DE102006009419A1

DE102006009419A1 - Pulsweitenmodulationsschaltung, Klasse-D-Audioverstärker und Pulsweitenmodulationsverfahren

Info

Publication number: DE102006009419A1
Application number: DE102006009419A
Authority: DE
Inventors: Chung-Gil Gunpo Yang; Jong-Haeng Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2006-09-07
Also published as: US7323919B2; US20060197570A1; KR20060094291A; KR100617960B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Pulsweitenmodulationsschaltung mit einem Integrator (110) zum Integrieren eines Rückkopplungssignals und eines Eingangssignals (VI) und Erzeugen eines Integralsignals (VX), einen Klasse-D-Audioverstärker und ein Pulsweitenmodulationsverfahren. DOLLAR A Eine erfindungsgemäße Pulsweitenmodulationsschaltung umfasst eine Umschaltschaltung (150) zum Erzeugen eines PWM-Signals (VO) durch Umschalten eines Ausgabeknotens von einer ersten Quellenspannung (+V) auf eine zweite Quellenspannung (-V), basierend auf einem Vergleich des Integralsignals (VX) mit einer ersten Referenzspannung (REFT), und durch Umschalten des Ausgabeknotens von der zweiten Quellenspannung (-V) auf die erste Quellenspannung (+V), basierend auf einem Vergleich des Integralsignals (VX) mit einer zweiten Referenzspannung (REFB), und eine Rückkopplungsschaltung (200), die das Rückkopplungssignal, basierend auf dem PWM-Signal (VO), erzeugt. DOLLAR A Verwendung z. B. in der Audiotechnik.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulsweitenmodulationsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Klasse-D-Audioverstärker und ein Pulsweitenmodulationsverfahren.
Ein Klasse-D-Verstärker wird in elektronischen Produkten, wie DVD-(Digital Versatile Disc)-Abspielgeräten, aufgrund seiner überlegenden Leistungsfähigkeit im Vergleich zu einem analogen Verstärker verwendet. Eine Pulsweitenmodulation (PWM) wurde zum Kern des Klasse-D-Verstärkers.
Herkömmliche PWM-Schaltungen erzeugen durch einen Vergleich eines Audiosignals mit einer Dreieckschwingung oder einer Sägezahnschwingung einen Puls mit einer bestimmten Breite, wozu ein Rampensignalgenerator im herkömmlichen Klasse-D-Verstärker erforderlich ist, um die Pulsweite zu modulieren. Der Rampensignalgenerator erzeugt ein Rampensignal mit einer Frequenz zwischen 200kHz bis 500kHz und belegt eine große Fläche auf einem Chip, wenn er in einer integrierten Schaltung angeordnet ist. Daher würde eine PWM-Schaltung, welche ein PWM-Signal ohne einen Rampengenerator erzeugt, die für die Pulsweitenmodulation erforderliche Fläche auf einem Chip reduzieren.

1 zeigt einen Klasse-D-Audioverstärker mit einer PWM-Schaltung vom selbstoszillierenden Typ, wie er in der Patentschrift US 4.531.096 offenbart ist. 2 zeigt ein Zeitablaufdiagramm mit Signalverläufen bezüglich entsprechender Teile des herkömmlichen Klasse-D-Audioverstärkers gemäß 1. Ein Integrator dieses Klasse-D-Audioverstärkers integriert ein Eingangssignal 10a und ein Rückkopplungssignal V0. Der Integrator umfasst einen Operationsverstärker 11, Kondensatoren 12a und 12b und Widerstände 13 und 21. Ein Rückkopplungssignal, d.h. ein PWM-Signal V0, welches von der PWM-Schaltung ausgegeben wird, wird über einen Widerstand 18 an einen invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 11 angelegt, und das Eingangssignal 10a wird an einen nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 11 angelegt.

Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 weist eine Ausgangsspannung V1 des Integrators, d.h. ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers 11, eine Dreieckssignalform auf, und eine Ausgangsspannung V2, welche durch einen digitalen Inverter 14a ausgegeben wird, weist eine Impulssignalform auf. Zusätzlich weisen ein Ausgangssignal V5 einer An-Aus-Zeitablaufsteuerschaltung 20 und ein Ausgangssignal V6 eines Impulsverstärkers 33 beide eine Impulssignalform mit einer Totzeit auf. Das PWM-Signal V0 ist ein Ausgangssignal einer Umschaltschaltung, welche einen p-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Transistor (PMOS-Transistor) 22a und einen n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-Transistor (NMOS-Transistor) 22b umfasst. Das Tastverhältnis des PWM-Signals V0 variiert linear mit einer Spannungsänderung des Eingangssignals 10a. Das PWM-Signal V0 wird durch einen Tiefpassfilter 34 demoduliert und einem Lautsprecher 35 zugeführt. Daher erzeugt diese herkömmliche PWM-Schaltung des Klasse-D-Audioverstärkers das PWM-Signal mit einem Tastverhältnis, welches gemäß der Eingangssignaländerung variiert wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Pulsweitenmodulationsschaltung, einen Klasse-D-Audioverstärker und ein Pulsweitenmodulationsverfahren anzugeben, die ohne Rampensignalgenerator mit fester Steigung zur Steuerung des Tastverhältnisses eines Pulsweitenmodulationssignals auskommen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Pulsweitenmodulationsschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Klasse-D-Audioverstärker mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 sowie durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 24.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ausführungsformen einen erfindungsgemäßen PWM-Schaltung belegen eine relativ kleine Fläche auf einem integrierten Halbleiterschaltungschip (IC-Chip). Die Erfindung stellt einen Klasse-D-Audioverstärker mit einer PWM-Schaltung und ein entsprechendes Pulsweitenmodulationsverfahren, die das Tastverhältnis eines Pulsweitenmodulationssignals variiert, ohne einen Rampensignalgenerator mit einer festen Steigung zu verwenden.

Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie das zu deren besserem Verständnis oben erläuterte herkömmliche Ausführungsbeispiel sind in den Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente bzw.

Komponenten, welche gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines herkömmlichen Klasse-D-Audioverstärkers mit einer PWM-Schaltung,
2 ein Zeitablaufdiagramm von Signalverläufen von Teilen des herkömmlichen Klasse-D-Verstärkers gemäß 1,
3 ein Blockschaltbild einer PWM-Schaltung gemäß der Erfindung,
4 ein Schaltbild eines Integrators für die PWM-Schaltung gemäß 3,
5 ein Schaltbild einer Komparatoreinheit für die PWM-Schaltung gemäß 3,
6 ein Schaltbild einer Zwischenspeicherschaltung für die PWM-Schaltung gemäß 3,
7 ein Zeitablaufdiagramm von Signalverläufen von Teilen der PWM-Schaltung gemäß 3, wenn kein Eingangssignal an die PWM-Schaltung angelegt ist,
8 ein Zeitablaufdiagramm von Signalverläufen von Teilen der PWM-Schaltung gemäß 3, wenn ein positives Eingangssignal an die PWM-Schaltung angelegt ist,
9 ein Zeitablaufdiagramm von Signalverläufen von Teilen der PWM-Schaltung gemäß 3, wenn ein negatives Eingangssignal an die PWM-Schaltung angelegt ist, und
10 ein Blockschaltbild eines Klasse-D-Audioverstärkers mit einer PWM-Schaltung gemäß 3.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 bis 10 näher erläutert. Es versteht sich hierbei, dass ein Element direkt mit einem anderen Element oder über Zwischenelemente mit dem anderen Element gekoppelt sein kann, wenn in der Beschreibung angegeben wird, dass ein Element mit einem anderen Element „verbunden" oder „gekoppelt" ist oder von einem anderen Element angesteuert wird oder ein anderes Element ansteuert.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM-Schaltung) 1000, die eine PWM-Grundschaltung 100 und eine Rückkopplungsschaltung 200 umfasst. Die PWM-Grundschaltung 100 umfasst einen Integrator 110, eine Komparatoreinheit 120, eine Zwischenspeicherschaltung 130, eine Treiberschaltung 140 und eine Umschaltschaltung 150. Die Rückkopplungsschaltung 200 kann als Widerstand Rf implementiert sein. Die Treiberschaltung 140 umfasst Inverter 142 und 144 und die Umschaltschaltung 150 kann einen PMOS-Transistor MP1 und einen NMOS-Transistor MN1 umfassen.
Die PWM-Grundschaltung 100 erzeugt ein PWM-Signal V0 in Reaktion auf ein Rückkopplungssignal Vf, ein Eingangssignal VI, eine erste Referenzspannung REFT und eine zweite Referenzspannung REFB. Die Rückkopplungsschaltung erzeugt in Reaktion auf das PWM-Signal V0 einen Rückkopplungsstrom If.
Der Integrator 110 integriert das Rückkopplungssignal Vf, welches mit dem Rückkopplungsstrom If assoziiert ist, und das Eingangssignal VI und erzeugt ein Integralsignal VX. Die Komparatoreinheit 120 erzeugt ein erstes Komparatorausgangssignal COMO1 durch Vergleichen des Integralsignals VX mit der ersten Referenzspannung REFT und erzeugt ein zweites Komparatorausgangssignal COMO2 durch Vergleichen des Integralsignals VX mit der zweiten Referenzspannung REFB.
Die Zwischenspeicherschaltung 130 speichert das erste Komparatorausgangssignal COMO1 und das zweite Komparatorausgangssignal COMO2 zwischen und erzeugt ein erstes zwischengespeichertes Ausgangssignal LATO und ein zweites zwischengespeichertes Ausgangssignal LATOB. Das erste zwischengespeicherte Ausgangssignal LATO und das zweite zwischengespeicherte Ausgangssignal LATOB weisen entgegengesetzte Phasen auf.
Die Treiberschaltung 140 puffert und invertiert das erste zwischengespeicherte Ausgangssignal LATO und das zweite zwischengespeicherte Ausgangssignal LATOB.
Die Umschaltschaltung 150 schaltet einen Ausgabeknoten zwischen einer hohen Quellenspannung +V und einer niedrigen Quellenspannung –V um und erzeugt das PWM-Signal V0 mit einem Spannungspegel von +V oder –V in Reaktion auf die Ausgangssignale der Treiberschaltung 140.
Die Rückkopplungsschaltung 200 erzeugt den Rückkopplungsstrom If in Reaktion auf das PWM-Signal V0.
