DE19838765A1

DE19838765A1 - Selbstschwingender Digitalverstärker

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Publication number: DE19838765A1
Application number: DE1998138765
Authority: DE
Original assignee: ELBO GmbH
Current assignee: ELBO GmbH
Priority date: 1998-08-26
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 2000-05-11

Abstract

Bei einem selbstschwingenden Digitalverstärker mit DOLLAR A a) einem Signaleingang für eine niederfrequente Eingangsspannung und DOLLAR A b) einem invertierenden Operationsverstärker sowie DOLLAR A c) einem Leistungsschalter mit Komparatoreingang und DOLLAR A d) einem gegen Erde geschalteten Tiefpaß sowie DOLLAR A e) einem RC-Tiefpaß erster Ordnung, der zwischen dem Ausgang des Leistungsschalters und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers über einen Gegenkopplungswiderstand geschaltet ist, DOLLAR A f) wobei der Tiefpaßkondensator gegen Erde geschaltet ist, ist vorgesehen, daß DOLLAR A g) der Operationsverstärker als invertierender Integrator geschaltet ist, DOLLAR A h) der Leistungsschalter als Leistungsschalter mit absolutem Komparatoreingang ausgebildet ist, DOLLAR A i) der Ausgang des Leistungsschalters über einen ersten Widerstand mit dem Eingang des Leistungsschalters mitgekoppelt ist, DOLLAR A j) der Ausgang des Leistungsschalters über einen zweiten Widerstand mit dem Eingang des Integrators gegengekoppelt ist und DOLLAR A k) der Ausgang des Integrators über einen dritten Widerstand mit dem Eingang des Leistungsschalters verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstschwingenden Digitalverstärker mit

a) einem Signaleingang für eine niederfrequente Eingangsspannung und
b) einem invertierenden Operationsverstärker sowie
c) einem Leistungsschalter mit Komparatoreingang und
d) einem gegen Erde geschalteten Tiefpaß sowie
e) einem RC-Tiefpaß erster Ordnung, der zwischen dem Ausgang des Leistungsschalters und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers über einen Gegenkopplungswiderstand geschaltet ist,
f) wobei der Tiefpaßkondensator gegen Erde geschaltet ist.

Bei einem bekannten Digitalverstärker, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, ist es bekannt, daß die pulsbreitenmodulierte Rechteck-Aus gangsspannung dadurch erzeugt wird, daß eine niederfrequente Ein gangsspannung von einem schnellen Komparator mit einer hochfre quenten Dreieckspannung konstanter Amplitude verglichen wird. Weiterhin ist es bekannt, daß Linearitätsfehler der hochfrequenten Dreieckspannung sowie Schwankungen der Betriebsspannung zu er heblichen Verzerrungen führen, die über eine analoge Gegenkopp lung reduziert werden müssen. Damit die analoge Gegenkopplung stabil ist, muß ein analoges Gegenkopplungssignal über ein passi ves RC-Tiefpaßfilter erster Ordnung aus der hochfrequenten, puls breiten-modulierten Rechteck-Ausgangsspannung gewonnen wer den.

Die Zeitkonstante des passiven RC-Tiefpaßfilters läßt die analoge Gegenkopplung jedoch für höherfrequente Eingangsspannungen unwirksam werden. Die niederfrequente Ausgangsspannung erhält man durch Integration der hochfrequenten, pulsbreiten-modulierten Rechteck-Ausgangsspannung über ein passives LC-Tiefpaßfilter höherer Ordnung (n 4) und mathematisch mit der bekannten Glei chung

Da der Leistungsschalter gegen die Betriebsspannungsgrenzen schaltet, ist U_AS= U_B - (R_i + R_DSON).I_A, wobei U_B die Leerlauf- Betriebsspannung, R_i der Innenwiderstand der Betriebsspannungs quelle und R_DSON der Einschaltwiderstand des Leistungsschalters ist.

Die niederfrequente Ausgangsspannung U_A eines bekannten Digital verstärkers ist also abhängig von der Betriebsspannung und dem Ausgangsstrom. Der Dämpfungsfaktor ist etwa auf den Wert

begrenzt und kann nur bei sehr niederfrequenten Eingangsspannun gen über die analoge Gegenkopplung virtuell vergrößert werden.

