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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Audioverstärker mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Im Bereich der Audioverstärker ist bekannt, bei hohen Leistungsdichten die Klasse-D Technik anzuwenden. Aus der
DE 10 2014 200 964 A1 ist ein solcher Verstärker mit Klasse D Technik bekannt. Bei dieser Technik werden Audiosignale in ein gepulstes Signal umgewandelt. Diese Umwandlung geschieht durch den sogenannten „Klasse-D Modulator“, der meist als Pulsweitenmodulator ausgeführt ist. Dadurch kann der Verstärker in den Schaltbetrieb gefahren werden, wodurch die Schaltelemente, in der Regel Transistoren, entweder maximal leitend oder maximal sperrend sind und somit nur zwei Zustände einnehmen können. Diese beiden Arbeitsbereiche weisen, im Gegensatz zu konventionellen Klasse-AB Verstärkern, wenig Verlustleistung auf. Damit liegt der große Vorteil bei dieser Technik im hohen Wirkungsgrad.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Gegenstand der Erfindung betrifft einen Audioverstärker mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Der Audioverstärker ist insbesondere als ein Klasse-D-Verstärker ausgebildet. Der Klasse-D-Verstärker, (engl. class-D amplifier), wird auch als schaltender Verstärker, Digitalendstufe oder Digitalverstärker bezeichnet. Der Audioverstärker dient dazu, ein Eingangssignal, insbesondere ein Audiosignal, in ein Ausgangssignal zu verstärken, um eine Lautsprechereinrichtung zu betreiben. Optional bildet die Lautsprechereinrichtung einen Teil des Audioverstärkers.
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Der Audioverstärker weist einen Modulatorabschnitt auf, wobei der Modulatorabschnitt das Eingangssignal übernimmt, signaltechnisch verarbeitet und mindestens oder genau zwei Zwischensignale ausgibt. Der Modulatorabschnitt ist insbesondere schaltungstechnisch ausgebildet, das Eingangssignal zu modulieren, insbesondere eine Pulsweitenmodulation (PWM) durchzuführen. Die Zwischensignale sind insbesondere als eine Folge von Rechteckpulsen ausgebildet.
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Im Signalweg nachfolgend werden die Zwischensignale zu einem Verstärkerabschnitt als Bestandteil des Audioverstärkers geleitet, wobei der Verstärkerabschnitt die Zwischensignale übernimmt, verstärkt und zwei Verstärkungssignale ausgibt. Der Verstärkerabschnitt wird insbesondere in einem Schaltbetrieb betrieben. Vorzugsweise weist der Verstärkerabschnitt Schaltelemente, insbesondere Transistoren, auf, welche entweder maximal leitend oder maximal isolierend geschaltet werden und somit nur zwei Zustände einnehmen können.
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Der Verstärkerabschnitt weist zwei Leistungsstufen auf, wobei bevorzugt jede der Leistungsstufen bevorzugt mindestens oder genau zwei Schaltelemente zur Umsetzung des Schaltbetriebs aufweist.
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Der Audioverstärker weist einen Endabschnitt zur Übernahme der zwei Verstärkungssignale und zur Ausgabe von mindestens einem Ausgangssignal für die Lautsprechereinrichtung auf. Insbesondere wird das Ausgangssignal auf Basis der Verstärkungssignale erzeugt.
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Optional weist jede Leistungsstufe Rekonstruktionsfilter und/oder Tiefpassfilter auf, um das jeweilige Verstärkungssignal zu filtern, insbesondere um einen dem Eingangssignal entsprechenden kontinuierlichen Spannungsverlauf zu erzeugen.
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Im Rahmen der Erfindung weist der Audioverstärker stets zwei Leistungsstufen auf, die je nach Betriebsart entweder gebrückt oder parallel betrieben werden können und in beiden Fällen das Ausgangssignal an denselben Anschlüssen ausgegeben wird. Für hohe Impedanzen kann durch den Brückenbetrieb am Ausgang die doppelte Spannung einer einzelnen Leistungsstufe erreicht werden. Für niedrige Impedanzen kann durch den Parallelbetrieb der doppelte Strom einer einzelnen Leistungsstufe bereitgestellt werden. Dadurch lässt sich der Audioverstärker der Anwendung besser anpassen und die Leistungskomponenten werden besser ausgenutzt. Anders gesagt können im Vergleich zum Stand der Technik günstigere Leistungskomponenten verwendet werden.
