DE19839156C1 - Leistungsverstärker - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker, insbesondere einen mehrkanaligen Leistungsverstärker. DOLLAR A Es sind mehrkanalige Leistungsverstärker für Audiosignale bekannt. Diese erzeugen aber auch bei kleinen bis mittleren Ausgangsleistungen hohe Verlustleistungen. Die Problematik der Verlustleistung nimmt mit zunehmender Versorgungsspannung für den Leistungsverstärker zu. DOLLAR A Bei einem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker wird die Verlustleistung dadurch verringert, daß bei kleinen und mittleren Ausgangsleistungen des mehrkanaligen Leistungsverstärkers die Verstärkerstufen des mehrkanaligen Leistungsverstärkers in Reihe geschaltet werden. Zwischen die in Reihe geschalteten Verstärkerstufen des mehrkanaligen Leistungsverstärkers wird eine Mittelspannung gelegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker, insbesondere einen mehrkanaligen Leistungsverstärker.

Es sind mehrkanalige Leistungsverstärker für Audiosignale bekannt, insbesondere stereophone Audiosignale, die als Brückenendstufen aufgebaut sind, d. h. aus zwei unsymmetrisch angesteuerten Einzelendstufen. Diese werden benutzt, um eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen. Nachteilig ist, daß auch bei kleinen bis mittleren Ausgangsleistungen eine hohe Verlustleistung auftritt. Die hohe Verlustleistung bei kleinen bis mittleren Ausgangsleistungen läßt sich dadurch vermeiden, daß die Einzelendstufen derart angesteuert werden, daß bei kleinen bis mittleren Ausgangsleitungen von den beiden Einzelendstufen der Brücke nur jeweils eine in Betrieb ist. Dadurch wird die erzeugte Verlustleistung halbiert.

Die Problematik der Verlustleistung nimmt mit zunehmender Versorgungsspannung für die Endstufen zu. Wird beispielsweise eine für eine Versorgungsspannung von 12V ausgelegte Endstufe, die z. B. für den Betrieb in einem Personenwagen vorgesehen ist, mit 24V betrieben, beispielsweise der Bordnetzspannung in einem Lastkraftwagen, so nimmt die Verlustleistung um mehr als das Doppelte zu.

Aus US 5,444,417 A ist ein selbstkonfigurierender Doppelbrücken-Leistungsverstärker bekannt. Der Leistungsverstärker weist einen ersten operativen, einen zweiten operativen, einen dritten operativen und einen vierten operativen Verstärker auf. Im weiteren ist ein Vergleicher angeordnet zur Auswertung der Verstärkersignale und zur Steuerung verschiedener Schalter. Diese Schalter dienen zur Konfiguration der Verstärker, so daß der Leistungsverstärker gesteuert werden kann.

Aus DE 195 25 411 A1 ist ein Signalverstärker mit vier in zwei verschiedenen Schaltungskonfigurationen verbindbaren Verstärkerstufen bekannt. In der ersten Schaltungskonfiguration ist zwischen den Ausgangsanschlüssen einer ersten und einer dritten Verstärkerstufe eine Serienschaltung zweier Lasten angeordnet und einem Verbindungspunkt zwischen den Lasten ein Bezugspotential, einem Eingang der ersten Verstärkerstufe ein erstes zu verstärkendes Signal und einem Eingang der dritten Verstärkerstufe ein zweites zu verstärkendes Signal zuführbar. In der zweiten Schaltungskonfiguration ist zwischen dem Ausgangsanschluß der ersten Verstärkerstufe und einem Ausgangsanschluß einer zweiten Verstärkerstufe eine erste Last und zwischen dem Ausgangsanschluß der dritten Verstärkerstufe und einem Ausgangsanschluß einer vierten Verstärkerstufe eine zweite Last angeordnet. Dem Eingang der ersten Verstärkerstufe sowie einem Eingang der zweiten Verstärkerstufe ist das erste zu verstärkende Signal und dem Eingang der dritten Verstärkerstufe sowie einem Eingang der vierten Verstärkerstufe das zweite zu verstärkende Signal zuführbar. Mit einer Umschalteinrichtung zum Umschalten des Signalverstärkers ist wahlweise in eine der beiden Schaltungskonfigurationen umzuschalten. Im weiteren ist eine Detektionseinrichtung zum Detektieren des Klirrfaktors des Signals am Ausgangsanschluß der ersten und/oder der dritten Verstärkerstufe und zum Betätigen der Umschalteinrichtung in Abhängigkeit vom detektierten Wert des Klirrfaktors angeordnet.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leistungsverstärker, insbesondere einen mehrkanaligen Leistungsverstärker anzugeben, der auch bei erhöhter Versorgungsspannung hinsichtlich der Verlustleistung bei kleinen und mittleren Ausgangsleitungen optimiert ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker, insbesondere einem mehrkanaligen Leistungsverstärker mit mehreren Verstärkerstufen, wird diese Aufgabe durch Schalter gelöst, die einen ersten Schaltzustand aufweisen, in dem die Verstärkerstufen parallel an eine Versorgungsspannung angeschlossen sind, und daß die Schalter einen zweiten Schaltzustand aufweisen, in dem die Verstärkerstufen in Reihe an die Versorgungsspannung angeschlossen sind, wobei Mittelspannungsgeneratoren zwischen den Verstärkerstufen angeschlossen sind, die einen Bruchteil der Versorgungsspannung erzeugen, welcher dem Kehrwert der Anzahl der Verstärkerstufen entspricht.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, bei kleinen und mittleren Ausgangsleistungen des mehrkanaligen Leistungsverstärkers die Verstärkerstufen des Leistungsverstärkers in Reihe zu schalten. Zwischen die in Reihe geschalteten Verstärkerstufen des Leistungsverstärkers wird eine Mittelspannung gelegt, wodurch die an jeder Verstärkerstufe des mehrkanaligen Leistungsverstärkers anliegende Spannung der halben Versorgungsspannung entspricht.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen mehrkanaligen Leistungsverstärkers liegt insbesondere darin, daß bei kleinen und mittleren Ausgangsleistungen die Verlustleistung des mehrkanaligen Leistungsverstärkers optimiert wird.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen mehrkanaligen Leistungsverstärkers anhand von Figuren.

Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mehrkanaligen Leistungsverstärkers,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen mehrkanaligen Leistungsverstärkers bei Betrieb für kleine und mittlere Ausgangsleistungen, und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen mehrkanaligen Leistungsverstärkers bei Betrieb für große Ausgangsleistungen.

Zur Erleichterung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren nur die Bestandteile des mehrkanaligen Leistungsverstärkers dargestellt, die im Zusammenhang mit der Erfindung von Bedeutung sind. Gleiche Bestandteile weisen in allen Figuren gleiche Bezugszeichen auf. Nachfolgend wird als Beispiel für einen mehrkanaligen Leistungsverstärker ein Leistungsverstärker für stereophone Audiosignale beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mehrkanaligen Leistungsverstärkers. Der mehrkanalige Leistungsverstärker für stereophone Audiosignale weist zwei Verstärkerstufen Al und Ar, eine Versorgungsspannung V, einen Verstärker Am, zwei Widerstände R1 und R2 sowie fünf Schalter S1 bis S5 auf. Die Verstärkerstufen Al bzw. Ar treiben beispielsweise Lautsprecher Ll bzw. Lr, die zur Wiedergabe eines linken bzw. rechten Kanals L bzw. R des stereophonen Signals dienen. Die Verstärkerstufen Al und Ar können von herkömmlichen Leistungsendstufen gebildet werden, insbesondere auch Leistungsendstufen die den eingangs beschriebenen Aufbau von Brückenendstufen aufweisen. Die Schalter S1 bis S5 können insbesondere Halbleiterschalter sein. Für die Versorgungsspannung V soll im vorliegenden Beispiel ein Wert von 24V angenommen werden. Die Widerstände R1 und R2 sowie der Verstärker Am bilden einen Mittelspannungsgenerator. Der Verstärker Am ist im gewählten Beispiel ein Operationsverstärker, der mit der Versorgungsspannung V betrieben betrieben wird. An einem Eingang + wird die halbe Versorgungsspannung V angelegt, die durch den Spannungsteiler R1, R2 gebildet wird, da die Widerstände R1 und R2 die gleichen Werte aufweisen. An einem invertierenden Eingang - wird der Ausgang des Verstärkers Am zurückgekoppelt, wodurch sich am Ausgang des Verstärkers Am die halbe Versorgungsspannung V einstellt, im gewählten Beispiel 12V.

Für den mehrkanaligen Leistungsverstärker sind zwei Betriebsmodi vorgesehen. Ein erster Betriebsmodus ist für kleine und mittlere Ausgangsleistungen geeignet. Im ersten Betriebsmodus oder Schaltzustand sind die Schalter S2, S4 und S5 geschlossen, wohingegen die Schalter S1 und S3 geöffnet sind. Der erste Betriebsmodus ist in Fig. 2 dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Ein zweiter Betriebsmodus oder Schaltzustand ist für große Ausgangsleistungen geeignet. Im zweiten Betriebsmodus sind die Schalter S1 und S3 geschlossen, wohingegen die Schalter S2, S4 und S5 geöffnet sind. Der zweite Betriebsmodus ist in Fig. 3 dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.

