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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Digitalverstärker und ein Verfahren für dessen Betrieb.
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Digitalverstärker, auch Klasse-D-Verstärker genannt, werden wegen ihres hohen Wirkungsgrads in großem Umfang verwendet. Wegen der bekannt guten Energieverwertung werden die Digitalverstärker vor allem als Leistungsverstärker eingesetzt.
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Digitalverstärker umfassen einen Signaleingang mit wenigstens zwei Verstärkerstufen mit elektronischen Schaltelementen sowie diesen Verstärkerstufen zugeordnete Versorgungsspannungsquellen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen und eine Last, an die die Verstärkerstufen parallel angeschlossen sind. Durch das Eingangssignal werden die Verstärkerstufen simultan leitend gesteuert, so daß in Abhängigkeit der Amplitude des Eingangssignals unterschiedliche Versorgungsspannungen an die Last geschaltet werden. Der hohe Wirkungsgrad ergibt sich, da die Spannung an der anliegenden Last, in Abhängigkeit von Eingangssignal, nur in einem reinen Schaltbetrieb erzeugt wird. Um Linearitätsanforderungen erfüllen zu können ist es allerdings nötig, daß für den Schaltbetrieb eine hohe Schaltfrequenz verwendet wird. Durch die hohe Schaltfrequenz des Schaltsignals wird ein ausgeprägtes Störsignal erzeugt.
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Aus der
DE 195 12 754 A1 ist ein Digitalverstärker bekannt, bei dem ein Eingangssignal über eine Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung die Phasen der Steuerspannungen an den Eingängen einer Vollbrückenschaltung moduliert. An der Brückendiagonale wird dadurch ein Spannungsverlauf erzeugt, der innerhalb einer Periode die Potentialzustände ”Positiv”, ”Null” und ”Negativ” annimmt, wobei die Verhältnisse der Einschaltdauer der Potentialzustände ”Positiv” oder ”Negativ” zu ”Null” in Abhängigkeit der Phasen der Steuerspannungen verändert werden. Dementsprechend variiert auch die Spannungs- und Stromamplitude des in der Brückendiagonale liegenden Last. Dadurch, daß die Schaltelemente der Vollbrückenschaltung nur ein- und ausgeschaltet werden, entstehen nur geringe Schaltverluste, so daß sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt. Darüber hinaus wird durch die Einführung des Potentialzustandes ”Null” bei Wechsel von ”Positiv” auf ”Negativ” und umgekehrt ein direkter Potentialwechsel zwischen den Extremwerten ”Positiv” und ”Negativ” vermieden und so das Störspektrum reduziert.
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Aus der Entgegenhaltung
DE 198 57 524 A1 ist ein Leistungsverstärker bekannt, der unter Beibehaltung seines exakten Endstufen-Schalttaktes einfacher aufgebaut ist, und eine geringere Baugröße aufweist. Der Leistungsverstärker umfasst wenigstens eine Schaltendstufe, deren Leistungsbrückenschaltung eine vorgebbare Zahl von Schaltelementen aufweist, wobei die Leistungsbrückenschaltung an einer potentialfreien Zwischenkreisspannung anliegt. Weiterhin ist wenigstens ein Pulsweitenmodulator vorhanden, der aus Eingangssignalen pulsweitenmodulierte Steuersignale für alle Schaltelemente der Leistungsbrückenschaltung generiert, um wenigstens eine Endstufenspannung gemäß einem Endstufen-Schalttakt zu erzeugen, wobei der Pulsweitenmodulator als digitaler Pulsweitenmodulator ausgebildet ist. Dem Pulsweitenmodulator werden digitale Eingangssignale zugeführt, welche den Steuersignalen eines analogen Pulsweitenmodulators nachgebildet sind. Auf diese Weise weisen die erzeugten Endstufenspannungen einen zumindest nahezu analogen Verlauf auf. Dem digitalen Pulsweitenmodulator ist ein Vormodulator vorgeschaltet, dem zunächst eine vorgebbare Zahl von Eingangssignalen für den digitalen Pulsweitenmodulator zugeführt werden. Die Ausgangssignale des Vormodulators werden anschließend dem digitalen Pulsweitenmodulator als Eingangssignale zugeführt.
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Die
US 5 901 176 A betrifft einen digitalen Pulsbreitenmodulator mit einem Delta-Sigma-Modulator zum Ansteuern einer Last. Dabei wird ein Verschieben einzelner Pulse eines pulsbreitenmodulierten Signals unter Verwendung einer Pseudo-Zufallsfolge vorgeschlagen.