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Ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Modulatorabschnitt genau eine Modulatoreinrichtung zur Modulierung des Eingangssignals aufweist. Insbesondere weist der Modulatorabschnitt nur genau einen Komparator zum Vergleich des Eingangssignals mit einem Referenzsignal, insbesondere eines Dreieckssignals, auf.
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Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass durch die Reduktion auf eine Modulatoreinrichtung Kosten- und Platzersparnis bei der Umsetzung des Audioverstärkers erzielt werden können, da auf einer entsprechenden Leiterplatte oder Baugruppe nur noch die Elektronik von einer Modulatoreinrichtung für zwei Leistungsstufen nötig ist. Die Modulatoreinrichtung besteht bevorzugt aus mehreren aufeinander abgestimmten Operationsverstärkerschaltungen und diversen Rückkoppelsignalen. Dementsprechend sind die Kosten und der Flächenbedarf auf der Leiterplatte bzw. nicht unerheblich und werden halbiert.
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Ferner wird die Anzahl der Audioeingänge für das Eingangssignal reduziert, da die Modulatoreinrichtung bereits das Eingangssignal für die zwei Leistungsstufen aufbereitet. Es ist also nur noch ein Audioeingang für die Leistungsstufen notwendig. Dies bringt zusätzliche Platz- und Kostenersparnis auf der Leiterplatte bzw. Baugruppe. Jeder Audioeingang benötigt bevorzugt eine „Eingangsstufe“, die als elektronische Operationsverstärkerschaltung ausgeführt ist. Auch werden mittlerweile immer häufiger digitale Audiosignale als Eingangssignal in derartigen Audioverstärkern verarbeitet. Um diese digitalen Signale verstärken zu können, müssen diese zuvor in der Regel mit Hilfe von DAC's (Digital to Analog Converter), welche bevorzugt ein Bestandteil des Audioverstärkers bilden, in ein analoges Signal umgewandelt werden. Somit kann optional eine Eingangsstufe und/oder ein zusätzlicher DAC eingespart werden. Vorzugsweise weist der Audioverstärker für das Eingangssignal genau eine insbesondere einkanalige Eingangsstufe und/oder genau einen einkanaligen DAC auf.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der Endabschnitt einen ersten und einen zweiten Ausgangsanschluss, zur Ausgabe des Ausgangssignals aufweist. In dem Parallelbetrieb wird der erste Ausgangsanschluss mit dem Verstärkungssignal, insbesondere einem gemeinsamen Verstärkungssignal aus beiden Leistungsstufen, beaufschlagt und der zweite Ausgangsanschluss ist mit Masse leitend verbunden. In dem Brückenbetrieb wird der erste Ausgangsanschluss mit einem ersten Verstärkungssignal der ersten Leistungsstufe und der zweite Ausgangsanschluss mit einem zweiten Verstärkungssignal der zweiten Leistungsstufe beaufschlagt. In dem Parallelbetrieb kann die Lautsprechereinrichtung mit einem höheren Strom, in dem Brückenbetrieb mit einer höheren Spannung betrieben werden.
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Gerade in dem Parallelbetrieb ergeben sich Vorteile in Kombination mit der Ausbildung von genau einer Modulatoreinrichtung, da hierdurch die Stromaufteilung in den beiden Leistungsstufen gewährleistet ist: Da die Zwischensignale nur durch eine gemeinsame Modulatoreinrichtung erzeugt werden und für beide Leistungsstufen im Parallelbetrieb gleich sind, schalten dementsprechend diese Leistungsstufen sehr exakt zueinander. Im Parallelbetrieb sollten nämlich beide Leistungsstufen möglichst identisch schalten, um gleiche Ströme an dessen Leistungsstufenausgängen zu gewährleisten. Wären diese Ströme unterschiedlich groß, so würde ein nicht unerheblich großer Querstrom von der einen Leistungsstufe in die andere fließen. Dieser Querstrom ist kein Nutzstrom, sondern erzeugt lediglich Verlustleistung innerhalb des Audioverstärkers. Bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Parallelbetrieb mit zwei unabhängigen Klasse-D Modulatoren kann in der Regel kein genau aufeinander abgestimmtes Schalten der Leistungsstufen garantiert werden, da diese aus Toleranzgründen leicht unterschiedliche PWM-Signale erzeugen. Aus diesem Grund benötigt man in der Praxis eine aufwändige Regelschaltung. Diese gleicht beide Klasse-D Modulatoren für den Parallelbetrieb zueinander ab, um wieder gleiche Ströme an den Leistungsstufen zu erhalten. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung entfällt eine solche Regelschaltung.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Modulatorabschnitt ausgebildet, in dem Parallelbetrieb zwei gleiche und damit gleichphasige Zwischensignale an den Verstärkerabschnitt zu übertragen. Dagegen ist der Modulatorabschnitt ausgebildet, in dem Brückenbetrieb ein erstes Zwischensignal an den ersten Verstärkereingang und ein zweites Zwischensignal an den zweiten Verstärkereingang zu übertragen, wobei das erste Zwischensignal zu dem zweiten Zwischensignal gegenphasig und/oder invertiert ausgebildet ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt eine Rückkopplung aus dem Verstärkerabschnitt in den Modulatorabschnitt. Diese Rückkopplung aus dem Verstärkerabschnitt besteht aus einem und/oder mehreren Rückkopplungssignalen. Bevorzugt werden unter anderem auch die Verstärkungssignale aus beiden Leistungsstufen zur Rückkopplung verwendet.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem Parallelbetrieb das gemeinsame Verstärkungssignal, also die Ausgangssignale der Leistungsstufen miteinander verbunden zurückgekoppelt werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung für den Brückenbetrieb , wird zusätzlich zu den Rückkoppelsignalen aus dem Verstärkerabschnitt ein Summationssignal von den Verstärkungssignalen der beiden Leistungsstufen zurückgekoppelt. Nachdem die Verstärkungssignale in dem Brückenbetrieb zueinander invertiert sind, entspricht die Summation betragsmäßig betrachtet einer Differenzbildung. Damit werden die Unterschiede der beiden Leistungsstufen, welche eine unerwünschte Abweichung vom Idealzustand (Summationssignal = 0) repräsentieren, zurückgekoppelt. Diese Rückkopplung in den Modulator dient dazu, die Unterschiede auszugleichen und aus dem zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen abgenommenen Ausgangssignal zu entfernen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Audioverstärkers als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 die schematische Darstellung des Audioverstärkers in der 1 in einem Parallelbetrieb;
- 3 die schematische Darstellung des Audioverstärkers in der 1 in einem Brückenbetrieb;
- 4 eine schematische Darstellung des Audioverstärkers in den vorhergehenden Figuren mit einer Darstellung der Rückkopplung.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist die Überlegung, dass Audioverstärker entweder mit niedrigen und/oder hohen Impedanzen (Lautsprecher) betrieben werden können. Idealfall wäre, wenn der Verstärker für beide Betriebsfälle verwendet werden kann. Niedrige Impedanzen findet man in der Regel bei Beschallungen von temporären Veranstaltungen, beispielsweise Konzerte oder Theater. Hohe Impedanzen findet man in der Regel in der Festinstallation von Beschallungssystemen (z.B. 70V/100V Linien im Stadion, Flughafen). Jeder Lautsprecher, egal ob mit einer niedrigen oder hohen Impedanz, benötigt Leistung um betrieben werden zu können. Bei niedriger Impedanz benötigt man mehr Strom, bei hoher Impedanz benötigt man mehr Spannung am Ausgang des Audioverstärkers, um auf die gleiche Ausgangsleistung am Lautsprecher zu kommen. Soll eine Leistungsstufe des Verstärkers beide Lastfälle (niedrige und hohe Impedanzen) betreiben können, so muss dessen Ausgang für den einen Fall einen hohen Strom und für den anderen Fall eine hohe Spannung bereitstellen. Diese Auslegung würde zu einer Überdimensionierung für den jeweils anderen Fall führen, also mehr Strom als nötig für hohe Impedanzen und mehr Spannung als nötig für niedrige Impedanzen. Die Leistungsstufe des Verstärkers wäre in diesem Beispiel leistungsmäßig überdimensioniert. Die nachfolgend beschriebene Erfindung löst dies in vorteilhafter Weise.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Audioverstärker 1, wobei der Audioverstärker 1 als ein Klasse-D-Verstärker ausgebildet ist. Die Funktion des Audioverstärkers 1 ist es, ein Eingangssignal aufzunehmen, zu verstärken und an eine Lautsprechereinrichtung 2 auszugeben. Die Lautsprechereinrichtung 2 ist schematisiert als Last dargestellt.
