DE10327620B4

DE10327620B4 - Vorrichtung und Verfahren zur digitalen Pulsweiten-Modulation

Info

Publication number: DE10327620B4
Application number: DE10327620.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Braun
Original assignee: Lantiq Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Germany Holding GmbH
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: DE10327620A1; CN1742429A; CN100502234C

Abstract

Vorrichtung zur digitalen Pulsweitenmodulation mit: (a) einer Filtereinrichtung (11) zum Filtern eines Filtereingangssignals (10''); (b) einer Quantisiereinrichtung (13) zum Quantisieren eines Filterausgangssignals (11') der Filtereinrichtung (11); (c) einer PWM-Mapper-Einrichtung (15) zum Erzeugen eines digitalen PWM-Signals (15') aus einem Ausgangssignal (13') der Quantisiereinrichtung (13); und (d) zwei zumindest ähnliche Rückführungsschleifen (17, 17'), welche ausgangsseitig über eine Last (18) miteinander verbunden sind, wobei an beiden Schleifen (17, 17') zueinander inverse Schleifeneingangssignale (10', –10') zum Erzeugen eines differentiellen PWM-Signals an der Last (18) bereitgestellt sind, wobei an der Filtereinrichtung (11) eine andere Abtastrate (12) vorgesehen ist als die Abtastrate (14) der Quantisiereinrichtung (13).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur digitalen Pulsweiten-Modulation, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur digitalen Pulsweiten-Modulation von Audio- und Videosignalen.
Digitale Pulsweiten-Modulatoren (PWM) finden nicht nur in der Unterhaltungselektronik ein breites Anwendungsgebiet. Bisherige digitale Pulsweiten-Modulatoren erfordern eine hohe zeitliche Auflosung der Pulsweiten, welche z. B. im Audiobereich von 0 bis 20 kHz eine Taktfrequenz um etwa 100 MHz notwendig macht. Gemäß Erick Bresch, Wayne T. Padgett, „TMS320C67-Based Design of a Digital Audio Power Ampflifier Introducing novel Feedback Strategy” entstehen bei einer hohen Aussteuerung in einem digitalen PWM relativ starke nicht lineare Verzerrungen.
Beim Einsatz der Sigma-Delta-Modulation (SDM) benötigt man zwar nur eine geringe Taktfrequenz von beispielsweise 2 bis 4 MHz für ein Audiosignal, jedoch ist das Ausgangssignal dann eher ein Pulsdichte-moduliertes Signal, welches beispielsweise für eine Class-D-Verstärkung aufgrund der signalabhangigen Pulsdichte ungeeignet ist, da dies bei nicht idealen Impulsen zu nicht linearen Verzerrungen führt. Vor allem ist gemäß A. J. Magrath, M. B. Sandler, „Power digital to analogue conversion ..., Electronic Letters, Ausgabe 31, Nr. 4, 1995, keine konstante Pulsfrequenz bei der Sigma-Delta-Modulation gewährleistet.
Class-D-Verstärker weisen im Vergleich zu A, AB-Verstarkern eine viel geringere Verlustleistung auf und werden typischerweise mit PWM-Signalen angesteuert. Bekannt ist, dass digitale Pulsweiten-Modulatoren eine hohe zeitliche Auflösung des PWM-Signals bedingen, um Verzerrungen, welche durch die zeitliche Quantisierung entstehen, zu minimieren. Bis dato wird ein digitales Eingangssignal mit Hilfe eines Multibit-Sigma-Delta-Modulators in der Amplitudenauflösung mit beispielsweise 8 Bit für eine Dynamik großer als 80 dB reduziert und dann das quantisierte Signal mit geringer Auflosung einem Pulsweiten-Modulator zugeführt. Zum einen erfordert dies aufgrund der relativ hohen zeitlichen Auflosung der Pulsweiten-Signale (8 Bit entsprechen 256 verschiedenen Pulsweiten) wie bereits erwähnt eine hohe Taktfrequenz von mehr als 100 MHz, und andererseits ist das derart erzeugte Pulsweiten-modulierte Signal nicht frei von nicht linearen Verzerrungen, da in der Regelschleife nicht das PWM-Signal, sondern das Amplitudenquantisierte Signal rückgekoppelt wird, wobei beide Signale im Basisband, d. h. im Audiobereich beispielsweise 0 bis 20 KHz nicht vollkommen identisch sind. Deshalb wird das Quantisierungsrauschen durch die Regelschleife im Sigma-Delta-Modulator nicht optimal fur das PWM-Signal unterdrückt.
