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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lautsprecher-Leistungsverstärker und einen Lautsprecher.
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Ein Eingangssignal eines Lautsprechers wird typischerweise mittels eines Leistungsverstärkers verstärkt und dann über die elektroakustischen Wiedergabewandler des Lautsprechers in Audiosignale umgewandelt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen digitalen Lautsprecher-Leistungsverstärker und einen Lautsprecher mit verringertem Eigenrauschen und verbesserter Linearität vorzusehen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Lautsprecher-Leistungsverstärker nach Anspruch 1 sowie durch einen Lautsprecher nach Anspruch 5 gelöst.
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Somit wird ein Lautsprecher-Leistungsverstärker mit einem digitalen Verstärker vorgesehen, der einen Minuseingang, einen Pluseingang, einen Minusausgang und einen Plusausgang aufweist. Der Verstärker weist eine erste Rückkopplungsschaltung von dem Plusausgang an den Minuseingang und eine zweite Rückkopplungsschaltung von dem Minusausgang an den Pluseingang. Die erste und die zweite Rückkopplungsschaltung weist jeweils eine erste und zweite aktive Verstärkungsschaltung auf.
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Gemäß einem Aspekt ist eine erste Glättungsschaltung an dem Plusausgang zum Glätten der Ausgangssignale des Plusausgangs, und eine zweite Glättungsschaltung an dem Minusausgang zum Glätten der Ausgangssignale des Minusausgangs vorgesehen.
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Gemäß einem Aspekt weist die erste und zweite aktive Verstärkerschaltung jeweils einen Frequenzgang mit einer Verstärkung H und einer Phase P auf. Die Verstärkung H ist bei einer Frequenz von 1 kHz größer als 6 dB ist und die Verstärkung H ist bei Frequenzen oberhalb von 70 kHz kleiner als 1 dB ist. Die Phase P liegt im Frequenzbereich von 70 kHz bis 500 kHz oberhalb von -15°.
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Es wird ein Lautsprecher-Leistungsverstärker mit einem digitalen Verstärker vorgesehen, der zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweist, und einer ersten und einer zweiten Rückkopplungsschaltung vorgesehen. Die erste Rückkopplungsschaltung erstreckt sich vom zweiten Ausgang an den ersten Ausgang des Verstärkers. Die zweite Rückkopplungsschaltung erstreckt sich vom ersten Ausgang an den zweiten Eingang des digitalen Verstärkers. Die erste und zweite Rückkopplungsschaltung weisen jeweils eine erste und zweite aktive Verstärkungsschaltung auf.
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Damit können durch eine Kombination aus aktiver und passiver Gegenkopplung sowohl die Eigenschaften des Leistungsverstärkers (Class D Verstärkers) als auch die Auswirkungen eines Ausgangs-Tiefpasses auf das Ausgangssignal verbessert werden. Ferner kann eine konstante Verstärkung für Verstärker optimal eingestellt werden.
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Durch die aktive Verstärkung in der Rückkopplung des digitalen Verstärkers kann das Eigenrauschen des digitalen Verstärkers reduziert werden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Leistungsverstärker eine erste Glättungsschaltung in Form eines Ausgangs-Tiefpass an dem zweiten Ausgang zum Glätten der Ausgangssignale des zweiten Ausgangs und eine zweite Glättungsschaltung an dem ersten Ausgang zum Glätten der Ausgangssignale des ersten Ausgangs auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung bewirkt die erste und zweite aktive Verstärkerschaltung eine Verstärkung im Audiofrequenzbereich und kann für Frequenzen oberhalb des Audiofrequenzbereichs eine Verstärkung von 1 aufweisen. Die erste und zweite aktive Verstärkung in der Rückkopplungsschleife ist somit nur für Frequenzen im Audiobereich wirksam. Für Frequenzen oberhalb des Audiobereichs erfolgt keine Verstärkung. Dies ist vorteilhaft, weil damit die Stabilität der Gesamtschaltung vergrößert wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die erste und zweite Rückkopplungsschaltung dazu ausgestaltet, jeweils eine Wechselspannung zurückzukoppeln.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Lautsprecher mit einem oben beschriebenen Lautsprecher-Leistungsverstärker.
