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QUERVERWEIS
AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese
Patentanmeldung beruht auf und beansprucht die Priorität der Vorläufigen US-Patentanmeldung
Nr. 60/753,237, die am 21. Dezember 2005 eingereicht wurde und den
Titel CLASS D AMPLIFIER WITH START-UP CLICK NOISE ELIMINATION trägt, wobei
deren gesamter Inhalt durch Verweis hierin aufgenommen wird.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Audio-D-Leistungsverstärker-ICs,
und speziell das Minimieren des hörbaren Klickgeräusches beim
Einschalten von Audio-D-Leistungsverstärkern.
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Während eines
Abschaltzeitabschnitts in einem D-Verstärker, der eine Rückkopplungsschleife hat,
nimmt ein Ausgangsknoten eines Fehlerverstärkers innerhalb der Rückkopplungsschleife
auf Grund seiner hohen Verstärkung
und des Versatzes (des Offsets) einen extrem hohen Wert an. Ein
Integrationselement des Fehlerverstärkers wird auf diesen hohen
Wert aufgeladen.
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Wenn
der D-Verstärker
beim Auslösen
der Abschaltung versucht, das Schwingen wieder aufzunehmen, benötigt der
Ausgang des Fehlerverstärkers
Zeit, damit die Spannung an einem Kondensator wieder einen stationären Wert
(steady state value) annehmen kann. Diese überschüssige Zeit, die zum Einschwingen
der Spannung an dem Kondensator zurück zur Normalspannung benötigt wird,
erzeugt ein Ungleichgewicht im Tastzyklus am Ausgang eines Impulsweitenmodulations-(IWM) Komparators, was
eine an den Lautsprecher gelieferte unerwünschte Ausgangsspannung (Geräusch) bewirkt. Daher
ist ein Klickgeräusch
aus dem Lautsprecher zu hören.
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Um
dieses unerwünschte
Merkmal, d.h. das Klickgeräusch,
zu korrigieren, ist ein Lautsprecherabschaltrelais, welches eine
voluminöse,
kostspielige, Platz verbrauchende elektromechanische Vorrichtung
ist, zwischen den Verstärker
und den Lautsprecher eingefügt
worden.
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1 stellt ein Beispiel eines
Audio-D-Verstärker 20 dar,
der eine Rückkopplungsschleife
hat, die einen selbstschwingenden IWM-Modulator bildet. Der Audio-D-Verstärker 20 umfasst
einen Brückentreiber 9,
der ein Abschaltsignal am SD-Kontakt und ein COMPOUT-IWM-Signal
am IWM-Kontakt empfängt.
Der Halbbrückentreiber 9 steuert
ein Paar High-side- und Low-side-MOSFET-Schalter 10 und 11,
die in einer Halbbrücke
verbunden sind.
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Ein
Tiefpass-LC-Filter, das eine Drosselspule 12 und einen
Kondensator 13 umfasst, ist an eine Ausgangsstufe VS angeschlossen,
die die High- und Low-Schalter 11 und 10 verbindet,
um das IWM-HF-Schaltsignal zu entfernen. Ein erster Anschluss der
Drosselspule 12 ist mit der Ausgangsstufe VS verbunden,
während
der zweite Anschluss der Drosselspule 12 dazu verwendet
wird, das Ausgangssignal OUT des Audio-D-Verstärkers 20 bereitzustellen.
Der Kondensator 13 ist zwischen einen Massepol und den
zweiten Anschluss der Drosselspule 12 gelegt. Die Lautsprecherlast
liegt zwischen OUT und Erde.
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Das
COMPOUT-Signal wird von einem Komparator 8 erzeugt, der
ein Signal OPOUT des Fehlerverstärkers 7 mit
einem Referenzpotenzial, hier Erde, vergleicht. In der gezeigten
Ausführungsform
wird eine positive Klemme des Fehlerverstärkers 7 mit der Masse
verbunden und eine negative Klemme über einen Widerstand 15 mit
der Audiosignalquelle VIN 16 und über einen
Widerstand 14 mit dem Rückkopplungssignal
von der Ausgangsstufe VS verbunden. Ein Integrationskondensator 6 verbindet
die negative Klemme und den Ausgang des Fehlerverstärkers 7.
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2 stellt das Verhalten des
Audio-D-Verstärkers 20 als
Funktion der Zeit dar. Wie gezeigt, wird während der Abschaltzeit t1,
d.h., wenn das Abschaltsignal dem SD-Kontakt des Brückentreibers 9 bereit
gestellt wird, die Spannung am Integrationskondensator 6 auf
eine Höhe
der Versorgungsspannung VSS des Fehlerverstärkers 7 aufgeladen.