In der PWM-Schaltung gemäß 3 weist die erste Referenzspannung REFT einen Wert von +aV auf, welcher mit einem Spannungswert korrespondiert, der proportional zur hohen Quellenspannung +V der Umschaltschaltung 150 ist, und die zweite Referenzspannung REFB weist einen Wert von –aV auf, welcher mit einem Spannungswert korrespon diert, der proportional zur niedrigen Quellenspannung –V der Umschaltschaltung 150 ist, wobei „a" ein Proportionalitätskoeffizient ist.
Während das PWM-Signal V0 auf einem hohen logischen Zustand bleibt, weist der Rückkopplungsstrom If einen positiven (+) Wert auf und fließt über den Rückkopplungswiderstand Rf in den Integrator 110. Während das PWM-Signal V0 auf einem niedrigen logischen Zustand bleibt, weist der Rückkopplungsstrom If einen negativen (–) Wert auf und fließt über den Rückkopplungswiderstand Rf zum Ausgabeknoten der PWM-Schaltung 1000.
4 zeigt eine vorteilhafte Realisierung des Integrators 110 der PWM-Schaltung gemäß 3. Unter Bezugnahme auf 4 kann der Integrator 110 einen Widerstand R1, einen Operationsverstärker 112 und einen Kondensator C1 umfassen.
Der Widerstand R1 empfängt das Eingangssignal VI und erzeugt einen Eingangsstrom Ii, welcher einem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 112 zur Verfügung gestellt wird. Der Operationsverstärker 112 umfasst den invertierenden Eingangsanschluss, welcher den Rückkopplungsstrom If und den Eingangsstrom Ii empfängt, der mit dem Eingangssignal VI korrespondiert, einen nicht invertierenden Eingangsanschluss, welcher mit Masse gekoppelt ist, und einen Ausgangsanschluss. Der Kondensator C1 ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 112 eingeschleift.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Integrators 110 gemäß 4 beschrieben. Wenn der Rückkopplungsstrom If einen positiven Wert aufweist, d.h. wenn das PWM-Signal V0 in einem hohen logischen Zustand ist, nimmt das Integralsignal VX linear ab, welches mit einer Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 112 korrespondiert. Ande rerseits nimmt, wenn der Rückkopplungsstrom If einen negativen Wert aufweist, d.h. wenn das PWM-Signal V0 in einem niedrigen logischen Zustand ist, das Integralsignal VX linear zu. Daraus resultiert, dass das Integralsignal VX eine Dreieckssignalform aufweist, wie aus 7 ersichtlich ist. Für den Fall des positiven Eingangssignals VI wird der Absolutwert der Steigung des Integralsignals VX für einen abfallenden Teil des Integralsignals VX erhöht und für einen ansteigenden Teil des Integralsignals VX reduziert, wie aus 8 ersichtlich ist. Im Gegensatz dazu wird für den Fall des negativen Eingangssignals VI der Absolutwert der Steigung des Integralsignals VX für einen abfallenden Teil des Integralsignals VX reduziert und für einen ansteigenden Teil des Integralsignals VX erhöht, wie aus 9 ersichtlich ist.
5 zeigt eine vorteilhafte Realisierung der Komparatoreinheit 120 der PWM-Schaltung gemäß 3. Unter Bezugnahme auf 5 umfasst die Komparatoreinheit 120 einen ersten Komparator 122 und einen zweiten Komparator 124.
Durch Vergleichen des Integralsignals VX mit der ersten Referenzspannung REFT gibt der erste Komparator 122 das erste Komparatorausgangssignai COMO1 mit einer Impulssignalform auf einem niedrigen logischen Zustand aus, wenn das Integralsignal VX größer als die erste Referenzspannung REFT wird. Umgekehrt gibt der zweite Komparator 124 das zweite Komparatorausgangssignal COMO2 durch Vergleichen des Integralsignals VX mit der zweiten Referenzspannung REFB mit einer Impulssignalform auf einem niedrigen logischen Zustand aus, wenn das Integralsignal VX kleiner als die zweite Referenzspannung REFB wird.
In anderen Worten ausgedrückt, wenn das Integralsignal größer als die Spannung +aV wird, gibt der erste Komparator das erste Komparatorausgangssignal COMO1 als ein Pulssignal in einem niedrigen logischen Zustand aus, und wenn das Integralsignal kleiner als die Spannung –aV wird, gibt der zweite Komparator das zweite Komparatorausgangssignal COMO2 als ein Pulssignal in einem niedrigen logischen Zustand aus.
6 zeigt eine vorteilhafte Reaslisierung der Zwischenspeicherschaltung 130 der PWM-Schaltung gemäß 3. Wie aus 6 ersichtlich ist, kann die Zwischenspeicherschaltung 130 als RS-Zwischenspeicherschaltung implementiert sein. Die RS-Zwischenspeicherschaltung speichert das erste Komparatorausgangssignal COMO1 und das zweite Komparatorausgangssignal COMO2 zwischen, um das erste zwischengespeicherte Ausgangssignal LATO bzw. das zweite zwischengespeicherte Ausgangssignal LATOB zu erzeugen.
