DE2557512B2 - PDM-Verstärker - Google Patents

Description

erfüllt wobei Vcc die Spannung der ersten oder zweiten Anschlußklemme der Gleichspannungsquelle und Vf der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung einer der Dioden sind

9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spannung V_A der ersten und zweiten Spannungsquellen die Bedingung Va ^ Vf+ VcEsat) erfüllt, wobei V> den Spannungsabfall von einer der in Serie liegenden Dioden in Durchlaßrichtung und VcEfsat) die Sättigungsspannung eines der Transistoren darstellen.

10. Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung V, des impulsbreitenmodulierten Signals, welches an die Basis jeweils des ersten und zweiten Transistors angelegt wird, die Bedingung

I Vi\ > I Vcc+2 Vf\

erfüllt, wobei Vcc die Spannung der ersten oder zweiten Anschlußklemme der Gleichspannungsquelle und Vf den Spannungsabfall an einer der in Serie geschalteten Dioden in Durchlaßrichtung sind.

Die Erfindung betrifft einen Verstärker für impulsbreitenmodulierte Signale und bezieht sich insbesondere auf einen derartigen Verstärker, bei dem longitudina-Ie Amplitudenverzerrungen reduziert sind.

Verstärker für impulsbreitenmodulierte Signale werden als D-Verstärker für Audio-Ausgangssignale benützt Da ein Verstärker für impulsbreitenmodulierte Signale oder PDM-Signale theoretisch eine vollständige Schalttätigkeit ausführen kann, ist in solchen Fällen die Leistungsaufnahme, d. h. der Leistungsverbrauch durch das Schaltelement sehr niedrig und somit der Wirkungsgrad des Verstärkers verbessert.

In bekannten PDM-Signal-Verstärkern werden Schaltungen benützt, in welchen zwei Transistoren in einer komplementären Gegentaktanordnung in Serie zwischen den Anschlußklemmen einer Gleichspannungsquelle liegen. Der Verbindungspunk* zwischen den Transistoren liegt über ein Tiefpaßfilter, beispielsweise eine Drosselspule an einem Lautsprecher. Der Entladestrom der Drosselspule wird bei solchen Schaltungen teilweise in Dioden durchgelassen, welche parallel zu den Transistoren liegen, damit eine vorbestimmte Schalttätigkeit ausgeführt wird.

Wenn die Transistoren und Dioden wechselweise in den Leitzustand und Sperrzustand vorgesperrt werden, wird bei einer derartigen Schaltung eine als longitudina-Ie Amplitudenverzerrung bekannte Amplitudenverzerrung in der Wellenform der Ausgangsimpulsspannung erzeugt. Ein derartiger Mangel wirkt sich nachteilig bei der Reduzierung der Verzerrung eines D-Verstärkers aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Verstärker zu beseitigen.

Der erfindungsgemäße PDM-Signal-Verstärker weist ein Transistorpaar auf, die als Schaltelemente verwendet werden, sowie ein Diodenpaar, welche parallel zu dem Emitter-Kollektor-Weg der Transistoren geschaltet sind. Der Verbindungspunkt zwischen den Transistoren und den Dioden steht über ein Tiefpaßfilter mit

einer Last in Verbindung, um eine longitudinal ^mplitudenverzerrung in der Ausgangswellenform zu verhindern, die durch die Schalttätigkeit der Schalttransistoren und -dioden erzeugt wird. Die Transistoren weisen jeweils eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor auf. Die Basis-Elektroden der Transistoren werden mit dem zu verstärkenden PDM-Signal gespeist; die Emitter sind jeweils miteinander verbinden und stehen über ein Tiefpaßfilter mit einer Ausgangsklersme in Verbindung, an welche wiederum eine Last angelegt ist; die Kollektor-Elektroden sind über erste und zweite Gleichspannungsquellen an den ersten und zweiten Anschluß einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Erste und zweite Dioden liegen außerdem zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Emitter-Elektroden der Transistoren und entsprechenden Anschlußklemmen der Gleichspannungsquelle; erste und zweite spannungsbegrenzende Schaltungen sind zwischen den Basis-Elekiroden des ersten und zweiten Transistors und den entsprechenden Anschlußklemmen der Gleichspannungsquelle vorgesehen, und so dimensioniert, daß keine longitudinal Amplitudenverzerrung in Abhängigkeit zur Schalttätigkeit des ersten und zweiten Transistors erzeugt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die ersten und zweiten spannungsbegrenzenden Schaltungen eine Serienschaltung aus zwei Dioden auf.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zur Erläuterung weiterer Merkmale an Hand von Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines in der Erfindung verwendeten Impulsbreitenmodulators,

F i g. 2 ein Beispiel eines bekannten PDM-Signal-Verstärkers zur Erläuterung der Erfindung,

F i g. 3A bis F i g. 3H graphische Darstellungen von Wellenkurven zur Erläuterung der Arbeitsweise des in F i g. 2 gezeigten Verstärkers und

F i g. 4 eine Schaltung einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstärkers.