VAA und VSS sind
die potenzialfreien positiven und negativen Versorgungsspannungen
für den
Fehlerverstärker 7.
Der Ausgang VS ist zu dieser Zeit in einem Hochohmzustand
(hohes Z).
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Wenn
das Abschaltsignal am SD-Kontakt des Brückentreibers 9 beendet
wird, schaltet der Low-side-Schalter 10 ein. Auf Grund
der Spannung, die an den Integrationskondensator 6 gelegt
ist, wird jedoch die Zeit t2 benötigt,
um den Ausgang des IWM-Komparators 8 zu laden, was einen
unausgeglichenen IWM-Taktzyklus bewirkt. Dieser unausgeglichene
IWM-Taktzyklus erzeugt ein unerwünschtes Geräusch in
der Lautsprecherausgabe während
der Intervalle t2 und t3. Die angelegte Spannung an der kapazitiven
Komponente, d.h. am Integrationskondensator 6, des Fehlerverstärkers 7 erzeugt
also ein Problem.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein geräuschloses Einschalten eines
Audio-D-Verstärkers
zur Verfügung
zu stellen und so die Notwendigkeit für einen Lautsprecherausschalter
zu beseitigen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein voluminöses, teures
und unzuverlässiges
Lautsprecherausschaltrelais wegfallen zu lassen, was für Einsparungen
bei den Anlagenkosten und beim Platzbedarf sorgt.
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Die
Erfindung umfasst einen Schaltkreis zum Minimieren des hörbaren Klickgeräuschs beim
Einschalten eines Audio-D-Verstärkers.
Der Schaltkreis wird mit einem Audio-D-Verstärker verwendet, der eine Leistungsausgangsschaltstufe
und einen Treiber zum Steuern der Ausgangsstufe hat, die ein Steuersignal
zum Steuern des Schaltens der Ausgangsstufe und ein Abschaltsignal
erhält,
wobei das Abschaltsignal das Schalten der Ausgangsstufe verhindert,
wobei der Schaltkreis einen Komparator umfasst, der mit dem Treiber
zum Erzeugen des Steuersignals verbunden ist; ferner einen Fehlerverstärker, der
ein Audioeingangssignal empfängt;
eine erste Rückkopplungsschleife
zum Anschließen
der Ausgangsstufe als Eingabe an einen Eingang des Fehlerverstärkers, wobei
ein Ausgang des Fehlerverstärkers
an einen Eingang des Komparators gelegt wird; und einen Schaltkreis,
der mit dem Fehlerverstärker verbunden
ist, der einen Kondensator, welcher an den Fehlerverstärker angeschlossen,
davon abhält, übermäßig stark
geladen zu werden, wodurch Geräusche
in der Ausgangsstufe verhütet
werden, wenn das Abschaltsignal entfernt wird. Dabei ist der Schaltkreis,
der an den Fehlerverstärker
angeschlossen ist, eine zweite Rückkopplungsschleife,
die den Ausgang des Komparators mit dem Eingang des Fehlerverstärkers verbindet.
Spezieller gesagt, bewirkt die zweite Rückkopplungsschleife, dass der
Fehlerverstärker
oszilliert, wenn das Abschaltsignal vorhanden ist, um den Integrationskondensator,
der an den Fehlerverstärker
angeschlossen ist, daran zu hindern, übermäßig stark geladen zu werden,
wodurch Geräusche
in der Ausgangsstufe vermieden werden, wenn das Abschaltsignal entfernt
wird.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die
beiliegenden Zeichnungen bezieht.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Schaltbild eines Audio-D-Verstärkers mit einer Rückkopplungsschleife,
wie er nach dem Stand der Technik verwendet wird;
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2 zeigt
Wellenformen, die im Audio-D-Verstärker nach 1 vorhanden
sind;
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3 ist
ein Schaltbild eines Audio-D-Verstärkers gemäß der Erfindung, der eine zweite
Rückkopplungsschleife
hat;
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4 zeigt
Wellenformen des Audio-D-Verstärkers
nach 3;
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Die 5a und 5b sind
Graphen von Einschaltwellenformen für den Schaltkreis nach dem Stand
der Technik nach 1 bzw. des Schaltkreises der
vorliegenden Erfindung nach 3; und
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6 ist
ein Schaltbild einer typischen Anwendung eines ICs, der die vorliegende
Erfindung umfasst.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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3 stellt
einen Audio-D-Verstärker 30 dar, der
die vorliegende Erfindung verkörpert.
