DE19512383A1 - Class=D audio power amplifier - Google Patents
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- H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/217—Class D power amplifiers; Switching amplifiers
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Gegenkopplung für einen Klasse-D-Leistungsverstärker. Bei einem solchen Verstärker werden die Amplitudenänderungen beispielsweise eines Audiosignals in Impulsbreitenänderung eines Impulssignales mit einer Pulsfolgefrequenz von über 100 KHz umgesetzt. Dieses Impulssignal wird in einem Schaltverstärker verstärkt und der Last über Integriergliedern zugeführt.The invention relates to negative feedback for a class D power amplifier. At In such an amplifier, the amplitude changes become, for example, one Audio signal in pulse width change of a pulse signal with a pulse repetition frequency of over 100 KHz implemented. This pulse signal is in a switching amplifier amplified and fed to the load via integrators.
Ein bekanntes Problem besteht darin, daß Verstärker dieser Art nicht ohne weiteres rückgekoppelt werden können. Dieses ist auf die erforderliche Pulsbreiten-Modulation zurückzuführen. Während am Verstärkereingang ein analoges Signal liegt, besteht das verstärkte Ausgangssignal am Ausgang des Schaltverstärkers aus einem Impulssignal mit konstanter Impulsamplitude und einer veränderlichen Impulsbreite, die der Amplitude des analogen Eingangssignals entspricht. Das Impulssignal kann deshalb nicht direkt auf den Eingang zurückgeführt werden. Es muß vor dem Rückkoppeln von der Trägerschwingung durch Integrieren befreit werden.A known problem is that amplifiers of this type are not readily available can be fed back. This is due to the required pulse width modulation attributed. While there is an analog signal at the amplifier input, there is amplified output signal at the output of the switching amplifier from a pulse signal with constant pulse amplitude and a variable pulse width that corresponds to the amplitude of the analog input signal. The pulse signal can therefore not directly can be traced back to the entrance. It must be before the feedback from the Carrier vibration can be freed by integrating.
Die erforderlichen Integrierglieder weisen Signallaufzeiten auf, die beim Rückführen auf den Verstärkereingang zur Instabilität führen. Infolgedessen neigen Klasse-D- Leistungsverstärker besonders leicht zum Eigenschwingen.The required integrators have signal propagation times that when returning the amplifier input lead to instability. As a result, Class D Power amplifier particularly easy to vibrate.
Insbesondere beim Anlegen der Betriebsspannung entsteht in der Zeit, bevor der Trägeroszillator des Modulators arbeitet, in der Rückkopplungsschleife ein Mitkopplungssignal und der Verstärker beginnt zu schwingen.Especially when the operating voltage is applied, the time before the Carrier oscillator of the modulator works in the feedback loop Feedback signal and the amplifier starts to oscillate.
Dieses Problem ist aus der Druckschrift DE-C2-32 13 269 bekannt. Zur Lösung dieses Problems offenbart die Druckschrift einen Klasse-D-Leistungsverstärker mit einem Integrator als Pulsbreiten-Modulator und mit einem Signalrückführzweig zwischen Verstärkerausgang und Integratoreingang. Der Signalrückführzweig enthält ein erstes Schaltmittel, welches erst eine vorbestimmte Zeit nach dem Einschalten der Betriebsspannung des Verstärkers geschlossen wird, so daß keine Selbsterregung auftritt. Ein zweites invers betriebenes Schaltmittel schließt bis zum Schließen des ersten Schaltmittels eine zweite Gegenkopplungsschleife zwischen Ein- und Ausgang des Inverters. Dieses zweite Schaltmittel öffnet mit dem Schließen des ersten Schaltmittels. This problem is known from the document DE-C2-32 13 269. To solve this The document discloses a class D power amplifier with a problem Integrator as a pulse width modulator and with a signal feedback branch between Amplifier output and integrator input. The signal feedback branch contains a first one Switching means, which is only a predetermined time after switching on the Operating voltage of the amplifier is closed, so that no self-excitation occurs. A second inversely operated switching means closes until the first switching means a second negative feedback loop between input and output of the inverter. This second switching means opens when the first one closes Switching means.
Die Schaltmittel sind C-MOS-Schalter, die von einer Steuerschaltung, bestehend aus einem UND-Glied, einer Verzögerungsschaltung, einem Flipflop und Invertern, betätigt werden. Zum Betätigen wird das Anliegen der Betriebsspannung am Verstärker und das Vorhandensein eines Impulssignals am Verstärkerausgang ausgewertet.The switching means are C-MOS switches consisting of a control circuit an AND gate, a delay circuit, a flip-flop and inverters will. The operating voltage at the amplifier and the The presence of a pulse signal at the amplifier output is evaluated.
Ein Nachteil der bekannten Lösung besteht darin, daß die dargestellte elektronische Umschaltung der zwei Gegenkopplungszweige sehr aufwendig ist.A disadvantage of the known solution is that the electronic shown Switching the two negative feedback branches is very complex.