In der RS-Zwischenspeicherschaltung gemäß 6 wird das erste zwischengespeicherte Ausgangssignal LATO freigegeben und das zweite zwischengespeicherte Ausgangssignal LATOB gesperrt, wenn das erste Komparatorausgangssignal COMO1 auf den niedrigen logischen Zustand gepulst ist und das zweite Komparatorausgangssignal COMO2 im hohen logischen Zustand ist. Umgekehrt wird das erste zwischengespeicherte Ausgangssignal LATO gesperrt und das zweite zwischengespeicherte Ausgangssignal LATOB freigegeben, wenn das erste Komparatorausgangssignal COMO1 im hohen logischen Zustand ist und das zweite Komparatorausgangssignal COMO2 auf den niedrigen logischen Zustand gepulst ist. Das erste zwischengespeicherte Ausgangssignal LATO und das zweite zwischengespeicherte Ausgangssignal LATOB weisen entgegengesetzte Phasen auf.
Die 7 bis 9 zeigen Zeitablaufdiagramme von Signalverläufen für Teile der PWM-Schaltung gemäß 3. 7 zeigt speziell Signalverläufe von Teilen der PWM-Schaltung gemäß 3, wenn kein Eingangssignal an die PWM-Schaltung angelegt ist. 8 zeigt Signalverläufe von Teilen der PWM-Schaltung gemäß 3, wenn ein positives Eingangssignal VI an die PWM-Schaltung angelegt ist. 9 zeigt Signalverläufe von Teilen der PWM-Schaltung gemäß 3, wenn ein negatives Eingangssignal VI an die PWM-Schaltung angelegt ist.
Unter Bezugnahme auf 7 weist das Integralsignal VX eine Dreieckssignalform auf, welche zwischen der ersten Referenzspannung aV und der zweiten Referenzspannung –aV mit einer AC-Masse als Mittenspannung oszilliert. Das Integralsignal VX steigt von der zweiten Referenzspannung –aV bis auf die erste Referenzspannung aV an. Wenn das Integralsignal VX den Spannungspegel der ersten Referenzspannung aV erreicht, wird das erste Komparatorausgangssignal COMO1 in den niedrigen logischen Pegel erzeugt, d.h. gepulst, und das Integralsignal VX beginnt abzufallen. Dann fällt das Integralsignal VX von der ersten Referenzspannung aV auf die zweite Referenzspannung –aV ab. Wenn das Integralsignal VX den Spannungspegel der zweiten Referenzspannung –aV erreicht, wird das zweite Komparatorausgangssignal COMO2 in den niedrigen logischen Pegel erzeugt, d.h. gepulst, und das Integralsignal VX beginnt wieder anzusteigen.
Wenn das Eingangssignal nicht an die PWM-Schaltung 1000 angelegt wird, ist eine Anstiegszeit des Integralsignals VX gleich einer Abfallzeit, wie aus 7 ersichtlich ist. Daher ist das Tastverhältnis oder die relative Einschaltdauer des PWM-Signals V0 gleich ½.
Unter Bezugnahme auf 8 unterscheiden sich die Anstiegszeit und die Abfallzeit des Integralsignals VX voneinander, wenn ein positives (+) Eingangssignal VI an die PWM-Schaltung 1000, d.h. an den Integrator 110 gemäß 4, angelegt wird. Die Abfallzeit des Integralsignals VX nimmt ab und die Anstiegszeit nimmt zu. In anderen Worten ausgedrückt, die Zeitdauer des niedrigen logischen Pegels des PWM-Signals V0 ist größer als die Zeitdauer des hohen logischen Pegels des PWM-Signals V0, wodurch das Tastverhältnis des PWM-Signals V0 kleiner als ½ ist. Wenn ein positives (+) Eingangssignal VI an die PWM-Schaltung 1000, d.h. an den Integrator 110 gemäß 4, angelegt wird, wird der Eingangsstrom Ii mit einem Wert von VI/R1 erzeugt. Dieser Eingangsstrom Ii reduziert die Abfallzeit des Integralsignals VX und erhöht die Anstiegszeit des Integralsignals VX.
Unter Bezugnahme auf 9 unterscheiden sich die Anstiegszeit und die Abfallzeit des Integralsignals VX, wenn ein negatives (–) Eingangssignal VI an die PWM-Schaltung 1000, d.h. an den Integrator 110 gemäß 4, angelegt wird. Die Abfallzeit des Integralsignals VX nimmt zu und die Anstiegszeit nimmt ab. In anderen Worten ausgedrückt, die Zeitdauer des hohen logischen Pegels des PWM-Signals V0 ist größer als die Zeitdauer des niedrigen logischen Pegels des PWM-Signals V0, wodurch das Tastverhältnis des PWM-Signals VO größer als ½ ist. Wenn ein negatives (–) Eingangssignal VI an den Integrator 110 gemäß 4, angelegt wird, wird der Eingangsstrom Ii mit einem Wert von VI/R1 erzeugt. Dieser Eingangsstrom Ii erhöht die Abfallzeit des Integralsignals VX und reduziert die Anstiegszeit des Integralsignals VX.
Die Funktionsweise der PWM-Schaltung gemäß 3 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 bis 9 im Detail beschrieben.
