannungsverlaufes wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden zur Realisierung von Leistungsverstärkern geringen Klirrfaktors, hoher Bandbreite, und geringen Innenwiderstandes rein analoge Systeme eingesetzt. Die Ausgangsstufe wird dabei beispielsweise durch eine entsprechend gesteuerte, komplementäre Emitterstufe gebildet. Wird im Sinne einer weitgehenden Linearisierung der Übertragungskennlinie des Verstärkers (Minimierung der Übernahmeverzerrungen der Emitterstufe) ein hoher Ruhestrom gewählt (Gegentakt-Abzw. AB-Betrieb), resultieren hohe Verluste und aufgrund des dadurch bedingten Kühlaufwandes ein relativ geringes Leistungsgewicht bzw. hohes Volumen des Gesamtsystems. Als weiterer Nachteil ist die zur Einhaltung des sicheren Arbeitsbereiches der Endstufentransistoren gegenüber rein ohmscher Belastung
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nennen.
Die prinzipbedingt hohen, an die Ausgangsleistung gebundenen Verluste analoger Leistungsverstärker können nur durch Schaltbetrieb der Endstufe vermieden werden. Die in diesem Fall vorliegenden Schaltver- stärker sind allerdings durch einen relativ hohen Aufwand zur Filterung der, die zu bildende Spannung als Zeitmittelwert enthaltenden pulsförmigen Ausgangsspannung gekennzeichnet. Da hiebei die Knickfrequenz des Filters für einen hohen Störspannungsabstand wesentlich unter die (durch die Umschaltverluste begrenzte) Schaltfrequenz zu legen ist, resultiert weiters eine relative geringe Grosssignal-Bandbreite des Verstärkersystems.
Ein (gegenüber einer Realisierung als reiner Analogverstärker) relativ geringe Verlustleistung und (gegenüber einem reinen Schaltverstärkersystem) geringen Filterauwand aufweisender Leistungsverstärker wird in der EP 475 835 A1 beschrieben. Das System wird durch Parallelschaltung eines Schaltverstärkers und eines Analogverstärkers gebildet. Es wird der Ausgangsstrom des Analogverstärkers gemessen und der Strom des Schaltverstärkers davon ausgehend so eingestellt, dass sich eine möglichst geringe Belastung und damit geringe Verlustleistung des Analogverstärkerteiles ergibt.
Beide Verstärker weisen Stromquellencharakteristik auf, es wird unabhängig von der auftretenden Lastspannung ein vorgebbarer Strom in eine Last eingeprägt ; der für die Last relevante dynamisch Ausgangswiderstand der Leistungsstromquelle ist (ideal) gleich unendlich. Das System kann damit nicht zur Einprägung eines definierten (stromunabhängigen) Verlaufes der Spannung an der Last herangezogen werden, da in diesem Fall ideal ein Ausgangswiderstand gleich Null gefordert wird.
Eine hinsichtlich des grundlegenden Funktionsprinzips der EP 475 835 A 1 ähnliche Parallelschaltung eines Linear- und eines Schaltverstärkers wird auch in der CH 661 822 A5 beschrieben. Das dabei verwendete Schaltverstärkersystem kann allerdings nur für rein ohmsche Lasten eine nahezu vollständige Stromentlastung des Analogverstärkerteiles sicherstellen. Im Falle einer ohmsch-induktiven oder ohmschkapazitiven oder nichtlinearen Last können daher die Verluste des Analogverstärkerteiles stark ansteigen womit im wesentlichen wieder die für reine Analog-Leistungsverstärker erwähnten Nachteile vorliegen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines vorgebbaren, an einer allgemeinen Lastimpedanz auftretenden Spannungsverlaufes mit lastunabhängig hohem Wirkungsgrad und hoher Bandbreite zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.
Erfindungsgemäss wird zur Erzeugung einer, durch externe Einstellvorrichtungen vorgegebenen Spannung an den Klemmen eines Lastkreises eine Parallelschaltung eines spannungseinprägenden analogen und eines stromeinprägenden, geschalteten Verstärkers, also ein Hybrid-Leistungsverstärker herangezogen.
Dieser wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 beschrieben. Durch eine Messund Steuereinheit wird dabei der Ausgangsstrom des, die Ausgangsspannung der Vorrichtung letztlich definierenden Analogteiles erfasst und dem Schaltverstärker als Stromregelabweichung zugeführt. Die Stromregelung des Schaltverstärkers prägt damit an dessen Ausgang einen, der Stromaufnahme der Last mit Ausnahme prinzipbedingter, schaltfrequenter Schwankungen entsprechenden Strom ein, womit der Ausgangsstrom des Analogverstärkers im Sinne eines Kompensationsprinzips auf sehr kleinen Werten gehalten wird.