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Somit wird ein Lautsprecher mit einem Eingangsanschluss, einem Leistungsverstärker und zwei Rückkopplungsschleifen für den Leistungsverstärker vorgesehen. Die beiden Rückkopplungsschleifen weisen jeweils einen aktiven Verstärker auf. Der Leistungsverstärker ist als digitaler Verstärker ausgestaltet und liefert an seinem Ausgang ein Pulsweiten-moduliertes Signal. Der Leistungsverstärker kann einen Plusausgang und einen Minusausgang aufweisen. An den Ausgängen (+Ausgang; -Ausgang) erfolgt eine Glättung der Ausgangssignale mittels einer Glättungseinheit. Die geglätteten Ausgangssignale werden dann mittels einer Rückkopplungsschleife an die Eingänge (+Eingang; -Eingang) von zwei Verstärkern geführt. Ein Verstärker ist dem Minusanschluss zugeordnet und ein weiterer Verstärker ist dem Plusanschluss zugeordnet. Somit wird eine aktive Rückführung der Ausgangssignale des Leistungsverstärkers ermöglicht. Durch das Vorsehen der aktiven Verstärkung in der Rückführungsschleife des digitalen Verstärkers kommt es zu einer Verstärkung in dieser Rückführungsschleife. Diese Verstärkung ist optional im Audiofrequenzbereich vorgesehen und kann eine erzeugte Verzerrung reduzieren. Bei höheren Frequenzen kann der Verstärker eine Verstärkung von 1 aufweisen.
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Die Verstärkung H der ersten und zweiten aktiven Verstärkerschaltung 150, 160 kann bis z. B. 1 kHz hoch, z.B. größer als 6 dB sein und kann dann abnehmen, bis sie ab 70 kHz kleiner als 1 dB ist. Die Phase P nimmt zwischen 100 Hz und 1 kHz langsam ab. Zwischen 1 kHz und ca. 10 kHz erfolgt eine kontinuierliche Abnahme. Dann steigt die Phase zu höheren Frequenzen wieder an und nähert sich 0° an. In einem Bereich von 70 kHz bis mindestens 500 kHz verbleibt die Phase oberhalb von -15°.
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Die Rückkopplungsschaltungen sind jeweils von dem Minusausgang auf den Pluseingang, bzw. von dem Plusausgang auf den Minuseingang des Leistungsverstärkers U14 geführt, um eine negative Rückkopplung zu erreichen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt ein Schaltbild eines Lautsprecherverstärkers,
- 2 zeigt ein Schaltbild eines alternativen Lautsprecherverstärkers,
- 3 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Lautsprecherverstärkers,
- 4 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Lautsprecherverstärkers, und
- 5 zeigt eine Darstellung eines Frequenzgangs einer aktiven Verstärkerschaltung.
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1 zeigt ein Schaltbild eines Lautsprecherverstärkers. Über die Eingänge in-, in+ können Audio-Eingangssignale (+; -Signale) in die Schaltung eingegeben werden. Am Minuseingang in- ist ein Vorverstärker U2 mit einer Rückkopplungsschleife mit einem Widerstand R31 vorgesehen. Am Ausgang des Verstärkers U2 ist ein Widerstand R4 vorgesehen. An dem Pluseingang in+ ist ein Vorverstärker U9 vorgesehen mit einer Rückkopplungsschleife und einem Widerstand R32. Am Ausgang des Verstärkers U9 ist ein Widerstand R1 vorgesehen. Der Widerstand R4 ist mit einem Kondensator C4 gekoppelt, welcher wiederum mit einem Minuseingangsanschluss IN- eines digitalen Leistungsverstärkers U14 gekoppelt ist. Der Widerstand R1 ist über einen Kondensator C13 an einen Pluseingang IN+ des digitalen Leistungsverstärkers U14 gekoppelt. Der digitale Leistungsverstärker ist sowohl mit Masse als auch mit der Betriebsspannung Vcc gekoppelt. Der Verstärker U14 ist ein digitaler Leistungsverstärker und weist zwei Ausgänge, nämlich einen Plusausgang Out+ und einen Minusausgang Out- auf. An dem Plusausgang Out+ ist eine erste Glättungsschaltung (110) bestehend aus der Spule L2, dem Kondensator C6 und der Reihenschaltung aus dem Kondensator C11 und dem Widerstand R9 vorgesehen. Am Minusausgang Out- ist eine zweite Glättungsschaltung 120 bestehend aus der Spule L1, dem Kondensator C1 und der Reihenschaltung aus einem Kondensator C8 und dem Widerstand R10 vorgesehen.