Die erste Referenzspannung REFT kann eine obere Schwellwertspannung sein, welche eine maximale Spannung des Integralsignals VX bestimmt, und die zweite Referenzspannung REFB kann eine untere Schwellwertspannung sein, welche eine minimale Spannung des Integralsignals VX bestimmt. Wie in 3 dargestellt ist, kann die erste Referenzspannung REFT auf den positiven, zur hohen Quellenspannung V der Umschaltschaltung 150 proportionalen Wert aV festgelegt werden, und die zweite Referenzspannung REFB kann auf den negativen, zur niedrigen Quellenspannung –V der Umschaltschaltung 150 proportionalen Wert –aV festgelegt werden.
Allgemein kann das Verhältnis zwischen einer Spannung V, einem Strom I und einer Lade-/Entladezeitspanne T zum Laden/Entladen eines Ladungsbetrages durch Gleichung (1) repräsentiert werden. T = (CV)/I (1)
Wenn das Eingangssignal VI nicht angelegt ist, können die Anstiegszeit Tr eines ansteigenden Teils, die Abfallszeit Tf eines abfallenden Teils und eine Periode Ts, d.h. die Summe des ansteigenden Teils und des abfallenden Teils, des Integralsignals VX wie folgt berechnet werden.
Wenn das PWM-Signal V0 den gleichen Wert wie die hohe Quellenspannung +V aufweist und der Rückkopplungswiderstand den Wert Rf aufweist, wird der Rückkopplungsstrom If zu If=V/Rf bestimmt. Zusätzlich entspricht ein Spannungsbereich des Integralsignals VX dem Wert aV–(–aV) = 2aV.
Wenn das Eingangssignal VI nicht angelegt ist, sind die Abfallzeit Tf und die Anstiegszeit Tr gleich und werden durch folgende Gleichung (2) repräsentiert. Tf = Tr = 2a·Rf·C1 (2)
Wenn ein positives (+) Eingangssignal VI angelegt ist, können die Abfallzeit Tf und die Anstiegszeit Tr des Integralsignals VX durch die folgende Gleichung (3) und (4) repräsentiert werden.
Wenn ein positives (+) Eingangssignal Vf angefegt ist, wird die Periode Ts des Integralsignals VX durch die folgende Gleichung (5) repräsentiert.
Aus Gleichung (5) ergibt sich durch Umformen folgende Gleichung (6).
Daher wird, wenn ein positives (+) Eingangssignal VI angelegt ist, die Frequenz durch die folgende Gleichung (7) repräsentiert.
Unter Verwendung der Gleichungen (3) und (4) wird das Tastverhältnis Duty des Integralsignals VX und somit das Tastverhältnis einer Ausgangsspannung, d.h. des Signals V0, der Pufsweitenmodulation durch folgende Gleichung (8) repräsentiert, wenn ein positives (+) Eingangssignal angelegt wird.
Auf die gleiche Weise wird das Tastverhältnis Duty des PWM-Signals V0 durch die folgende Gleichung (9) repräsentiert, wenn ein negatives (–) Eingangssignal VI angelegt wird.
Unter Bezugnahme auf die Gleichungen (8) und (9) wird ersichtlich, dass das Tastverhältnis oder die relative Einschaltdauer des PWM-Ausgangssignals V0 linear proportional zum Eingangssignal VI ist.
Wenn der Rückkopplungsstrom If einen positiven (+) Wert aufweist, d.h. wenn das PWM-Signal V0 im hohen logischen Zustand ist, nimmt das Integralsignal VX, das eine Ausgangsspannung des Operationsverstärker 112 ist, linear zu. Das Integralsignal VX weist eine Dreieckssignalform auf, wie aus 7 ersichtlich ist. Wie aus 8 ersichtlich ist, nimmt im Falle eines positiven (+) Eingangssignals VI der absolute Steigungswert des Integralsignals VX für einen abfallenden Teil des Integralsignals VX zu und für einen ansteigenden Teil des Integralsignals VX ab. Wie aus 9 ersichtlich ist, nimmt im Falle eines negativen (–) Eingangssignals VI der absolute Steigungswert des Integralsignals VX für einen abfallenden Teil des Integralsignals VX ab und für einen ansteigenden Teil des Integralsignals VX zu.
10 zeigt einen Klasse-D-Audioverstärker mit der PWM-Schaltung 1000 gemäß 3. Unter Bezugnahme auf 10 umfasst der Klasse-D-Audioverstärker die PWM-Schaltung 1000, einen Tiefpassfilter 2000 und einen Lautsprecher 3000. Die PWM-Schaltung 1000 umfasst die PWM-Grundschaltung 100 und die Rückkopplungsschaltung 200. Der Tiefpassfilter 2000 umfasst eine Induktivität L1 und eine Kapazität C2.
Die PWM-Schaltung 1000 integriert einen Eingangsstrom basierend auf dem Eingangssignal VI und dem Rückkopplungsstrom Ii, welcher eine Rückkopplung des PWM-Signals V0 ist. Das integrierte Signal wird mit der ersten Referenzspannung REFT und der zweiten Referenzspannung REFB verglichen, um die internen Treibersignale gemäß 3 zu erzeugen. In Reaktion auf die internen Treibersignale erzeugt die PWM-Schaltung das PWM-Signal V0. Die erste Referenzspannung REFT kann eine obere Schwellwertspannung sein, welche eine maximale Spannung des Integralsignal VX bestimmt (siehe 3), und die zweite Referenzspannung REFB kann eine untere Schwellwertspannung sein, welche eine minimale Spannung des Integralsignal VX bestimmt (siehe 3). Die PWM-Grundschaltung 100 erzeugt das PWM-Signal V0 in Reaktion auf das Rückkopplungssignal Vf, das Eingangssignal VI, die erste Referenzspannung REFT und die zweite Referenzspannung REFB.
