DE2920079C2 - Circuit arrangement for amplifying a low-frequency pulse-width-modulated square-wave signal - Google Patents

Circuit arrangement for amplifying a low-frequency pulse-width-modulated square-wave signal

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Description

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Die Erfindung beschäftigt sich mit einem sogenannten Verstärker der Klasse D, wie er auch als PDM- oder als PWW-Verstärker bekannt ist. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf »Elektor« (Dezember 1978), Seiten 36 bis 39.The invention deals with a so-called class D amplifier, as it is also called a PDM or known as a PWW amplifier. In this context reference is made to "Elektor" (December 1978), pages 36 to 39.

An den Eingang eines solchen Verstärkers wird ein mit Niederfrequenz (Tonfrequenz) pulsbreitenmoduliertes Rechtecksigna! angelegt. Am Ausgang wird das verstärkte niederfrequente Signal über ein integrierendes Tiefpaßfilter gewonnen, so daß an das Tiefpaßfilter anschließend unmittelbar ein Lautsprecher angeschlossen werden kann.A low-frequency (audio frequency) pulse-width-modulated amplifier is connected to the input of such an amplifier Rectangular sign! created. At the output, the amplified low-frequency signal is transmitted via an integrating Low-pass filter obtained, so that a loudspeaker is then directly connected to the low-pass filter can be.

Unterschiedlich zu üblichen NF-Endstufen, die auch bei sogenannten Schaltverstärkern als modifizierte, komplementäre Emitterfolge ausgebildet sind, besteht diese Schaltungsanordnung aus zwei Schaltern, die den Verbraucher abwechselnd an den Minuspol oder den Pluspol der Betriebsspannung schalten. Obwohl das Prinzip des PDM-Verstärkers schon längere Zeit bekannt ist, scheitert seine Realisierung bisher an den relativ großen Schaltzeiten der zur Verfugung stehenden Halbleiterbauelementen. Durch das Erscheinen von VMOS- und DMOS-Feldeffekttransistoren mit Schaltzeiten von weniger als 5 ns sind jedoch PDM-Verstärker mit Taktfrequenzen von 100 bis 500 kHz möglich.This differs from conventional AF output stages, which are also used in so-called switching amplifiers as modified, complementary emitter sequence are formed, this circuit arrangement consists of two switches that the Switch consumers alternately to the negative pole or the positive pole of the operating voltage. Though that Principle of the PDM amplifier has been known for a long time, its implementation has failed so far due to the relative long switching times of the available semiconductor components. With the appearance of However, VMOS and DMOS field effect transistors with switching times of less than 5 ns are PDM amplifiers possible with clock frequencies from 100 to 500 kHz.

Vorzugsweise werden deshalb bei der Realisierung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung VMOS- und DMOS-Feldeffekttransistoren verwendet, obwohl bei ähnlich günstigen Schaltzeiten auch andere Feldeffekttransistoren brauchbar sind.Preferably, therefore, when realizing the circuit arrangement according to the invention, VMOS- and DMOS field effect transistors are used, although other field effect transistors are also used with similarly favorable switching times are useful.