Zusätzlich zu
allen Komponenten, die vorhergehend mit Bezug auf den Audio-D-Verstärker 20 der 1 beschrieben
wurden, umfasst der Audio-D-Verstärker 30 eine lokal
hinzugefügte
Rückkopplungsstrecke 1 zwischen
dem Komparatorausgang und dem Eingang des Fehlerverstärkers. In
der gezeigten Ausführungsform
koppelt die Rückkopplungsstrecke 1 den Ausgang
des Komparators 8 an die negative Eingangsklemme des Fehlerverstärkers 7.
Die hinzugefügte
Rückkopplungsstrecke 1 umfasst
einen Schalter 5, der von dem Abschaltsignal gesteuert
wird, das dem SD-Kontakt des Halbbrückentreibers 9 zur
Verfügung
gestellt wird. Der Schalter 5 ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter,
z.B. ein MOSFET. Die hinzugefügte
Rückkopplungsstrecke 1 bildet,
wenn sie geschlossen ist, einen Oszillator, der mit einer höheren Frequenz
als der normalen Betriebsfrequenz zum Schalten des Halbbrückentreibers 9 läuft. Diese
Frequenz braucht jedoch nicht höher
zu sein.
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Während des
Abschaltens, d.h. wenn das Abschaltsignal EIN ist, wird die zugefügte Rückkopplungsstrecke 1 geschlossen,
was eine lokale Schwingungsschleife erzeugt, die oszilliert, während sich
die Ausgangsstufe in einem Unterbrechungszustand befindet. Dieser
Schritt hält
die Spannung an der kapazitiven Komponente des Fehlerverstärkers 7,
d.h. am Integrationskondensator 6, in der Nähe des stationären Wertes.
Mit anderen Worten, wird die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 7 dicht
zu einem Schwellwert des IWM-Komparators 8 aufrechterhalten,
wodurch er an einer übermäßig starken
Ladung gehindert wird. Die lokale Oszillationsschleifenstrecke ist
vorrangig gegenüber
der Rückkopplungseingabe,
so dass die Ausgabe des Fehlerverstärkers 7 unabhängig vom
Zustand der Ausgangsstufe ist. Wenn das Abschaltsignal entfernt
wird, öffnet
sich der Schalter 5 und der Verstärker kehrt zum normalen Betrieb
zurück.
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Wenn
also das Abschaltsignal AUS oder beendet ist, beginnt der Verstärker sofort
mit dem Schalten, ohne dass er eine übermäßig große Verzögerung aufweist, die den Versatz
in der Ausgabe bewirkt. Außerdem
stellt der Audio-D-Verstärker 30 die Fähigkeit
bereit, Schwankungen des Schwellwertes des IWM-Komparators 8 zu
kompensieren.
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Das
Element 3 in 3 entspricht jedem gewünschten
Rückkopplungselement,
das in der Rückkopplungsstrecke
zur Verfügung
gestellt werden kann, um die gewünschte
Oszillationsfrequenz zu erhalten, wenn das Abschaltsignal vorliegt.
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4 zeigt
Wellenformen des Audio-D-Verstärkers 30.
Wie gezeigt, bleibt der Fehlerverstärker 7 während der
Abschaltperiode t1 in einer lokalen Schwingung und der Integrationskondensator 6 wird nicht
bis zur Versorgungsspannung VSS aufgeladen.
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Wenn
das Abschaltsignal zu Beginn der Zeitperiode t2 auf AUS gesetzt
wird, schaltet der Low-side-Schalter 10 gemäß dem steuernden
PWM-Signal ein. Weil der Kondensator 6 nicht geladen wird,
gibt es seinetwegen keine Verzögerung
und der Fehlerverstärker
reagiert dementsprechend. Ein Ungleichgewicht im Taktzyklus des
IWM-Signals wird also nicht erzeugt, und es gibt kein unerwünschtes
Geräusch,
das im Lautsprecher während
der Zeitperioden t2 oder t3 erzeugt wird. Das Problem der Ladespannung
an der kapazitiven Komponente 6 im Fehlerverstärker ist
also gelöst.
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Die 5a und 5b stellen
Spannungen an verschiedenen Punkten der Schaltkreise 20 bzw. 30 des
Audio-D-Verstärkers
während
des Abschaltens dar, wenn das Abschaltsignal entfernt wird und unmittelbar
nach dem Abschalten. Die Graphen A zeigen Spannungsschwankungen
als Funktion der Zeit an der Ausgangsstufe OUT; die Graphen B zeigen
den Strom in der Ausgangsspule; die Graphen C zeigen Spannungsschwankungen
am Ausgangsstufenknoten VS; die Graphen D zeigen Spannungsschwankungen
am Ausgang des Fehlerverstärkers 7 OPOUT,
und die Graphen E zeigen COMPOUT. Die zwei Sätze der Wellenformen sind in
Abhängigkeit von
verschiedenen Zeitachsen aufgezeichnet, so dass die Signale von 5a stärker gedehnt
sind.
