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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung zur Verstärkung von mindestens einem ersten und einem zweiten Audioeingangssignal mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Verstärker für Audiosignale sind in einer Vielzahl von Bauarten bekannt. Eine besonders effiziente Verstärkerart sind die Verstärker in der Klasse-D-Bauart. Bei diesen Verstärkern wird das eingehende Audiosignal mit einem periodischen Signal, wie zum Beispiel einem Dreieckssignal, in einem Komparator verglichen, wobei der Komparator als Ergebnis des Vergleichs ein pulsweitenmoduliertes Signal ausgibt. Das pulsweitenmodulierte Signal wird nachfolgend in einem schaltend arbeitenden Verstärker verstärkt. Das verstärkte pulsweitenmodulierte Signal wird durch einen Tiefpassfilter geführt, um als Ausgangssignal wieder ein Audiosignal vorliegen zu haben.
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Eine Sonderform des soeben dargestellten Verstärkers in Klasse-D-Bauart stellen Verstärker in selbstschwingender Klasse-D-Bauart dar.
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Die Druckschrift
EP 2 221 964 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, betrifft derartige Verstärker in Klasse-D-Bauart, wobei diese einen Rückkopplungssignalpfad aufweisen, wobei das Ausgangssignal in den Eingang des Verstärkers zurückgekoppelt wird und der Verstärker aufgrund der Rückkopplung eine Eigenschwingung aufbaut. Derartige Verstärker können auch parallel zueinander angeordnet werden, um mehrere Kanäle umzusetzen und somit mehrere unterschiedliche Audiosignale zu verstärken.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wird eine Verstärkeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung ist zur Verstärkung von mindestens einem ersten und einem zweiten Audioeingangssignal geeignet und/oder ausgebildet. In Abhängigkeit einer Anzahl von Kanälen kann die Verstärkeranordnung auch zur Verstärkung von weiteren Audioeingangssignalen ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Audioeingangssignale jeweils unterschiedlich zueinander ausgebildet.
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Die Verstärkeranordnung umfasst einen Masterverstärker, wobei der Masterverstärker als ein Klasse-D-Verstärker ausgebildet ist. Der Masterverstärker weist einen Masteraudioeingang und einen Masteraudioausgang auf.
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An dem Masteraudioeingang liegt das erste Audioeingangssignal an. An dem Masteraudioausgang liegt ein verstärktes erstes Audiosignal oder ein verstärktes pulsweitenmoduliertes erstes Audiosignal als ein Masteraudioausgangssignal an. Insbesondere kann der Masteraudioausgang wahlweise nach einem Schaltverstärker und vor einer Tiefpassfiltereinrichtung oder nach dem Schaltverstärker und nach der Tiefpasseinrichtung angeordnet sein. Soweit in der vorliegenden Beschreibung von einem Masteraudioausgang gesprochen wird, kann jeweils der Ausgang des verstärkten Audioeingangssignals oder des verstärkten pulsweitenmodulierten Audioeingangssignals gemeint sein.
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Der Masterverstärker umfasst einen Masterrückkopplungszweig, wobei das Masteraudioausgangssignal, insbesondere – wie oben erläutert – wahlweise das verstärkte erste Audioeingangssignal oder das verstärkte, pulsweitenmodulierte erste Audioeingangssignal, oder Signalteile davon in den Masteraudioeingang zurückgekoppelt wird. Beispielsweise wird das Masteraudioausgangssignal oder Signalteile davon mit dem ersten Audioeingangssignal addiert. Der Masterverstärker ist insbesondere ohne einen Generator für ein periodisches Signal für die Pulsweitenmodulation ausgebildet. Somit ist der Masterverstärker als ein selbstschwingender Klasse-D-Verstärker mit einer Masterschwingungsfrequenz ausgebildet, wobei die Selbstschwingung durch den Masterrückkopplungszweig erreicht wird. Die Masterschwingungsfrequenz ist insbesondere mit einer Schaltfrequenz des Klasse-D-Verstärkers gleichzusetzen.
