DE102006032181B3 - Der Leistungsverstärker - Google Patents

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Abstract

Es sind bereits einige Leistungsverstärker, z.B. ein Leistungs-D-Verstärker bekannt. Dank dem hohen Wirkungsgrad und der kleinen Wärmestreuung hat er in den einige Male kleineren Umfang, als Leistungs-A(oder AB)-Verstärker. Der Leistungs-D-Verstärker hat einige Mängel, die die Qualität der Tonwiedergabe verschlimmern. Bei den kleinen Signalen ist Signal-Stör-Verhältnis unbefriedigend (es wird gemeint die spezifische innere Störung), und in einigen Typen der Leistungs-D-Verstärker ist auch der Pegel der nicht linearen Verzerrungen unbefriedigend. Bei den großen Signalen (und den großen Leistungen) geschieht die Absenkung des Signals wegen der Spannungsabsenkung der Speisequelle. Es ist bereits viel der komplizierten Weisen der Beseitigung der Mängel bekannt. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Qualität der Tonwiedergabe mit Hilfe der verhältnismäßig einfachen Mittel. Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass a) der Leistungsverstärker, bestehend aus dem Leistungs-D-Verstärker, den Leistungs-A(oder AB)-Verstärker, ein Schema der Umschaltung der Verstärkungskanäle und zwei Schalter zusätzlich einschließt (Fig.1), b) der Pulsbreitenmodulator aus einem Schalter (21), einem Summator (22), einem Schmitt-Trigger (23), einem Integrator (24) und einem Komparator (25) besteht (Fig.2). Die Erfindung gehört zu der Verstärkertechnik und kann für die Tonwiedergabe verwendet werden.