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Somit ist die erste und zweite Glättungsschaltung 110, 120 am Ausgang des Leistungsverstärkers U14 vorgesehen. Ferner ist eine erste und zweite Rückkopplungseinheit 130, 140 jeweils vom Ausgang der Glättungseinheit an einem Eingang des Verstärkers U14 vorgesehen. Die erste und zweite Rückkopplungseinheit 130, 140 weisen jeweils eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand (C7, R3 und C2, R2) auf. Die erste Rückkopplungseinheit 130 führt den Ausgang der ersten Glättungsschaltung 110 zurück an den Ausgang des Widerstands R4 und ist damit über den Kondensator C4 an den Eingangsanschluss IN- des Verstärkers U14 gekoppelt. Die zweite Rückkopplungseinheit 140 erstreckt sich zwischen dem Ausgang der zweiten Glättungsschaltung 120 und dem Widerstand R1. Damit ist die zweite Rückkopplungsschleife 140 über den Kondensator C13 an den Pluseingang IN+ des Verstärkers U14 gekoppelt.
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Der digitale Leistungsverstärker U14 (Class D Verstärker) zeichnet sich dadurch aus, dass er ein analoges elektrisches Eingangssignal an dem Eingang (in+, in-) in ein in der Pulsweite moduliertes leistungsverstärktes Ausgangssignal (am Ausgang (Out+, Out-) überführt. Das Ausgangssignal weist eine konstante Amplitude und Frequenz und eine variable Pulsweite entsprechend der Amplitude des Eingangssignals auf. Die Frequenz liegt deutlich oberhalb der für den Audiobereich relevanten Signalfrequenzen. Dadurch können die elektrischen Verluste im Leistungsverstärker erheblich reduziert werden und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Das leistungsverstärkte Eingangssignal kann am Ausgang durch einen Tiefpass (d. h. durch die Glättungsschaltung 110, 120) rekonstruiert werden, indem die Signalanteile mit Frequenzen oberhalb des Audiofrequenzbereiches durch einen Tiefpass gedämpft werden. Der passive Tiefpassfilter kann eine Quelle von Nichtlinearitäten sein, die im Audiobereich zu störenden Verzerrungen führen. Diese Nichtlinearitäten können dann durch die Rückkopplungsschleifen reduziert werden.
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2 zeigt ein Schaltbild eines alternativen Lautsprecherverstärkers. Die Schaltung von 2 basiert auf der Schaltung von 1 und weist einen Plus- und Minuseingangsanschluss in-, in+, zwei Vorverstärker U2, U9, einen digitalen Leistungsverstärker U14, eine erste und zweite Glättungsschaltung 110, 120 am Ausgang des Leistungsverstärkers U14 und eine erste und zweite Rückkopplungseinheit 130, 140 auf. Zusätzlich zu der Schaltung von 1 weist die Schaltung gemäß 2 eine erste und zweite aktive Verstärkungsschaltung 150, 160 als Teil der Rückkopplung des Leistungsverstärkers, d. h. einer ersten und zweiten Rückkopplungsschaltung, auf. Die erste aktive Verstärkungsschaltung 150 ist mit dem Minuseingang in- gekoppelt, während die zweite aktive Verstärkungsschaltung 160 mit dem Pluseingang in+ gekoppelt ist. Die erste aktive Verstärkungsschaltung 150 ist zwischen dem Ausgang des Verstärkers U2 und dem Kondensator C4 gekoppelt. Die zweite aktive Verstärkungsschaltung 160 ist zwischen dem Ausgang des Verstärkers U8 und dem Kondensator C13 gekoppelt.
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Die erste und zweite Verstärkereinheit 150, 160 ist damit Teil der ersten und zweiten Rückkopplungsschaltung. Dadurch, dass aktive Vorverstärker U7, U8 vorgesehen sind, wird eine aktive Verstärkung in die jeweiligen Rückkopplungsschleifen ermöglicht.
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Die erste Rückkopplungsschaltung kann damit die erste Rückkopplungseinheit 130 und die erste aktive Verstärkerschaltung 150 aufweisen. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann die zweite Rückkopplungseinheit 140 und die zweite aktive Verstärkerschaltung 160 aufweisen.
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Die erste aktive Verstärkungseinheit 150 weist damit einen Verstärker U7 mit einem Plusanschluss und einem Minusanschluss und eine weitere Beschaltung (R4, R11, C25, R34, R33, R14, R13, R32, C9) auf. Der Plusanschluss ist mit einem Kondensator C9 und einem Widerstand R11 gekoppelt. Der Widerstand R11 ist mit Masse gekoppelt. Der Kondensator C9 ist wiederum mit dem Widerstand R4 gekoppelt. Der Verstärker U7 weist eine Rückkopplungsschleife auf, welche aus einer Parallelschaltung besteht, die eine Reihenschaltung eines Kondensators C25 und einen Widerstand R34 sowie einen Widerstand R33 aufweist. Die Rückkopplungsschleife kann über einen Widerstand R14 mit Masse gekoppelt sein. Am Ausgang des Verstärkers U7 ist ein Spannungsteiler bestehend aus einem Widerstand R13 und R22 vorgesehen. Über den Spannungsteiler ist die erste aktive Verstärkereinheit 150 mit dem Kondensator C4 am Minuseingang des Verstärkers U14 gekoppelt. Die erste aktive Verstärkungseinheit 150 weist einen Eingang 151 am Widerstand R4 und einen Ausgang 152 am Ausgang von dem Widerstand R13 auf.