Eine andere bekannte Art von Klasse-D-Leistungsverstärker enthält zwei Gegentaktendstufen, die eine Brückenschaltung bilden. Die Last verbindet die Ausgangsanschlüsse der Gegentaktendstufen.Another known type of class D power amplifier contains two Push-pull output stages that form a bridge circuit. The load connects them Output connections of the push-pull output stages.
Fig. 1 zeigt das Grundprinzip einer solchen bekannten Schaltung. Die invertierenden Eingänge eines ersten und eines zweiten Komperators 10, 20, sind mit einem Eingang für ein Eingangssignal Vin verbunden, welches das zu verstärkende Audiosignal ist. Der Kompersator 20 ist direkt mit dem Eingangssignal Vin verbunden, wogegen dem Kompersator 10 ein Inverter 11 mit einer Verstärkung von V = -1 vorgeschaltet ist. Anstelle des Inverters 11 kann auch ein Differenzverstärker mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Ausgang verwendet werden. Auf diese Weise erhält der invertierende Eingang des Komperators 10 ein um 180° in der Phase gedrehtes Eingangssignal -Vin und der Komperator 20 das nichtinvertierte Eingangssignal. Die nichtinvertierenden Eingänge der Kamperatoren sind mit einem Eingang für eine Trägerschwingung verbunden, an welchem die Ausgangsspannung eines Dreieckwellengenerators mit einer Frequenz fcar von mindestens 100 KHz liegt. Fig. 1 shows the basic principle of such a known circuit. The inverting inputs of a first and a second comparator 10 , 20 are connected to an input for an input signal V in , which is the audio signal to be amplified. The comparator 20 is connected directly to the input signal V in , whereas the comparator 10 is preceded by an inverter 11 with a gain of V = -1. Instead of the inverter 11 , a differential amplifier with an inverting and a non-inverting output can also be used. In this way, the inverting input of the comparator 10 receives an input signal -V in rotated in phase by 180 ° and the comparator 20 receives the non-inverted input signal. The non-inverting inputs of the camperators are connected to an input for a carrier oscillation, at which the output voltage of a triangular wave generator with a frequency f car of at least 100 KHz lies.
Die Komperatoren 10 und 20 wirken als Modulatoren und wandeln die Eingangssignale Vin, -Vin je in ein Pulsbreitensignal Vp1, Vp2 um, das an entsprechenden Ausgängen zur Verfügung steht. Die Pulslänge entspricht dem Momentanwert der Amplitude des Eingangssignals Vi bzw. -Vi.The comparators 10 and 20 act as modulators and convert the input signals V in , -V into a pulse width signal V p1 , V p2 , respectively, which is available at corresponding outputs. The pulse length corresponds to the instantaneous value of the amplitude of the input signal V i or -V i .
Die erzeugten Pulsbreitensignale Vp1, Vp2 werden jeweils von einem elektronischen Leistungsschalter 12, 22 verstärkt, welche je einen Lastausgang aufweisen, an dem ein verstärktes Ausgangssignal Vo1, Vo2 abgenommen werden kann. Die verstärkten Ausgangssignale Vo1, Vo2 entsprechen den Pulsbreitensignalen Vp1, Vp2. The pulse width signals V p1 , V p2 generated are each amplified by an electronic power switch 12 , 22 , each of which has a load output, from which an amplified output signal V o1 , V o2 can be taken. The amplified output signals V o1 , V o2 correspond to the pulse width signals V p1 , V p2 .
