DE2846381A1

DE2846381A1 - Leistungsverstaerker-vorrichtung

Info

Publication number: DE2846381A1
Application number: DE19782846381
Authority: DE
Inventors: Kenji Yokoyama
Original assignee: Nippon Gakki Co Ltd
Current assignee: Nippon Gakki Co Ltd
Priority date: 1977-11-04
Filing date: 1978-10-25
Publication date: 1979-05-17
Also published as: JPS5465461A; DE2846381C2; JPS5951771B2; US4223273A

Description

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PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN

7032 Sindelfingen -Auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 - Telefon 07031 /86501

Telex 7265509 rose d

24. Oktober 1978

Nippon Gbkki Seizo Kabushiki Kaisha, 10-1, Nakazawa-cho, Hamamatsu-shi,
Shizuoka-ken, Japan

LEISTUNGSVERSTÄRKER- VORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine Leistungsverstärker-Vorrichtung mit einem Leistungsverstärker, der einen nichtinvertierenden und einen invertierenden Eingang und einen
Ausgang aufweist, mit einer ersten Ausgangsklemme, die mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers verbunden ist, mit einer zweiten Ausgangsklemme, mit einer Last, die über eine Zuleitung mit den ersten und zweiten Klemmen verbunden ist und mit einer Signalvorrichtung, die mit dem nichtinvertierenden Eingang des Leistungsverstärkers verbunden ist.

Üblicherweise wird bei diesem Gebiet das niederfrequente, verstärkte Ausgangs-Signal einer Leistungsverstärker-Vorrichtung auf einen Lautsprecher gegeben, der dieses
Signal in Schall umsetzt. Indem man den Ausgangs-Widerstand des Verstärkers so klein wie möglich auslegt, werden die beim Ansteuern eines Lautsprechers wichtigen Eigenschaften wie Dämpfungsfaktor usw. verbessert. Wenn jedoch der Ausgangs-Widerstand

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des Leistungsverstärkers klein ist und der Widerstand der Verbindungsleitung groß ist, so verschlechtert ein solcher hoher Leitungswiderstand die oben beschriebenen Eigenschaften. Da bei den bekannten Leistungsverstärkem der Widerstand der Lautsprecherzuleitung nicht beachtet wurde, wird bei großer Leitungslänge nicht nur der Dämpfungsfaktor durch das Verhältnis des Lautsprecherwiderstands zum Ausgangswiderstand des Leistungsverstärkers vermindert. Vielmehr werden auch zusätzlich die Frequenzgangeigenschaften verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leistungsverstärker-Vorrichtung anzugeben, die auf einen Lautsprecher arbeitet und bei der der Widerstand der Zuleitung weder den Dämpfungsfaktor noch die Frequenzeigenschaften des Lautsprechers beeinflußt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Stromrückkopplungsvorrichtung zwischen der zweiten Ausgangsklemme und dem invertierenden Eingang des Leistungsverstärkers liegt und daß der Rückkopplungsfaktor einen Wert hat, bei dem der Ausgangswiderstand des Leistungsverstärkers, gemessen zwischen der ersten und der zweiten Ausgangsklemme, negativ ist.

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Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Leistungsverstärkers, dessen

Last ein Lautsprecher ist,
Fig. 2, 3 und 4

Schaltbilder anderer Ausführungsbeispiele der Erfindung, Fig. 5 ein Schaltbild einer tonfrequenten Impuls-Meßvorrichtung, die dazu verwendet werden kann, die Vorteile der Erfindung zu erläutern,

Fig. 6

und 7 Cfezillogramme des Ausgangssignals, angezeigt durch die Impuls-Prüfvorrichtung nach Fig. 5 eines bekannten Leistungsverstärkers und

Fig. 8

und 9 QziIlogramme des Ausgangssignals eines Leistungsverstärkers nach der Erfindung.