In F i g. 1 ist ein Impulse erzeugender Oszillator 1 dargestellt, der mit einem Oszillator 2 zur Erzeugung von Sägezahnwellen verbunden ist, wobei dessen sägezahnwellenförmigen Signale die gleiche Folgefrequenz wie das Impulssignal des Oszillators 1 haben. Eine Modulationssignalquelle 3, beispielsweise eins Audio-Signalquelle und der Sägezahnoszillator 2 sind jeweils mit einem Impulsbreitenmodulator 4 verbunden, der an seiner Ausgangsklemme 5 ein impulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt. Das impulsbreitenmodulierte Signal oder PDM-Signal, das an der Klemme 5 erhalten wird, wird an einen D-Verstärker (PDM-Verstärker) angelegt; eine Ausführungsform dieses Verstärkers ist in F i g. 2 dargestellt und mit 6 bezeichnet. Der D-Verstärker weist Ausgangstransistoren auf, die mit hohem Wirkungsgrad arbeiten, so daß die Nichtlinearität seiner Ausgangstransistoren beinahe kein Problem darstellt und es nicht erforderlich ist, daß die Ausgangstransistoren gleich bzw. einheitlich sind. Der D-Verstärker wird weitgehend in Schaltungen verwendet, in welchen ein Audio- oder Ton-Signal in ein PDM-Signal umgewandelt, anschließend verstärkt und danach das PDM-Signal demoduliert wird, damit es in den Zustand des ursprünglichen Audio-Signals zurückgebracht wird. Der grundsätzliche Schaltungsaufbau des D-Verstärkers 6 nach F i g. 2 enthält eine Eingangsklemme 7, die direkt mit der Basis von zwei angeschlossenen Transistoren Q\ und Q₂ verbunden ist Der Transistor Q\ ist ein npn-Transistor, während der Transistor Q₂ npn-Aufbau besitzt Die Emitter dieser Transistoren Qt und Q₂ sind miteinander und über ein Filter tut Beseitigung der Trägerfrequenz oder ein Tiefpaßfilter, beispielsweise eine Drosselspule 9, mit der Ausgangsklemme 8 verbunden. Die Ausgangsklemme 8 steht ihrerseits mit einem Ende einer Last 10, beispielsweise einem Lautsprecher oder dergleichen, in Verbindung, während das andere Ende der Last 10 an Masse liegt Die Kollektoren der Transistoren Qi und Q₂ sind an Klemmen entgegengesetzter Polarität, d. h. an Klemmen + B_x und - B_x einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle angeschlossen. Das zu verstärkende PDM-SignaJ wird von dem in F i g. 1 gezeigten Impulsbreitenmodulator an die Eingangsklemme 7 angelegt Dioden D\\ und D₂U welche Ströme in Sperrichtungen durchlassen, liegen zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Emitter der Transistoren Qi und Q₂ und den Anschlüssen + B\ bzw. — B\ der Spannungsquelle. Die Anode der Diode Dn steht mit den Emittern der Transistoren Q\ und Q₂ in Verbindung, während die Kathode dieser Diode an den Kollektor des Transistors Qi angeschlossen ist Die Anode der Diode D_2x liegt an dem Kollektor des Transistors Q₂ und die Kathode der Diode D_2x an dem Emitter des Transistors Q2 an.

Die Arbeitsweise des in F i g. 2 veranschaulichten PDM-Signal-Verstärkers 6 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die in den F i g. 3A bis 3H gezeigten Signalverläufe erläutert Fig.3A veranschaulicht den Wellenverlauf V/ des PDM-Signals. welches an die Eingangsklemme 7 des Verstärkers 6 für das PDM-Signal angelegt wird. F i g. 3B zeigt den Wellenverlauf V₀ der Ausgangsspannung, die an den Emittern der Transistoren Qi und Q₂ erhalten wird. Im Idealzustand sollte der Verlauf Vo gleich oder ähnlich dem Verlauf der Welle V, des PDM-Eingangssignals sein, jedoch wird bezüglich des Ausgangswellensignals V₀ eine nachstehend noch näher beschriebene Amplitudenverzerrung oder amplitudenabhängige Dämpfung erzeugt. Es ist daher einfacher, die Arbeitsweise so zu beschreiben, als wären die betreffenden Wellenverläufe ideal.