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Für hochwertige Leistungsverstärker, wie sie beispielsweise für die Verstärkung von Audiosignalen verwendet werden, ist die Verringerung des Störspektrums aber noch immer nicht ausreichend. Bei dem bekannten Digitalverstärker mit Pulsweitenmodulations-Steuerschaltung kommt es nämlich durch die Verwendung des hochfrequenten pulsweitenmodulierten Steuersignals zu einem ausgeprägtem Störspektrum mit einzelnen diskreten Frequenzen hoher Leistung, wegen der sich aus der Pulsweitenmodulation ergebenden Rechteckform des Steuersignals. Um Auflagen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit erfüllen zu können ist deshalb ein hoher Aufwand für die Entstörung derartiger Digitalverstärker erforderlich.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Digitalverstärker und ein Verfahren für dessen Betrieb anzugeben, die ein weiter verringertes Störspektrum aufweisen.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie des nebengeordneten Anspruchs 4 gelöst.
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Bei der Erfindung wird dabei von der Überlegung ausgegangen, daß das durch das pulsweitenmodulierte Steuersignal erzeugte Störspektrum verringert werden kann, bzw. daß die hohe Leistung der einzelnen diskreten Störfrequenzen auf einen größeren Frequenzbereich verteilt werden kann, wenn das pulsweitenmodulierte Steuersignal aus einzelnen Pulsen zusammengesetzt wird, die eine zeitlich ungleichmäßige Verteilung aufweisen.
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Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß noch ein Störspektrum erzeugt wird, das nicht nur über einzelne diskrete Störfrequenzen hoher Leistung verfügt, sondern bei denen die Störleistung über einen weiten Frequenzbereich verteilt ist, wodurch aufwendige Maßnahmen zur Entstörung unterbleiben können.
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Erfindungsgemäß wird die zeitlich ungleichmäßige Verteilung der Pulse des pulsweitenmodulierten Steuersignals anhand einer Zufallsfolge abgeleitet. Dadurch entsteht ein rauschähnliches Störspektrum ohne diskrete Frequenzen, welches es ermöglicht die Einhaltung von Anforderungen hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit mit minimalem Aufwand zu erfüllen.
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Die Zufallsfolge wird erfindungsgemäß als Pseudo-Zufallsfolge erzeugt, d. h. als eine Zufallsfolge mit vorgegebener Länge. Diese Lösung ermöglicht die einfache Erzeugung der Zufallsfolge und bietet den Vorteil, daß eine ausreichende Verteilung der Störfrequenzen erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit von der zeitlich ungleichmäßigen Verteilung der Pulse des pulsweitenmodulierten Steuersignals auch die Weite der einzelnen Pulse verändert. Das Steuersignal weist dadurch eine Vielzahl von Frequenzen auf, so daß die Leistungsdichte innerhalb des Störspektrums weiter gesenkt wird.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Digitalverstärkers anhand von Figuren.
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Es zeigt:
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1 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform eines Digitalverstärkers, und
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2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von pulsweitenmodulierten Steuersignalen.
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Zur Erleichterung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren nur die Bestandteile der Ausführungsform dargestellt, die im Zusammenhang mit der Erfindung von Bedeutung sind.
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1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform eines Digitalverstärkers, mit einem Eingang E für ein zu verstärkendes Eingangssignal, das einer Steuereinrichtung 1 zugeführt wird, welche den Digitalverstärker 3 ansteuert. Die Steuereinrichtung 1 erzeugt nach Maßgabe des Eingangssignals ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal, das dem Digitalverstärker 3 zugeführt wird, der somit das Eingangssignal verstärkt. Die Qualität des Ausgangssignals kann mittels eines nicht dargestellten Integrators verbessert werden. Am Ausgang A des Digitalverstärkers 3 kann das verstärkte Eingangssignal abgegriffen, bzw. eine Last, z. B. ein Lautsprecher, angeschlossen werden.
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2 zeigt den zeitlichen Verlauf von pulsweitenmodulierten Steuersignalen. In 2a) ist der äquidistante zeitliche Verlauf eines pulsweitenmodulierten Steuersignals dargestellt, wie er üblicherweise zur Ansteuerung von Digitalverstärkern verwendet wird. 2b) zeigt den zeitlichen Verlauf eines pulsweitenmodulierten Steuersignals, dessen einzelne Pulse eine zeitlich ungleichmäßige Verteilung aufweisen. Beispielsweise beginnt der Puls t1 – t2 um einen Zeitraum Δt früher als der Puls des äquidistanten Steuersignals nach 2a). Für andere Pulse werden andere Zeiträume vorgesehen, um welche die Pulse, abweichend vom eigentlich vorgesehenen äguidistanten Anfangszeitpunkt, verschoben starten. Die Verschiebung kann positiv oder negativ sein, d. h. die Pulse können verfrüht oder verspätet starten.