Ein bekanntes Verfahren zur digitalen PWM erfordert neben einem hohen schaltungstechnischen Aufwand gemäß Jorge Varona, ECE University of Toronto, „Power Digital to Analog Conversion Using Sigma Delta and Pulse Width Modulations” ebenfalls eine hohe Arbeitstaktfrequenz. In 6 ist eine typische Konfiguration fur einen digitalen Pulsweiten-Modulator dargestellt. Zur Linearisierung des PWM-Signals 15' wird das digitale Eingangssignal 1 in einem Interpolationsfilter 10 extrem hochinterpoliert und daraufhin mittels eines Noiseshapers 23, d. h. einem Rauschformer im Sigma-Delta-Modulator, in der Amplitudenauflosung begrenzt. Da der Noiseshaper 23 jedoch nicht das quantisierte PWM-Signal 15' verarbeitet, sondern nur das quantisierte Amplitudensignal vor der Pulsweiten-Modulation in einem Pulsweiten-Modulator 24, kann das tatsächlich Quantisierungsrauschen und die Nicht-Linearitäten des zeitlich quantisierten PWM-Signals 15' nur sub-optimal unterdruckt werden. Das digitale PWM-Signal 15' wird nachfolgend typischerweise in einem Post-Filter 16, vorzugsweise nach der Verstärkung des Signals in einer Verstärkereinrichtung (nicht dargestellt) gefiltert.
Die Druckschrift FR 2290091 A1 zeigt einen PWM Verstärker, bei welchem der Ausgangspulsarbeitszyklus proportional zum Pegel des Eingangs-Audiosignals ist.
Die Druckschrift DE 100 27 164 A1 zeigt einen Verstärker zur Wandlung digitaler elektrischer Signal in akustische Signale.
Die Druckschrift US 2003/0031245 A1 zeigt einen digitalen Modulator für einen digitalen Verstärker.
Die Druckschrift WO 02/089321 A1 zeigt eine Schaltung zur Signalverarbeitung, welche ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal liefert. Die Schaltung besteht aus einer Filtereinrichtung, einer Quantisiereinrichtung, einer PWM-Mappereinrichtung sowie einer Rückführschleife zum Rückkoppeln des digitalen PWM-Signals auf ein Schleifeneingangssignal und zum Erzeugen des Filtereingangssignals durch Subtraktion.
Aus der DE 196 19 208 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur digitalen Pulsweitenmodulation bekannt. Diese Vorrichtung umfasst eine Filtereinrichtung, eine Quantisiereinrichtung, eine PWM-Mappereinrichtung sowie eine Rückführschleife zum Rückkoppeln des PWM-Signals auf ein Schleifeneingangssignal und zum Erzeugen des Filtereingangssignals durch Subtraktion.
Das Dokument ”Hybrid pulse width modulation/sigma-delta modulation power digital-to-analogue converter” von A. J. Magrath und M. B. Sandler offenbart ein Verfahren zur digital-analog Wandlung mittels Pulsweitenmodulation.
Schließlich offenbart das Dokument US 6,373,334 B1 ein Verfahren zur Reduktion von Verzerrungen und Rauschen in digitalen PWM-Verstärkern.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur digitalen Pulsweiten-Modulation bereitzustellen, wodurch eine hohe Linearität und geringe Verlustleistung in einer Verstärkereinrichtung bei großer Eingangssignalbandbreite neben einer Herabsetzung des Schaltungsaufwands ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 und Anspruch 11 angegebene Vorrichtung zur digitalen Pulsweiten-Modulation und durch das Verfahren zur digitalen Pulsweiten-Modulation nach Anspruch 12 gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im wesentlichen darin, das Pulsweiten-modulierte Signal als Rückkoppelungssignal in einer digitalen Regelschleife zu nutzen und dadurch zu linearisieren. Somit wird ein modifizierter Sigma-Delta-Modulator mit Multibit-Quantisierung bereitgestellt, wobei den jeweiligen Quantisierungsstufen entsprechende Pulsweiten zugeordnet werden und diese dann als Rückkoppelsignal in der Regelschleife dienen.