Description

  • Die Erfindung gehört zur Verstärkertechnik und kann für die Tonwiedergabe verwendet werden.
  • Es sind bereits einige Leistungsverstärker, z.B. ein Leistungs-D-Verstärker (Kucera, M. Schaltwerk. Klasse-D-Verstärker, Sound & Vision * Band 21 (1998) Heft 8/9, Seite 24-26) bekannt. Dank dem hohen Wirkungsgrad und der kleinen Wärmestreuung hat Leistungs-D-Verstärker in den einige Male kleineren Umfang, als Leistungs-A-Verstärker oder Leistungs-AB-Verstärker. Der Leistungs-D-Verstärker hat einige Mängel, die die Qualität der Tonwiedergabe verschlimmern. Bei den kleinen Signalen ist Signal-Stör-Verhältnis unbefriedigend (es wird gemeint die spezifische innere Störung), und in einigen Typen der Leistungs-D-Verstärker ist auch der Pegel der nichtlinearen Verzerrungen unbefriedigend. Bei den großen Signalen (und den großen Leistungen) geschieht die Absenkung des Signals wegen der Spannungsabsenkung der Speisequelle. Es ist bereits viel der komplizierten Weisen der Beseitigung der Mängel bekannt. Doch sind nicht alle einfachen Mittel erschöpft. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Qualität der Tonwiedergabe bei den kleinen und großen Signalen mit Hilfe der verhältnismäßig einfachen Mittel.
  • Das Problem wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
  • Auf der 1 ist das Funktionsbild des vorgeschlagenen Leistungsverstärkers abgebildet.
  • Auf der 2 ist das Blockschaltbild eines funktionalen Elementes des Leistungsverstärkers abgebildet.
  • Der Leistungsverstärker (1) besteht aus zwei Verstärkungskanälen und einem Schema der Umschaltung der Kanäle.
  • Der erste Verstärkungskanal (Leistungs-D-Verstärker) besteht aus in Serie geschalteten
    • – einem Pulsbreitenmodulator (1),
    • – einem ersten elektronischen Schalter (4) (kurz, ersten Schalter (4)),
    • – einem schaltenden Verstärker (2) (kurz, ersten Verstärker (2)) und
    • – einem Tiefpassfilter (3); der zweite Verstärkungskanal besteht aus in Serie geschalteten
    • – einem zweiten elektronischen Schalter (5) (kurz, zweiten Schalter (5)), und
    • – einem Leistungs-A (oder AB)-Verstärker (6) (kurz, zweiten Verstärker (6)); die Ausgänge der Kanäle sind mit den Lautsprechern (oder Tonsäulen) L1 und L2 verbunden; das Schema der Umschaltung der Kanäle besteht aus
    • – einem Komparator (7),
    • – einer Referenzspannungsquelle (8) und
    • – einem Präzisionsgleichrichter (9); wobei
    • – der Eingang (10) des Leistungsverstärkers mit den Eingänge des Pulsbreitenmodulators (1) und des Präzisionsgleichrichters (9) und mit „dem Kontakt" (16) des zweiten Schalters (5) verbunden ist,
    • – der erste Eingang des Komparators (7) mit dem positiven Pol der Referenzspannungsquelle (8) verbunden ist,
    • – der zweite Eingang des Komparators (7) mit dem Ausgang des Präzisionsgleichrichters (9) verbunden ist,
    • – der Ausgang des Komparators (7) mit den Steuereingängen (14), (18) des ersten Schalters (4) und des zweiten Schalters (5) verbunden ist,
    • – „der Kontakt" (12) des ersten Schalters (4), „der Kontakt" (15) des zweiten Schalters (5) und negative Pol der Referenzspannungsquelle (8) mit der Erde verbunden sind.
  • Der vorgeschlagene Leistungsverstärker funktioniert folgendermaßen.
  • Der Präzisionsgleichrichter (9) umwandelt das Eingangssignal ue in das Signal |ue|. Der Komparator (7) vergleicht die Signale |ue| und Uref (Uref ist die Spannung der Referenzspannungsquelle (8)). Das Ausgangsignal des Komparators (7) steuert die Arbeit der Schalter (4) und (5). Wenn |ue| > Uref, (1)„der Kontakt" (13) mit „dem Kontakt" (11) und „der Kontakt" (17) mit „dem Kontakt" (15) verbunden sind. Und wenn |ue| < Uref, (2)„der Kontakt" (13) mit „dem Kontakt" (12) und „der Kontakt" (17) mit „dem Kontakt" (16) verbunden sind.
  • Also wird im Betrieb des großen Signals die Verstärkung vom ersten Kanal verwirklicht, d.h. Leistungs-D-Verstärker arbeitet. Er gewährleistet den hohen Wirkungsgrad und die kleine Wärmestreuung. Im Betrieb des kleinen Signals wird die Verstärkung vom zweiten Kanal verwirklicht, d.h. Leistungs-A (oder AB)-Verstärker arbeitet. Er gewährleistet den hohen Störabstand und die kleinen nichtlinearen Verzerrungen im Betrieb des kleinen Signals.
  • Sei |ue|max/Uref = K, (3)daraus folgt die Beziehung der maximalen Leistungen der Ausgangsignale der ersten und zweiten Kanäle: Pmax 1/Pmax 2 = K2. (4)
  • Bei K ≈ 10 die Leistung und die Abmessung des zweiten Kanals viel weniger als die Leistung und die Abmessung des ersten Kanals.
  • Der Pulsbreitenmodulator (1) (2) besteht aus
    • – einem Schalter (21)
    • – einem Summator (22),
    • – einem Schmitt-Trigger (23)
    • – einem Integrator (24) und
    • – einem Komparator (25), wobei
    • – der erste Eingang des Komparators (25) mit dem Eingang des Pulsbreitenmodulators (1) verbunden ist,
    • – der Ausgang des Komparators (25) mit dem Ausgang des Pulsbreitenmodulators (1) verbunden ist,
    • – der zweite Eingang des Komparators (25) mit dem Ausgang des Integrators (24) und mit dem ersten Eingang des Summators (22) verbunden ist,