Die Rückkopplungsschaltung 200 erzeugt das Rückkopplungssignal Vf in Reaktion auf das PWM-Signal V0. Der Tiefpassfilter 2000 führt eine Tiefpassfilterung für das PWM-Signal V0 aus. Ein Audiosignal, welches vom Tiefpassfilter 2000 demoduliert wird, wird dem Lautsprecher 3000 zur Verfügung gestellt.
Die erfindungsgemäße PWM-Schaltung kann das Tastverhältnis oder die relative Einschaltdauer des PWM-Signals ohne Rampensignalgenerator abhängig von Änderungen des Eingangssignals relativ genau steuern. Zusätzlich belegt die PWM-Schaltung ohne Rampensignalgenerator eine relativ kleine Fläche in einer integrierten Schaltung, und ein Audiosystem mit einer solchen PWM-Schaltung kann mit einer einfacheren Hardwarekonfiguration ausgeführt werden. Zudem kann die erfindungsgemäße PWM-Schaltung durch Variieren der Umschaltfrequenz gemäß den Eingangssignaländerungen durch die Umschaltfrequenz verursachte elektromagnetische Interferenzen (EMI) reduzieren.

Claims

Pulsweitenmodulationsschaltung, mit – einem Integrator (110) zum Integrieren eines Rückkopplungssignals und eines Eingangssignals (VI) und Erzeugen eines Integralsignals (VX), gekennzeichnet durch – eine Umschaltschaltung (150) zum Erzeugen eines PWM-Signals (V0) durch Umschalten eines Ausgabeknotens von einer ersten Quellenspannung (+V) auf eine zweite Quellenspannung (–V) basierend auf einem Vergleich des Integralsignals (VX) mit einer ersten Referenzspannung (REFT) und durch Umschalten des Ausgabeknotens von der zweiten Quellenspannung (–V) auf die erste Quellenspannung (+V) basierend auf einem Vergleich des Integralsignals (VX) mit einer zweiten Referenzspannung (REFB) und – eine Rückkopplungsschaltung (200) zum Erzeugen des Rückkopplungssignals basierend auf dem PWM-Signal (V0).
Pulsweitenmodulationsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Komparatoreinheit (120) zum Vergleichen des Integralsignals (VX) mit der ersten Referenzspannung (REFT) und mit der zweiten Referenzspannung (REFB).
Pulsweitenmodulationsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatoreinheit (120) folgende Komponenten umfasst: – einen ersten Komparator (122) zum Vergleichen des Integralsignals (VX) mit der ersten Referenzspannung (REFT) und Ausgeben eines Impulssignals (COMO1) mit einem ersten logischen Pegel, wenn das Integralsignal (VX) größer als die erste Referenzspannung (REFT) ist, und – einen zweiten Komparator (124) zum Vergleichen des Integralsignals (VX) mit der zweiten Referenzspannung (REFB) und Ausgeben eines Impulssignals (COMO2) mit dem ersten logischen Pegel, wenn das Integralsignal (VX) kleiner als die zweite Referenzspannung (REFT) ist.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Treibereinheit (140) zum Erzeugen eines ersten Treibersignals basierend auf dem Vergleich des Integralsignals (VX) mit der ersten Referenzspannung (REFT) und eines zweiten Treibersignals basierend auf dem Vergleich des Integralsignals (VX) mit der zweiten Referenzspannung (REFT), wobei die Umschaltschaltung (150) das PWM-Signal (V0) durch Umschalten des Ausgabeknotens von der ersten Quellenspannung (+V) auf die zweite Quellenspannung (–V) basierend auf dem ersten Treibersignal und durch Umschalten des Ausgabeknotens von der zweiten Quellenspannung (–V) auf die erste Quellenspannung (+V) basierend auf dem zweiten Treibersignal erzeugt.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Komparatoreinheit (120) ein erstes Komparatorausgangssignal (COMO1) durch Vergleichen des Integralsignals (VX) mit einer ersten Referenzspannung (REFT) erzeugt und ein zweites Komparatorausgangssignal (COMO2) durch Vergleichen des Integralsignals (VX) mit einer zweiten Referenzspannung (REFB) erzeugt und – eine Treibereinheit (140) vorgesehen ist, die das erste Komparatorausgangssignal (COMO1) und das zweite Komparatorausgangssignal (COMO1) puffert, um ein erstes Treibersignal und ein zweites Treibersignal zu erzeugen, wobei die Umschaltschaltung (150) das PWM-Signal (V0) durch Umschalten des Ausgabeknotens zwischen der ersten Quellenspannung (+V) und der zweiten Quellenspannung (–V) in Reaktion auf das erste Treibersignal und das zweite Treibersignal erzeugt.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatoreinheit (120) eine Zwischenspeicherschaltung (130) umfasst, die das erste Komparatorausgangssignal (COMO1) und das zweite Komparatorausgangssignal (COMO2) zwischenspeichert, um ein erstes Zwischenspeichersignal (LATO) zu erzeugen, das mit dem ersten Komparatorausgangssignal (COMO1) korrespondiert, und um ein zweites Zwischenspeichersignal (LATOB) zu erzeugen, das mit dem zweiten Komparatorausgangssignal (COMO2) korrespondiert.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspeicherschaltung (130) eine RS-Zwischenspeicherschaltung umfasst, die das erste Komparatorausgangssignal (COMO1) und das zweite Komparatorausgangssignal (COMO2) zwischenspeichert.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibereinheit (140) einen ersten Inverter (142) zum Puffern des ersten Zwischenspeicherausgabesignals (LATO) und einen zweiten Inverter (144) umfasst, der das zweite Zwischenspeicherausgabesignal (LATOB) puffert.