Zwischen den Lastausgängen der Leistungsschalter 12, 22 und den Anschlüssen P1, P2 für eine Last ist in der Regel ein Integrierglied mit einer Induktivität L1, L2 und einer Kapazität C1, C2 angeordnet. Die Last Lp ist an den Anschlüssen P1, P2 angeschlossen und wird von der Brückenschaltung, welche die beiden Leistungsschalter 12, 22 bilden, gespeist. Ein besonderer Vorteil des bekannten Klasse-D-Leistungsverstärkers besteht darin, daß bei einem Momentanwert des Eingangssignals Vin nahe dem Wert Null beide Impulssignale an den Lastausgängen gleiche Pulslänge und gleiche Phasenlage aufweisen. Die verstärkten Ausgangssignale Vo1, Vo2 verändern sich in diesem Fall im Gleichtakt und an die Last Lp wird, im Gegensatz zu anderen bekannten Lösungen insbesondere Verstärkern mit einfachem Gegentaktausgängen oder Gegentakt- Brückenverstärkern, kein Signalstrom abgegeben. Ist jedoch der Momentanwert des Eingangssignals Vin von Null verschieden, so ist bei einem der Komperatoren die Pulsbreite des erzeugten Signals größer als beim anderen, wobei die erstgenannte Pulsbreite um die gleiche Pulsbreitendifferenz breiter ist, wie die des anderen Komperators schmaler ist. Da das resultierende Ausgangssignal der Schaltung, das an der Last liegt, durch Subtraktion der Ausgangssignale Vo1, Vo2 entsteht, weist dieses Signal in diesem Fall die doppelte Pulsfrequenz auf als jedes der Ausgangssignale Vo1, Vo2.An integrating element with an inductance L1, L2 and a capacitance C1, C2 is generally arranged between the load outputs of the circuit breakers 12 , 22 and the connections P1, P2 for a load. The load Lp is connected to the terminals P1, P2 and is fed by the bridge circuit which forms the two circuit breakers 12 , 22 . A particular advantage of the known class D power amplifier is that with a momentary value of the input signal V in near the value zero, both pulse signals at the load outputs have the same pulse length and the same phase position. The amplified output signals V o1 , V o2 change in this case in the common mode and, in contrast to other known solutions, in particular amplifiers with simple push-pull outputs or push-pull bridge amplifiers, no signal current is delivered to the load Lp. However, if the instantaneous value of the input signal V in is different from zero, the pulse width of the generated signal is larger in one of the comparators than in the other, the former pulse width being wider by the same pulse width difference as that of the other comparator is narrower. In this case, since the resulting output signal of the circuit, which is connected to the load, is produced by subtracting the output signals V o1 , V o2 , this signal has twice the pulse frequency than each of the output signals V o1 , V o2 .
Die beschriebene Schaltung hat insbesondere den Vorteil, daß die Amplitude der hochfrequenten Trägerschwingung im Ausgangssignal für die Last erheblich verringert ist. Im Ergebnis dessen kann beispielsweise auf die Induktivitäten L1, L2 in den Integriergliedern sogar verzichtet werden, wenn die Last Lp selbst eine hinreichend große Induktivität aufweist. Anderenfalls können die Integrierglieder, insbesondere die Induktivitäten L1, L2 wesentlich kleiner dimensioniert werden. Dieses verringert insbesondere die Signallaufzeiten.The circuit described has the particular advantage that the amplitude of the high-frequency carrier vibration in the output signal for the load is significantly reduced is. As a result of this, for example, inductors L1, L2 in the Integrators are even dispensed with if the load Lp itself is sufficient has large inductance. Otherwise, the integrators, especially the Inductors L1, L2 can be dimensioned much smaller. This reduces especially the signal transit times.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß dieser Verstärker bei kleinem Pegel des Eingangssignals Vin wesentlich weniger Stromaufnahme aufweist, als die anderen bekannten Klasse-D-Verstärker. Eine solche Schaltung ist beispielsweise aus der DE-A1-0 11 610 bekannt und dort ausführlich beschrieben.A further advantage is that this amplifier has at a small level of the input signal V in considerably less power consumption than the other known class D amplifiers. Such a circuit is known for example from DE-A1-0 11 610 and is described there in detail.
Von Nachteil ist jedoch, daß dieser Druckschrift keinerlei Hinweise zum Ausführen einer Signalgegenkopplung zu entnehmen sind. The disadvantage, however, is that this document has no information on how to perform a Signal negative feedback can be seen.
Aus der Druckschrift DE-A1-39 25 159 ist eine weitere Impulsbreiten- Modulationsverstärkerschaltung bekannt, die ebenfalls nach dem beschriebenen Brückenverstärkerprinzips arbeitet. Im Gegensatz zu der Lösung, die aus der DE-A1 40 11 610 bekannt ist, betrifft die Lösung, die in der Druckschrift DE-A1-39 25 159 beschrieben ist, die Gestaltung der Integrierglieder zum Eliminieren der Trägerwelle im resultierenden Ausgangssignal für die Last. Die Druckschrift offenbart, die Induktivitäten L1 und L2 auf einen gemeinsamen Kern zu wickeln, wobei jede Spule die gleiche Wicklungspolarität gegenüber den Schaltungseingängen aufweist. Damit verursachen die niederfrequenten pulsbreiten modulierten Signalstromkomponenten, die durch die Last fließen im gemeinsamen Spulenkern entgegengesetzte Magnetfelder und löschen sich gegenseitig aus. Wogegen die hochfrequente Trägerwellenkomponente, die nicht durch die Last fließt, sondern die Kapazitäten C1, C2 umladen, im gemeinsamen Spulenkern entsprechende Magnetfelder verursachen. Im Ergebnis dessen wirken die Induktivitäten L1, L2 nur für die hochfrequente Trägerwelle, nicht jedoch für das erstärkte Nutzsignal. Integrierglieder, deren Spulen durch einen gemeinsamen Kern verbunden sind, verursachen deshalb geringere Signallaufzeiten als andere bekannte Lösungen.From the publication DE-A1-39 25 159 a further pulse width Modulation amplifier circuit known, also according to the described Bridge amplifier principle works. In contrast to the solution from DE-A1 40 11 610 is known relates to the solution described in DE-A1-39 25 159 is described, the design of the integrators for eliminating the carrier wave in resulting output signal for the load. The document discloses the inductors Wind L1 and L2 on a common core, with each coil being the same Has winding polarity towards the circuit inputs. With it cause the low frequency pulse width modulated signal current components, which by the Loads flow in opposite magnetic fields in the common coil core and extinguish each other out. Whereas the high-frequency carrier wave component, which is not flows through the load, but reload the capacities C1, C2, in common Coil core cause corresponding magnetic fields. As a result, they work Inductors L1, L2 only for the high-frequency carrier wave, but not for that strengthened useful signal. Integrators, whose coils have a common core connected, therefore cause shorter signal propagation times than other known Solutions.