Zur Realisierung des Analog- und des Schaltverstärkers können eine Vielzahl bekannter Schaltungskonzepte herangezogen werden, insbesondere sind hiebei Analogverstärker mit geringem Ausgangswiderstand und neben Zweipunkt-, Drei- oder Mehrpunkt-Schaltverstärkern auch phasenversetzt getaktete Paralielsysteme anzuführen. Beide Verstärker können aus getrennten Versorgungsspannungskreisen oder auch ausgehend von einer gemeinsamen Spannungsversorgung gespeist werden.
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Da der Hauptleistungsfluss durch den Schaltverstärker übernommen und durch den Analogverstärker nur die schaltfrequente Welligkeit des Schaltverstärker-Ausgangsstromes ausgeglichen wird, ist die Vorrichtung durch einen hohen Wirkungsgrad gekennzeichnet. Andererseits wird die bei Einsatz eines reinen Schalterstärkers an dessen Ausgang vorzusehende passive Filterstufe durch den Analogteil breitbandig aktiv realisiert (durch den Analogteil wird, wie vorstehend erwähnt, direkt die Ausgangsspannung gemäss dem vorgegebenen Sollwert der zu erzeugenden Spannung eingeprägt).
Aufgrund der damit gegebenen Nutzung der Hauptvorteile jedes der beiden parallelgeschalteten Teilsysteme, d. h. der veriustarmen Führung des Hauptanteiles des Ausgangsstromes im Schattverstärkerteit und der Definition der Ausgangsspannung durch den einen geringen Innenwiderstand aufweisenden Analogverstärkerteil, kann der Forderung nach hoher Bandbreite und hohem Wirkungsgrad aufwandminimal entsprochen werden.
Der Schaltverstärker wird dabei durch einen aus, im Gegentakt gesteuerten Transistoren gebildeten Zweipunkt-Halbbrückenzweig und eine an dessen Ausgangsseite angeordnete, einseitig mit einer Ausgangsspannungsklemme der Vorrichtung verbundenen stromeinprägende Induktivität gebildet. Die Ansteuerung der BrOckenstufe erfolgt durch ein Hystereseschaltglied, an dessen Eingang der über eine Strommessvorrichtung erfasste Istwert des Ausgangsstromes des Analogverstärkers gelegt wird.
Die, der Schaltverstär- kerstufe an den Lastklemmen parallel liegende Analogverstärkerstufe wird durch den über eine externe Einstellvorrichtung vorgebbaren Sollwertsignal der vom Gesamtsystem letztlich zu erzeugenden Ausgangsspannung gesteuert, wobei durch Rückführung des Ausgangsspannungsistwertes an den Analogverstärkereingang eine Spannungsregelung - im einfachsten Fall also ein einem Spannungsfolger entsprechendes Betriebsverhalten - realisiert wird.
Der Ausgangsstrom der Vorrichtung bzw. der Laststrom wird durch die Summe der Ausgangsströme des Analog- und des Schaftverstärkers gebildet. Überschreitet der Ausgangsstrom des Analogverstärkers die positive Schaltschwelle des Hystereseschaltgliedes, wird der mit der positiven Versorgungsspannungsschiene verbundene Transistor des Halbbrückenzweiges des Schaltverstärkers durchgeschaltet (und der mit der negativen Versorgungsspannungsschiene verbundene Transistor gesperrt) und durch die damit über der zwischen Wurzelpunkt des Brückenzweiges und Lastspannungsklemme geschalteten Induktivität auftretenden Spannung eine Erhöhung des Schaltverstärker-Ausgangsstromes bewirkt.
Analog resultiert bei Unterschreiten der negativen Schaltschwelle des Hysteresegliedes ein inverser Schaltzustand des Brückenzwei- ges und damit eine Verringerung des Schaltverstärkerstromes. Durch die Schaltverstärkerstufe wird also der Ausgangsstrom des Analogverstärkers auf Null geregelt, wobei aufgrund der Arbeitsbewegung des Hystereseschaltreglers ein betragsmässig auf halbe Breite der Schafthysterese begrenzter, der schaftfrequenten Welligkeit des Stromes durch die Schaltverstärker-Ausgangsinduktivität entsprechender Stromanteil verbleibt.
Die Erfindung wird in Form einer insbesondere hinsichtlich Realisierungsaufwand vorteilhaften Ausge- stattung anhand von Fig. 1 näher erläutert.
Fig. 1 : zeigt eine aus der Parallelschaltung eines Analogverstärkers und eines, mittels eines Hystereseschaltgiiedes in Abhängigkeit des Ausgangsstromes des Analogverstärkers gesteuerten Zweipunkt-Schaltverstärkers gebildete Grundstruktur einer Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Hybrid-Leistungsverstärkers.