In der vorliegenden Erfindung wird das eingangs erwähnte Problem insbesondere dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur digitalen Pulsweiten-Modulation bereitgestellt wird mit: (a) einer Filtereinrichtung zum Filtern eines Filtereingangssignals; (b) einer Quantisiereinrichtung zum Quantisieren eines Filterausgangssignals der Filtereinrichtung; (c) einer PWM-Mapper-Einrichtung zum Erzeugen eines digitalen PWM-Signals aus einem Ausgangssignal der Quantisiereinrichtung; und (d) einer Rückführschleife zum Rückkoppeln des digitalen PWM-Signals auf ein Schleifeneingangssignal zum Erzeugen des Filtereingangssignals durch Subtraktion.
Auf diese Weise wird selbst bei einer geringen zeitlichen Auflösung des PWM-Signals fur ein Audiosignal, beispielsweise eine Pulsfrequenz von 350 KHz bei acht verschiedenen Pulsweiten (3 Bit), eine hohe Linearitat und damit so gut wie keine Verzerrungen ermoglicht. Uberdies wird eine konstante Pulsfrequenz garantiert, so dass keine nicht linearen Verzerrungen bei asymmetrischen Impulsen auftreten. Die vorliegende Erfindung ist aus diesem Grunde insbesondere zur Erzeugung eines PWM-Signals für Class-D-Verstärker geeignet und resultiert des weiteren aufgrund der relativ niedrigen Pulsfrequenz in extrem kleinen Verlustleistungen in einer nachfolgenden Verstärkereinrichtung bzw. Schalterendstufe. Gemaß der vorliegenden Erfindung wird das digitale PWM-Signal im Gegensatz zum Stand der Technik in einem modifizierten Noise-Shaper direkt verarbeitet, was zu einer hohen Linearität des digitalen PWM-Signals führt und prinzipiell keine Interpolation des digitalen Eingangssignals erforderlich macht.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Erfindungsgegenstandes.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist an der Filtereinrichtung eine andere Abtastrate vorgesehen, als die Abtastrate der Quantisiereinrichtung.
Gemaß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung entspricht eine Pulsfrequenz des PWM-Signals der Abtastfrequenz der Quantisiereinrichtung und ist um den Faktor 2^N kleiner als die Abtastfrequenz der Filtereinrichtung, wobei N der Anzahl der Bits der Quantisiereinrichtung entspricht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das PMW-Signal eine konstante Pulsfrequenz auf.
Gemaß einer bevorzugten weiteren Weiterbildung sind in der PWM-Mapper-Einrichtung Amplitudenwerte des Ausgangssignals der Quantisiereinrichtung in Pulsweiten des PWM-Signals umwandelbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind zwei zumindest ähnliche Rückführungsschleifen vorgesehen, welche ausgangsseitig über eine Last miteinander verbunden sind, wobei an beiden Schleifen zueinander inverse Schleifeneingangssignale zum Erzeugen eines differentiellen PWM-Signals an der Last bereitgestellt sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Verstärkereinrichtung und/oder Filtereinrichtung nach dem PWM-Mapper zur Verstärkung und/oder Filterung des digitalen PWM-Signals vorgesehen, welche mit einer Spannungsversorgung verbunden ist, welche ebenfalls mit einem A/D-Wandler verbunden ist, dessen Ausgangssignal mit einem Multiplizierer in der Regelschleife verbunden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung;
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Filtereinrichtung zur Erlauterung eines Details einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung eines Details gemaß 4;
6 ein schematisches Blockschaltbild einer bekannten digitalen PWM-Vorrichtung;
7 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung zur Erlauterung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung zur Erläuterung einer funften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
9 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung zur Erlauterung einer sechsten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.
