DE3025100A1

DE3025100A1 - Verstaerker

Info

Publication number: DE3025100A1
Application number: DE19803025100
Authority: DE
Inventors: Peter Garde
Original assignee: Unisearch Ltd
Current assignee: Unisearch Ltd
Priority date: 1979-07-04
Filing date: 1980-07-02
Publication date: 1981-01-08
Also published as: GB2053609B; GB2053609A; CA1155503A; JPS5610715A; US4378530A

Description

Verstärker

Bei bekannten l/erstärkerschaltungen, die ihren zugeordneten PJetzteil enthalten, ist es schwierig,einen hohen Wirkungsgrad bei geringem Klirrfaktor zu erzielen. Ein hoher Wirkungsgrad des Verstärkers ist nicht nur deshalb erwünscht, idEil man für ein vorgegebenes Ausgangssignal eine möglichst geringe Leistungszufuhr über dem Netzteil haben will, sondern auch ,um die Verlustleistung des Uerstärkers zu v/erringern, sodaß zusätzliche Kühleinrichtungen entfallen können. Zusätzlich können Ausgangsstufen mit verringerter Nennleistung im Verstärker zur Anwendung kommen ader,ujenn verschiedene Ausgangsstufen vorhanden sind, lassen sich diese auf die notwendige Anzahl für eine vorgegebene Verstärkernennleistung reduzieren. Durch Verringerung bzw. Vermeiden von Kühleinrichtungen ,durch die Verringerung der Ausgangsnennleistung und durch die Verringerung der Anzahl der Ausgangsstufen lassen sich der Herstellungsaufwand, die Größe und das Gewicht des Verstärkers verringern. Der Aufwand, die Größe und das Gewicht lassen sich noch zusätzlich verringern, wenn Netz- oder Niederfrequenztransformatoren, die im wesentlichen Leistung führen, in Fortfall kommen, obgleich,wenn der Netztransformator in Fortfall kommt, in vielen Anwendungsfällen eine zusätzliche Netzgerätisolation vorgesehen sein muß. Ein Verstärker mit hohem Wirkungsgrad läßt sich bei niedrigen Temperaturen betreiben. Da die Ausgangsstufen nur gering beansprucht werden, läßt sich die Betriebssicherheit erhöhen.

Eine geringe Verzerrung bzw. ein geringer Klirrfaktor ist ebenfalls ein wesentliches Erfordernis für einen Verstärker. Verstärker mit hohem Wirkungsgrad, welche mit Schalttechnik arbeiten, sind als Klasse-D-Verstärker bekannt geworden (beispielsweise aus: H.R. Camenzind, "Modulated pulse audio power amplifiers for integrated circuits", IEEE Trans. Audio Electroacoust., vol. AU-14, pp. 13G-IItG₁ Sept. 1966; 3.Ά. Dutra, "Digital amplifiers for analog power", IEEE Trans. Consumer Elec, vol. CE-24, pp. 3G8-31G, Aug. 1978). Diese Verstärker haben sich jedoch nicht durchgesetzt, da ihr Klirrfaktor hoch ist. Insbesondere für Tonfrequenzverstärker, die in der High-Fi-Technik zur Anwendung kommen sollen, ist ein geringer Klirrfaktor wesentlich. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich bei den Klasse-D-Verstärkern dadurch, daß vom Verstärkerausgang

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eine huchfrequente Störung bzw. ein hochfrequentes Rauschen abgegeben wird.

Aus J.L. Jensen, "Amplifier having series regulates voltage supply", U.S. Patent IMo. 3,£t2G,29G, Feb. it, 1969; U.M. Kibakin, "An amplifier with a tracking power supply", Telecommun. Radio Eng., pt. 2, vol. 30, pp. 127-12B, Mar. 1975 sind Uerstürker mit hohem Wirkungsgrad bekannt, bei denen keine Schaltsignale an den Ausgängen vorkommen. Insofern werden dort keine hochfrequenten Störungen abgegeben. Diese Uerstärker besitzen jedoch keinen niedrigen Klirrfaktor und ihre Ausgangsstufen sind vom Netzteil nicht isoliert. Ferner benötigen sie Tonfrequenztransformatoren, von denen einer die gesamte Uerstärkerausgangsleistung überträgt und welche eine IMetzisolation benötigen. Diese Uerstärker besitzen jedoch keinen hohen Wirkungsgrad, wenn die Ausgangsstufen mit einem geeigneten Strom versorgt werden (zum Beispiel beträgt bei einem A-Uerstärker der Ruhestrom die Hälfte des maximalen Spitzenstromwertes).