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Die Verstärkeranordnung umfasst ferner mindestens einen Slaveverstärker, wobei der Slaveverstärker als ein Klasse-D-Verstärker ausgebildet ist und einen Slaveaudioeingang und einen Slaveaudioausgang aufweist.
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An dem Slaveaudioeingang liegt das zweite Audioeingangssignal und an dem Slaveaudioausgang ein Slaveaudioausgangssignal an. Bei dem Slaveaudioausgangssignal kann es sich um ein verstärktes zweites Audioeingangssignal oder ein verstärktes, pulsweitenmoduliertes zweites Audioeingangssignal handeln. Der Slaveaudioausgang liegt somit hinter dem Schaltverstärker und wahlweise vor oder hinter einer Tiefpasseinrichtung des Slaveverstärkers.
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Der Slaveverstärker weist einen Slaverückkopplungszweig auf, welcher das Slaveaudioausgangssignal oder Signalteile davon in den Slaveaudioeingang zurückkoppelt. Insbesondere sind der Masterverstärker und der Slaveverstärker baugleich ausgebildet.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Verstärkeranordnung einen Master-Slave-Kopplungszweig aufweist, welcher einen Signalpfad zwischen dem Masteraudioausgang und dem Slaveaudioeingang bildet, wobei das Masteraudioausgangssignal oder Signalteile davon als Koppelsignal in den Slaveaudioeingang des mindestens einen Slaveverstärkers eingekoppelt wird, sodass der Slaveverstärker als Schwingungsfrequenz, insbesondere Schaltungsfrequenz, die Masterschwingungsfrequenz aufweist. Somit ist der Slaveverstärker ebenfalls als ein selbstschwingender Klasse-D-Verstärker ausgebildet, wobei jedoch über den Master-Slave-Kopplungszweig in dem Slaveverstärker die Masterschwingungsfrequenz als Schwingungsfrequenz angeregt wird.
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Prinzipiell können selbstschwingende Klasse-D-Verstärker in unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen schwingen. Die Auswahl der möglichen Schwingungsfrequenzen ist durch den Aufbau des Klasse-D-Verstärkers vorgegeben, jedoch können unterschiedliche Moden angestoßen werden. Laufen nun eine Mehrzahl von selbstschwingenden Klasse-D-Verstärkern parallel und ungekoppelt nebeneinander, so kann es sein, dass diese unterschiedliche Schwingungsfrequenzen aufweisen oder die Schwingungsfrequenzen wechseln und dadurch die Audioqualität der Audioausgangssignale in ihrer Gesamtheit verringern. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, dass die Klasse-D-Verstärker miteinander gekoppelt sind, um eine gemeinsame Schwingungsfrequenz umzusetzen. Diese Kopplung wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass der Masterverstärker das Masteraudioausgangssignal nicht nur zu sich selbst zurückkoppelt, sondern zudem als Koppelsignal in den oder die Slaveverstärker einkoppelt, sodass diese die Masterschwingungsfrequenz als bevorzugte Schwingungsfrequenz übernehmen.
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Es ist daher besonders bevorzugt, dass der mindestens eine Slaveverstärker durch die Kopplung zu dem Masterverstärker synchronisiert ist, so dass das der hochfrequente Anteil, insbesondere die Masterschwingungsfrequenzsignale, des Masteraudioausgangssignals in einem konstanten Phasenverhältnis zu dem oder den hochfrequenten Anteilen, insbesondere den Schwingungsfrequenzanteilen, der Slaveaudioausgangssignalen ist. Durch die Kopplung und/oder Synchronisation wird erreicht, dass plötzliche Wechsel in der Schwingungsfrequenz oder Phasenverschiebungen und z.B. dadurch ausgelöste Schwebungen zwischen den Slaveverstärkern und den Masterverstärkern wirkungsvoll unterdrückt werden können.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Verstärkeranordnung eine Mehrzahl von Slaveverstärkern, zum Beispiel 3, 4, 5 oder mehr Slaveverstärker. Die Mehrzahl von Slaveverstärkern wird über den Masterslavekopplungszweig mit dem Masterverstärker gekoppelt, sodass Mehrzahl von Slaveverstärkern jeweils als Schwingungsfrequenz die Masterschwingungsfrequenz aufweisen.