In Flg. 1 ist ein Hybrid-Leistungsverstärker (1) dargestellt, dessen Grundfunktion in der Erzeugung einer, durch externe Einstellvorrichtungen an einem Steuereingang (2) der Vorrichtung vorgebbaren Spannung besteht, wobei die auf Masse (3) bezogene Ausgangspannung an der Ausgangsklemme (4) abzugreifen bzw. an einen nach Masse (3) geschalteten Lastkreis (5) zu legen ist.
Der Leistungsteil der Vorrichtung wird durch die Parallelschaltung eines Anologverstärkers (6) mit positiver Versorgungsspannung (7) und negativer Versorgungsspannung (8) und eines Schaltverstärkers (9) mit positiver Versorgungsspannung (10) und negativer Versorgungsspannung (11) derart gebildet, dass der Ausgang des Analogverstärkers (6) unter Zwischenschaltung eines Strommessgliedes (12) und der Ausgang des Schaltverstärkers (9) über ein stromeinprägendes passives Netzwerk (13) (im einfachsten Fall eine Glättungsinduktivität) mit der Ausgangsklemme (4) der Vorrichtung verbunden sind.
Die interne Regelung der Vorrichtung (1) erfolgt dabei derart, dass das Strommesssignal (12) über eine Signalleitung (14) an den Steuereingang (15) des Schalterstärkers (9) gelegt und als Regelabweichung des Ausgangstromes des Schaltverstärkers (9) interpretiert wird. Demgemäss bildet die (im einfachsten Fall durch ein Hystereseschaltglied realisierte) Stromregelung (16) des Analogverstärkers (9) Ansteuerbefehle (17) für die ausgangsseitig angeordnete Schaltstufe (18) von Schaltverstärker (9) derart, dass resultierend der durch das Filternetzwerk (13) eingeprägte Strom weitgehend dem Strom im Lastkreis (5) entspricht und somit eine nur geringe Belastung des Analogverstärkers (6) gegeben ist. Die Schaltstufe (18) kann dabei z.
B. durch eine Zweipunkt-Gegentaktstufe mit Steuereingang (17), Ausgang (19) und einem drainseitig an positiver Versorgungsspannung (10) und sourceseitig an Ausgang (19) liegenden abschaltbaren elektronischen Schalter (20) mit antiparallel geschalteter Freilaufdio-
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The invention relates to a device for generating a predeterminable voltage curve occurring over a load impedance, as described in the preamble of claim 1.
According to the current state of the art, purely analog systems are used to implement power amplifiers with a low distortion factor, a high bandwidth and low internal resistance. The output stage is formed, for example, by a correspondingly controlled, complementary emitter stage. If a high quiescent current is selected in order to largely linearize the amplifier's transmission characteristic (minimizing the transfer distortion of the emitter stage) (push-pull or AB operation), high losses result and, owing to the cooling effort required, a relatively low power-to-weight ratio or high volume of the overall system . Another disadvantage is that to maintain the safe working range of the output stage transistors with respect to purely ohmic loads
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call.
The inherently high losses of analog power amplifiers linked to the output power can only be avoided by switching the output stage. The switching amplifiers present in this case, however, are characterized by a relatively high outlay for filtering the pulse-shaped output voltage containing the voltage to be formed as a time average. Since the kink frequency of the filter is to be placed significantly below the switching frequency (limited by the switching losses) for a high signal-to-noise ratio, a relatively small large signal bandwidth of the amplifier system also results.
EP 475 835 A1 describes a relatively low power loss (compared to an implementation as a pure analog amplifier) and a low filter complexity (compared to a pure switching amplifier system). The system is formed by connecting a switching amplifier and an analog amplifier in parallel. The output current of the analog amplifier is measured and, based on this, the current of the switching amplifier is set in such a way that the load on the analog amplifier part is as low as possible and thus low power loss.
Both amplifiers have current source characteristics, regardless of the load voltage that occurs, a predeterminable current is impressed into a load; the dynamic output resistance of the power current source relevant for the load is (ideally) infinite. The system can therefore not be used to impress a defined (current-independent) curve of the voltage at the load, since in this case an output resistance of zero is ideally required.
A parallel connection of a linear and a switching amplifier similar in terms of the basic functional principle of EP 475 835 A1 is also described in CH 661 822 A5. The switching amplifier system used here, however, can ensure almost complete current relief of the analog amplifier part only for purely resistive loads. In the case of an ohmic-inductive or ohmic-capacitive or non-linear load, the losses of the analog amplifier part can therefore increase sharply, which essentially again has the disadvantages mentioned for pure analog power amplifiers.
The object of the invention is therefore to provide a device for generating a predeterminable voltage curve occurring at a general load impedance with a load-independent high efficiency and high bandwidth.
This object is achieved by the characterizing features of patent claim 1.
According to the invention, a parallel connection of a voltage-impressing analog and a current-impressing switched amplifier, that is to say a hybrid power amplifier, is used to generate a voltage at the terminals of a load circuit which is predetermined by external setting devices.
