DE19514450A1

DE19514450A1 - Power amplifier for LF signal

Info

Publication number: DE19514450A1
Application number: DE1995114450
Authority: DE
Inventors: Guenter Gleim; Jacues Chauvin; Jean-Paul Louvel
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1995-04-25
Publication date: 1996-10-31

Abstract

The mains power part is designed as a step-down mains power part. The pulse frequency of the mains part is dependent on the current through the load (RL), on the hysteresis of an operation amplifier (OP1) and/or the inductances and the capacitances of the filter networks contained in the circuit. The output stage of the amplifier is designed as a bridge circuit. The amplifier and the mains power part are contained in an IC. A feedback coupling (7) is provided between the output and the input. The mains power part (S1,D1,L1,C1) is connected in series with an analogue working power amplifier (T3).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Leistungsverstärker gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Verstärker dient z. B. als Ton-NF-Endverstärker in einem Audiogerät oder als Vertikalendstufe oder Konvergenzvertärker in einem Fernsehempfänger. Derartige Verstärker verarbeiten relativ hohe Leistungen in der Größenordnung von 10-40 Watt und arbeiten somit mit einer relativ hohen Verlustleistung. Man ist daher bemüht, die Verlustleistung derartiger Verstärker herabzusetzen.The invention relates to a power amplifier according to the Preamble of claim 1. Such an amplifier is used e.g. B. as a sound NF power amplifier in an audio device or as Vertical power amplifier or convergence amplifier in one Television receiver. Such amplifiers process relatively high ones Power in the order of 10-40 watts and work thus with a relatively high power loss. One is therefore endeavors to reduce the power loss of such amplifiers.

Es ist bekannt, einen analogen Verstärker mit zwei positiven und zwei negativen Betriebsspannungen zu versorgen und den Endstufentransistor im Abhängigkeit von der Amplitude des Ausgangssignals an verschieden hohe Betriebsspannungen anzuschalten.It is known to have an analog amplifier with two positive and two to supply two negative operating voltages and the Power stage transistor depending on the amplitude of the Output signal to different high operating voltages to turn on.

Fig. 1 zeigt einen derartigen bekannten Verstärker. Der Verstärker ist symmetrisch aufgebaut, indem der Leistungsteil mit den Endstufentransistoren T3 und T13 für die positiven und negativen Ausgangsströme komplementär aufgebaut ist. Die Art der Betriebsspannungsaufstockung ist in den beiden Teilen gleich. Zur Vereinfachung wird in Fig. 1 nur der obere, positive Teil der Schaltung beschrieben. Fig. 1 shows such a known amplifier. The amplifier is constructed symmetrically in that the power section with the output stage transistors T3 and T13 is complementary for the positive and negative output currents. The type of operating voltage increase is the same in both parts. For simplification, only the upper, positive part of the circuit is described in FIG. 1.

Solange die Ausgangsspannung Out unter einem bestimmten Betrag ist, wird der Leistungstransistor T3 über die Diode D1 mit der Betriebsspannung +U1 versorgt. Sobald die Ausgangsspannung Out ansteigt und einen bestimmten Wert überschreitet, wird der Leistungsstransistor T4 über die Zenerdiode D2 angesteuert und hebt die Spannung am Kollektor des Transistors T3 an, so daß dieser nicht in die Sättigung gelangt. D1 wird gesperrt, T4 wird leitend. Die Diode D3, der Widerstand R10 und der Widerstand R12 dienen zur Temperaturkompensation. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß bei niedrigen Ausgangsspannungen nur eine Verlustleistung an dem Transistor T3 abfällt. Der Betrag der Verlustleistung ist verhältnismäßig gering, da die Versorgungsspannung niedrig ist. Bei höheren Ausgangsspannungen, die aus der höheren Versorgungsspannung abgleitet wird, ist die Verlustleistung auf die beiden Transistoren T3, und T4 aufgeteilt.As long as the output voltage Out is below a certain amount is, the power transistor T3 via the diode D1 with the Operating voltage + U1 supplied. As soon as the output voltage Out increases and exceeds a certain value, the Power transistor T4 controlled via the Zener diode D2 and raises the voltage at the collector of transistor T3, so that this does not reach saturation. D1 is blocked, T4 is conductive. The diode D3, the resistor R10 and the resistor R12 are used for temperature compensation. This circuit has the Advantage that at low output voltages only one Power loss at transistor T3 drops. The amount of Power loss is relatively low because of the Supply voltage is low. At higher output voltages, which is derived from the higher supply voltage is the Power loss on the two transistors T3 and T4 divided up.

Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß die Verlustleistung zwar reduziert wird, jedoch weiterhin Kühlbleche für die Leistungstransistoren benötigt werden. Ein Zahlenbeispiel:The disadvantage of this circuit is that the Power loss is reduced, but cooling plates continue are required for the power transistors. On Numerical example:

U2 = 50 V I = 1 A L = 10 Ohm.U2 = 50 V I = 1 A L = 10 ohms.

Aus diesen Werten ergibt sich, daß die Ausgangsspannung 10 V beträgt. Folglich ist der Spannungsabfall an den Transistoren 40 V. Bei einem Strom von 1 A ergibt sich daraus eine Verlustleistung von 40 Watt.From these values it follows that the output voltage is 10 V is. Hence the voltage drop across the transistors 40 V. With a current of 1 A this results in a Power loss of 40 watts.

Fig. 2 zeigt eine bekannte Anordnung dieses Schaltungsprinzips für einen Audioverstärker. Tn dieser Schaltung mit der Verlustleistungsreduzierung wird die Betriebsspannungsumschaltung für den Leistungstransistor T3 schlagartig durchgeführt. Dabei werden unterschiedliche Spannungen +U1, +U2 und +U3 auf den Kollektor des Leistungstransistor T3 durchgeschaltet. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß an dem Schalttransistor eine geringe Leistung abfällt und die Leistung an dem Leistungstransistor T3 über die sich anpassende Kollektorspannung nahezu unabhängig von der Ausgangsspannung ist. Dabei ist die Kollektor/Emitter-Spannung UCE nahezu konstant. Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß durch das Schalten der Versorgungsspannungen Störspitzen und Nichtlinearitäten am Ausgang auftreten können. Fig. 2 shows a known arrangement of this circuit principle for an audio amplifier. In this circuit with the power loss reduction, the operating voltage switchover for the power transistor T3 is carried out abruptly. Different voltages + U1, + U2 and + U3 are switched through to the collector of the power transistor T3. This circuit has the advantage that a low power drops at the switching transistor and the power at the power transistor T3 is almost independent of the output voltage via the adapting collector voltage. The collector / emitter voltage UCE is almost constant. The disadvantage of this circuit is that interference peaks and non-linearities can occur at the output due to the switching of the supply voltages.

Wenn die Spannung am Ausgang Out niedrig ist, gelangt die Betriebsspannung U1 über die Diode D22 an den Leistungstransistor T3. Wenn die Spannung am Ausgang Out höhere Werte annimmt, bekommt der Leistungsstransistor T3 die Betriebsspannung U2 durch die Wirkung der Bauteile R25, T23, R22 über T22 und D21. Wenn die Spannung am Ausgang Out noch höhere Werte annimmt, gelangt die Betriebsspannung +U3 von R24, T21, R21, R20 über T20 an den Leistungstransistor T3.If the voltage at the output Out is low, the Operating voltage U1 via the diode D22 to the Power transistor T3. If the voltage at the output Out is higher Assumes values, the power transistor T3 gets the Operating voltage U2 through the action of components R25, T23, R22 via T22 and D21. If the voltage at the output Out is even higher Assumes values, the operating voltage + U3 from R24, T21, R21, R20 via T20 to the power transistor T3.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Schaltung nach dem Prinzip der bekannten Schaltungen zu schaffen, die eine geringe Verlustleistung aufweist, die individuellen Vorteile der bekannten Schaltungen in sich vereinigt, deren Nachteile aber nicht aufweist.The invention has for its object a novel Circuit based on the principle of the known circuits create that has low power dissipation, the individual advantages of the known circuits in itself united, but does not have their disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the invention specified in claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are in the Subclaims specified.

Bei der Erfindung wird somit die Betriebsspannung für den Leistungstransistor diesem Transistor über ein Gleichspannung/Gleichspannung-Schaltnetzteil zugeführt, das vorzugsweise mit dem Leistungstransistor und der übrigen Ansteuerschaltung in einem integrierten Schaltkreis vereinigt ist.In the invention, the operating voltage for the Power transistor this transistor over one DC voltage / DC switching power supply supplied, the preferably with the power transistor and the rest Drive circuit combined in an integrated circuit is.

Durch diese Lösung werden die Vorteile der analogen Schaltung mit der analogen Anhebung der Betriebsspannung gemäß Fig. 1 und die Vorteile der Lösung mit der geschalteten Betriebsspannung und der verlustfreien Anhebung der Betriebsspannung gemäß Fig. 2 miteinander kombiniert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Auflösung auch bei niedriger Schaltfrequenz (Spannungsrippel an den Leistungstransitoren) sehr hoch ist.This solution combines the advantages of the analog circuit with the analog increase in the operating voltage according to FIG. 1 and the advantages of the solution with the switched operating voltage and the lossless increase in the operating voltage according to FIG. 2. Another advantage is that the resolution is very high even at a low switching frequency (voltage ripple on the power transistors).