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Die Slaveverstärker sind besonders bevorzugt parallel zueinander an dem Masterslavekopplungszweig angeordnet, sodass an jedem Slaveverstärker beziehungsweise an jedem Slaverückkopplungszweig des jeweiligen Slaveverstärkers das gleiche Koppelsignal anliegt. Durch diese Konfiguration ist sichergestellt, dass der Masterverstärker mit jedem Slaveverstärker und folglich die Slaveverstärker untereinander synchronisiert sind.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Masterverstärker und der beziehungsweise die Slaveverstärker baugleich ausgebildet sind. Diese Ausbildung unterstreicht, dass die einzelnen Kanäle der Verstärkeranordnung, welche durch den Masterverstärker und den oder die Slaveverstärker gebildet sind, prinzipiell gleichwertig ausgebildet sein sollen, mit dem Unterschied, dass der Masterverstärker die Masterschwingungsfrequenz als Schwingungsfrequenz für die Slaveverstärker vorgibt.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist in dem Master-Slave-Kopplungszweig eine Hochpassfiltereinrichtung angeordnet, wobei das Koppelsignal als das hochpassgefilterte Masteraudioausgangssignal ausgebildet ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass zwischen den Verstärkern, also dem Masterverstärker und dem mindestens einen Slaveverstärker, und/oder zwischen den Kanälen ein Übersprechen der Audioeingangssignale vermieden werden soll. Aus diesem Grund werden durch die Hochpassfiltereinrichtungen Signalanteile des Masteraudioausgangssignals, welche sich im hörbaren Bereich befinden, ausgefiltert und nur Signalanteile durchgelassen, welche eine Frequenz, zum Beispiel größer als 30 Kilohertz, vorzugsweise größer als 60 Kilohertz, aufweisen. Zudem sind diese Signalanteile zur Modulierung, insbesondere Pulsweitenmodulierung, der Audioeingangssignale geeignet.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist die Hochpassfiltereinrichtung mindestens zweiter Ordnung ausgebildet, um zu erreichen, dass die Dämpfung der hörbaren Signalanteile in dem Masteraudioausgangssignal besonders stark und effektiv gedämpft werden.
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Es ist besonders bevorzugt, dass das Koppelsignal rückkopplungsfrei in den Slaveaudioeingang bzw. die Slaveaudioeingänge eingekoppelt wird. Durch diese Realisierung wird erreicht, dass das Slaveaudioeingangssignal oder das Slaveaudioausgangssignal nicht über den Masterslavekopplungszweig in den Masterverstärker rückgekoppelt wird. Diese Ausgestaltung sichert, dass der Masterverstärker stets der die gemeinsame Schwingungsfrequenz definierende Verstärker ist und diese Funktion nicht durch eine Rückkopplung von dem Slaveverstärker eingenommen werden kann.
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Optional ergänzend ist vorgesehen, dass der Master-Slave-Kopplungszweig derart rückkopplungsfrei ist, dass auch Rückkopplungen zwischen den Slaveverstärkern untereinander ausgeschlossen sind.