Bekannte Digitalverstärker werden daher nur zur Verstärkung sehr langsamer Eingangsspannungen (Baßverstärker) oder dort einge setzt, wo ein hoher Wirkungsgrad wichtig ist als die Qualität der Signalverarbeitung (Diskothekenverstärker).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Linearitätsfehler der Dreiecksspannung sowie Schwankungen der Betriebsspannungen durch eine verzögerungsfreie digitale Gegenkopplung vollständig zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) der Operationsverstärker als invertierender Integrator geschaltet ist,
b) der Leistungsschalter als Leistungsschalter mit absolutem Komparatoreingang ausgebildet ist,
c) der Ausgang des Leistungsschalters über einen ersten Widerstand mit dem Eingang des Leistungsschalters mitgekoppelt ist,
d) der Ausgang des Leistungsschalters über einen zweiten Widerstand mit dem Eingang des Integrators gegengekoppelt ist und
e) der Ausgang des Integrators über einen dritten Widerstand mit dem Eingang des Leistungsschalters verbunden ist.

Auf diese Weise gelangt man zu einem selbstschwingenden Digital verstärker der vorstehend genannten Art, der die der Erfindung zu grundeliegende Aufgabe voll erfüllt, nämlich Linearitätsfehler der Dreiecksspannung sowie Schwankungen der Betriebsspannung durch eine verzögerungsfreie digitale Gegenkopplung vollständig kompensiert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der selbstschwingende Digitalverstärker so ausgebildet, daß der invertierende Eingang des Integrators über einen Kondensator mit dem Ausgang des Integra tors und der nicht invertierende Eingang des Integrators mit Nullpo tential verbunden ist.

Zweckmäßigerweise kann der selbstschwingende Digitalverstärker so ausgebildet sein, daß zwischen dem dritten Widerstand und dem nicht invertierenden Eingang des Leistungsschalters sowie dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem dritten Widerstand ein Impedanzwandler geschaltet ist.

In der Zeichnung sind ein bekannter selbstschwingender Digitalver stärker (Fig. 1) und ein erfindungsgemäß ausgebildeter Digitalver stärker (Fig. 2 und Fig. 3) dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 einen bekannten Digitalverstärker,

Fig. 2 einen erfindungsgemäß ausgebildeten selbstschwingenden Digitalverstärker und

Fig. 3 eine Fortbildung des in Fig. 2 dargestellten selbstschwingenden Digitalverstärkers.

Ein in Fig. 1 dargestellter bekannter Digitalverstärker hat einen Signaleingang 10, dessen gegenüberliegende Phase 11 mit Erde 12 verbunden ist. Der Signaleingang 10 ist über einen Eingangswider stand 13 mit dem invertierenden Eingang 14 eines Differenz-Ver stärkers 15 verbunden. Der nicht inventierende Eingang 16 des Dif ferenzverstärkers 15 liegt an Erde 17.

Der Differenzverstärker 15 ist über ein serielles RC-Glied, beste hend aus einem Kompensations-Kondensator 18 und einem Kom pensations-Widerstand 19, intern gegengekoppelt. Außerdem ist der Differenzverstärker 15 mit dem nicht invertierenden Eingang 20 eines Leistungsschalters 21 mit differenziellem Komparatoreingang verbunden. Der invertierende Eingang 22 des Leistungsschalters 21 ist mit einem Dreiecksgenerator 23 verbunden, der eine Dreiecks spannung einer bestimmten Frequenz, beispielsweise 100 kHz abgibt. Der Leistungsschalter 21 ist des weiteren mit einem LC-Tiefpaß 24 verbunden, welcher seinerseits über einen Wider stand 25 mit Erde 26 verbunden ist.

Der Ausgang 27 des Leistungsschalters 21 über ein RC-Glied, be stehend aus dem Widerstand 28 und dem Kondensator 29 mit Masse 17 verbunden, wobei der Ausgang des RC-Gliedes über einen Ge genkopplungs-Widerstand 30 mit dem invertierenden Eingang 14 des Differenzverstärkers 15 verbunden ist. Das aus dem Widerstand 28 und dem Kondensator 29 bestehende RC-Glied bildet einen Tief paß.