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile, welche bei D-Uerstärkern bei den in den vorgenannten Ueröffentlichungen von Jensen und Hibakin beschriebenen Uerstärkern auftreten, zu vermeiden, das heißt, eine Uerstärkerschaltung zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad und niedrigen Klirrfaktor aufweist, wobei am Uerstärkerausgang Störungen unterbunden sind und der Herstellungsaufwand verringert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, wobei in den Unteransprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind.

Das Uerstärkersystem nach der Erfindung besitzt wenigstens zwei gleichlaufende Nachlaufschaltregler oder einen Zweifachausgangsleistungsregler, welche die Spannung an der Ausgangsstufe in Abhängigkeit vom Signal oder dessen Hüllkurve ändern.

Ein Uerstärker besitzt dann einen niedrigen Klirrfaktor, wenn seine Signalübertragungsfunktiün möglichst der gewünschten Übertragungsfunktion entspricht. Die gewünschte Übertragungsfunktion für einen Tonfrequenzverstärker ist für alle Tonfrequenzen linear, während in einem Steuersystem zum Beispiel die gewünschte Übertragungsfunktion nicht linear sein kann. Bei Anwendung der Erfindung können beide Arten der Übertragungsfunktion mit hoher Genauigkeit erzielt werden, sodaß sich ein möglichst geringer Klirrfaktor erzielen läßt.

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In vorteilhafter Ldeise kann heim Verstärker der Erfindung der Tonfrequenztransfurmator in Fortfall kommen. Auf diese Weise lassen sich der Aufwand, die Größe und das Gewicht des Verstärkers verringern. Außerdem läßt sich der Anteil an negativer Rückkoppelung,mit dem die Ausgangsstufe beaufschlagt werden kann und der normalerweise durch die Phasenverschiebung im Tonfrequenztransfürmator begrenzt ist, erhöhen.

Der Anteil an Gegenkoppelung läßt sich dadurch.erhöhen, daß eine den Empfänger umfassende Gesamtschleifε gebildet wird, die die Ausgangsstufe in lokalen Rückkoppelungsschleifen enthält. Der hohe Pegel an Rückkoppelung um die Ausgangsstufe ist auch ein Grund dafür, weshalb der Verstärker einen niedrigen Klirrfaktor aufweist.

Der hohe Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verstärkers ergibt sich daraus, daß die Spannung an jeder Ausgangsstufe, die im wesentlichen Strom führt, durch Nachlaufschaltregler niedrig gehalten wird. Die Ausgänge der Regler halten die Signalpegel der Ausgangsstufen im Gleichlauf. Es können zwei Schaltregler bzw. ein Zweichfachausgangsschaltregler im Gegensatz zu dem einfachen Regler bei den von Jensen und Kibakin beschriebenen bekannten Verstärkern vorgesehen sein. Hierdurch wird erzielt, daß ein Tonfrequenzausgangstransformator, wie er bei den Verstärkern nach Jensen und Hibakin notwendig ist, überflüssig wird. Die IMachlaufschaltregler bei den AusführungsfDrmen der Erfindung können durch Einbau eines Transformators mit einer Isolation für die Spannungsversorgungsquelle ausgestattet sein. Dieser Transformator kann mit Hochfrequenzsignalen betrieben werden, die über dem Tonfrequenzspektrum liegen, sodaß seine Größe und sein Gewicht gering gehalten werden können. Der Verstärker läßt sich sowohl mit einer Uechselspannungs- als auch Gleichspannungsquelle versorgen.