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Das Eingangssignal wird über einen Audioeingang 3 dem Audioverstärker 1 zugeführt. Der Audioeingang 3 ist als ein einzelner Signaleingang, insbesondere einkanalig, ausgebildet. Das Eingangssignal ist insbesondere als ein Analogsignal ausgebildet.
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Der Audioverstärker 1 weist einen Modulatorabschnitt 4 auf, wobei ein Modulatoreingang 5 mit dem Audioeingang 3 signaltechnisch verbunden ist. Optional ist zwischen Audioeingang 3 und dem Modulatoreingang 5 noch eine Eingangsstufe, insbesondere eine einkanalige Eingangsstufe, vorgesehen. Bei alternativen Ausgestaltungen ist das Eingangssignal als ein Digitalsignal ausgebildet, wobei zwischen dem Audioeingang 3 und dem Modulatoreingang 5 ein Digital-Analog-Konverter (DAC) zwischengeschaltet ist. Der Modulatorabschnitt 4 weist zwei Modulatorausgänge 6, 7 zur Ausgabe von zwei Zwischensignalen auf.
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Der Audioverstärker 1 weist einen Verstärkerabschnitt 8 auf, wobei der Verstärkerabschnitt 8 zwei Verstärkereingänge 9, 10 aufweist. Die Verstärkereingänge 9, 10 sind über Leitungen mit den Modulatorausgängen 6, 7 signaltechnisch verbunden, wobei der erste Verstärkereingang 9 mit dem ersten Modulatorausgang 6 und der zweite Verstärkereingang 10 mit dem zweiten Modulatorausgang 7 verbunden ist.
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Der Verstärkerabschnitt 8 weist eine erste und eine zweite Leistungsstufe 11, 12 auf, wobei ein erster Leistungsstufeneingang 13 mit dem ersten Verstärkereingang 9 und ein zweiter Leistungsstufeneingang 14 mit dem zweiten Verstärkereingang 10 signaltechnisch verbunden sind. Ein erster Leistungsstufenausgang 17 der ersten Leistungsstufe 11 ist mit einem ersten Verstärkerausgang 19, ein zweiter Leistungsstufenausgang 18 der zweiten Leistungsstufe 12 ist mit einem zweiten Verstärkerausgang 20 signaltechnisch verbunden.
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Der Audioverstärker 1 weist einen Endabschnitt 21 auf, wobei der Endabschnitt 21 zwei Endeingänge 22, 23 und zwei Endausgänge 24, 25 aufweist. Der erste Endeingang 22 ist mit dem ersten Verstärkerausgang 19, der zweite Endeingang 23 ist mit dem zweiten Verstärkerausgang 20 signaltechnisch verbunden. Der erste Endausgang 24 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss 26, der zweite Endausgang 25 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss 27 signaltechnisch verbunden.
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Funktional betrachtet wird ein analoges oder auch digitales Audiosignal als das Eingangssignal in dem Modulatorabschnitt 4 mittels eines geeigneten Verfahrens, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation (PWM), in eine Folge von Pulsen als die Zwischensignale gebracht. Die Zwischensignale werden in dem Verstärkerabschnitt 8 in einem Schaltbetrieb in die Verstärkungssignale verstärkt.
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Der Audioverstärker 1 kann in einem Parallelbetrieb und in einem Brückenbetrieb betrieben werden. Der Wechsel zwischen den zwei Betriebsarten kann beispielsweise durch ein Umschalten in dem Audioverstärker 1 erfolgen.
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Die 2 zeigt den Audioverstärker 1 aus der 1 in dem Parallelbetrieb, die 3 zeigt den Audioverstärker 1 aus der 1 in dem Brückenbetrieb. Mit der Erläuterung von dem Betriebsarten werden zusätzliche Komponenten von dem Audioverstärker 1 eingeführt, welche ebenfalls in dem Audioverstärker 1 in der 1 vorhanden, jedoch grafisch nicht dargestellt sind. Der Audioverstärker 1 kann zwischen den zwei Betriebsarten umgeschaltet werden.
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Der Modulatorabschnitt 4 weist genau eine Modulatoreinrichtung 28 auf, wobei diese eingangsseitig mit dem Modulatoreingang 5 signaltechnisch verbunden ist.
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In dem Betriebszustand „Parallelbetrieb“ ist die Modulatoreinrichtung 28 ausgangsseitig mit den Modulatorausgängen 6, 7 verbunden, so dass an diesen und somit an den Verstärkereingängen 9, 10 sowie an den Leistungsstufeneingängen 13, 14 zwei identische Zwischensignale anliegen.