    • – der zweite Eingang des Summators (22) mit „dem Kontakt" (28) des Schalters (21) verbunden ist,
    • – der Ausgang des Summators (22) mit dem Eingang des Schmitt-Triggers (23) verbunden ist,
    • – der Ausgang des Schmitt-Triggers (23) mit dem Eingang des Integrators (24) und mit dem Steuereingang (29) des Schalters (21) verbunden ist,
    • – „der Kontakt" (26) des Schalters (21) mit dem positiven Pol der Speisequelle verbunden ist und
    • – „der Kontakt" (27) des Schalters (21) mit dem negativen Pol der Speisequelle verbunden ist.
  • Der Pulsbreitenmodulator (1) funktioniert folgendermaßen.
  • Der Komparator (25) verwirklicht die Pulsbreitenmodulation. Die langsam verändernde sich Eingangsspannung ue(t) kommt an den ersten Eingang des Komparators (25), und die Dreieckimpulse kommen an den zweiten Eingang des Komparators (25). Der Schalter (21), der Summator (22), der Schmitt-Trigger (23) und Integrator (24) bilden einen Generator.
  • Er ist ähnlich dem Generator, der in 14.35 (Halbleiter-Schaltungstechnik. U.Tietze, Ch. Shenk. 11. Auflage, 1999, 5.926) abgebildet ist. Aber im Generator (14.35) kommt die Spannung ±Ue an den Eingang des Integrators, und im Generator (2) kommt die Spannung +E (durch den Summator (22)) an den Eingang des Shmitt-Triggers (23).
  • Gerade deshalb hängt die Steilheit der Dreieckschwingung von der modulierenden Spannung Ue in 14.35 linear ab (bei dem konstanten Pegel der Umschaltung des Shmitt-Triggers). Und die Pegel der Umschaltung des Shmitt-Triggers (23) hängen von der Speisespannung E im Generator (2) linear ab (bei der konstanten Steilheit der Dreieckschwingung).
  • Damit ist es bewiesen, dass die Amplitude (und die Pulsperiode, aber es hat keine Bedeutung für das Funktionieren des Pulsbreitenmodulators (1)) der Dreieckschwingung von der Speisespannung E im Generator (2) linear abhängen. Bei der genügend engen Hystereseschleife des Shmitt-Triggers (23) ist die Dreieckschwingungsamplitude gleich der Speisespannung E. Wir werden die Dreieckschwingung Ed(t) bezeichnen.
  • Die Speisespannungen ±E sollen für den idealen Fall Gleichspannungen sein. Für den realen Fall verändern sie sich (die Absenkung, die Unstabilität, die Pulsierung) im Vergleich zur Impulsspannung d(t) langsam.
  • Also kommt die amplitudenmodulierte Dreieckschwingung Ed(t) an den zweiten Eingang des Komparators (25), und die langsam verändernde sich Eingangsspannung ue(t) kommt an den ersten Eingang des Komparators (25). Das Ausgangssignal des Komparators (25) ist die bipolaren Rechteckimpulse mit Pulsbreitenmodulation, mit der konstante Amplitude und mit Schwingungsdauer T = T+ + T–, wobei T+ die Zeit, im Laufe welcher ue(t) > Ed(t), (5)ist und T– die Zeit, im Laufe welcher ue(t) < Ed(t), (6) ist. Aber die Ungleichungen (5) und (6) sind äquivalenten den Ungleichungen ue(t)/E > d(t) (7), ue(t)/E < d(t) (8)entsprechend. Wir bemerken dabei, dass das Signal d(t) die unmodulierte Dreieckschwingung ist. Auf diesem Grund ist das Ausgangssignal des Komparators (23) die Rechteckimpulse mit Pulsbreitenmodulation und mit Gleichkomponente, die zur Größe ue(t)/E proportional ist.
  • Für den idealen Fall ist das Ausgangssignal des klassischen Leistungs-D-Verstärkers zum Eingangssignal proportional. Für den realen Fall hängt das Ausgangssignal nichtlinear vom Eingangssignal ab. In einigem Bereich der Werte der Speisespannung E ist das Ausgangssignal des klassischen Leistungs-D-Verstärkers zum Produkt des Eingangssignals und der Speisespannung E proportional (die Ausgangssignalamplitude des schaltenden Verstärkers (2) ist zur Speisespannung E proportional).
  • Aber an den Eingang des Verstärkers (2) (1) kommen die Impulse mit Gleichkomponente, die zur Größe ue(t)/E proportional ist. Deshalb ist das Ausgangssignal des Leistungs-D-Verstärkers in der vorgeschlagenen Erfindung zur Größe (ue(t)/E)·E = ue(t) (9)proportional.
  • Wir werden die Ergebnisse zusammenfassen.
  • In der vorgeschlagenen Erfindung wird die Verbesserung der Qualität der Tonwiedergabe bei den kleinen und großen Signalen um den Preis von der unbedeutenden Erhöhung der Komplexität, der Leistung und der Abmessung der Einrichtung erreicht.
  • 1
  • Leistungsverstärker
    • 1
    Pulsbreitenmodulator
    2
    Erste Verstärker
    3
    Tiefpassfilter
    4
    Erste Schalter
    5
    Zweite Schalter
    6
    Zweite Verstärker
    7
    Komparator
    8
    Referenzspannungsquelle
    9
    Präzisionsgleichrichter
    10
    Eingang des Leistungsverstärkers
    11, 12, 13
    „Kontakte" des ersten Schalters
    14
    Steuereingang des ersten Schalters
    15, 16, 17
    „Kontakte" des zweiten Schalters
    18
    Steuereingang des zweiten Schalters
    L1, L2
    Lautsprecher (Tonsäule)
  • 2
  • Pulsbreitenmodulator
    • 21
    Schalter
    22
    Summator
    23
    Schmitt-Trigger
    24
    Integrator
    25
    Komparator
    26, 27, 28
    „Kontakte" des Schalters
    29
    Steuereingang des Schalters