Ein wesentlicher Vorteil e-rgibt sich daraus, daß ein großer Anteil an Gegenkoppelung um die Ausgangsstufe gewonnen wird. Hierdurch ist es möglich, den Verstärkerausgang von den Ausgängen der gleichlaufenden Schaltregler zu isolieren, wodurch der Klirrfaktor niedrig gehalten werden kann. Die Isolierung läßt sich noch dadurch erhöhen, daß gleichlaufende lineare Regler zwischen die gleichlaufenden Schaltreglerausgänge und die Verstärkerausgangsstufe geschaltet wird.

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Die Erfindung ist anwendbar bei Verstärkern und Invertern, die ihre eigene Spannungsversorgungsquelle enthalten und insbesondere bei Tonfrequenzleistungsverstärkern. Insbesondere läßt sich bei der Erfindung ein hoher Wirkungsgrad und ein niedriger Klirrfaktor bei einer Kombination aus Verstärker und Versorgungsspannungsquelle εγζϊεΙεπ. Der Aufwand bei der Herstellung ist gering,und außerdem besitzt das Gerät geringe Abmessungen und ein niedriges Gewicht. Außerdem läßt sich die Betriebssicherheit erhöhen.

Anhand der beiliegenden Figuren soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten rückgekoppelten Verstärkers;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erstEn Ausführungsbeispiels; Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 ein Blockschaltbild, das zur Verringerung des Klirrfaktors bei den Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 eingesetzt werden kann;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform zur Verringerung des Klirrfaktors, die ebenfalls bei den Figuren 2 und 3 zum Einsatz kommen kann;

Fig. 6 ein Schaltbild eines Verstärkers, bei dem jedoch die Spannungsversorgungsquelle nicht enthalten ist und welcher im ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 7 ein Schaltbild für einen Schaltregler, der beim zweiten Ausführungsbeispiel verwendet werden kann;

Fig. B ein Schaltbild für einen Schaltregler, der beim zweiten Ausführungsbeispiel verwendet werden kann und

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Fig. 3 ein weiteres Schaltbild für einen Schaltregler, der ebenfalls beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann.

Bei der weiteren Erläuterung der Erfindung wird zunächst Bezug genommen auf den bekannten Verstärker, der in der Fig. 1 dargestellt ist.

Ein Eingangssignal v. wird zusammen mit einem aus einer Rückkoppelungsschleife FN1 kommenden Signal in einer Wiederleistungsverstärkerstufe A1 verstärkt und dann an Hochleistungsverstärkerstufen A2, A3 weitergeleitet. (Variable Signale sind durch die Verwendung von Kleinbuchstaben bezeichnet.) Die Verstärkerstufen A2 und A3 bilden eine Gegentakt-Ausgangskonfiguration. Die Ausgänge von A2 und A3 werden miteinander addiert und bilden ein Ausgangssignal ν . Eine Rückkoppelungsschleife F1\11 um die Verstärkerstufen bildet die Übertragungsfunktion υ -v. des geschlossenen Regelkreises des Verstärkers. Die Hochleistungsstufen A2 und A3 werden aus einer herkömmlichen Versorgungsquelle PS versorgt. Ausgangsspannungen V_ und V., der Versorgungsquelle PS sind etwa konstant. (Für konstante Größen werden Großbuchstaben verwendet.)