Die F i g. 3c bis 3F zeigen nacheinander den Verlauf des Stromes I\, der über den Kollektor-Emitter-Weg des Transistors Qi fließt, den Verlauf des Stromes I₂, welcher durch die Diode D_xx fließt, den Verlauf des Stromes /3, welcher über den Emitter-Kollektor-Weg des Transistors Q₂ fließt, sowie den Verlauf des Stromes /4, der durch die Diode D_2x fließt. Die Richtung der Ströme I₁,1₂, h und /4 ist in Fig. 2 dargestellt. In Folge dieser Ströme weist ein durch die Drosselspule 9 fließender Strom /0 eine dreieckige Wellenform auf und ist aus den Strömen /1 bis /4 zusammengesetzt, wie dies in F i g. 3G verdeutlicht ist.

Die in den F i g. 3A bis 3G dargestellten Wellenformen werden erhalten, wenn das impulsbreitenmodul-erte Signal nicht moduliert ist. Wenn das Signal moduliert wird, wird die Impulsbreite des Eingangssignals V-, (Fig. 3A) in Abhängigkeit von dem Pegel des Modulationssignals geändert. Die in den F i g. 3B bis 3G gezeigten Wellenformen der Signale werden natürlich ebenfalls in Abhängigkeit zur Modulation geändert.

Eine Überprüfung der Wellenform der Eingangsspaniiung V₀ (F i g. 3B) an dem Verbindungspunkt zwischen den Emitterelektroden der Transistoren Qi und Q₂ zeigt, daß die Amplitude des Spannungsverlaufs V₀ nicht konstant ist, sondern schwankt, wie aus Fig.3H hervorgeht. Dies bedeutet unter der Voraussetzung, daß

die Spannungen an den Speiseklemmen + B₁ und — B\ + Vcc und - Vcc sowie die Spannungsabfälle der Dioden Ai und Am in Durchlaßrichtung V^und die Sättigungsspannungen zwischen den Kollektor-Emitter-Elektroden der Transistoren Q₁ und Q₂ V_CE(₅„,) betragen, daß der Wert oder die Amplitude der Ausgangsspannung K₀ während derjenigen Zeit (+ V_cc+ V) beträgt, in welcher der Strom I₂ durch die Diode Ai fließt. Der Wert der Ausgangsspannung Vo beläuft sich während derjenigen Zeit auf (+ Vxx - VcE(s_ao)< während welcher der Strom h durch den Transistor Q₁ fließt. Während der Strom Z₄ durch die Diode Ai fließt, ergibt sich der Pegel oder die Amplitude der Spannung V₀ zu (— V_x- Vi), während beim Fluß des Stromes /3 durch den Transistor Q₂ sich die Spannung V₀ zu (- Wc+ V'c^mo) ergibt. Die Tatsache, daß die Amplitude der Ausgangsspannung Vb, die durch den PDM-Signal-Verstärker erhalten wird, schwankt, ruft eine longitudinal Amplitudenverzerrung in dem Signal hervor, welches an die Last 10 angelegt wird. 2ü