Fig. 2 stellt den ersten Betriebsmodus für kleine und mittlere Ausgangsleistungen dar. Die Verstärkerstufen Al und Ar sind in Reihe geschaltet. An die Verstärkerstufe Al ist die Versorgungsspannung V angeschlossen, an die Verstärkerstufe Ar ist die Masse der Versorgungsspannung angeschlossen. An den Verbindungspunkt der Reihenschaltung der Verstärkerstufen Al und Ar ist der Mittelspannungsgenerator Am, R1, R2 angeschlossen. Verstärkerstufe Al wird somit zwischen der Versorgungsspannung V von 24V und der Spannung des Mittelspannungsgenerators Am, R1, R2 von 12V betrieben, so daß sich insgesamt eine Betriebsspannung von 12V für Verstärkerstufe AI ergibt. Verstärkerstufe Ar wird somit zwischen der Spannung des Mittelspannungsgenerators Am, R1, R2 von 12V und Masse, also 0V, betrieben, so daß sich insgesamt eine Betriebsspannung von 12V für Verstärkerstufe Ar erbibt.

Insgesamt wird dadurch die Verlustleistung halbiert, zuzüglich eines Verlusts der durch den Mittelspannungsgenerator Am, R1, R2 erzeugt wird. Die zusätzliche Verlustleistung des Mittelspannungsgenerators Am, R1, R2 ist aber gering, da bei normaler Musik bzw. bei Sprache die Aussteuerung, speziell im leistungsstarken Baßbereich, für die beiden Kanäle L und R annähernd gleich ist. Bei symmetrischer Aussteuerung fließt aber durch den Mittelspannungsgenerator Am, R1, R2 kein Strom (nur sehr geringer Stromfluß durch den Spannungsteiler R1, R2), so daß auch keine Verlustleistung erzeugt wird. Der ungünstigste Fall tritt bei einer Aussteuerung nur eines der Kanäle L oder R auf. In diesem Fall muß der gesamte Strom vom Mittelspannungsgenerator übernommen werden. Die Gesamtverlustleistung bleibt dabei aber konstant, da in diesem Fall einer der Verstärker Ar oder Al keine Verlustleistung erzeugt.

Fig. 3 stellt den zweiten Betriebsmodus für große Ausgangsleistungen dar. Dazu sind die Verstärkerstufen Al und Ar parallel an die volle Versorgungsspannung V, also 24V, angeschlossen. Der Mittelspannungsgenerator Am, R1, R2 wird nicht mit Spannung versorgt, um keine zusätzliche Verlustleistung zu erzeugen. Da die Verlustleistung des Mittelspannungsgenerators Am, R1, R2 im Leerlauf sehr gering ist, kann auf den Schalter S5 aus Fig. 1 verzichtet werden. Der Mittelspannungsgenerator Am, R1, R2 ist dann ständig an der Versorgungsspannung V angeschlossen.

Die Vorteile des oben beschriebenen mehrkanaligen Leistungsverstärkers werden voll ausgenutzt, wenn eine Umschaltung zwischen den beiden Betriebsmodi dynamisch und aussteuerungsabhängig erfolgt, d. h. abhängig von der Ausgangsleistung.

Claims (5)

1. Leistungsverstärker, insbesondere mehrkanaliger Leistungsverstärker, mit mehreren Verstärkerstufen (Al, Ar), dadurch gekennzeichnet,
daß Schalter (S1 bis S4) vorgesehen sind, die einen ersten Schaltzustand aufweisen, in dem die Verstärkerstufen (Al, Ar) parallel an eine Versorgungsspannung (V) angeschlossen sind, und
daß die Schalter (S1 bis S4) einen zweiten Schaltzustand aufweisen, in dem die Verstärkerstufen (Al, Ar) in Reihe an die Versorgungsspannung (V) angeschlossen sind, wobei Mittelspannungsgeneratoren (Am, R1, R2) zwischen den Verstärkerstufen (Al, Ar) angeschlossen sind, die einen Bruchteil der Versorgungsspannung (V) erzeugen, welcher dem Kehrwert der Anzahl der Verstärkerstufen entspricht.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker zwei Verstärkerstufen (Al, Ar) aufweist und zur Verstärkung stereophoner Audiosignale dient, wobei der Mittelspannungsgenerator (Am, R1, R2) die halbe Versorgungsspannung (V) erzeugt.

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schalter (S5) vorgesehen ist, der den oder die Mittelspannungsgeneratoren (Am, R1, R2) mit der Versorgungsspannung (V) verbindet.

4. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S1 bis S5) Halbleiterschalter sind.

5. Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen den beiden Schaltzuständen abhängig von der Aussteuerung oder Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers erfolgt.