Beim ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird ein niederfrequentes Tonsignal über eine Eingangsklemme 11 an die nicht invertierende Eingangsklemme 12a eines Verstärkers 12 gelegt. Seine Ausgangsklemme 12c ist mit der einen Ausgangsklemme 13a der Verstärkervorrichtung verbunden. Der Verstärker 12 muß invertierende und nichtinvertierende Eingangsklemmen haben und umfaßt vorzugsweise in seiner Eingangsstufe einen Differenzverstärker. Ein Verstärker mit einem solchen Differenzverstärker ist bekannt und ist beispielsweise in den Fig. 2 und 3 des US-PS 3 986 134 vom 12. Oktober 1976 gezeigt. Eine Last 14 hat einen Widerstand R. und liegt zwischen der Ausgangsklemme 13a und der anderen Ausgangsklemme 13b. Die Ausgangsklemme 13b ist an die

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Eingangsklemme 15a eines Inverters 15 geführt , der eine Verstärkung von - 1 hat. der Inverter 15 ist über einen Widerstand 16 des Widerstandswerts R₁, mit Masse ver-

Io

bunden. Ein Widerstand 17 mit dem Widerstandswert R₁₇ liegt zwischen der Ausgangsklemme 12 c und der invertierenden Eingangsklemme 12b des Veräärkers 12. Ein Widerstand 18 mit dem Widerstandswert R₁₀ liegt zwischen der Ausgangsklemme 15b des

I ο

Inverters und der invertierenden Eingangsklemme 12b. Die Wderstände 16, 17 und und der Inverter 15 stellen eine Stromrückkopplung für die Leistungsverstärkervorrichtung dar.

Bei diesem Ausführungsbeispiel erhält man die Verstärkung A_n der Leistungsverstärkervorrichtung im Leerlauf aus dem Ausdruck:

Wenn die Last angeschlossen ist, dann erhält man die Verstärkung A. zu

V ^RL

R₁-R₁₆. (A₀-2)

In diesem FaI I ist die Verstärkung der offenen Schleife der Leistungsverstärkervorrichtung genügend hoch gemacht worden. Der Ausgangswiderstand Z_ , der an den Ausgangsklemmen 13a und 13b der Leistungsverstärkervorrichtung erscheint, wird angegeben durch _{D Ä}

-τ — "ι · "λ

Z₀" -^RL ....(3)

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Indem man die Formeln (1) und (2) für A_ und A. in die Formel nach Gleichung (3) einsetzt, erhält man für den Ausgangswiderstand Z_ :

Wenn man nun R₁^ geteilt durch R₁₀ größer als 1 macht, so ist es möglich, gleich-I / Io

zeitig den Ausgangswiderstand Z_ negativ werden zu lassen. Indem man nun den Wert des Ausgangswiderstands Z- auf einen genügend negativen Wert bringt, ist es möglich, in gleicher Weise den Widerstandswert der Last zu senken. Anders ausgedrückt ist es möglich, den Insgesamtwiderstandswert der Zuleitung zum Lautsprecher zu O zu machen.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die invertierende Eingangsklemme 12b des Verstärkers über einen Widerstand 19 an Masse gelegt ist, der einen Widerstandswert R,g hat,und der Inverter 15 der Stromrückkopplungsvorrichtung ist hier durch einen Verstärker 20 ersetzt, der eine Verstärkung von - A hat.

Die Verstärkung A _ dieser Schaltung kann im Leerlauf durch die folgende Gleichung angegeben werden:

a/ = l ₊ ^Ri₇ . ^Ri"₇ ^R19 Ί8

Ist die Last 14 angeschlossen, dann kann die Verstärkung A'. angegeben werden durch:

r __ I ₊ R_{17 +} ^R ₁₇

^{L =} 5Γ ^

1 + ^16_. Π - A₅ ^17_ ) ....(6)

^RL ^R

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^RL ^R18

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In diesem Fall ist die Verstärkung der offenen Schleife so ausgewählt, daß sie eine erhebliche Größe hat. Wenn man die Ausdrücke für die Verstärkungen A' und A'. in die Gleichung ( 3 ) einsetzt, dann erhält man den Ausgangswiderstand Zq dieser Verstärkervorrichtung zu:

^Z0 ^=R16 * ⁽¹ "V ^Ri7 ) "" ⁽⁷⁾

^R18

Indem man R₁- = R₁₀ macht, erhält man
1/ Io

Z'_o = R₁₆ . (1 -A₅) ....(8)

Es ist daher auch in dieser Schaltung durch die Wahl des Verstärkungsgrads des invertierenden Verstärkers 20 möglich, den Ausgangswiderstand Z' auf einen geeigneten negativen Wert zu bringen.

Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Ausgangswiderstand der Leistungsverstärkervorrichtung von einem positiven Wert zu einem negativen Wert geändert werden kann. In der gleichen Weise wie gemäß Figur 1 ist hier die Eingangsklemme 11 an die nichtinvertierende Eingangsklemme 12a des Verstärkers 12 gelegt, während dessen Ausgangsklemme 12c mit der Ausgangsklemme 13a der Leistungsversfärkervorrichtung verbunden ist. Die Last 14 mit einem Widerstandswert R. liegt zwischen Ausgangsklemmen 13a und 13b und die Ausgangsklemme 13b ist über einen Widerstand an Masse gelegt, der den Widerstandswert R^, hat. Die Ausgangsklemme 13b ist zur einen unbeweglichen Anschlußklemme 32a eines Potentiometers 32 gelegt und ist über einen Widerstand 33 eines Wderstandswerts R„„ an die invertierende Eingangsklemme 35b eines Operationsverstärkers 35 gelegt. Ein Widerstand 34 mit dem Widerstandswert R„.

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liegt zwischen der invertierenden Eingangsklemme 35b und einer Ausgangsklemme 35c des Operationsverstärkers 35. Eine nichtinvertierende Ausgangsklemme 35a des Operationsverstärkers 35 ist geerdet. Die Ausgangsklemme 12c des Verstärkers 12 ist mit der anderen unbeweglichen Klemme 32b des Potentiometers 32 verbunden, und zwar über einen Widerstand 37 eines Widerstandswerts R«-,. Die Klemme 32b ist mit der Ausgangsklemme 35c des Operationsverstärkers 35 über einen Widerstand 38 verbunden, der den Widerstandswert Rqp ^nc"t· Der Schleiferkontakt 32c des Potentiometers 32 ist mit der invertierenden Eingangsklemme 12b des Verstärkers 12 verbunden.

Wenn man nun folgende Gleichsetzungen vornimmt:

R₃₃ = R₃₄ .... (9 )

^R38 ^2R31

dann erhält man für die Verstärkung Al bei angeschlossener Last 14: _A" - 2R _ R, "

^Al - ³⁷-~ -Λ- .... (H)

^R38 ^R31

Dieser Ausdruck ist eine Konstante.

Wenn der Schleiferkontakt 32c des Potentiometers 32 auf die Klemme 32a zu bewegt wird, dann wird

z" = R,. . A
Oa 31

Hierin bedeutet A die Verstärkung der offenen Schleife des Verstärkers 12. Wenn der Schleiferkontakt 32c des Potentiometers 32 auf die Klemme 32b zu bewegt wird, dann

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erhält man

^Zob ^=R31 -(2-A^) = R₃₁. (l-^37_) (12)

^R38

Wenn man daher bei diesem Ausführungsbeispiel den Schleiferkontakt 32c bewegt, wird der Ausgangswiderstand von einem positiven Wart zu einem negativen Wert verändert. Man kann daher einen geeigneten Wert einstellen, so daß der Zuleitungswiderstand der Leitung zu den Lautsprechern zu 0 gemacht werden kann.

Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches im wesentlichen gleich der Schaltung nach Fig. 2 ist. Abweichend hiervon wird hier jedoch statt des invertierenden Verstärkers 20 eine Schaltungsanordnung 41 verwendet, die invertiert und veränderliche Verstärkungen hat. Diese Schaltungsanordnung 41 umfaßt einen invertierenden Verstärker 43 mit einer Verstärkung von - A _s ( A _s> 1 ) und eine Eingangsklemme, die mit der Ausgangsklemme 13 b verbunden ist. Ein veränderlicher Widerstand 42 hat einen Widerstandswert R,« und ist mit seiner einen Klemme mit der Aus-

gangsklemme 13b und mit seiner anderen Klemme mit dem einen Ende eines Potentiometers 44 verbunden. Die Ausgangsklemme des invertierenden Verstärkers 43 ist mit dem anderen Ende des Potentiometers 44 überfeinen veränderbaren Widerstand 45 verbunden, der den Widerstandswert R,,. hat. Der Schleiferkontakt 44a des Potentiometers 44