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator (110) folgende Komponenten umfasst: – einen Widerstand (R1) mit einem ersten Anschluss zum Empfangen des Eingangssignals (VI) und einem zweiten Anschluss, der mit einem ersten Knoten gekoppelt ist, – einen Operationsverstärker (112) mit einem ersten Eingangsanschluss, einem zweiten Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss umfasst, wobei der erste Eingangsanschluss mit dem ersten Knoten gekoppelt ist und das Rückkopplungssignal empfängt und der zweite Eingangsanschluss mit Masse verbunden ist, und – einen Kondensator (C1), der zwischen dem ersten Knoten und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers (112) eingeschleift ist.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltschaltung (150) folgende Komponenten umfasst: – einen Schalter (MP1) vom P-Typ, der den Ausgabeknoten in Reaktion auf das erste Treibersignal mit der ersten Quellenspannung (+V) koppelt, und – einen Schalter (MN1) vom N-Typ, der den Ausgabeknoten in Reaktion auf das zweite Treibersignal mit der zweiten Quellenspannung (–V) koppelt.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsschaltung (200) einen Widerstand (Rf) umfasst.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Referenzspannung (REFT) mit einer oberen Schwellwertspannung des Integralsignals (VX) korrespondiert und die zweite Referenzspannung (REFB) mit einer unteren Schwellwertspannung des Integralsignals (VX) korrespondiert.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein absoluter Steigungswert des Integralsignals (VX) basierend auf dem Eingangssignal (VI) für einen abfallenden Teil des Integralsignals (VX) zunimmt und für einen ansteigenden Teil des Integralsignals (VX) abnimmt.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein absoluter Steigungswert des Integralsignals (VX) basierend auf dem Eingangssignal (VI) für einen abfallenden Teil des Integralsignals (VX) abnimmt und für einen ansteigenden Teil des Integralsignals (VX) zunimmt.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das PWM-Signal (V0) ein Tastverhältnis aufweist, das linear mit einer Änderung des Eingangssignals (VI) variiert.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis des PWM-Signals (V0) korrespondierend mit einem abfallenden Teil des Integralsignals (VX) kleiner als ½ ist und korrespondierend mit einem ansteigenden Teil des Integralsignals (VX) größer als ½ ist, wenn das Eingangssignal (VI) eine positive Spannung aufweist.
Pulsweitenmodulationsschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis des PWM-Signals (V0) korrespondierend mit einem abfallenden Teil des Integralsignals (VX) größer als ½ ist und korrespondierend mit einem ansteigenden Teil des Integralsignals (VX) kleiner als ½ ist, wenn das Eingangssignal (VI) eine negative Spannung aufweist.
Klasse-D-Audioverstärker, gekennzeichnet durch eine PWM-Schaltung (1000), die dafür eingerichtet ist, ein Rückkopplungssignal und ein Eingangssignal (VI) zu integrieren und ein PWM-Signal (V0) zu erzeugen, wobei das Rückkopplungssignal auf dem PWM-Signal (V0) basiert.
Klasse-D-Audioverstärker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Schaltung das PWM-Signal (V0) basierend auf einem Vergleich eines Integralsignals (VX) mit einer oberen Schwellwertspannung und mit einer unteren Schwellwertspannung erzeugt.
Klasse-D-Audioverstärker nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Schaltung (1000) folgende Komponenten umfasst: – einen Integrator (110) zum Integrieren eines Rückkopplungssignals und eines Eingangssignals (VI) und Erzeugen des Integralsignals (VX) und – eine Komparatoreinheit (120) zum Vergleichen des Integralsignals (VX) mit der oberen Schwellwertspannung und mit der unteren Schwellwertspannung.
Klasse-D-Audioverstärker nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungsschaltung (200), die einen Widerstand (Rf) umfasst.
Klasse-D-Audioverstärker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Schaltung (1000) folgende Komponenten umfasst: – einen Integrator (110) zum Integrieren des Rückkopplungssignals und des Eingangssignals (VI), um ein Integralsignal (VX) zu erzeugen, – eine Komparatoreinheit (120) zum Erzeugen eines ersten Komparatorausgangssignals (COMO1) durch Vergleichen des Integralsignals (VX) mit einer oberen Schwellwertspannung und eines zweiten Komparatorausgangssignals (COMO2) durch Vergleichen des Integralsignals (VX) mit einer unteren Schwellwertspannung, – eine Zwischenspeicherschaltung (130) zum Zwischenspeichern des ersten Komparatorausgangssignals (COMO1) und des zweiten Komparatorausgangssignals (COMO2), um ein erstes Zwischenspeichersignal (LATO) zu erzeugen, das mit dem ersten Komparatorausgangssignal (COMO1) korrespondiert, und um ein zweites Zwischenspeichersignal (LATOB) zu erzeugen, das mit dem zweiten Komparatorausgangssignal (COMO2) korrespondiert, – eine Treibereinheit (140) zum Puffern des ersten Zwischenspeicherausgabesignals (LATO) und des zweiten Zwischenspeicherausgabesignals (LATOB), um ein erstes Treibersignal und ein zweites Treibersignal zu erzeugen, und – eine Umschaltschaltung (150) zum Erzeugen des PWM-Signals (V0) durch Umschalten des Ausgabeknotens zwischen der ersten Quellenspannung (+V) und der zweiten Quellenspannung (–V) in Reaktion auf das erste Treibersignal und das zweite Treibersignal.