In 1 ist eine digitale PWM-Vorrichtung dargestellt, in welcher ein digitales Eingangssignal 1 vorzugsweise in einer Interpolationseinrichtung 10, wie beispielsweise einem Interpolationsfilter, in ein digitales Schleifeneingangssignal 10' verarbeitet wird. Auf eine Summationsstelle + folgend wird ein Filtereingangssignal 10'' einer Filtereinrichtung 11 beispielsweise einem Schleifenfilter zugeführt. Die Filtereinrichtung 11 wird mit einer Filterabtastrate 12 betrieben und gibt ein Filterausgangssignal 11' aus, welches einer Quantisiereinrichtung 13 zugefuhrt wird. Ein modifizierter Sigma-Delta-Modulator setzt sich aus der Filtereinrichtung 11 und der Quantisiereinrichtung 13 zusammen, wobei in der Quantisiereinrichtung 13 das digitale Signal 11' am Ausgang des Schleifenfilters 11 in der Amplitude quantisiert wird. Die Quantisiereinrichtung 13 wird mit einer eigenständigen Quantisiererabtastrate 14 betrieben.
Ein Ausgangssignal 13' der Quantisiereinrichtung 13 wird anschließend durch eine PWM-Mapper-Einrichtung 15 in ein digitales PWM-Signal 15' mit der zeitlichen Auflösung umgewandelt, welche sich aus der Amplitudenquantisierung durch die Quantisiereinrichtung 13 ergibt. Das derart generierte PWM-Signal 15' wird daraufhin in der Regelschleife 17 rückgekoppelt und von dem Schleifeneingangssignal 10' an der Summationsstelle + abgezogen, so dass das Filtereingangssignal 10'' darauf erzeugt wird. Eine Post-Filter-Einrichtung 16 filtert vorzugsweise das digitale PWM-Signal 15', wobei die Post-Filter-Einrichtung 16 vorzugsweise einer Verstärkereinrichtung (nicht dargestellt) nachgelagert ist. Die optionale Interpolationseinrichtung 10 gemäß 1 dient lediglich der Vereinfachung des Post-Filters 16 nach der PWM, da ohne Interpolation weitere Frequenzspektren dicht aneinander liegen.
Da in der PWM-Mapper-Einrichtung 15 die verschiedenen Amplitudenwerte des Ausgangssignals 13' der Quantisiereinrichtung 13 in verschiedene Pulsweiten umgesetzt werden, arbeitet die Filtereinrichtung 11 mit einer anderen Abtastrate 12 als die Quantisiereinrichtung 13. Das Verhältnis aus der Abtastrate 12 der Filtereinrichtung 11 und der Abtastrate 14 der Quantisiereinrichtung 13 ergibt sich aus der Auflosung des PWM-Signals 15' zu 2^N = Abtastrate 12/Abtastrate 14, wobei N der Anzahl der Bits der Quantisiereinrichtung 13 bzw. 2^N der Anzahl der möglichen Impulsweiten entspricht. Aus der Abtastrate 14 der Quantisiereinrichtung 13 ergibt sich die konstante Pulsfrequenz des PWM-Signals 15', welche um den Faktor 2^N gegenüber der Abtastrate 12 der Filtereinrichtung 11 herabgesetzt ist.