45

ist mit dem einen Ende des Widerstands 18 verbunden, und zwar über einen Kondensator 46, dessen Kapazität so groß ist, daß er bei sehr niederfrequenten Signalen einen niederen Widerstand hat. Die Spannung am Verbindungspunkt S wird V_ genannt und die Spannung am Verbindungspunkt T wird V_ genannt und die Widerstandswerte des

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Potentiometers 44 oberhalb und unterhalb des Schleiferkontakts 44a werden R_v und

genannt. Man erhält dann die folgende Gleichung:

R jo + R»

V„ =

= V f-A' ) 42 X

^R42^+R45^+RX ^{+ R}Y

V . ■ ^R45 + ¹V ....(13)

^R42^+R45^+RX ⁺

Aus dieser Gleichung kann die Verstärkung G der Schaltung 41 wie folgt berechnet

werden:

w Pj-P

- + ^R45^{+ 1}V

42 '45

"ti ^O Λ Τ

II«

Der Ausgangswiderstand Z q "er Leistungsverstärkervorrichtung nach Figur 4 wird gemäß Gleichung ( 15 ) berechnet, die aus Gleichung ( 1 ) abgeleitet werden kann:

₀-R₁₆ .(I ₊ G. «17.)

^R18

Aus den Qeichungen 14 und 15 kann daher abgeleitet werden: Z₀ = R {1+ ^K17 . (1- ^I+A

U ' D

^{10 R}18 I₊ ^R45

R^₉ + Ry

⁷ 42 X ....(16)

\Afenn man daher die Werte der Wderstände R.„/ R.c / ^Rv' ·*γ ^und ^ ^s gemäß der folgenden Beziehung ableitet:

^R17 ^1+A's R

ι/ _t » > 1 + 17

^R18 1 + ^R45 ^{+ R}y "R^- ....(17)

R₄₂ +R_x

Hl

dann kann man einen negativen Ausgangswide-stand Z _ erhalten.

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Π 882 14

Die Figuren 6 bis 9 zeigen die Ergebnisse von tonfrequenten Impulsmessungen, die mit der Leistungsverstärkervorrichtung nach Fig. 4 durchgeführt wurden. Die Figur 5 zeigt das Schaltbild der Meßvorrichtung, worin ein Lautsprecher S mit der Leistungsverstärkervorrichtung P über eine Leitung Wverbunden ist, die einen Widerstand von 1 Ohm hat. Ein tonfrequenter Impuls mit einer Frequenz von 100 Hz wurde angelegt. Während eines Arbeitszyklus waren zwei Zyklen EIN und zwei Zyklen AUS. Der sich hieraus ergebende Spannungsverlauf wurde an den Eingangsklemmen des Lautsprechers abgegriffen und auf einem Oszillografen dargestellt.

Figur 6 zeigt den Ausgangs-Spannungsverlauf für den Fall, bei dem der Ausgangswiderstand der Leistungsverstärkervorrichtung P auf 1 Ohm eingestellt wurde. Wie gezeigt, erscheint ein Uberschwingen, wenn das Signal AUS ist.

Figur 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Kurvenverlaufs aus Fig. 6. Figur 8 zeigt die Ausgangsspannung für den Fall, daß der Ausgangswiderstand auf - 1 Ohm eingestellt wurde und so der Leitungswiderstand kompensiert wurde.

Figur 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Kurve nach Fig. 8. Aus dem Vergleich von Fig. 8 und Fjg. 9 kann man sehen, daß nunmehr kein Überschwingen eintritt.

Mit einer Leistungsverstärkervorrichtung nach der Erfindung kann man den Leitungswiderstand der Zuführungsleitung zwischen Verstärker und Lautsprecher Null machen,

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so daß man den Dämpfungsfaktor erniedrigen kann und Frequenzverzerrungen verhindern

L .

kann. Der erfindungsgemäße Leistungsverstärker gegenüber den bekannten Leistungsverstärkern ausgezeichnete Eigenschaften.