Klasse-D-Audioverstärker nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch einen Tiefpassfilter (2000) zur Tiefpassfilte rung des PWM-Signals (V0), wobei der Tiefpassfilter (2000) folgende Komponenten umfasst: – einen inverter mit einem ersten Anschluss, der mit einem Ausgabeknoten gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einem Lautsprecher gekoppelt ist, und – einen Kondensator (C2), welcher zwischen dem zweiten Anschluss und einem niedrigen Quellenspannungsanschluss eingeschleift ist.
Pulsweitenmodulationsverfahren, gekennzeichnet durch die Schritte: – Erzeugen eines Integralsignals (VX) durch Integrieren eines Rückkopplungssignals und eines Eingangssignals (VI), – Erzeugen eines PWM-Signals (VO) durch Umschalten eines Ausgabeknotens von einer ersten Quellenspannung (+V) auf eine zweite Quellenspannung (–V) basierend auf einem Vergleich des Integralsignals (VX) mit einer ersten Referenzspannung (REFT) und durch Umschalten des Ausgabeknotens von der zweiten Quellenspannung (–V) auf die erste Quellenspannung (+V) basierend auf einem Vergleich des Integralsignals (VX) mit einer zweiten Referenzspannung (REFB) und – Erzeugen des Rückkopplungssignals basierend auf dem PWM-Signal (V0).
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass – ein erstes Komparatorausgangssignal (COMO1) durch Vergleichen des Integralsignals (VX) mit der ersten Referenzspannung (REFT) erzeugt wird, – ein zweites Komparatorausgangssignal (COMO2) durch Vergleichen des Integralsignals (VX) mit der zweiten Referenzspannung (REFB) erzeugt wird und – ein erstes Treibersignal und ein zweites Treibersignal durch Puffern des ersten Komparatorausgangssignals (COMO1) und des zweiten Komparatorausgangssignals (COMO1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Komparatorausgangssignal (COMO1) und das zweite Komparatorausgangssignal (COMO2) zwischengespeichert werden, um ein erstes Zwischenspeichersignal (LATO) zu erzeugen, dass mit dem ersten Komparatorausgangssignal (COMO1) korrespondiert, und um ein zweites Zwischenspeichersignal (LATOB) zu erzeugen, das mit dem zweiten Komparatorausgangssignal (COMO2) korrespondiert, wobei das erste Treibersignal und das zweite Treibersignal durch Puffern des ersten Zwischenspeichersignals (LATO) und des zweiten Zwischenspeichersignals (LATOB) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des ersten Komparatorausgangssignals (CO-MO1) mit der Ausgabe eines ersten Impulses mit einem ersten logischen Zustand korrespondiert, wenn das Integralsignal (VX) größer als die erste Referenzspannung (REFT) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des zweiten Komparatorausgangssignals (COMO2) mit der Ausgabe eines zweiten Impulses mit dem ersten logischen Zustand korrespondiert, wenn das Integralsignal (VX) kleiner als die zweite Referenzspannung (REFB) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Referenzspannung (REFT) mit einer oberen Schwellwertspannung des Integralsignals (VX) korrespondiert und die zweite Referenzspannung (REFB) mit einer unteren Schwellwertspannung des Integralsignals (VX) korrespondiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein absoluter Steigungswert des Integralsignals (VX) für einen abfallenden Teil des Integralsignals (VX) zunimmt und für einen ansteigenden Teil des Integralsignals (VX) abnimmt, wenn das Eingangssignal (VI) eine positive Spannung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein absoluter Steigungswert des Integralsignals (VX) für einen abfallenden Teil des Integralsignals (VX) abnimmt und für einen ansteigenden Teil des Integralsignals (VX) zunimmt, wenn das Eingangssignal (VI) eine negative Spannung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das PWM-Signal (V0) ein Tastverhältnis aufweist, das linear mit einer Änderung des Eingangssignals (VI) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis des PWM-Signals (V0) korrespondierend mit einem abfallenden Teil des Integralsignals (VX) kleiner als ½ wird und korrespondierend mit einem ansteigenden Teil des Integralsignals (VX) größer als ½ wird, wenn das Eingangssignal (VI) eine positive Spannung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis des PWM-Signals (V0) korrespondierend mit einem abfallenden Teil des Integralsignals (VX) größer als ½ wird und korrespondierend mit einem ansteigenden Teil des Integralsignals (VX) kleiner als ½ wird, wenn das Eingangssignal (VI) eine negative Spannung aufweist.