Die Erfindung reduziert oder beseitigt die Schwankung des Wertes der Ausgangsspannung und verhindert damit, daß in einem an die Last 10 angelegten Signal eine longitudinal Amplitudenverzerrung auftritt.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig.4 beschrieben; diejenigen Teile, welche den in F i g. 2 gezeigten Bauteilen entsprechen, sind mit gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 2 bezeichnet. Eine nochmalige Beschreibung dieser bereits erläuterten Teile ist daher überflüssig.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung steht die negative Klemme einer Gleichspannungsqueilc Fi, beispielsweise einer Batterie, mit der Kathode der Diode Ai und die positive Klemme dieser Speisequelle mit dem Kollektor des Transistors Q\ in Verbindung. Die negative Elektrode einer weiteren Gleichspannungsquelle £2, beispielsweise einer weiteren Batterie, ist an die Anode der Diode Ai und die positive Klemme der zweiten Speisequelle an den Kollektor des Transistors Qi angeschlossen. Die Bezugszeichen Ao und D₂Q bezeichnen in Fig.4 im allgemeinen Gleichrichter zur Steuerung oder Pegelhaltung der an die Basis der Transistoren Qi und Q₂ angelegten Spannung. Bei dem in Fig.4 veranschaulichten Beispiel besteht der Gleichrichter D]₀ aus in Serie geschalteten Dioden A2 und Dm und der Gleichrichter D20 aus in Serie geschalteten Dioden D22 und D₂₃. Die Anode des Gleichrichters Ao oder der Diode Dn ist an die Basis des Transistors Qi und die Kathode des Gleichrichters A₀ oder der Diode Dm an die Klemme + Äi der Soeisequelle angeschlossen. Die Anode des Gleichrichters D₂₀ oder der Diode D₂₃ steht mit der Klemme — S₁ der Speisequelle und der Kathode des Gleichrichters A20 oder der Diode D₂₂ mit der Basis des Transistors Q₂ in Verbindung. Ein Widerstand 12 liegt zwischen der Eingangsklemme 7 und dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Basis-Elektroden der Transistoren Qi und Q₂. Der übrige Teil des Schaltungsaufbaus der in Fig.4 gezeigten Schaltung entspricht im wesentlichen der in Fig.2 gezeigten Schaltung.

Die Spannung jeder der Gleichspannungsquellen £\ und £2 wird mit Va bezeichnet, wobei diese Spannung Va so gewählt ist, daß sie die nachfolgende Bedingung (1) erfüllt und die Transistoren Qi und Q₂ voll leitend werden läßt:

Vf stellt hierbei den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung jeder der Dioden A2 oder A3 dar.

Die Eingangsspannung Vj, welche an die Eingangsklemme 7 angelegt wird, soll folgende Bedingung (2) erfüllen:

K₁-1 S I V_cc +2V_f

(2)

Die Durchlaßspannungen der Gleichrichter Ao und D₂₀ sind ferner derart gewählt, daß die Sperrströme blockierenden Dioden Ai und D₂, durch die Emitterpotentiale der Transistoren Qi und Q2 leitend werden, wenn die Transistoren leitend sind.

Die Arbeitsweise des PDM-Signal-Verstärkers nach der Erfindung gemäß Fig.4 wird nachstehend insbesondere unter Bezugnahme auf die Verbesserungen gegenüber der grundsätzlichen Arbeitsweise der in F i g. 2 gezeigten Schaltung erläutert.

Es wird vorausgesetzt, daß die in F i g. 3a dargestellte Eingangsspannung V, positiv ist. Wenn der Strom Io positiv ist, läßt sich die Ausgangsspannung Vo am Verbindungspunkt der Emitter-Elektroden der Transistoren Qi und Q₂ folgendermaßen ausdrücken:

K₀ = K_cc-2K_f-K_ßE=

V_r

(3)

Vf ist hierbei gleich Vbe, welches die Spannung zwischen den Basis-Emitter-Elektroden der Transistoren Q\ und Qi darstellt

Wenn der Strom /0 negativ ist, weil die Diode Dw leitend ist, läßt sich die Ausgangsspannung V₀ folgendermaßen ausdrücken:

K₀ =

(4)

F₄ > V₁ + V_CEfsa)

(D

Aus den Gleichungen (3) und (4) läßt sich folgern, daß die Eingangsspannung V₁ positiv ist und daß die Ausgangsspannung Vo einen konstanten Wert (Vcc+ Vi) besitzt — der Strom /0 kann positiv oder negativ sein —. Wenn die Eingangsspannung V₁ negativ ist, ist die Ausgangsspannung V⁷O konstant (— Vcc— Vt) — der Strom /0 kann hierbei positiv oder negativ sein —.

Die Spannung Va jeder Gleichspannungsquelle £1 und £2 ist derart gewählt, daß sie gleich dem Wert (Vf + VcEfsat)) ist und daß die Leistungsaufnahme im PDM-Signal-Verstärker niedrig ist Wenn die Spannung V_A größer wird als der Wert Vf+ VcEfsat), können die Transistoren Qi und Q₂ in ihrem Arbeitsbereich gehalten werden, um eine Zeitschwankung zu vermeiden, die durch die Speicherzeit der Transistoren hervorgerufen wird, und damit die Transistoren mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden können. Wenn jedoch die Spannung V_A groß gewählt wird, steigt die Leistungsaufnahme erheblich an.