An dem Signaleingang 10 für niederfrequente Eingangsspannung liegt beispielsweise eine Sinusspannung der Frequenz von bei spielsweise 1 kHz. Diese Eingangsspannung wird im Differenzver stärker 15 verstärkt und im Leistungsschalter 21 mit der Dreiecks spannung verglichen, wobei sich im Leistungsschalter 21 eine Rechteckspannung bildet.

Bei einem bekannten Digitalverstärker, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, erhält man die niederfrequente Ausgangsspannung U_Adurch In tegration der hochfrequenten, pulsbreiten-modulierten Rechteck- Ausgangsspannung U_ASüber ein passives LC-Tiefpaßfilter höherer Ordnung (n≧4) und mathematisch mit der bekannten Gleichung

Da der Leistungsschalter 21 gegen die Betriebsspannungsgrenzen schaltet, ist U_AS= U_b - (R_i + R_DSON).I_A, wobei
U_B die Leerlauf-Betriebsspannung
R_i der Innenwiderstand der Betriebsspannungsquelle und
R_DSON der Einschaltwiderstand des Leistungsschalters 21 sind.

Die niederfrequente Ausgangsspannung U_A eines konventionellen Digitalverstärkers ist also abhängig von der Betriebsspannung U_B und vom Ausgangsstrom I_A.

Der Dämpfungsfaktor ist etwa auf den Wert

Bekannte Digitalverstärker werden daher nur zur Verstärkung sehr langsamer Eingangsspannungen (Baßverstärker) oder dort einge setzt, wo ein hoher Wirkungsgrad wichtiger ist als die Qualität der Signalverarbeitung (Diskothekenverstärker).

Für U_E=0 ist ein selbstschwingender Digitalverstärker ein spontan anschwingender Rechteckgenerator mit

Durch die Amplituden-Gegenkopplung über den Widerstand R_ga ist

und die Zeit-Gegenkopplung über den Widerstand R_gt bestimmt den Eingangsstrom des invertierenden Integrators mit

Durch Einsetzen von Gleichung 3 und Gleichung 4 in Gleichung 2 erhält man für die Periodendauer

Für eine positive Eingangsspannung U_E und ebenfalls positive Aus gangsspannung U_AS wird der Eingangsstrom des invertierenden In tegrators auf den Wert

vergrößert. Durch Einsetzen von Gleichung 6 und Gleichung 3 in Gleichung 2 erhält man die Einschaltdauer für die positive Halbwelle der Rechteck-Ausgangsspannung mit

Die Einschaltdauer für die negative Halbwelle ist analog dazu

Die Ausgangsspannung eines selbstschwingenden Digitalverstärkers erhält man durch Einsetzen von Gleichung 7 und Gleichung 8 in Gleichung 1 zu

Die niederfrequente Ausgangsspannung U_A eines SD ist also von UAS und damit auch von U_B und I_A unabhängig. Der Dämpfungsfak tor eines SD ist nur noch durch den DC-Widerstand des LC-Tief paßfilters begrenzt, der aber sehr klein gehalten werden kann und unterhalb der Grenzfrequenz des LC-Tiefpaßfilters eine reelle, fre quenzunabhängige Größe darstellt, die keine nichtlinearen Verzer rungen erzeugt. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Komparatur eines SD immer im Nulldurchgang der vom invertierenden Integrator be reits modulierten Dreieck Steuerspannung UT schaltet, während die Umschaltpunkte eines konventionellen Digitalverstärkers aussteue rungsabhängig und damit weniger genau sind.

Gleichung 10 zeigt, daß sich ein SD ähnlich verhält wie ein invertie render, analoger Operationsverstärker mit einem Eingangswider stand R_E und einem Gegenkopplungswiderstand Rgt. Ein SD benö tigt jedoch keinen Kompensationskondensator parallel zu Rgt, der bei einem analogen OP zudem an die Spannungsverstärkung ange paßt werden muß. Die Spannungsverstärkung eines SD ist daher durch Variation von R_E beliebig einstellbar. Bei hoher Spannungs verstärkung (R_E<<Rgt) erzeugt ein SD kein zusätzliches Rauschen und die maximale Spannungsverstärkung wird in der Praxis nur durch den Innenwiderstand der Signalquelle begrenzt. Weiterhin ist das Verzerrungs- und Rauschniveau eines SD sogar geringer als bei einem Analogverstärker mit gleichem Ausgangsspannungshub. Dafür sind im wesentlichen zwei Gründe verantwortlich:

1. Ein SD erzeugt prinzipbedingt keine Gegentaktverzerrungen.
2. Die Linearität eines SD ist wesentlich durch die Präzision des Komparators definiert. Das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt eines modernen Komparators ist aber ca. 1000mal größer als das eines analogen Operationsverstärkers. Zudem können die Leerlaufverstärkung des Komparators und Geschwindigkeit des Leistungsschalters eines SD grundsätzlich beliebig erhöht werden, um dessen Signalverarbeitungs-Qualität weiter zu steigern. Ein analoger Operationsverstärker hingegen wird instabil, wenn seine Leerlaufverstärkung zu hoch gewählt wird.

Ein Signaleingang 30 für eine niederfrequente Eingangsspannung, beispielsweise eine Sinusspannung mit einer Frequenz von bei spielsweise 1 kHz ist über einen Eingangswiderstand 31 mit einem Integrator 32 verbunden. Der Integrator 32 ist über einen Widerstand 33 mit dem Komparatoreingang eines Leistungsschalters 34 verbun den. Der Ausgang des Leistungsschalters 34 ist über einen passiven LC-Tiefpaß 35 und einen Lastwiderstand 36 mit Erde 37 verbunden. Dem Signaleingang 30 gegenüberliegend ist ein weiterer Eingang 38 vorgesehen, der mit Erde 39 verbunden ist.

Der Ausgang des Leistungsschalters 34 ist über einen Widerstand 40 mit dem Eingang des Leistungsschalters 34 und des weiteren über einen Widerstand 41 mit dem Eingang des Integrators 32 ver bunden.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten schwingenden Digitalverstärkers unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 2 dadurch, daß ein Impedanzwandler 42 zwischen dem Knotenpunkt 43 der Widerstände 33 und 40 sowie dem Eingang des Leistungsschalters 34 geschaltet ist.

Bezugszeichenliste

10

Signaleingang

11

Eingang

12

Erde

13

Eingangswiderstand

14

invertierender Eingang

15

Differenzverstärker

16

nicht inventierender Eingang

17

Erde

18

Kondensator

19

Widerstand

20

nicht invertierender Eingang

21

Leistungsschalter

22

invertierender Eingang

23

Dreieckgenerator

24

Tiefpaß

25

Lastwiderstand

26

Erde

27

frei

28

frei

29

frei

30

Signaleingang

31

Eingangswiderstand

32

Integrator

33

Widerstand

34

Leistungsschalter

35

Tiefpaß

36

Lastwiderstand

37

Erde

38

Eingang

39

Erde

40

Widerstand

41

Widerstand

42

Impedanzwandler

43

Knotenpunkt

Claims

1. Selbstschwingender Digitalverstärker mit

a) einem Signaleingang für eine niederfrequente Eingansspannung und
b) einem invertierenden Operationsverstärker sowie
c) einem Leistungsschalter mit Komparatoreingang und
d) einem gegen Erde geschalteten Tiefpaß sowie
e) einem RC-Tiefpaß erster Ordnung, der zwischen dem Ausgang des Leistungsschalters und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers über einen Gegenkopplungswiderstand geschaltet ist,
f) wobei der Tiefpaßkondensator gegen Erde geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
g) der Operationsverstärker als invertierender Integrator geschaltet ist,
h) der Leistungsschalter als Leistungsschalter mit absolutem Komparatoreingang ausgebildet ist,
i) der Ausgang des Leistungsschalters über einen ersten Widerstand mit dem Eingang des Leistungsschalters mitgekoppelt ist,
j) der Ausgang des Leistungsschalters über einen zweiten Widerstand mit dem Eingang des Integrators gegengekoppelt ist und
k) der Ausgang des Integrators über einen dritten Widerstand mit dem Eingang des Leistungsschalters verbunden ist.

2. Selbstschwingender Digitalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang des Integrators über einen Kondensator mit dem Ausgang des Integrators und der nicht invertierende Eingang des Integrators mit Nullpotential verbunden ist.

3. Selbstschwingender Digitalverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem dritten Widerstand und dem nicht invertierenden Eingang des Leistungsschalters sowie dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem dritten Widerstand ein Impedanzwandler geschaltet ist.