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Zur Erzeugung der zeitlich ungleichmäßig verteilten Pulse des Steuersignals ist eine Einrichtung 2 zur Erzeugung einer Zufallsfolge vorgesehen und an die Steuereinrichtung 1 angeschlossen. Die Einrichtung 2 erzeugt eine Folge von Werten, die dazu verwendet werden, die oben beschriebene, zeitlich ungleichmäßige Verteilung der einzelnen Pulse des Steuersignals in der Steuereinrichtung 1 zu erzeugen.
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Die Einrichtung 2 zur Erzeugung einer Zufallsfolge kann insbesondere mittels eines Schieberegisters vorgegebener Länge realisiert werden, um eine sogenannte Pseudo-Zufallsfolge zu erzeugen. Dabei wird eine Zufallsfolge bestimmter Länge, d. h. eine bestimmte Anzahl von Werten, erzeugt. Die Länge der Zufallsfolge ergibt sich aus der vorgegebenen Länge des Schieberegisters, in welchem die Werte für die Zufallsfolge gespeichert sind. Durch zyklisches Auslesen des Schieberegisters ist es möglich, die Zufallsfolge zu erzeugen.
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Ebenso ist es möglich, eine Zufallsfolge mittels eines Algorithmus zu erzeugen. In diesem Fall wird ein Mikrocomputer verwendet, in dessen Speicher der Algorithmus in Form von Software gespeichert ist. Wie bei der oben im Zusammenhang mit dem Schieberegister beschriebenen Ausführungsform ergibt sich auch bei der Verwendung eines Mikrocomputers mit einem entsprechenden Algorithmus für die Erzeugung einer Zufallsfolge eine Pseudo-Zufallsfolge, da die erzeugten Werte sich nach einer bestimmten, vom Algorithmus vorgegebenen, Anzahl von Werten wiederholen.
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Bei der oben beschriebenen zeitlich ungleichmäßigen Verteilung der Pulse des Steuersignals durch die Steuereinheit 1 wird die Weite der Pulse entsprechend der zeitlichen Verschiebung verändert. In 2b) ist dies für die Pulse von t1, bis t5 dargestellt. Der Puls t1 – t2 beginnt um Δt verfrüht und ist entsprechend verlängert. Der nachfolgende Puls t2 – t3 ist um die Zeitdauer Δt verlängert, so daß sich insgesamt ein Rechtecksignal mit einer Periodendauer T1 ergibt. Der nachfolgende Puls t3 – t4 beginnt verspätet und die Weite des Pulses t3 – t4 ist entsprechend verkürzt. Die Weite des anschließenden Pulses t4 – t5 ist um den gleichen Betrag verkürzt, so daß sich ein Rechtecksignal mit einer Periodendauer T2 ergibt.
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Durch die beschriebene Anpassung der Weite der Pulse des Steuersignals durch die Steuereinrichtung 1 in Abhängigkeit von der zeitlich ungleichmäßigen Verteilung der Pulse ergibt sich eine weitere Verbesserung des durch das Steuersignal verursachten Störspektrums, da das Steuersignal statt einer einzigen Frequenz nunmehr eine Vielzahl von Frequenzen aufweist, entsprechend der sich, wie oben beschrieben, ergebenden Periodendauern.
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Hierbei ist aber zu berücksichtigen, dass die zeitliche Lage der Pulse durch ein Zufallsverfahren festgelegt wird. Das Integral aus Puls und der nachfolgenden Pause ist aber wieder identisch mit dem Integral des Audiosignals über den gleichen Zeitraum. Daher ist eine unmittelbare Abhängigkeit der Pulsdauer vom zeitlichen Abstand aufeinanderfolgender Pulse gegeben. Somit unterliegt die Pulsdauer ebenfalls indirekt der Pseudozufallsfolge. Dies führt nunmehr dazu, dass das Signal eine Vielzahl verschiedener Frequenzen aufweist, die eine gleichmässige Spektrale Verteilung anstelle einzelner diskreter Frequenzen besitzen.
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Abweichend von der beschriebenen getrennten Ausführung von Steuereinrichtung 1 und Einrichtung 2 zur Erzeugung einer Zufallsfolge kann es vorgesehen sein, daß beide Einrichtungen mittels eines Mikrocomputers gebildet werden, der über einen Analog/Digital-Wandler an den Eingang E und über einen Digital/Analog-Wandler an den Digitalverstärker 3 angeschlossen ist.