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Der Endabschnitt 21 weist eine Verbindungsschalteinrichtung 29 auf, wobei die Verbindungsschalteinrichtung 29 wie folgt ausgebildet ist: In einem ersten Schaltzustand (Brückenbetrieb) sind die Endeingänge 22, 23 voneinander getrennt. In einem zweiten Schaltzustand (Parallelbetrieb) sind die Endeingänge 22, 23 miteinander leitend und/oder signaltechnisch verbunden.
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Der Endabschnitt 21 weist ferner eine Wechselschalteinrichtung 30 auf, wobei die Wechselschalteinrichtung 30 ausgebildet ist, in einem zweiten (Parallelbetrieb) Schaltzustand den Endausgang 25 mit Masse 31 leitend zu verbinden. In einem ersten Schaltzustand (Brückenbetrieb) ist der zweite Endausgang 25 mit dem zweiten Endeingang 23 leitend und/oder signaltechnisch verbunden.
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In der Betriebsart „Parallelbetrieb“ weist das Ausgangssignal einen im Vergleich zu der Betriebsart „Brückenbetrieb“ höheren Strom und niedrigere Spannung auf und/oder ist für eine Lautsprechereinrichtung 2 mit niedriger Impedanz bestimmungsgemäß vorgesehen.
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In dem Betriebszustand „Brückenbetrieb“ ist zwischen einem der Verbindungen zwischen der Modulatoreinrichtung 28 und den Modulatorausgängen 6, 7 eine Invertierungseinrichtung 32 zwischengeschaltet. Die Invertierungseinrichtung 32 invertiert das eine Zwischensignal, so dass an dem Modulatorausgang 6 das gleiche Zwischensignal wie an dem Ausgang der Modulatoreinrichtung 28 anliegt. An dem Modulatorausgang 7 liegt dagegen das invertierte und/oder gegenphasige Zwischensignal an.
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Die Verbindungseinrichtung 29 ist geöffnet, die Wechselschalteinrichtung 30 ist dagegen geschlossen, so dass der zweite Lautsprecheranschluss 27 leitend mit dem zweiten Leistungsstufenausgang 18 verbunden ist. In der Betriebsart „Brückenbetrieb“ weist das Ausgangssignal eine im Vergleich zu der Betriebsart „Parallelbetrieb“ höhere Spannung und niedrigeren Strom auf und/oder ist für eine Lautsprechereinrichtung 2 mit hoher Impedanz bestimmungsgemäß vorgesehen.
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Der Modulatorabschnitt 4 weist zwei Rückkopplungseingänge 33 a, b auf. Die Rückkopplungseingänge 33 a, b sind in dem Modulatorabschnitt 4 miteinander verbunden. Die Verbindung kann auch vor dem Modulatorabschnitt 4 erfolgen. Insgesamt wird ein gemeinsames Rückkopplungssignal gebildet, welches auf die Modulatoreinrichtung 28 oder zumindest auf das Eingangssignal wirkt. Vorzugsweise ist das Rückkopplungssignal invertiert zu dem Eingangssignal ausgebildet.
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Die 4 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung den Audioverstärker 1.
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In dem Brückenbetrieb wird das Rückkopplungssignal, bestehend aus einem und/oder mehreren Rückkopplungssignalen aus dem Verstärkerabschnitt 8, auf den Rückkopplungseingang 33a zurückgeführt. Aus der Darstellung ergibt sich zudem, dass die Verbindungsschalteinrichtung 29 in der Schaltstellung für den Brückenbetrieb das Verstärkungssignal aus der ersten Leistungsstufe 11 auf eine Summationseinrichtung 34 führt. Die Wechselschalteinrichtung 30 ist unverändert, wobei zu dem das Verstärkungssignal aus der zweiten Leistungsstufe 12 ebenfalls auf die Summationseinrichtung 34 geführt ist. Somit liegen an der Summationseinrichtung 34 beide Verstärkungssignale an, wobei diese jedoch in der Betriebsart Brückenbetrieb invertiert zueinander ausgebildet sind. Im Arbeitspunkt gibt die Summationseinrichtung den Wert 0 aus, neben dem Arbeitspunkt wird ein Signal ausgegeben, welches Signalinformationen aus beiden Leistungsstufen 11,12 enthält. Diese Signalinformation aus der Summationseinrichtung wird an den Rückkopplungseingang 33b zurückgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014200964 A1 [0002]