2 zeigt eine erweiterte Konfiguration im Vergleich zu 1. In 2 ist die Realisierung des digitalen Pulsweiten-Modulators gemäß 1 in differentieller Ausführung verdeutlicht. Im wesentlichen folgert die differentielle Ausführungsform der digitalen PWM aus zwei ähnlichen Single-Ended-Ausführungsformen gemäß 1, wobei die Eingangssignale 1, –1, bzw. die Schleifeneingangssignale 10', –10', jeweils invertiert zueinander sind. Beide Single-Ended-Stränge sind nach der Post-Filter-Einrichtung 16 über eine Last 18 miteinander verbunden.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform zur digitalen Pulsweiten-Modulation dargestellt. Ein digitales Eingangssignal 1 wird ebenfalls optional einer Interpolationseinrichtung 10, vorzugsweise einem Interpolationsfilter, zugeführt und ein Schleifeneingangssignal 10' gebildet. Auf eine Summationsstelle + folgend ist ein Schleifensignal 21' vorgesehen, welches an eine Quantisiereinrichtung 13 angelegt wird. Die Quantisiereinrichtung 13 wird mit einer Abtastrate 14 betrieben und gibt ein quantisiertes Ausgangssignal 13' an eine PWM-Mapper-Einrichtung 15 weiter.
Ein in der PWM-Mapper-Einrichtung 15 gemäß 1 generiertes digitales PWM-Signal 15' wird zum einen an eine Post-Filter-Einrichtung 16 abgegeben und andererseits in einer Rückführschleife 22 von dem Schleifensignal 21' an einer weiteren Summationsstelle + subtrahiert, woraus ein Filtereingangssignal 10'' resultiert, das in einer Filtereinrichtung 19, die mit einer Filterabtastrate 12 betrieben wird, einer Filterung unterzogen wird. Ein Filterausgangssignal 11' der Filtereinrichtung 19 wird auf das Schleifeneingangssignal 10' zum Erzeugen des Schleifensignals 21' einer weiteren Schleife 21 addiert. Gemäß 3 ist eine Realisierung der Regelschleife mit einer „Error-Feedback”-Struktur ähnlich wie bei Sigma-Delta-Modulatoren verdeutlicht, wobei die Filtereinrichtung 19 an diese Struktur angepasst ist.
4 zeigt eine anwendungsbezogene Implementierung einer Filtereinrichtung 11, 4. Ordnung, welche vier Integratoren I1, I2, I3 und I4 aufweist. Das Filtereingangssignal 10'' wird mit Koeffizienten a0, a1, a2, a3 multipliziert und gemaß 4 uber die entsprechenden Integratoren I1 bis I4 sowie über zusatzliche Faktoren α, β zur Erzeugung des Filterausgangssignals 11' geführt. Daran schließt sich die Quantisiereinrichtung 13 und das entsprechende Quantisiererausgangssignal 13' an. Das Schleifenfilter gemäß 4 ist mit einer Quantisiererauflosung von vorzugsweise 4 Bits versehen, wobei es fur einen Oversampling-Faktor von 100 optimiert ist. Als Beispiel ergibt sich somit im Audio-Bereich bei einer Filterabtastrate 12 von 8 MHz und bei 4 Bit, welche 16 verschiedenen Pulsweiten entspricht, eine Auflosung des PWM-Signals 15' von 80 dB SNR + THD Single-Ended gemaß 1 und von 93 dB SNR + THD bei differentieller Anordnung gemäß 2, wobei die Pulsfrequenz 8 MHz/2^N = 500 KHz beträgt.
Zur Stabilisierung bei Übersteuerung der Filtereinrichtung 11 können die Werte in den Integrierern gemäß 5 mit einer Begrenzungseinrichtung 20 begrenzt werden. Daruber hinaus kann zu Beginn der PWM durch eine kurze Null-Folge am Eingang der Regelschleife 17, 17', 21, 22 ein Reset durchgeführt werden.
In 7 ist eine weitere Ausfuhrungsform dargestellt, welche der Ausfuhrungsform gemaß 1 ähnelt. Die Verstärkungseinrichtung 16 wird von einer Betriebsspannung 25 versorgt, welche ebenfalls einem A/D-Wandler 26 zugeführt wird. Diese digitalisierte Betriebsspannung 27 wird dann in einer Multipliziereinrichtung X mit dem digitalen PWM-Signal 15' multipliziert, um so in die Regelschleife 17 miteinzufließen.