Das Schaltnetzteil ist vorzugsweise als Step-down-Schaltnetzteil ausgebildet. Ein solches Netzteil hat einen einfachen Aufbau und läßt sich leicht in einem integrierten Schaltkreis integrieren.The switching power supply is preferably a step-down switching power supply educated. Such a power supply has a simple structure and can be easily integrated into an integrated circuit.

Die Taktfrequenz des Schaltnetzteils muß keinen festen Wert haben. Die Frequenz ist vorzugsweise abhängig vom Strom durch die Last, von der Hysterese eines den Verstärker steuernden Operationsverstärkers sowie von den Induktivitäten und Kapazitäten der im Verstärker enthaltenen Filter. The clock frequency of the switching power supply does not have to be a fixed value to have. The frequency is preferably dependent on the current through the load, from the hysteresis of a controller controlling the amplifier Operational amplifier as well as from inductors and Capacities of the filters contained in the amplifier.

Vorzugsweise ist die Ausgangsstufe des Verstärkers als Brückenschaltung ausgebildet. Dadurch kann der Aufwand an Schaltungen für das Schaltnetzteil in dem negativen Zweig eingespart werden. Außerdem entsteht der Vorteil, daß nur eine Betriebsspannung benötigt wird, nämlich die positive, während die negative Betriebsspannung entfällt.The output stage of the amplifier is preferably as Bridge circuit formed. This can increase the effort Circuits for the switching power supply in the negative branch be saved. There is also the advantage that only one Operating voltage is needed, namely the positive while the negative operating voltage is eliminated.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an den Fig. 3-5 beschrieben.The invention is described below with reference to the drawing of FIGS. 3-5.

In Fig. 3 wird die Betriebsspannung U1 dem Leistungstransistor T3 über ein Gleichspannung/Gleichspannung-Schaltnetzteil zugeführt, das durch den Schalter S1, die Diode D1, die Induktivität L1, den Kondensator C1 und die Steuerstufe O1 gebildet ist. Im negativen Teil der Schaltung ist ein entsprechendes Netzwerk mit dem Schalter S2, der Induktivität L2, der Diode D2, dem Kondensator C2 und der Steuerstufe O2 vorgesehen. Der Ausgang Out des Verstärkers 5 ist an die Last RL angeschlossen. Die Stufen O1 und O2 steuern die Schalter S1 und S2, die vorzugsweise als Transistoren ausgebildet sind, mit einer bestimmten Taktfrequenz. Diese Frequenz kann von dem Laststrom IL, der Hysterese der dargestellten Operationsverstärker sowie den Induktivitäten und Kapazitäten von in der Schaltung enthaltenen Filtern abhängig sein.In Fig. 3, the operating voltage U1 is supplied to the power transistor T3 via a DC voltage / DC switching power supply, which is formed by the switch S1, the diode D1, the inductor L1, the capacitor C1 and the control stage O1. In the negative part of the circuit, a corresponding network with the switch S2, the inductor L2, the diode D2, the capacitor C2 and the control stage O2 is provided. The output Out of the amplifier 5 is connected to the load RL. The stages O1 and O2 control the switches S1 and S2, which are preferably designed as transistors, with a certain clock frequency. This frequency can depend on the load current IL, the hysteresis of the operational amplifiers shown and the inductances and capacitances of filters contained in the circuit.