Die aus der Druckschrift DE-A1-39 25 159 bekannte Schaltung weist für jeden Komperator 10, 20 einen gesonderten Gleichstromrückkopplungszweig auf, mit Widerständen R11, R12 bzw. R21, R22 und Kapazitäten C11, C21. Diese bilden einen Tiefpaß und führen direkt das verstärkte pulsbreitenmodulierte Signal von den Lastausgängen der Leistungsschalter (12, 22) zu den invertierenden Eingängen der Komperatoren 10, 20.The circuit known from the document DE-A1-39 25 159 has a separate direct current feedback branch for each comparator 10 , 20 , with resistors R11, R12 or R21, R22 and capacitances C11, C21. These form a low-pass filter and lead the amplified pulse-width-modulated signal directly from the load outputs of the circuit breakers ( 12 , 22 ) to the inverting inputs of the comparators 10 , 20 .
Damit wird das Pulssignal eines jeden Lastausgangs dem entsprechenden analogen Eingangssignal direkt überlagert. Dieses bewirkt, daß je nach dem Schaltzustand der Leistungsschalter entweder ein H oder ein L Pegel rückgekoppelt wird. Dieses kann jedoch keine Funktionen einer echten Signalkopplung erfüllen, die das Ziel hat, analoge Übertragungsfehler zu kompensieren, da das rückgeführte Signal dem übertragenen und verstärkten Analogsignal nur unzureichend entspricht. Diese bekannte Rückkopplung dient ausschließlich zum Verbessern des Schaltverhaltens der Komperatoren, insbesondere zum Versteilern der Schaltflanken.The pulse signal of each load output thus becomes the corresponding analog Input signal directly superimposed. This causes, depending on the switching state of the Circuit breaker is fed back either an H or an L level. This can but do not perform functions of a real signal coupling that has the goal of analog To compensate for transmission errors, since the returned signal is the transmitted and amplified analog signal is insufficient. This well-known Feedback is only used to improve the switching behavior of the Comparators, in particular for increasing the switching edges.
Ausgehend vom Stand der Technik hat die Erfindung daher die Aufgabe, für einen Klasse-D-Leistungsverstärker eine einfach aufzubauende Gegenkopplungsschaltung zu schaffen, die unter allen Betriebsbedingungen frei von Eigenschwingen ist und eine hochwirksame Gegenkopplung des verstärkten Nutzsignals ermöglicht, um beim Verstärker die Übertragungsparameter, wie Verstärkung, linearen Frequenzgang, geringes Rauschen und geringen Klirrfaktor definiert einstellen zu können.Starting from the prior art, the invention therefore has the task for one Class D power amplifiers provide an easy to set up negative feedback circuit create that is free of natural vibrations under all operating conditions and one highly effective negative feedback of the amplified useful signal enables to Amplifier the transmission parameters such as gain, linear frequency response, to be able to set low noise and low distortion factor in a defined manner.
Zur Lösung der Aufgabe geht erfindungsgemäß die Erfindung von einem Klasse-D- Leistungsverstärker mit zwei Schaltendstufen aus, die eine Brückenendstufe bilden.To achieve the object, the invention proceeds from a class D Power amplifier with two switching output stages, which form a bridge output stage.