This is described by the characterizing features of claim 1. The output current of the analog part that ultimately defines the output voltage of the device is detected by a measuring and control unit and fed to the switching amplifier as a current control deviation. The current control of the switching amplifier thus impresses a current at its output which corresponds to the current consumption of the load with the exception of principle-related, switching-frequency fluctuations, with which the output current of the analog amplifier is kept at very low values in the sense of a compensation principle.
A large number of known circuit concepts can be used to implement the analog and switching amplifiers; in particular, analog amplifiers with low output resistance and, in addition to two-point, three or multi-point switching amplifiers, phase-shifted parallel systems are to be mentioned. Both amplifiers can be supplied from separate supply voltage circuits or from a common voltage supply.
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Since the main power flow is taken over by the switching amplifier and only the switching frequency ripple of the switching amplifier output current is compensated by the analog amplifier, the device is characterized by a high efficiency. On the other hand, the passive filter stage to be provided at the output when using a pure switch amplifier is actively implemented by the analog part in a broadband manner (as mentioned above, the output part is directly impressed by the analog part according to the predetermined setpoint of the voltage to be generated).
Given the use of the main advantages of each of the two subsystems connected in parallel, i. H. The low-loss routing of the main part of the output current in the shading amplifier part and the definition of the output voltage by the low internal resistance analog amplifier part, the demand for high bandwidth and high efficiency can be met with minimal effort.
The switching amplifier is formed by a two-point half-bridge branch formed from push-pull controlled transistors and a current-inducing inductor arranged on its output side and connected on one side to an output voltage terminal of the device. The bridge stage is controlled by a hysteresis switching element, to the input of which the actual value of the output current of the analog amplifier, which is detected by a current measuring device, is applied.
The analog amplifier stage, which is parallel to the switching amplifier stage at the load terminals, is controlled by the setpoint signal of the output voltage ultimately to be generated by the overall system via an external setting device, whereby by feedback of the actual output voltage value to the analog amplifier input, voltage regulation - in the simplest case, an operating behavior corresponding to a voltage follower - is realized.
The output current of the device or the load current is formed by the sum of the output currents of the analog and shaft amplifiers. If the output current of the analog amplifier exceeds the positive switching threshold of the hysteresis switching element, the transistor of the half-bridge branch of the switching amplifier connected to the positive supply voltage rail is turned on (and the transistor connected to the negative supply voltage rail is blocked) and is therefore caused by the inductance which occurs between the root point of the bridge branch and the load voltage terminal Voltage causes an increase in the switching amplifier output current.
Similarly, if the negative switching threshold of the hysteresis element is undershot, an inverse switching state of the bridge arm results and thus a reduction in the switching amplifier current. The switching amplifier stage thus regulates the output current of the analog amplifier to zero, whereby due to the working movement of the hysteresis switching regulator, a current component corresponding to the shaft frequency ripple of the current limited by half the width of the shaft hysteresis remains.
The invention is explained in more detail in the form of a configuration which is advantageous in particular with regard to implementation costs with reference to FIG. 1.
1 shows a basic structure of an embodiment variant of the hybrid power amplifier according to the invention, formed from the parallel connection of an analog amplifier and a two-point switching amplifier controlled by means of a hysteresis switching element depending on the output current of the analog amplifier.
In Flg. 1 shows a hybrid power amplifier (1), the basic function of which is to generate a voltage that can be specified by external setting devices at a control input (2) of the device, the output voltage (3) relating to ground (3) being tapped or tapped to be connected to a load circuit (5) connected to ground (3).
The power section of the device is formed by the parallel connection of an anolog amplifier (6) with positive supply voltage (7) and negative supply voltage (8) and a switching amplifier (9) with positive supply voltage (10) and negative supply voltage (11) such that the output of the Analog amplifier (6) with the interposition of a current measuring element (12) and the output of the switching amplifier (9) are connected to the output terminal (4) of the device via a current-impressing passive network (13) (in the simplest case, a smoothing inductor).
The internal control of the device (1) takes place in such a way that the current measurement signal (12) is connected to the control input (15) of the switch amplifier (9) via a signal line (14) and is interpreted as a control deviation of the output current of the switching amplifier (9). Accordingly, the current control (16) of the analog amplifier (9) (implemented in the simplest case by a hysteresis switching element) forms control commands (17) for the switching stage (18) of switching amplifiers (9) arranged on the output side in such a way that the one impressed by the filter network (13) results Current largely corresponds to the current in the load circuit (5) and thus there is only a slight load on the analog amplifier (6). The switching stage (18) can, for.
B. by a two-point push-pull stage with control input (17), output (19) and a drainable on the positive supply voltage (10) and source side of the output (19) switchable electronic switch (20) with antiparallel connected freewheel di
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