Leerseite

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Patentansprüche:

1./ Leistungsverstärker-Vorrichtung mit einem Leistungsverstärker, der einen nichtin vertierenden und einen invertierenden Eingang und einen Ausgang aufweist, mit einer ersten Ausgangsklemme, die mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers verbunden ist, mit einer zweiten Ausgangsklemme, mit einer Last, die über eine Zuleitung mit den ersten und zweiten Klemmen verbunden ist und mit einer Signalvorrichtung, die mit dem nichtinvertierenden Eingang des Leistungsverstärkers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromrückkopplungsvorrichtung zwischen der zweiten Ausgangsklemme und dem invertierenden Eingang des Leistungsverstärkers liegt und daß der Rückkopplungsfaktor einen Wert hat, bei dem der Ausgangswiderstand des Leistungsverstärkers , gemessen zwischen der ersten und zweiten Ausgangsklemme, negativ ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswiderstand in bezug auf den Widerstand der Zuleitung dem Betrag nach gleich und dem Vorzeichen gegenüber entgegengesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrückkopplungsvorrichtung einen ersten Widerstand umfaßt, dessen eines Ende mit

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der zweiten Ausgangsklemme und dessen anderes Ende mit Erde verbunden ist, daß eine invertierende Verstärkervorrichtung vorgesehen ist,,, deren Eingang mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden ist, daß ein zweiter Widerstand zwischen einem Ausgang der invertierenden Verstärkervorrichtung und dem invertierenden Eingang der Leistungsverstärker-Vorrichtung liegt und daß ein dritter Widerstand zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang der Leistungsverstärker-Vorrichtung liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Verstärker eine Verstärkung von - 1 hat und daß das Widerstandsverhältnis des dritten Widerstands zum zweiten Widerstand größer als 1 ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt der Verstärkung der invertierenden Verstärkervorrichtung und das Widerstandsverhältnis des dritten Widerstands zum zweiten Widerstand nicht größer als - 1 ist und daß der invertierende Eingang der Leistungsverstärker-Vorrichtung über einen Wderstand geerdet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der invertierenden Verstärker-Vorrichtung ein negativer Wert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die invertierende Verstärker-Vorrichtung einen invertierenden Verstärker umfaßt, dessen Eingang

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mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden ist, daß ein Potentiometer vorgesehen ist, dessen Schleif kontakt mit dem zweiten Widerstand verbunden ist, daß das eine unbewegliche Ende des Potentiometers mit dem Ausgang des invertierenden Verstärkers verbunden ist, daß das andere unbewegliche Ende mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden ist und dcß ein Kondensator zwischen dem Schleifkontakt und dem zweiten Widerstand liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die invertierende Verstärker-Vorrichtung veränderbare Widerstände aufweist, die jeweils zwischen dem einen unbeweglichen Ende des Potentiometers und dem Ausgang des invertierenden Verstärkers und zwischen dem anderen unbeweglichen Ende des Potentiometers und der zweiten Ausgangsklemme liegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrückkopplungs-Vorrichtung einen ersten Widerstand umfaßt, der zwischen der zweiten Ausgangsklemme und Masse liegt, daß ein Potentiometer vorgesehen ist, dessen eines unbewegliches Ende mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden ist und dessen Schleifkontakt mit dem invertierenden Eingang der Leistungsverstärkervorrichtung verbunden ist, daß ein Operationsverstärker mit einem geerdeten, nichtinvertierenden Eingang, einem invertierenden Eingang und ei nem Ausgang vorgesehen ist, daß ein zweiter Widerstand zwischen der zweiten Ausgangsklemme und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers liegt, daß ein dritter Widerstand zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers liegt, daß ein vierter Widerstand

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zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem anderen unbeweglichen Ende des Potentiometers liegt, und daß ein fünfter Widerstand zwischen dem anderen unbeweglichen Ende des Potentiometers und dem Ausgang der Leistungsverstärker-Vorrichtung liegt, mit der Bemessung, daß der Ausgangswiderstand zwischen einem positiven und einem negativen Wert veränderbar ist.

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