Die Aufgabe wird mit einem Klasse-D-Leistungsverstärker gelöst, der Modulationsmittel enthält zum Wandeln eines invertierten und eines nichtinvertierten Eingangssignals in jeweils ein entsprechendes erstes und zweites pulsbreiten-moduliertes Signal. Für beide Eingangssignale ist die Trägerschwingung in Frequenz und Phasenlage gleich. Dieses hat zur Folge, daß sich die Impulsfolgen beider pulsbreiten-modulierter Signale zu einander im Gleichtakt befinden. Das heißt, wenn der Momentanwert des Eingangssignal gleich Null ist, wechseln in beiden Signalen die Schaltpegel zu gleichen Zeiten von L nach H und umgekehrt. Ist jedoch der Momentanwert des Eingangssignals von Null verschieden, so wechselt ein pulsbreiten-moduliertes Signal um eine Differenzzeit früher und das andere pulsbreiten-modulierte Signal um die entsprechende Zeitdifferenz später als bei einem Eingangssignal mit dem Momentanwert gleich Null. Jedes dieser pulsbreiten-modulierten Signale wird in einem gesonderten Leistungsschalter verstärkt. Die zwei Leistungsschalter sind zu einem Brückenverstärker verbunden. Die verstärkten pulsbreiten-modulierten Signale stehen jeweils an einem Lastausgang der Leistungsschalter zum Speisen von Anschlüssen für eine Last zur Verfügung.The task is solved with a class D power amplifier, the modulation means contains for converting an inverted and a non-inverted input signal into a respective first and second pulse width modulated signal. For both In terms of input signals, the carrier oscillation is the same in frequency and phase. This has the consequence that the pulse trains of both pulse width modulated signals to are in sync with each other. That is, if the instantaneous value of the Input signal is equal to zero, the switching levels change to the same in both signals Times from L to H and vice versa. However, is the instantaneous value of the input signal other than zero, a pulse width modulated signal changes by one Difference time earlier and the other pulse width modulated signal by the corresponding one Time difference later than for an input signal with the instantaneous value equal to zero. Each of these pulse width modulated signals is in a separate Circuit breaker reinforced. The two circuit breakers are a bridge amplifier connected. The amplified pulse width modulated signals are each on one Load output of the circuit breakers for feeding connections for a load Available.
Jeweils zwischen dem Lastausgang eines Leistungsschalters und dem entsprechenden Anschluß für die Last ist ein Integrierglied angeordnet.Between the load output of a circuit breaker and the corresponding one An integrator is connected to the load.
Erfindungsgemäß weist die an sich bekannte Schaltung einen Gegenkopplungszweig auf, der zum Rückführen eines Teils der verstärkten pulsbreiten-modulierten Signale eine Subtraktionsschaltung mit zwei Eingängen enthält, die ein Differenzsignal aus den verstärkten Signalen bildet. Dieses Differenzsignal wird dem Eingangssignal überlagert, bevor es zum Modulieren invertiert wird. According to the invention, the circuit known per se has a negative feedback branch to return a portion of the amplified pulse width modulated signals a subtraction circuit with two inputs contains a difference signal from the amplified signals. This difference signal is superimposed on the input signal, before it is inverted for modulation.
Dieses hat den Vorteil, daß der Gegenkopplungszweig alle Gleichtaktsignale unterdrückt und immer nur dann ein Signal von den Ausgängen zum Eingang rückführt, wenn die Momentanwerte der Ausgangsspannung verschieden sind. Das bedeutet, zum Beispiel bei einem Momentanwert des Eingangssignals nahe Null oder während der Einschaltphase, in der die Modulationsmittel noch außer Betrieb sind, wird kein Signal rückgeführt. Folglich kann auch keine Mitkopplung entstehen und der Verstärker bleibt stabil. Andererseits entspricht jedoch das rückgeführte Signal insbesondere nach dem Integrieren dem Signal, das der Last zugeführt wird, und kann daher Übertragungsfehler durch Gegenkopplung mindern.This has the advantage that the negative feedback branch suppresses all common mode signals and only returns a signal from the outputs to the input if the Instantaneous values of the output voltage are different. That means, for example at an instantaneous value of the input signal close to zero or during the Switch-on phase, in which the modulation means are still out of operation, is no signal returned. As a result, no positive feedback can occur and the amplifier remains stable. On the other hand, however, the returned signal corresponds in particular to the Integrate the signal that is fed to the load and can therefore cause transmission errors reduce by negative feedback.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Eingänge der Subtraktionsschaltung direkt mit den Ausgängen der Integrierglieder verbunden sein können, ohne daß die Schaltung wie bei den bekannten Lösungen instabil wird. Auf diese Weise wird von den Lastausgängen der Leistungsschalter nur der Signalanteil rückgeführt, bei dem die hochfrequente Trägerschwingung bereits weitestgehend unterdrückt ist. Das rückgeführte Differenzsignal entspricht bereits dem verstärkten und integrierten Ausgangssignal, das an der Last liegt und wird über die Rückkopplungsschleife entsprechend korrigiert.A particular advantage of the invention is that the inputs of the Subtraction circuit to be connected directly to the outputs of the integrators can, without the circuit becoming unstable as in the known solutions. On this way, only the signal portion of the load outputs of the circuit breakers returned, in which the high-frequency carrier vibration is already largely is suppressed. The returned differential signal already corresponds to the amplified and integrated output signal, which is due to the load and is via the Feedback loop corrected accordingly.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält die Subtraktionsschaltung einen Operationsverstärker mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang sowie einem Ausgang für das Differenzsignal.In an advantageous embodiment of the invention, the subtraction circuit contains an operational amplifier with an inverting and a non-inverting Input and an output for the differential signal.
Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist an dem Lastausgang angeschlossen, an welchem das pulsbreiten-modulierte invertierte Eingangssignal liegt, wogegen der nichtinvertierte Eingang an dem Lastausgang angeschlossen ist, an welchem das pulsbreiten-modulierte nichtinvertierte Eingangssignal anliegt. Am Signaleingang vor den Modulationsmitteln und vor dem Invertieren des Eingangssignals befindet sich ein weiterer Operationsverstärker, der als invertierender Verstärker geschaltet ist. Der Gegenkopplungszweig dieses zweiten Operationsverstärkers ist mit dem Ausgang für das Differenzsignal des ersten Operationsverstärkers in der Subtraktionsschaltung verbunden. The inverting input of the operational amplifier is at the load output connected to which the pulse width modulated inverted input signal is located, whereas the non-inverted input is connected to the load output which the pulse width modulated non-inverted input signal is present. At the Signal input before the modulation means and before inverting the input signal there is another operational amplifier, the inverting amplifier is switched. The negative feedback branch of this second operational amplifier is included the output for the differential signal of the first operational amplifier in the Subtraction circuit connected.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Modulationsmittel, die Leistungsschalter, die Subtraktionsschaltung und der weitere Operationsverstärker durch eine Gleichstromkopplung verbunden, so daß ein geschlossener Gleichstrom-Gegenkopplungs-Kreis besteht.According to a further advantageous embodiment of the invention Modulation means, the circuit breakers, the subtraction circuit and the other Operational amplifier connected by a DC coupling, so that a closed DC negative feedback circuit exists.
Ein solcher Gleichstrom-Gegenkopplungs-Kreis bietet durch das Fortfallen von Koppelelementen, insbesondere beim Aufbau als Integrierte Schaltung von Vorteil, daß die Parameter der Schaltungsanordnung über alle Verstärkerstufen gegen Temperatur und Betriebsspannungsschwankungen stabilisiert werden können.Such a direct current negative feedback circuit offers by eliminating Coupling elements, particularly when built as an integrated circuit, are advantageous in that the parameters of the circuit arrangement across all amplifier stages against temperature and fluctuations in operating voltage can be stabilized.
Die vorliegende Erfindung soll anhand von Figuren näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:The present invention will be explained in more detail with reference to figures. The figures demonstrate:
Fig. 1 ein Blockbeispiel zum grundsätzlichen Aufbau eines bekannten Klasse-D- Leistungsverstärkers, Fig. 1 is a block example of basic structure of a known class-D power amplifier,
Fig. 2 ein Blockbeispiel zum grundsätzlichen Aufbau eines Klasse-D- Leistungsverstärkers mit der erfindungsgemäßen Signalgegenkopplung. Fig. 2 shows a block example of the basic structure of a class D power amplifier with the signal negative feedback according to the invention.
Der in Fig. 1 dargestellte Klasse-D-Leistungsverstärker entspricht seinem Aufbau und seiner Funktion im wesentlichen dem Stand der Technik wie er in der Erfindungsbeschreibung dargestellt wurde. Zum Vermeiden von Wiederholungen wird der Inhalt der beiden zuletzt genannten Druckschriften ausdrücklich zum Bestandteil der Patentbeschreibung erklärt.The class D power amplifier shown in FIG. 1 corresponds essentially to the state of the art in terms of its structure and its function, as was shown in the description of the invention. To avoid repetition, the content of the last two publications is expressly declared to be part of the patent description.
Anhand von Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel eines Klasse-D-Leistungsverstärkers mit der erfindungsgemäßen Signalgegenkopplung im einzelnen näher erläutert. Die Bezugszeichen wurden in Fig. 2 analog zu denen in Fig. 1 verwendet.An exemplary embodiment of a class D power amplifier with the signal negative feedback according to the invention is explained in more detail with reference to FIG. 2. The reference numerals in FIG. 2 were used analogously to those in FIG. 1.
Der Klasse-D-Leistungsverstärker mit dem erfindungsgemäßen Gegenkopplung unterscheidet sich von dem, der in Figur dargestellt ist im einzelnen wie folgt:The class D power amplifier with the negative feedback according to the invention differs from that shown in the figure in detail as follows:
An den Lastausgängen für die Signale Vo1, Vo2 vorzugsweise hinter den Integriergliedern L1, L2, C1, C2 an die Anschlüsse P1, P2 ist ein Operationsverstärker 30 mit einem invertierenden Ausgang (-) einem nichtinvertierenden Ausgang (+) und einem Signalausgang angeschlossen. Dabei ist der invertierende Eingang (-) des Operationsverstärkers 30 an dem Lastausgang angeschlossen, an welchem das pulsbreiten-modulierte invertierte Eingangssignal Vp1 liegt, wogegen der nichtinvertierte Eingang (+) an dem Lastausgang angeschlossen ist, an welchem das pulsbreiten modulierte nichtinvertierte Eingangssignal Vp2 liegt.An operational amplifier 30 with an inverting output (-), a non-inverting output (+) and a signal output is connected to the load outputs for the signals V o1 , V o2, preferably behind the integrators L1, L2, C1, C2 at the connections P1, P2. The inverting input (-) of the operational amplifier 30 is connected to the load output at which the pulse-width-modulated inverted input signal V p1 is located, whereas the non-inverted input (+) is connected to the load output at which the pulse-width modulated non-inverted input signal V p2 lies.