Die Erfindung betrifft somit eine Schaltungsanordnung zum Verstärken eines mit Niederfrequenz pulsbreitenmoduiierten Rechtecksignals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der obengenannten Literaturstelle »Elektor« (Dezember 1978) bekannt war.The invention thus relates to a circuit arrangement for amplifying a pulse width modulated with low frequency Square-wave signal according to the preamble of claim 1, as derived from the above Reference "Elektor" (December 1978) was known.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer einfachen und weniger aufwendigen Schaltungsanordnung, deren Funktion weitgehend unabhängig von der Spannung der Spannungsversorgung ist Außerdem soll die Ausgangsleistung der Schaltungsanordnung bei gleichem Eingangssignal im wesentlichen von dem Widerstandswert des Lastwiderstandes, d. h. des Lautsprechers und der Betriebssspannung bestimmt werden.The object of the invention is to provide a simple and less complex circuit arrangement whose Function is largely independent of the voltage of the power supply. In addition, the output power should be of the circuit arrangement with the same input signal essentially depends on the resistance value the load resistance, d. H. of the loudspeaker and the operating voltage.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Schaltungsmaßnahmen gelöst.This object is achieved according to the invention by what is stated in the characterizing part of claim 1 Circuit measures solved.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung und ihre Vorteile werden im folgenden anhand der in der Figuren der Zeichnung dargestellten Schaltungen erläutert.The circuit arrangement according to the invention and its advantages are described below with reference to the figures The circuits shown in the drawing are explained.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden die Source-Drain-Strecken eines P-Kanal-Feldeffekttransistors Tp und eines N-Kanal-Feldeffekttransistors Tn in Serie geschaltet, wobei die Drain-Elektroden D verbunden werden und der Verbindungspunkt der beiden Feldeffekttransistoren als Ausgang der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zu betrachten ist. An diesen Ausgang wird in bekannter Weise ein integrierendes Tiefpaßfilter, bestehend aus der Spule L und dem Kondensator CA. vor den Lautsprecher Sp geschaltet. Nach der F i g. 1 liegt in Serie zu dieser Anordnung ein Trennkondensator CZ. In the circuit arrangement according to the invention, the source-drain paths of a P-channel field effect transistor Tp and an N-channel field effect transistor Tn are connected in series, the drain electrodes D being connected and the connection point of the two field effect transistors as the output of the circuit arrangement is to be considered according to the invention. An integrating low-pass filter consisting of the coil L and the capacitor CA is connected to this output in a known manner. switched in front of the loudspeaker Sp . According to FIG. 1 is a separating capacitor CZ in series with this arrangement.

Die Source-Elektrode 5 des P-Kanal-Feldeffekttransistor Tp liegt am Pluspol + Ub und die Source-Elektrode S des N-Kanal-Feldeffekttransisto.'s am Minuspol (—). Der Minuspol kann beispielsweise an Masse gelegt werden, wie in der Figur angedeutet ist. Während die Gate-Elektrode des P-Kanal-Feldeffekttransistor Tp mit seiner Source-Elektrode über eine Parallelschaltung eines Entladewiderstandes RA mit einer Klemmdiode D 2 verbunden ist, wird in gleicher Weise die Gate-Source-Strecke des N-Kanal-Feldeffekttransistors Dn mittels der Parallelschaltung eines weiteren Entladewiderstandes R 3 mit einer weiteren Klemmdiode DX überbrückt. Die beiden Klemmdioden D X und D 2 sind derart gepolt, daß beim P-Kanal-Feldeffekttransistor 7p die Klemmdiode D 2 in Flußrichtung von der Gate-Elektrode zur Source-Elektrode Sund die Klemmdiode DX beim N-Kanal-Feldeffekttransistor Tn in Richtung Source-Elektrode S zur Gate-Elektrode in Flußrichtung liegen. Dadurch wird der P-Kanal-Feldeffekttransistor Tp mit negativer und der N-Kanal-Feldeffekttransistor Tn mit positiven Spannungsimpulsen angesteuert. Diese Ansteuerung erfolgt gleichphasig kapazitiv über die beiden Koppelkapazitäten Cl und C2 am Eingang fanThe source electrode 5 of the P-channel field effect transistor Tp is connected to the positive pole + Ub and the source electrode S of the N-channel field effect transistor is connected to the negative pole (-). The negative pole can, for example, be connected to ground, as indicated in the figure. While the gate electrode of the P-channel field effect transistor Tp is connected to its source electrode via a parallel connection of a discharge resistor RA with a clamping diode D 2 , the gate-source path of the N-channel field effect transistor Dn is in the same way by means of the Parallel connection of a further discharge resistor R 3 bridged with a further clamping diode DX. The two clamping diodes DX and D 2 are polarized so that in the P-channel field effect transistor 7p the clamping diode D 2 in the flow direction from the gate electrode to the source electrode Sund the clamping diode DX in the N-channel field effect transistor Tn in the direction of the source electrode S to the gate electrode in the direction of flow. As a result, the P-channel field effect transistor Tp is controlled with negative and the N-channel field effect transistor Tn with positive voltage pulses. This control takes place capacitively in phase via the two coupling capacitors C1 and C2 at the fan input

die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren über die beiden Schutzwiderstände R 1 und R 2, die bei einem Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung einen Widerstandswert von 33 Ohm aufwiesen, während die Koppelkapazitäten C1 und CI 0,1 μΡ s betrugen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung erhieken die Entladewiderstände R 3 und R 4 Widerstandswerte von 100 k · Ohm.the gate electrodes of the field effect transistors via the two protective resistors R 1 and R 2, which in one embodiment of the circuit arrangement according to the invention had a resistance value of 33 ohms, while the coupling capacitances C 1 and CI were 0.1 μΡ s. In the exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention, the discharge resistors R 3 and R 4 have resistance values of 100 k ohms.