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In einer bevorzugten schaltungstechnischen Umsetzung der Erfindung weist der Master-Slave-Kopplungszweig eine Entkopplungseinrichtung zur rückkopplungsfreien Einkopplung des Koppelsignals in den Slaveaudioeingang auf. Die Entkopplungseinrichtung umfasst beispielsweise einen Operationsverstärker, welcher rückkopplungsfrei verschaltet ist. Bei möglichen Weiterbildungen der Erfindung ist jedem der Slaveverstärker eine derartige Entkopplungseinrichtung zugeordnet, um ein Koppeln der Audiosignale zwischen den SlaveVerstärkern zu vermeiden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Masterverstärker und/oder der Slaveverstärker eine Ausgangsleistung größer als 10 Watt aufweisen, wobei die Ausgangsleistung als die maximal bei Anschluss der Nennimpedanz lieferbare Dauerleistung bei Speisung mit einem rosa Rauschen nach DIN 45324 ist. Die Audioverstärkeranlage ist insbesondere zur Verstärkung von Signalen einer Audioquelle oder mehrerer Audioquellen, wie z.B. einem Abspielgerät, einer Mehrzahl von Mikrophonen und/oder von Tonabnehmern in Instrumenten ausgebildet.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figur. Diese zeigt:
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1 ein schematisches Blockdiagramm einer Verstärkeranordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Verstärkeranordnung 1. Die Verstärkeranordnung 1 dient dazu, ein erstes, zweites, drittes und gegebenenfalls n-tes Audioeingangssignal AES1, AES2, AES3, AESn an einem Audioeingang E1, E2, E3, En zu einem Audioausgangssignal AAS1, AAS2, AAS3, AASn an einem Audioausgang A1, A2, A3, An zu wandeln, wobei das Audioausgangssignal AAS1, AAS2, AAS3, AASn jeweils als ein verstärktes Audioeingangssignal oder als ein verstärktes, pulsweitenmoduliertes Audioeingangssignal ausgebildet ist. Jeder der Signalpfade AES1–AAS1, AES2–AAS2, AES3–AAS3, AESn–AASn bildet einen Kanal I, II, III, n.
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In jedem der Kanäle I, II, III, n ist ein Verstärker V1, V2, V3, Vn angeordnet, wobei jeder der Verstärker V1, V2, V3, Vn als ein Klasse-D-Verstärker ausgebildet ist. Jeder der Verstärker V1, V2, V3, Vn weist einen zugeordneten Schaltverstärker S1, S2, S3, Sn auf, welcher mindestens einen Leistungsschalter umfasst. Ferner weist jeder der Verstärker V1, V2, V3, Vn einen zugeordneten Rückkopplungszweig R1, R2, R3, Rn auf, welche das Audioausgangssignal AAS1, AAS2, AAS3, AASn von dem Audioausgang A1, A2, A3, An in den Audioeingang E1, E2, E3, En der Verstärker V1, V2, V3, Vn zurückkoppelt.
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In Abhängigkeit der Ausbildung kann vor dem Audioausgang A1, A2, A3, An jeweils eine Tiefpassfiltereinrichtung TP angeordnet sein, sodass das Ausgangssignal AAS1, AAS2, AAS3, AASn jeweils als das verstärkte Audioeingangssignal ausgebildet ist. Alternativ hierzu ist die Tiefpasseinrichtung TP erst nach dem Audioausgang A1, A2, A3, An angeordnet, sodass das Audioausgangssignal AAS1, AAS2, AAS3, AASn als ein verstärktes pulsweitenmoduliertes Audioeingangssignal ausgebildet ist.
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An dem Audioeingang E1, E2, E3, En werden das rückgekoppelte Audioausgangssignal AAS1, AAS2, AAS3, AASn mit dem Audioeingangssignal AES1, AES2, AES3, AESn addiert und dem Schaltverstärker S1, S2, S3, Sn zugeführt. Durch den Rückkopplungszwei R1, R2, R3, Rn werden die Verstärker V1, V2, V3, Vn als selbstschwingende Verstärker angesteuert, sodass das für die Pulsweitenmodulation notwendige Signal durch die Selbstschwingung erzeugt und aufrecht erhalten wird.