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Die zweite Leistungseinheit 160 weist einen Vorverstärker U8 und eine weitere Beschaltung (R1, R15, C12, C28, R38, R35, R6, R23) auf. Der Vorverstärker U8 ist über einen Kondensator C12 mit dem Widerstand R1 gekoppelt. Ferner ist ein Widerstand R12 an den Pluseingang des Verstärkers U9 gekoppelt. Der Widerstand R12 ist ferner mit Masse gekoppelt. Der Vorverstärker U8 weist eine Rückkopplungsschleife bestehend aus einer Parallelschaltung, einer Reihenschaltung des Kondensators C26 und des Widerstands R36 sowie einem Widerstand R35 auf. Die Rückkopplungsschleife ist über den Widerstand R15 mit Masse gekoppelt. Am Ausgang des Vorverstärkers U8 ist ein Spannungsteiler aus einem Widerstand R6 und R23 gekoppelt. Über diesen Spannungsteiler ist der Verstärker U8 mit einem Plusanschluss des Verstärkers U14 gekoppelt. Die zweite aktive Verstärkungseinheit 160 weist einen Eingang 161 am Widerstand R1 und einen Ausgang 162 am Ausgang von dem Widerstand R6 auf.
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Es ist hervorzuheben, dass die Rückkopplungsschaltungen jeweils von dem Minusausgang auf den Pluseingang, bzw. von dem Plusausgang auf den Minuseingang des Leistungsverstärkers U14 geführt werden, um eine negative Rückkopplung zu erreichen. Die aktiven Verstärkungsschaltungen 150 und 160 sind als nicht-invertierende Verstärkerschaltungen ausgelegt.
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3 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Lautsprecherverstärkers. Die Schaltung von 3 basiert auf der Schaltung von 2. Lediglich die erste und zweite aktive Verstärkereinheit 150, 160 ist anders ausgestaltet. Hierbei ist zusätzlich der Widerstand R5 in Reihe mit einem Kondensator C3 in der ersten aktiven Verstärkereinheit 150 und der Widerstand R8 ist in Reihe mit einem Kondensator C10 in der zweiten aktiven Verstärkereinheit 160 vorgesehen. Die restliche Schaltung entspricht der Schaltung von 2. Damit ist eine Reihenschaltung aus dem Widerstand R5, den beiden Kondensatoren C3, C10 und dem Widerstand R8 vorgesehen.
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Die Rückkopplungsschaltungen sind jeweils von dem Minusausgang auf den Pluseingang, bzw. von dem Plusausgang auf den Minuseingang des Leistungsverstärkers U14 geführt, um eine negative Rückkopplung zu erreichen.
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4 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Lautsprecherverstärkers. Die Schaltung von 4 basiert auf der Schaltung von 3, wobei die erste und zweite Rückkopplungseinheit 130, 140 abgewandelt ist. In der ersten Rückkopplungseinheit 130 ist zusätzlich zu dem Kondensator C7 und dem Widerstand R3 ein weiterer Kondensator C19 und ein Widerstand R37 vorgesehen, welcher zwischen dem Kondensator C7 und dem Kondensator C9 einerseits gekoppelt ist und andererseits mit Masse gekoppelt ist.
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Entsprechend ist in der zweiten Rückkopplungseinheit 140 zusätzlich zu dem Widerstand R2 und dem Kondensator C2 ein Kondensator C20 und ein Widerstand R38 vorgesehen. Der Widerstand R38 ist einerseits mit Masse und andererseits zwischen den beiden Kondensatoren C2, C20 gekoppelt.