Bei einem PDM-Signal-Verstärker nach der Erfindung, wie er oben beschrieben wurde, wird das PDM-Signal an die Basis jeweils des ersten und zweiten Transistors angelegt; die Emitter dieser Transistoren sind jeweils zusammen über ein Filter, welches die Trägerfrequenz beseitigt, oder ein Tiefpaßfilter an die Last angeschlossen. Die Emitter sind sowohl an den ersten wie auch an den zweiten Anschluß der Haupt-Speisequelle angeschlossen, um durch die Sperrstrom-Dioden unterschiedliche Eigenschaften zu erreichen. Der erste und zweite Anschluß der Haupt-Speisequelle ist über erste und zweite Gleichspannungsquellen an die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors angeschlossen; die betreffenden Basis-Elektroden des

ersten und zweiten Transistors sind über erste und zweite Dioden zur Spannungssteuerung oder Spannungs-Pegelhaltung an den ersten und zweiten Anschluß der Haupt-Speisequelle angeschlossen; die Spannung der ersten und zweiten Gleichspannungsquelle ist jeweils so gewählt, daß sie größer als die Summe aus der Durchlaßspannung der ersten und zweiten Sperrstrom-Dioden und der Sättigungsspannung zwischen den Kollektor-Emitter-Elektroden der ersten und

zweiten Transistoren ist. Die auf diese Weise von dem PDM-Signal-Verstärker nach der Erfindung erhaltene Ausgangsspannung weist keine Amplitudenverzerrung in Längsrichtung auf, so daß eine konstante Amplitude vorliegt. Der durch die Ausgangsspannung der Last zugeführte Strom ruft somit keine Verzerrung in dem ursprünglichen Modulationssignal des PDM-Signals hervor.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verstärker für impulsbreitenmodulierte Signale, mit einer zwei Anschlußklemmen aufweisenden Gleichspannungsquelle, ersten und zweiten, jeweils eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor aufweisenden Transistoren, deren Basis-Elektroden jeweils mit dem impulsbreitenmodulierten, zu verstärkenden Signal gespeist werden und deren Emitter mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt in Verbindung stehen, mit einem an die Emitter-Elektroden angeschlossenen Ausgangsanschluß, einem den Ausgangsanschluß mit der Last verbindenden Tiefpaßfilter, einer ersten Verbindung der ersten Anschlußklemme der Gleiohspannungsquelle mit der Kollektor-Elektrode des ersten Transistors, einer zweiten Verbindung der zweiten Anschlußklemme der Gleichspannungsquelle mit der Kollektor-Elektrode des zweiten Transistors und mit ersten und zweiten Dioden, von denen die erste Diode zwischen der ersten Anschlußklemme der Gleichspannungsquelle und dem gemeinsamen Emitter-Verbindungspunkt des ersten und zweiten Transistors liegt, während die zweite Diode zwischen der zweiten Anschlußklemme der Gleichspannungsquelle und dem gemeinsamen Emitter-Verbindungspunkt liegt, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Einrichtungen zur Spannungsbegrenzung vorgesehen sind, wovon die erste zwischen der Basis des ersten Transistors und der ersten Anschlußklemme der Gleichspannungsquelle liegt, während die zweite zwischen der Basis des zweiten Transistors und der zweiten Anschlußklemme der Gleichspannungsquelle angeordnet ist

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verbindungseinrichtung eine weitere erste Gleichspannungsquelle aufweist, die zwischen den Kollektor des ersten Transistors und den einen Anschluß der Gleichspannungsquelle geschaltet ist, und daß die zweite Verbindungseinrichtung eine weitere Gleichspannungsquelle aufweist, die zwischen den Kollektor des zweiten Transistors und den anderen Anschluß der Gleichspannungsquelle geschaltet ist.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede spannungsbegrenzende Einrichtung zwei in Serie geschaltete Dioden aufweist.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter eine Drosselspule enthält.

5. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Transistor in einer komplementären Gegentaktbeziehung zwischen der ersten und zweiten Anschlußklemme der Gleich-Spannungsquelle geschaltet sind.

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor npn-Leitung und der zweite Transistor pnp-Leitung aufweisen.

7. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Gleichspannungsquelle Batterien sind.

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite spannungsbegrenzende Einrichtung zwei in Serie geschaltete Dioden aufweisen, daß die Spitzenspannung der an dem gemeinsamen Emitter-Verbindungspunkt erhaltenen Ausgangsspannung Vn konstant gehalten wird und die Gleichung
Vo - Vcc+ Vf