Der Trennkondensator C3 kann entfallen (üaerbrückt werden) wenn zwei gleiche, in Reihe geschaltete Betriebsspannungsquellen (+Ub,- Ub) verwendet werden, zwischen deren Verbindungspunkt und dem Tiefpaß der Lautsprecher geschaltet wird, wie die F i g. 2 veranschaulichtThe isolating capacitor C3 can be omitted (bridged) if two identical, series-connected operating voltage sources (+ Ub, - Ub) are used, between their connection point and the low-pass filter, the loudspeaker is connected, as shown in FIG. 2 illustrates

Als Feldeffekttransistoren wurden BD 512 (P-Kanal-VMOS-Feldeffekttransistor) für Tp und BD 522 (N-Kanal-VMOS-Feldeffekttransistor) für Tn verwendetThe field effect transistors used were BD 512 (P-channel VMOS field effect transistor) for Tp and BD 522 (N-channel VMOS field effect transistor) for Tn

Die Einschaltwiderstände Ron der beider» Schaltzweige sollten möglichst gleich sein. Da aber die Ron- Widerstände von P-Kanal-VMOS-Transistoren viel größer (ca. doppelt so groß) wie die von N-Kanal gleicher Leistung sind, werden entsprechend mehr P-Kanal-VMOS-Feldeffekttransistoren parallelgeschaltet Dementsprechend erstreckt sich die Schaltungsanordnung nach der Erfindung auch auf die Verwendung von mindestens je einem weiteren Feldeffekttransistor gleichen Leitungstyps, der mindestens einem der Feldeffekttransistoren Tn bzw. Tp parallelgeschaltet wird. Von den N- bzw. P-Kanal-Feldeffekttransistoren müssen jeweils so viel parallelgeschaltet werden, daß ein Schaltwiderstand Ron vorzugsweise weniger als ein Zehntel des Ausgangswiderstandes bzw. des Lautsprecher-Widerstandes ist Dann lassen sich nämlich Wirkungsgrade von mehr als 90% erreichen. Die maximale Ausgangsleistung berechnet sich nach der GleichungThe switch-on resistances Ron of the two »switching branches should be the same as possible. However, since the Ron resistances of P-channel VMOS transistors are much larger (approx. Twice as large) as those of N-channel of the same power, correspondingly more P-channel VMOS field effect transistors are connected in parallel of the invention also to the use of at least one further field effect transistor of the same conductivity type, which is connected in parallel to at least one of the field effect transistors Tn or Tp. So many of the N- or P-channel field effect transistors have to be connected in parallel that a switching resistor Ron is preferably less than a tenth of the output resistance or the loudspeaker resistance. Efficiency levels of more than 90% can then be achieved. The maximum output power is calculated according to the equation

wobei der Einschaltwiderstand Ron der Feldeffekttransistoren nicht berücksichtigt ist.whereby the switch-on resistance Ron of the field effect transistors is not taken into account.