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Durch die Kombination der ersten und zweiten Rückkopplungseinheit 130, 140 sowie der ersten und zweiten aktiven Verstärkereinheit 150, 160 kann die Rückkopplung für den Leistungsverstärker U14 erheblich verbessert werden. Insbesondere kann das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers U14 geglättet werden (mittels der ersten und zweiten Glättungseinheit 110, 120), ohne dass es hierbei zu einer erhöhten Verzerrung kommt. Dies wird durch die erste Rückkopplungseinheit 130 und die erste aktive Verstärkereinheit 150 sowie durch die zweite Rückkopplungseinheit 140 und die zweite aktive Verstärkereinheit 160 erreicht. Durch diese spezielle Anordnung kann eine Rückführungsverstärkung insbesondere im Audiofrequenzbereich erhöht werden.
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Optional kann die erste und zweite aktive Verstärkereinheit 150, 160 ihre jeweilige Verstärkung auf 1 zurückführen bei höheren Frequenzen, beispielsweise > 20 kHz.
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Optional kann der Verstärker U14 ab einer Frequenz von > 20 kHz als 0 dB Verstärker arbeiten.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsverstärker für einen Lautsprecher vorgesehen, welcher eine Rückkopplung am Ausgang des Leistungsverstärkers aufweist, die auf einen analogen Vorverstärker zurückgeführt wird.
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Durch das Vorsehen der Verstärker U7, U8 kann ein Eigenrauschen des Leistungsverstärkers U14 für die in 5 gezeigten Verhältnisse und nicht weiter quantifizierte Verstärkung G und Netzwerk 130, 140 von 4 um ca. 10dB reduziert werden. Dies gilt auch, wenn es sich um einen integrierten Leistungsverstärker handelt. Die Reduktion von Rauschen und Nichtlinearität kann in Abhängigkeit der Schaltungsauslegung auch höhere Werte als 10dB annehmen.
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Die Rückkopplungsschaltungen sind jeweils von dem Minusausgang auf den Pluseingang, bzw. von dem Plusausgang auf den Minuseingang des Leistungsverstärkers U14 geführt, um eine negative Rückkopplung zu erreichen.
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5 zeigt eine Darstellung der Phase und des Betrags der Signale einer aktiven Rückkopplungsschaltung 150, 160. In 5 ist die Verstärkung H und die Phase P des Leistungsverstärkers über die Frequenz F dargestellt. Insbesondere ist der Frequenzgang vom Eingang 151, 161 zum Ausgang 152, 162 der aktiven Verstärkerschaltung 150, 160 dargestellt.
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Die Verstärkung H kann bis z. B. 1 kHz hoch, z.B. größer als 6 dB sein und kann dann abnehmen, bis sie ab 70 kHz kleiner als 1 dB ist. Die Phase P nimmt zwischen 100 Hz und 1 kHz langsam ab. Zwischen 1 kHz und ca. 10 kHz erfolgt eine kontinuierliche Abnahme. Dann steigt die Phase zu höheren Frequenzen wieder an und nähert sich 0° an. In einem Bereich von 70 kHz bis mindestens 500 kHz verbleibt die Phase oberhalb von -15°.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsverstärker für einen Lautsprecher vorgesehen, welcher eine Rückkopplung mit einer frequenzabhängigen Verstärkung aufweist. Die Verstärker U7, U8 dienen der Vorverstärkung und befinden sich innerhalb einer der Rückkopplungen für den Leistungsverstärker U14. Hierdurch kann das Eigenrauschen des Leistungsverstärkers U14 und die nichtlinearen Verzerrungen eines Ausgangs-Tiefpasses 110 120 beispielsweise um 10dB reduziert werden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Leistungsverstärker U14 als ein CLASS D Endstufe ausgestaltet und weist beispielsweise eine 0 dB Durchtrittsfrequenz bei ca. 100 kHz auf.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die erste und zweite aktive Verstärkerschaltung 150, 160 bei einer Frequenz von 100 kHz nicht wirksam. Vielmehr arbeiten die erste und zweite aktive Verstärkerschaltung 150, 160 mit einer Verstärkung von 1. Dies ist vorteilhaft, um bei der Durchtrittsfrequenz des Leistungsverstärkers U14 keine nennenswerte Phasenverschiebung hervorzurufen.
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Die Erfindung betrifft eine externe Beschaltung eines integrierten Leistungsverstärkers zur Verbesserung und Anpassung der nicht zugänglichen Eigenschaften des Verstärkers. Die Verstärkung, die bei integrierten Leistungsverstärkern häufig einen nichtveränderlichen Wert hat, kann damit angepasst werden. Ohne die vorliegende Erfindung führt dies zu Nachteilen, da die gesamte Übertragungs-Empfindlichkeit als Kombination aus Lautsprecher und Verstärker nur mit einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Abstandes erfolgt, wenn vor dem Leistungsverstärker eine Signaldämpfung notwendig ist.