Claims (1)

  1. Leistungsverstärker, bestehend aus – einem Pulsbreitenmodulator (1), – einem ersten Verstärker (2) und – einem Tiefpassfilter (3), dadurch gekennzeichnet, dass er – einen ersten Schalter (4), – einen zweiten Schalter (5), – einen zweiten Verstärker (6), – einen Komparator (7), – eine Referenzspannungsquelle (8) und – einen Präzisionsgleichrichter (9) zusätzlich einschließt, wobei – der Eingang (10) des Leistungsverstärkers mit den Eingängen des Pulsbreitenmodulators (1) und des Präzisionsgleichrichters (9) und mit demersten Kontakt (16) des zweiten Schalters (5) verbunden ist, – der Pulsbreitenmodulator (1), der erste Schalter (4), der erste Verstärker (2) und der Tiefpassfilter (3) serienweise verbunden sind, – der zweite Schalter (5) und der zweite Verstärker (6) serienweise verbunden sind, – der erste Eingang des Komparators (7) mit dem positiven Pol der Referenzspannungsquelle (8) verbunden ist, – der zweite Eingang des Komparators (7) mit dem Ausgang des Präzisionsgleichrichters (9) verbunden ist, – der Ausgang des Komparators (7) mit den Steuereingängen (14), (18) des ersten Schalters (4) und des zweiten Schalters (5) verbunden ist, – der zweite Kontakt (12) des Schalters (4), der zweite Kontakt (15) des Schalters (5) und negativer Pol der Referenzspannungsquelle (8) mit der Erde verbunden sind, – die Ausgänge des Tiefpassfilters (3) und des zweiten Verstärkers (6) mit den Lautsprechern (oder Tonsäulen) L1 und L2 verbunden sind; und dass der Pulsbreitenmodulator (1) aus – einem dritten Schalter (21) – einem Summator (22), – einem Schmitt-Trigger (23) – einem Integrator (24) und – einem zweiten Komparator (25) besteht, wobei – der erste Eingang des zweiten Komparators (25) mit dem Eingang des Pulsbreitenmodulators (1) verbunden ist, – der Ausgang des zweiten Komparators (25) mit dem Ausgang des Pulsbreitenmodulators (1) verbunden ist, – der zweite Eingang des zweiten Komparators (25) mit dem Ausgang des Integrators (24) und mit dem ersten Eingang des Summators (22) verbunden ist, – der zweite Eingang des Summators (22) mit dem ersten Kontakt (28) des dritten Schalters (21) verbunden ist, – der Ausgang des Summators (22) mit dem Eingang des Schmitt-Triggers (23) verbunden ist, – der Ausgang des Schmitt-Triggers (23) mit dem Eingang des Integrators (24) und mit dem Steuereingang (29) des dritten Schalters (21) verbunden ist, –der zweite Kontakt (26) des dritten Schalters (21) mit dem positiven Pol der Speisequelle verbunden ist und –der dritte Kontakt (27) des dritten Schalters (21) mit dem negativen Pol der Speisequelle verbunden ist.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2490782C2 (ru) * 2011-08-31 2013-08-20 Юрий Васильевич Афанасьев Контактный модулятор тока

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DE3017521A1 (de) * 1979-05-10 1980-11-13 Nippon Musical Instruments Mfg Mehrkanal-tonleistungsverstaerker
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