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Allerdings können die Verstärker V1, V2, V3, Vn trotz gleicher Ausbildung im Betrieb unterschiedliche Schwingungsfrequenzen einnehmen und zudem die Schwingungsfrequenzen im Betrieb wechseln. Hierbei können beispielsweise Bauteiltoleranzen, Temperatureinwirkungen oder auch Leistungsabrufe bei den Verstärkern V1, V2, V3, Vn zu Änderungen der Schwingungsfrequenzen führen.
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Um zu erreichen, dass die Verstärker V1, V2, V3, Vn mit der gleichen Schwingungsfrequenz arbeiten, ist die Verstärkeranordnung 1 als eine Master-Slave-Anordnung ausgebildet, wobei bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Verstärker V1 als ein Masterverstärker V1 ausgebildet ist, sodass dessen Rückkopplungszweig R1 als Masterrückkopplungszweig, dessen Audioausgang A1 als Masteraudioausgang A1, dessen Audioausgangssignal AAS1 als Masteraudioausgangssignal AAS1 und dessen Audioeingang E1 als Masteraudioeingang E1 bezeichnet werden kann. Die Schwingungsfrequenz des Masterverstärkers V1 als selbstschwingender Klasse-D-Verstärker wird als Masterschwingungsfrequenz bezeichnet. Die Verstärker V2, V3, Vn sind dagegen als Slaveverstärker V2, V3, Vn ausgebildet, so dass deren Rückkopplungszweige R2, R3, Rn als Slaverückkopplungszweige R2, R3, Rn, deren Audioausgänge A2, A3, An als Slaveaudioausgänge A2, A3, An, deren Audioausgangssignale AAS2, AAS2, AASn als Slaveaudioausgangssignale AAS2, AAS2, AASn und deren Audioeingänge E2, E3, En als Slaveaudioeingänge E2, E3, En bezeichnet werden können.
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Ausgehend von dem Masteraudioausgang A1 wird ein Master-Slave-Kopplungszweig 2 angeordnet, welcher das Masteraudioausgangssignal AAS1 bzw. Signalteile davon als ein Koppelsignal in die Rückkopplungszweige R2, R3, Rn der als Slaveverstärker zu bezeichnenden Verstärker V2, V3, Vn führt. Dabei wird jedoch nicht das vollständige Masteraudiosignal AAS1 übertragen, sondern nur das hochpassgefilterte Masteraudioausgangssignal AAS1 als Koppelsignal weitergegeben, wobei zwischen dem Audioausgang A1 des Masterverstärkers V1 und Eingängen zu dem Rückkopplungszweig R2, R3, Rn der Slaveverstärker V2, V3, Vn eine Hochpassfiltereinrichtung 3 angeordnet ist.
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Die Hochpassfiltereinrichtung 3 weist eine Grenzfrequenz auf, welche deutlich oberhalb des hörbaren Bereichs, also z.B. über 30 Kilohertz oder 60 Kilohertz liegt. Beispielsweise ist die Hochpassfiltereinrichtung 3 als eine Filtereinrichtung höherer Ordnung, das heißt mindestens zweiter Ordnung, ausgebildet, um sicherzustellen, dass in dem Masteraudioausgangssignal AAS1 Audioanteile des Audioeingangssignals AES1 unterdrückt werden, um ein Übersprechen des Masteraudioeingangssignals AES1 von dem Kanal I zu den anderen Kanälen II, III, n zu unterdrücken.
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Die Einkopplung des hochpassgefilterten Masteraudioausgangssignals 1 kann in einem Bereich des Rückkopplungszweigs R2, R3, Rn oder am Audioeingang E2, E3, En erfolgen. Letztlich ist es wichtig, dass das hochpassgefilterte Masteraudioeingangssignal AAS1 zu dem Audioeingangssignal AES2, AES3, AESn addiert wird, sodass Signalanteile mit einer in dem hochpassgefilterten Masteraudioausgangssignal AAS1 vorherrschenden Masterschwingungsfrequenz auf die Audioeingangssignale AES2, AES3, AESn aufaddiert werden, um die Slaveverstärker V2, V3, Vn zu einer Selbstschwingung mit einer Schwingungsfrequenz anzuregen, die der Masterschwingungsfrequenz entspricht.