Am Signaleingang vor den Komperatoren 10, 20 und vor dem Inverter 11 befindet sich ein weiterer Operationsverstärker 31, der als invertierender Verstärker geschaltet ist. Der Gegenkopplungszweig fb dieses zweiten Operationsverstärkers 31 ist mit dem Ausgang für das Differenzsignal Vdiff des ersten Operationsverstärkers 30 in der Subtraktionsschaltung verbunden. Im Gegensatz zum bekannten Klasse-D- Leistungsverstärker sind bei den Komperatoren 10, 20 jeweils der Anschluß für das Eingangssignal Vin bzw. -Vin mit dem Anschluß für die Trägerwelle fcar vertauscht.A further operational amplifier 31 , which is connected as an inverting amplifier, is located at the signal input in front of the comparators 10 , 20 and in front of the inverter 11 . The negative feedback branch fb of this second operational amplifier 31 is connected to the output for the differential signal V diff of the first operational amplifier 30 in the subtraction circuit. In contrast to the known class D power amplifier, in the comparators 10 , 20 the connection for the input signal V in and -V in are swapped with the connection for the carrier wave f car .
Dieses ermöglicht eine bessere Gleichstromkopplung der Gesamtschaltung und damit eine problemloseres Stabilisieren der Schaltung, insbesondere gegen Spannungs- und Temperaturschwankungen.This enables a better DC coupling of the overall circuit and thus easier circuit stabilization, especially against voltage and Temperature fluctuations.
Die Komperatoren 10, 20, die Leistungsschalter 12, 22, der erste Operationsverstärker 30 und der weitere Operationsverstärker 31 sind durch eine Gleichstromkopplung verbunden, so daß ein geschlossener Gleichstrom-Gegenkopplungs-Kreis besteht.The comparators 10 , 20 , the power switches 12 , 22 , the first operational amplifier 30 and the further operational amplifier 31 are connected by a direct current coupling, so that a closed direct current negative feedback circuit exists.
Insbesondere im Zusammenhang mit der Anwendung eines gemeinsamen Kerns für die Induktivitäten L1, L2 ist es möglich, einen Gegenkopplungszweig fb mit geringen Laufzeiten aufzubauen. Am Signalausgang des Operationsverstärkers 30 steht ein integriertes Analogsignal bereit, das vollständig von den Pulsen der Trägerwelle befreit ist und das infolge der geringen Wirkung der Induktivitäten für die niederfrequente Nutzsignalkomponente gegenüber dem Eingangsignal Vin nur eine geringe definierte Laufzeit aufweist und somit wie beim analogen Verstärker ein vollwertiges Gegenkopplungssignal darstellt. Eine Selbsterregung ist bei dieser Schaltung nicht zu befürchten, weil das rückgeführte Signal als Echtzeit-Signal auf den Eingang zurückgeführt wird. Mit diesem Signal kann vorteilhaft das Übertragungsverhalten des Verstärkers verbessert werden.In particular in connection with the use of a common core for the inductors L1, L2, it is possible to set up a negative feedback branch fb with short transit times. At the signal output of the operational amplifier 30, an integrated analog signal is available which is completely freed from the pulses of the carrier wave and which has due to the small effect of the inductances for the low-frequency useful signal component from the input signal V in only a small defined transit time and thus as in the analog amplifier, a represents full feedback signal. Self-excitation is not to be feared with this circuit because the returned signal is fed back to the input as a real-time signal. The transmission behavior of the amplifier can advantageously be improved with this signal.
Die in dem Ausführungsbeispiel benutzten Leistungsschalter 12, 22 enthalten Gegentaktendstufen, die die Anschlüsse der Last zwischen Masse und der Versorgungsspannung hin und her schalten. Für die erfindungsgemäße Schaltung können jedoch auch Leistungsschalter 12, 22 mit nur einem Halbleiterschalter, zu dem sich in Serie eine Speicherinduktivität befindet, benutzt werden. Ebenso eignet sich als Subtraktionsschaltung jede andere Schaltung, die aus den verstärkten Ausgangssignalen Vo1, Vo2 der Lastausgängen ein Differenzsignal Vdiff bildet.The circuit breakers 12 , 22 used in the exemplary embodiment contain push-pull output stages which switch the connections of the load back and forth between ground and the supply voltage. However, circuit breakers 12 , 22 with only one semiconductor switch, to which a memory inductor is connected in series, can also be used for the circuit according to the invention. Likewise, any other circuit, V o2 forms of the amplified output signals V o1 of the load outputs a difference signal V diff is suitable as a subtraction circuit.