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6 stellt
ein Schaltbild einer typischen Anwendungsschaltung 40 der
vorliegenden Erfindung dar. IC1 ist ein Hochspannungs-Hochleistungs-Audio-D-Verstärkertreiber
mit einem IWM-Modulator und einem Überstromschutz in einem 16-Pin-Gehäuse.
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Wie
in 6 gezeigt, ist der IC1 mit einem potenzialfreien
positiven Eingang am VAA-Kontakt; einem analogen nichtinvertierenden
Eingang am IN-Kontakt; einer potenzialfreien Eingangsversorgungsrückführungen
am GND-Kontakt; einem Phasenkompensationseingang am COMP-Kontakt,
einem Abschaltzeitbestimmungskondensator 42 am CSD-Kontakt;
einer potenzialfreien negativen Stromzuführung am VSS-Kontakt; einer
5 V-Bezugsspannung zur Programmierung des OCSET-Kontaktes am VREF-Kontakt;
einer Low-side-Überstromschwellwerteinstellung,
die als Schutzkontrollschnittstelle besonders für eine Halbbrückentopologie
am OCSET-Kontakt verwendet wird; einem Totzeit- Programmeingang am DT-Kontakt; einer
Low-side-Versorgungsrückführung am
COM-Kontakt; einem Low-side-Ausgang
am LO-Kontakt; einer Low-side-Logikversorgung am VCC-Kontakt; einer
potenzialfreien Versorgungsrückführung am
VS-Kontakt; einem High-side-Ausgang am HO-Kontakt und einer potenzialfreien
High-side-Versorgung
am VB-Kontakt sowie einem High-side-Überstromabtastungseingang am
CSH-Kontakt ausgelegt.
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Der
Schaltkreis 40 umfasst ferner einen Widerstand r1, der
an den Schalter 11 angeschlossen ist, einen Widerstand
r2, der an den VSS-Kontakt angeschlossen ist, einen Widerstand r3,
der zwischen den in Reihe geschalteten Kondensatoren 6a und 6b liegt,
die zwischen den IN- und den COMP-Kontakt geschaltet sind, in Reihe
geschaltete Widerstände
r4 und r5, die an die VREF- bzw. OCSET-Kontakte angeschlossen sind,
einen Widerstand r6, der zwischen dem CSH-Kontakt und einer Diode
D1 liegt, einen Widerstand r7, der zwischen den CSH- und den VS-Kontakten
liegt, einen Widerstand r8, der zwischen einer Anode der Diode d1
und einer Katode der Diode d2 liegt, in Reihe geschaltete Widerstände r12
und r13, die an die Anode der Diode d2 angeschlossen sind, und einen
Widerstand r9, der eine Katode der Diode d2 mit dem Schalter 11 verbindet, wobei
die Widerstände
r10 bzw. r11 die LO- und HO-Kontakte
mit den Torelektroden (gates) der Schalter 10 bzw. 11 verbinden,
und die Rückkopplungsschleifenwiderstände 14a und 14b die
Ausgangsstufe VS mit dem IN-Kontakt
verbinden. Ein Kondensator c1 liegt zwischen dem VAA- und dem GND-Kontakt, ein Kondensator
c2 liegt in Reihe zwischen dem Audioeingang 16 und dem
Widerstand 15, ein Kondensator c3 ist an den VSS-Kontakt
angeschlossen, ein Kondensator c4 liegt zwischen dem VB- und dem
VS-Kontakt, ein Kondensator c5 liegt zwischen dem VCC- und dem COM-Kontakt.
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Außerdem stellt
Schaltkreis 40 einen Lautsprecher dar, der an das LC-Filter
der Drosselspule 12 und des Kondensators 13 am
Ausgang des Audioverstärkers
angeschlossen ist, und ein optionaler externer Taktgeber kann an
den Schaltkreis über
ein Register r0 zur externen Synchronisierung angeschlossen werden.
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Der
Hochleistungs-Audio-D-Verstärkertreiber
2092 schützt
die High- und Low-side-MOSFETs 10 und 11 des
Schaltkreises 40 vor Überstrombedingungen
durch eine programmierbare bidirektionale Stromerfassung. Die Verstärkerschaltung
beruht, wie vorhergehend mit Bezug auf 1 beschrieben,
auf dem selbstschwingenden IWM mit Analogeingang.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Bezug auf spezielle Ausführungsformen
derselben beschrieben wurde, sind viele Variationen und Modifizierungen
und andere Verwendungen für
den Fachmann ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, dass die vorliegende
Erfindung nicht durch die speziellen Offenbarungen hierin eingeschränkt wird.