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Durch den Master-Slave-Kopplungszweig 2 wird somit erreicht, dass die Slaveverstärker V2, V3, Vn und der Masterverstärker V1 im Betrieb die gleiche Schwingungsfrequenz, nämlich die Masterschwingungsfrequenz, aufweisen. Zudem können die Schwingungsfrequenzen der Masterverstärker V1 und die der Slaveverstärker V2, V3, Vn in einer festen und/oder konstanten Phasenlage zueinander stehen.
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Es ist vorgesehen, dass die Hochpassfiltereinrichtung 3 rückkopplungsfrei ausgebildet ist, sodass keine Signalanteile von den Slaveverstärkern V2, V3, Vn in Richtung des Masterverstärkers V1 zurückgekoppelt werden. Beispielsweise kann die Hochpassfiltereinrichtung 3 eine Entkopplungseinrichtung mit einem Operationsverstärker aufweisen. Optional ergänzend kann vorgesehen sein, dass vor jedem Slaveverstärker V2, V3, Vn eine weitere Entkopplungsvorrichtung (nicht gezeigt) angeordnet ist, um ein Übersprechen von Audioeingangssignalen AES2, AES3, AESn zwischen den Slaveverstärkern V2, V3, Vn zu vermeiden.
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Die besonderen Vorteile der Verstärkeranordnung 1 sind, dass die Kopplung, insbesondere die Synchronisierung nur in eine Richtung, nämlich von dem Masterverstärker V1 zu den Slaveverstärkern V2, V3, Vn erfolgt. Dadurch kann bestimmt werden, dass der Masterverstärker V1 mit dem Kanal I den führenden Kanal bildet. Zudem kann es keine Beeinträchtigung des führenden Kanals I durch die andere Kanäle II, III, n geben. Durch den führenden Kanal I können theoretisch beliebig viele Kanäle II, III, n gekoppelt, insbesondere synchronisiert werden. Die Kopplung, insbesondere Synchronisierung kann durch günstige Standardkomponenten umgesetzt werden. Die Kopplung, insbesondere Synchronisierung erfolgt ausschließlich im Hochfrequenzbereich außerhalb des hörbaren Bereichs, das Nutzsignal im niederfrequenten Bereich wird durch die Hochpassfiltereinrichtung 3 stark unterdrückt und damit nicht auf die anderen Kanäle II, III, n übertragen.
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Im Betrieb wird das Masteraudioausgangssignal AAS1 des führenden Kanals I abgegriffen. Durch die Hochpassfiltereinrichtung 3 wird die Schaltfrequenz als die Schwingungsfrequenz aus dem Masteraudioausgangssignal AAS1 extrahiert, sodass sich in dem hochpassgefilterten Masteraudioausgangssignal AAS1 anschließend keine nennenswerten Anteile des Nutzsignals des Audioeingangssignals AES1 enthalten sind. Das so gewonnene Signal, welches dem hochpassgefilterten Masteraudioausgangssignal AAS1 entspricht, wird an geeigneter Stelle rückwirkungsfrei, zum Beispiel mittels eines Operationsverstärkers, in die Rückkopplung R2, R3, Rn beliebig vieler Kanäle II, III, n eingespeist. Damit laufen alle Kanäle I, II, III, n mit exakt derselben Schaltfrequenz, wobei es immer nur den Kanal I als den führenden Kanal gibt. Zudem werden dazu keine großen Leistungskomponenten benötigt, da die Kopplung, insbesondere Synchronisierung ausschließlich im Kleinsignalteil erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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