Claims (7)
- - Modulationsmitteln (10, 20) zum Wandeln eines invertierten Eingangssignals (-Vin) in ein erstes pulsbreiten-moduliertes Signal (Vp1) und des nichtinvertierten Eingangssignals (Vin) in ein zweites pulsbreiten-moduliertes Signal (Vp2), wobei die Trägerschwingungen für beide Eingangssignale (Vin, -Vin) in Frequenz (fcar) und Phasenlage gleich sind
- - einem ersten und einem zweiten Leistungsschalter (12, 22), die zu einem Brückenendverstärker verbunden sind und jeweils einen Lastausgang für ein verstärktes Signal (Vo1, Vo2) aufweisen, zum Verstärken des entsprechenden pulsbreiten-modulierten Signals (Vp1, Vp2) und Speisen je eines Anschlusses (P1, P2) für eine Last (Lp)
- - zwei Integrierglieder (L1, C1, L2, C2), von denen je eines zwischen dem Lastausgang eines der beiden Leistungsschalter (12, 22) und dem entsprechenden Anschluß (P1, P2) angeordnet ist
- - und einen Rückkopplungszweig (fb) zum Rückführen je eines Teils der verstärkten Signale (Vo1, Vo2)
- - Modulation means ( 10 , 20 ) for converting an inverted input signal (-V in ) into a first pulse-width-modulated signal (V p1 ) and the non-inverted input signal (V in ) into a second pulse-width-modulated signal (V p2 ), the Carrier vibrations for both input signals (V in , -V in ) in frequency (f car ) and phase position are the same
- - A first and a second power switch ( 12 , 22 ), which are connected to a bridge power amplifier and each have a load output for an amplified signal (V o1 , V o2 ), for amplifying the corresponding pulse-width-modulated signal (V p1 , V p2 ) and feeding one connection (P1, P2) for one load (Lp)
- - Two integrators (L1, C1, L2, C2), one of which is arranged between the load output of one of the two circuit breakers ( 12 , 22 ) and the corresponding connection (P1, P2)
- - And a feedback branch (fb) for feeding back part of the amplified signals (V o1 , V o2 )
daß der Rückkopplungszweig (fb) ein Gegenkopplungszweig ist und eine Subtraktionsschaltung (30) mit zwei Eingängen zum Bilden eines Differenzsignals (Vdiff) aus den verstärkten Signalen (Vo1, Vo2) enthält und daß dieses Differenzsignal (Vdiff) dem Eingangssignal (Vin) vor dem Invertieren und Modulieren überlagert wird. characterized,
that the feedback branch (fb) is a negative feedback branch and contains a subtraction circuit ( 30 ) with two inputs for forming a difference signal (V diff ) from the amplified signals (V o1 , V o2 ) and that this difference signal (V diff ) contains the input signal (V in ) is superimposed before inverting and modulating.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Subtraktionsschaltung (30) ein Operationsverstärker ist
- - mit einem invertierendem Eingang (-), welcher an dem Anschluß (P1) angeschlossen ist, zu dem das pulsbreiten-modulierte invertierte Eingangssignal (Vin) gelangt,
- - mit einem nichtinvertierenden Eingang (+), welcher an dem Ausgang (P2) angeschlossen ist, zu dem das pulsbreiten-modulierte nichtinvertierte Eingangssignal (-Vin) gelangt,
- - und mit einem Ausgang für das Differenzsignal (Vdiff), und daß vor den Modulationsmitteln (10, 20) ein weiterer Operationsverstärker (32) als invertierender Verstärker angeordnet ist mit einem Gegenkopplungszweig, der mit dem Ausgang für das Differenzsignal (Vdiff) verbunden ist.
characterized,
that the subtraction circuit ( 30 ) is an operational amplifier
- with an inverting input (-) which is connected to the connection (P1) to which the pulse-width-modulated inverted input signal (V in ) arrives,
- with a non-inverting input (+) which is connected to the output (P2) to which the pulse-width-modulated non-inverted input signal (-V in ) arrives,
- - And with an output for the differential signal (V diff ), and that before the modulation means ( 10 , 20 ) a further operational amplifier ( 32 ) is arranged as an inverting amplifier with a negative feedback branch, which is connected to the output for the differential signal (V diff ) is.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE1995112383 DE19512383A1 (en) | 1995-04-01 | 1995-04-01 | Class=D audio power amplifier |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19512383A1 true DE19512383A1 (en) | 1996-10-10 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19512383A1 (en) |
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