Normale Class-D-Verstarker sind hingegen im wesentlichen simple Schaltverstärker, die bei einfacher Auslegung keine Betriebsspannungsunterdruckung besitzen. Störungen auf der Betriebsspannung beeinflussen daher direkt das Ausgangssignal und können zu Verzerrungen und zur Reduzierung des Gerauschspannungsabstands fuhren. Gemäß dieser vierten Ausfuhrungsform wird jedoch die Störspannung auf der Betriebsspannung digitalisiert. Mit Hilfe dieses digitalisierten Störsignals 27 wird dann das Ausgangssignal der Class-D-Endstufe 16 nachmodelliert und entsprechend invertiert dem Eingang des Pulsweitenmodulators zur Kompensation zugeführt. Da der A/D-Wandler 26 lediglich die Störspannung digitalisiert und somit nur die Pulsamplitude des digitalen Rückkoppelsignals 15' der Regelschleife 17 beeinflußt, jedoch nicht die Pulsflanken des Ruckkoppelsignals 15' verandert, wird die Gesamtdynamik nicht durch den A/D-Wandler 26 limitiert.
Der A/D-Wandler 26 kann demnach eine viel geringere Auflosung als der PWM-Modulator besitzen. Daruber hinaus wird die Stabilitat des digitalen Pulsweitenmodulators nicht durch den A/D-Wandler 26 beeinflußt. Im allgemeinen auftretende Verfälschungen bzw. Verzerrungen des Ausgangssignals des Schaltverstarkers 16 resultieren oft auf Störungen auf der Betriebsspannung 25. Diese Störungen, d. h. diese nicht ideale Verstärkung, werden gemäß der Ausführungsform nach 7 ausgeregelt.
Die Wirkung der Verstarkereinrichtung 16 läßt sich als Multiplikation des digitalen PWM-Signals 15' mit seiner Betriebsspannung 25 beschreiben. Die Ausführungsform gemaß 7 basiert auf der Nachbildung des Verstarkersignals, indem die Betriebsspannung 25 der Verstarkereinrichtung 16 digital erfaßt wird, und die Amplituden der PWM-Signale im Rückkoppelpfad 17 multiplikativ vom digitalisierten Betriebsspannungssignal 27 modifiziert werden. Durch die Rückkopplung in der Regelschleife 17 wird dann eine auftretende Betriebsspannungsstorung bzw. -schwankung ausgeregelt. Gemäß 7 wird das zu verstärkende digitale Eingangssignal 1 nach einer optionalen Interpolation in einer Interpolationseinrichtung 10 einem im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 1 modifizierten digitalen Pulsweitenmodulator zugefuhrt. Der PWM-Mapper 15 erzeugt die entsprechenden PWM-Signale 15' aus den grob quantisierten PWM-Signalen 13'.
Der A/D-Wandler 26 digitalisiert die Betriebsspannung 25 der Verstarkungseinrichtung 16 und multipliziert sie mit dem digitalen PWM-Signal 15', welches somit dem Ausgangssignal des Schaltverstärkers entspricht (abgesehen vom Signalpegel). Dadurch erfaßt der digitale Pulsweitenmodulator auch die Störung auf der Betriebsspannung 25, so dass diese folglich durch die Signalinvertierung in der Regelschleife 17 unterdrückt werden. Auch Eigenstorungen durch die Schaltvorgange der Verstärkungseinrichtung 16 werden so erfaßt und entsprechend ausgeregelt. Da die Schleifenverstärkung für die Eigenstorungen deutlich kleiner als 1 gewählt wird, bleibt der Regelkreis immer stabil, weil die Betriebsspannung 25 sich im allgemeinen nicht im gleichen Verhaltnis ändert wie die Spannung, welche an der Last (in 7 nicht dargestellt) abfällt. Die Auflösung des A/D-Wandlers 26 kann der Dynamik der Betriebsspannung 25 angepaßt werden, so dass die Auflosung des PWM-Signals nicht von der Wandlerauflosung limitiert wird.