Die wesentlichen Bauteile für die Funktion der Schaltung sind der Leistungstransistor T3, die Zenerdiode Z1, die Stufe O1, sowie der Schalter S1, die Diode D1, die Induktivität L1 und der Kondensator C1, die ein Schaltnetzteil nach dem Step-down- Prinzip darstellen. Der Leistungstransistor T3 bildet eine analoge Schaltstufe. Zwischen dem Widerstand R3, und dem Eingang In ist über den Widerstand R2 und die Leitung 7 eine Rückkopplung vorgesehen, die für die Ansteuerung auch wichtig ist. Die Spannung am Ausgang Out wird über die Zenerdiode Z1, die Stufe O1 und den Schalter S1 betätigt, und über L1 wird T3 und somit die Spannung am Ausgang Out zugeführt. The essential components for the function of the circuit are the power transistor T3, the Zener diode Z1, the stage O1, and the switch S1, the diode D1, the inductor L1 and the capacitor C1, which represent a switching power supply according to the step-down principle. The power transistor T3 forms an analog switching stage. A feedback is provided between the resistor R3 and the input In via the resistor R2 and the line 7 , which is also important for the control. The voltage at the output Out is actuated via the Zener diode Z1, the stage O1 and the switch S1, and T3 and thus the voltage at the output Out are supplied via L1.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 3. Darin ist die Ausgangsstufe als Brückenschaltung ausgebildet, wodurch der Schaltungsaufwand für das zweite Schaltnetzteil gemäß den Bauteilen S2, D2, L2, C2 in Fig. 3 entfällt. Je nach Amplitude des Eingangssignals In wird der eine oder andere Brückenzweig den Strom vom Schaltnetzteil an den Lastwiderstand RL weitergeben. Dadurch ist die Stromrichtung in der Last RL bestimmt. Das Schaltnetzteil bekommt die IST-Ausgangsspannung über die Dioden D1 und D2, die als ODER-Schaltung arbeiten angeboten. Wegen der Phasendrehung wird für die Gegenkopplung ein zusätzlicher Zweig benötigt. FIG. 4 shows a modification of the circuit according to FIG. 3. The output stage is designed as a bridge circuit, as a result of which the circuit complexity for the second switching power supply according to components S2, D2, L2, C2 in FIG. 3 is eliminated. Depending on the amplitude of the input signal In, one or the other branch of the bridge will pass on the current from the switching power supply to the load resistor RL. This determines the current direction in the load RL. The switching power supply receives the actual output voltage via the diodes D1 and D2, which work as an OR circuit. Because of the phase shift, an additional branch is required for the negative feedback.

Die Schaltung benötigt somit nur eine Induktivität L1, und das Schaltnetzteil wird nur einmal benötigt. Es wird dabei alternierend eingeschaltet und somit besser ausgenutzt. Durch die Brückenschaltung von T3, T13, T7, T8, O4 und O5 ist nur noch ein Schaltnetzteil notwendig. Der genannte Rückkopplungsweg erfolgt von dem Widerstand Rm1 und Rm2. Die Widerstände Rm1 und Rm2 sind weitestgehend gleich groß bemessen, damit die Regelung einwandfrei funktioniert.The circuit therefore only needs an inductance L1, and that Switching power supply is only required once. It will be there alternately switched on and thus better used. By the bridge circuit of T3, T13, T7, T8, O4 and O5 is only a switching power supply is necessary. The feedback path mentioned is done by the resistor Rm1 and Rm2. The resistors Rm1 and Rm2 are largely the same size, so the regulation works flawlessly.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 4, die mit nur einer Rückführung zum Eingang über die Leitung 6 arbeitet, während in Fig. 4 zwei Rückführungen über die Leitungen 6 und 7 angewendet werden. Die Schaltung benötigt nur einen Meßwiderstand Rm3, der über die Stufe O5 und die Stromquelle ST3 und ST4 eine Ansteuerung vornimmt. FIG. 5 shows a modification of the circuit according to FIG. 4, which works with only one return to the input via line 6 , while in FIG. 4 two returns via lines 6 and 7 are used. The circuit only requires a measuring resistor Rm3, which controls via stage O5 and current source ST3 and ST4.

Claims

1. Power amplifier for a low-frequency signal with an output power transistor (T3, T13), which can be switched on as a function of the amplitude of the output voltage at various high operating voltages (+ U1, + U2, -U1, -U2), characterized in that the operating voltage (+ U1, -U1) is supplied to the power transistor (T3, T13) via a DC / DC switching power supply (S1, D1, L1, C1).

2. Amplifier according to claim 1, characterized in that the Switching power supply is designed as a step-down switching power supply.

3. Amplifier according to claim 1, characterized in that the Clock frequency of the switching power supply from the current through the load (RL), from the hysteresis of a controller controlling the amplifier Operational amplifier (OP1) and / or the inductivities and Capacities of filter networks contained in the circuit is dependent.

4. Amplifier according to claim 1, characterized in that the Output stage of the amplifier as a bridge circuit is trained.

5. Amplifier according to claim 1, characterized in that the Amplifier and the switching power supply in one integrated Circuit are included.

6. Amplifier according to claim 1, characterized in that a feedback path ( 6 , 7 ) from the output (Out) to the input (In) is provided.

7. Amplifier according to claim 1, characterized in that the Switching power supply (S1, D1, L1, C1) with the operating voltage (+ Ü1) and an analog power amplifier (T3) is connected in series.