Ein Vorteil der Schaltungsanordnung nach der Erfindung besteht darin, daß das pulsbreitenmodulierte Signal nur mit einer Amplitude von 12 bis 15 V einphasig benötigt wird. Wirkungsgrade von 80 bis 97% bei Klirrfaktoren von weniger als 0,2% (ohne Gegenkopplung!) sind erreichbar. Bei fehlendem Ansteuersignal sind beide Transistoren gesperrt, so daß die Schaltungsanordnung sich selbst schützt und bei fehlender Ansteuerung kein Strom fließen kann.An advantage of the circuit arrangement according to the invention is that the pulse-width-modulated signal is only required with an amplitude of 12 to 15 V single-phase. Efficiencies of 80 to 97% Distortion factors of less than 0.2% (without negative feedback!) Can be achieved. If there is no control signal Both transistors are blocked, so that the circuit arrangement protects itself and if there is no control no electricity can flow.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Schaltungsanordnung zum Verstärken eines mit Niederfrequenz pulsbreitenmoduiierten Rechtecksignais, das an den Eingang der Schaltungsanordnung gelegt wird und zwei gegenphasig arbeitende in Reihe zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Spannungsversorgung liegende Feldeffekttransistoren ansteuert, wobei der Verbindungspunkt der Feldeffekttransistoren als Ausgang der Schaltungsanordnung dient, dadurch gekennzeichnet, 1.Circuit arrangement for amplifying a low frequency pulse width modulated square wave signal, which is applied to the input of the circuit arrangement and two working in antiphase in series field effect transistors located between the positive and negative pole of the power supply controls, wherein the connection point of the field effect transistors as the output of the circuit arrangement serves, characterized daß als Feldeffekttransistor komplementäre Feldeffekttransistoren (Tp, Tn) vom Anreicherungstyp verwendet, that complementary field effect transistors (Tp, Tn) of the enhancement type are used as field effect transistors, daß die Source-Elektrode (S) des P-K.anal-Feldeffekttransistors (Tp) am Pluspol (+ Ub) und die Source-Elektrode (S) des N-Kanal-Feldeffekttransislors (Tn)am Minuspol (—) der Spannungsversorgung liegen, that the source electrode (S) of the PK.anal field effect transistor (Tp) on the positive pole (+ Ub) and the source electrode (S) of the N-channel field effect transistor (Tn) on the negative pole (-) of the power supply, daß bei jedem der Feldeffektransistoren die Gate-Elektrode kapazitiv mit dem Eingang (E) der Schaltungsanordnung und über je eine Klemmdiode (D 1, D 2) und einem dazu parallelgeschalteten Widerstand (R 3, R 4) mit der Source-Elektrode (S) derart verbunden ist, daß beim P-Kanal-Feldeffekttransistor (Tp) d\e Klemmdiode (D 2) in Flußrichtung zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode (S) und beim N-Kanal-Feldeffekttransistor (Tn) die Klemmdiode (Di) in Flußrichtung zwischen der Source-Elektrode ^und der Gate-Elektrode liegen, so daß der P-Kanal-Feldeffekttransistor (Tp) mit negativem und der N-Kanal-Feldeffekltransistor (Tn) mit positivem Spannungsimpuls angesteuert wird.that in each of the field effect transistors the gate electrode capacitively with the input (E) of the circuit arrangement and via a respective clamping diode (D 1, D 2) and a resistor (R 3, R 4) connected in parallel to the source electrode (S) is connected in such a way that with the P-channel field effect transistor (Tp) the clamping diode (D 2) in the flow direction between the gate electrode and the source electrode (S) and with the N-channel field effect transistor (Tn) the clamping diode ( Di) lie in the flow direction between the source electrode ^ and the gate electrode, so that the P-channel field effect transistor (Tp) is controlled with a negative voltage pulse and the N-channel field effect transistor (Tn) with a positive voltage pulse. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem der Feldeffekttransistoren (Tn. Tp) mindestens je ein weiterer Feldeffekttransistor gleichen Leitungstyps des Anreicherungstyps parallelgeschaltet ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that at least one of the field effect transistors (Tn. Tp) is connected in parallel with at least one further field effect transistor of the same conductivity type of the enhancement type. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß so viele N-Kanal-Feldeffekttransistoren bzw. P-Kanal-Feldeffekttransistoren parallelgeschaltet sind, daß der Eingangswiderstand Ron jeder der Parallelschaltung der Feldeffekttransistoren gleichen Leitungstyps weniger als '/ίο des Lastwiderstandes bzw. des Lautsprecher-Widerstandes ist.3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that so many N-channel field effect transistors or P-channel field effect transistors are connected in parallel that the input resistance Ron of each of the parallel connection of the field effect transistors of the same conductivity type is less than '/ ίο of the load resistance or the loudspeaker -Resistance is.
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