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt, welche der Ausführungsform gemäß 2 ähnelt. Die Ausfuhrungsform gemäß 8 weist ebenfalls die Erweiterung gemäß 7 mit der Analog-Digital-Wandlereinheit 26 zur Wandlung der Betriebsspannung 25 in ein digitales Signal 27, welches jeweils in beiden Strangen 17, 17' über eine Multiplikationseinrichtung X eingekoppelt wird. Das Verhalten dieser differentiellen Anordnung mit zwei identischen Strangen entspricht sonst im wesentlichen der Ausfuhrungsform gemäß 2. Da beide Verstarkungseinrichtungen 16 sinnvollerweise mit der gleichen Betriebsspannung versorgt werden, wird lediglich ein A/D-Wandler 16 fur beide Signalpfade benötigt (in 8 nicht dargestellt).
Bei rein differentieller Auslegung des digitalen Pulsweitenmodulators gemaß 8 mit anschließender Class-D-Verstärkung bleibt auch bei grober Quantisierung des Betriebsspannungssignals 25 die volle Systemdynamik erhalten, da eine Störung rein multiplikativ ist. Daher wird das Quantisierungsrauschen des A/D-Wandlers 26, z. B. bei einem Null-Signal am Eingang, nicht mitverstärkt. Fur eine genaue Nachbildung der PWM-Ausgangssignalamplitude muß das Verhaltnis von Innenwiderstand der Betriebsspannungsquelle 25 zu dem Innenwiderstand des Verstarkers 16 ermittelt werden, um eine möglichst genaue Amplitudennachbildung in der Regelschleife zu erzielen.
In 9 ist eine sechste Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche sich an die Ausfuhrungsform gemaß 3 anlehnt. Auch hier steht die Modifikation in der Erzeugung eines digitalisierten Signals 27, welches in dem A/D-Wandler 26 aus der Betriebsspannung 25 generiert wird, welches an der Verstärkereinrichtung 16 anliegt. Multiplikativ wird dieses digitalisierte Betriebsspannungssignal 27 mit dem digitalisierten PWM-Signal 15' in der Regelschleife 22 verknüpft. Bei dieser ”Error-Feedback”-Struktur gemäß 9 weist das Schleifenfilter 19 eine modifizierte Übertragungsfunktion, wie die mit Bezug auf 3 erläuterte, auf.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfaltige Weise modifizierbar.
So kann beispielsweise bei dynamisch verzerrten Impulsen des PWM-Signals aufgrund der geringen Anzahl der Pulsweiten mit Hilfe einer Look-up-Tabelle ein Korrekturwert in die Regelschleife eingeführt werden, wodurch auch bei extrem von der Impulsweite abhängigen Verzerrungen in einer Verstarkereinrichtung (nicht dargestellt) ein lineares Frequenzspektrum des digitalen Pulsweiten-Modulators erzielbar ist. Abgesehen davon ist eine Filtereinrichtung 4. Ordnung bzw. 4 respektive 3 Bits der Filter- und/oder auch der Quantisiereinrichtung beispielhaft zu sehen. Gemaß der vorliegenden Erfindung ist daruber hinaus eine Bandpass-PWM einfach zu realisieren.
Bezugszeichenliste

1: Eingangssignal
10: Interpolationseinrichtung, z. B. Interpolationsfilter
10': Schleifeneingangssignal
10'': Filtereingangssignal
11: Filtereinrichtung, insbesondere Schleifenfilter
11': Filterausgangssignal
12: Filterabtastrate
13: Quantisiereinrichtung
13': Ausgangssignal der Quantisiereinrichtung
14: Abtastrate der Quantisiereinrichtung
15: PWM-Mapper
15': digitales PWM-Signal
16: Verstärkungseinrichtung und/oder Filtereinrichtung, insbesondere Postfilter nach Verst.
17: Regelschleife
17': parallele ahnliche Regelschleife
18: Last
19: Filtereinrichtung (Error Feedback Struktur)
20: Begrenzungseinrichtung eines Integrators
21: Regelschleife
21': Schleifensignal
22: Regelschleife
23: Noiseshaper (Rauschformer, Sigma-Delta-Modulator)
24: Pulsweiten-Modulator (PWM)
25: Betriebsspannung
26: A/D-Wandler
27: digitalisiertes Betriebsspannungssignal
I, I1–I4: Integratoren
a₀–a₄: Koeffizienten
α, β: Faktoren
+: Summationsstelle
–: Subtraktion

Claims

Vorrichtung zur digitalen Pulsweitenmodulation mit: (a) einer Filtereinrichtung (11) zum Filtern eines Filtereingangssignals (10''); (b) einer Quantisiereinrichtung (13) zum Quantisieren eines Filterausgangssignals (11') der Filtereinrichtung (11); (c) einer PWM-Mapper-Einrichtung (15) zum Erzeugen eines digitalen PWM-Signals (15') aus einem Ausgangssignal (13') der Quantisiereinrichtung (13); und (d) zwei zumindest ähnliche Rückführungsschleifen (17, 17'), welche ausgangsseitig über eine Last (18) miteinander verbunden sind, wobei an beiden Schleifen (17, 17') zueinander inverse Schleifeneingangssignale (10', –10') zum Erzeugen eines differentiellen PWM-Signals an der Last (18) bereitgestellt sind, wobei an der Filtereinrichtung (11) eine andere Abtastrate (12) vorgesehen ist als die Abtastrate (14) der Quantisiereinrichtung (13).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Interpolationseinrichtung (10), insbesondere ein Interpolationsfilter, zum Erzeugen des Schleifeneingangssignals (10') aus einem Eingangssignal (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Postfiltereinrichtung (16) zum Filtern des PWM-Signals (15') vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsfrequenz des PWM-Signals (15') der Abtastfrequenz (14) der Quantisiereinrichtung (13) entspricht und um den Faktor 2^N kleiner ist als die Abtastfrequenz (12) der Filtereinrichtung (11), wobei N der Anzahl der Bits der Quantisiereinrichtung (13) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PWM-Signal (15') eine konstante Pulsfrequenz aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der PWM-Mapper-Einrichtung (15) Amplitudenwerte des Ausgangssignals (13') der Quantisiereinrichtung (13) in Pulsweiten des PWM-Signals (15') umwandelbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Filtereinrichtung (11) ein Schleifenfilter 4. Ordnung mit einer Auflösung der Quantisiereinrichtung (13) von 4 Bit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Filtereinrichtung (11) zur Stabilisierung bei Übersteuerung Begrenzungseinrichtungen (20) zur Begrenzung von Ausgangswerten von Integratoren (I) bereitgestellt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstärkereinrichtung und/oder Filtereinrichtung nach dem PWM-Mapper zur Verstärkung und/oder Filterung des digitalen PWM-Signals vorgesehen und mit einer Spannungsversorgung verbunden ist, welche ebenfalls mit einem A/D-Wandler verbunden ist, dessen Ausgangssignal mit einem Multiplizierer in der Regelschleife verbunden ist.
Verfahren zur digitalen Pulsweitenmodulation mit den Schritten: (a) Filtern eines Filtereingangssignals (10'') in einer Filtereinrichtung (11); (b) Quantisieren eines Filterausgangssignals (11') der Filtereinrichtung (11) in einer Quantisiereinrichtung (13); (c) Erzeugen eines digitalen PWM-Signals (15') aus dem Ausgangssignal (13') der Quantisiereinrichtung (13) in einer PWM-Mapper-Einrichtung (15); und (d) Rückkoppeln des digitalen PWM-Signals (15') auf ein Schleifeneingangssignal (10') und Erzeugen des Filtereingangssignals (10'') in einer Rückführschleife (17); wobei eine Verstärkereinrichtung und/oder Filtereinrichtung nach dem PWM-Mapper (15) zur Verstärkung und/oder Filterung des digitalen PWM-Signals (15') vorgesehen und mit einer Spannungsversorgung (25) verbunden ist, welche ebenfalls mit einem A/D-Wandler (26) verbunden ist, dessen Ausgangssignal (27) mit einem Multiplizierer in der Regelschleife (17; 22) verbunden ist, wobei im A/D-Wandler (26) das Betriebsspannungssignal (25) digitalisiert und in die Regelschleife (17, 17', 22) eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bandpass Pulsweiten-Modulation ausgeführt wird.