Es gibt verschiedene Betriebsarten für die Verstärkerstufen A2 und A3. Drei gebräuchliche Betriebsarten sind unterteilt in Klassen A, B und AB. Beim Betrieb nach Art eines A-Verstärkers sind die Verstärkerstufen A2 und A3 niemals vollständig abgeschaltet. Hieraus resultiert ein niedriger Klirrfaktor, jedoch benötigt man eine Ruheversorgungsleistung. Insofern ergibt sich auch bei einem A-Verstärker ein relativ niedriger Wirkungsgrad. Bei einem nach Art eines B-Verstärkers betriebenen Verstärkers verstärkt die Verstärkerstufe A2 das Signal nur während der Hälfte der Signalschwingung und wird dann abgeschaltet. Die Verstärkerstufe A3, welche bei eingeschalteter Verstärkerstufe A2 ausgeschaltet ist, verstärkt die andere Hälfte der Signalschwingung. Bei einer derartigen Betriebsart ist keine Ruheversorgungsleistung notwendig, sodaß sich der Wirkungsgrad erhöhen läßt. Bei einem derartigen Betrieb ergibt sich jedoch eine erhebliche Verzerrung (Übergangsverzerrung), wenn bei jedem halben Zyklus das Signal zwischen der Verstärkerstufe A2 und der Verstärkerstufe A3 hin- und hergeschaltet wird. Ein AB-Verstärker ist ein Kompromiß zwischen einem A- und B-Verstärker. Beim AB-Verstärkerbetrieb sind beide Verstärkerstufen A2 und A3 für niedrige Signale bestimmt, und das System arheitet nach Art eines A-Verstärkers. Nur wenn der Signalpegel hoch ist, werden die Verstärkerstufen A2

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und A3 abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Hierbei wird der Klirrfaktor verringert und die Ruheversorgungsenergie niedrig gehalten. Außerdem ist der Wirkungsgrad besser als beim reinen A-Verstärkerbetrieb.

Bei den bekannten Verstärkern, die diese Betriebsarten aufweisen, ergibt sich ein Wirkungsgrad,der erheblich geringer als 1GG % ist. Bei einem sinusförmigen Signal besitzt beispielsweise ein A-Verstärker einen maximalen Wirkungsgrad von 50 %. Bei idealem Betrieb eines B-Uersterkers läßt sich ein maximaler Wirkungsgrad von 7S % erzielen. Diese Wirkungsgrade lassen sich nur bei voller Aussteuerung und bei idealen Bedingungen erzielen. In Wirklichkeit ist der Wirkungsgrad eines Verstärkers, der seine Versorgungsquelle enthält, äußerst niedrig und beträgt häufig nur wenige Prozent.

Die UDm bekannten Verstärker verbrauchte Energie ist relativ hoch. Beispielsweise beträgt der maximale augenblickliche (Spitzen-) Energieverbrauch etua das Doppelte der maximalen Ausgangsenergie bei einem A-Verstärker und bei einem B-Verstärker die Hälfte der maximalen Ausgangsenergie. Der maximale Durchschnittsenergieverbrauch beträgt bei einem A-Verstärker im Idealfall das Doppelte der maxirralen Ausgangsenergie und bei einem B-Verstärker das Ojit-fache der maximalen Ausgangsenergie bei sinusförmiger Aussteuerung.

Die Schwierigkeit eines niedrigen Wirkungsgrades ergibt sich beim bekannten Verstärker daraus, daß die Versorgungsspannungen V und V in der Figur 1 konstant sind. Schwierigkeiten bei der Bemessung ergeben sich daraus, daß in einem solchen Augenblick, in welchem ν klein ist, nur geringe Werte für V„ und V-, erwünscht sind. V und V-, müssen jedoch groß bemessen sein, da ν auch groß werden kann. Selbst wenn die Verstärkerausgangswellenform eine große Amplitude aufweist, sind nicht für den gesamten Zyklus der Wellenform hohe Werte für V_ und V-, erwünscht. Im Hinblick auf die augenblicklich vorhandene Amplitude eines Ausgangssignals sind für die meisten Signale V„ und V-, zu hoch bemessen. Demgemäß ist die Spannung an den Verstärkerstufen A2 und A3 größer als erwünscht. Hieraus resultiert ein wesentlicher Leistungsverlust,und der Wirkungsgrad des Verstärkers ist gering.

Wenn anstelle fest vorgegebener VersDrgungsspannungen für die Leistungsverstärkerstufen diese Versorgungsspannungen geändert werden in Abhängigkeit von der minimal vom Verstärker benötigten Energie unter Berücksichtigung des zu

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verstärkenden Signals, läßt sich ein Verstärker mit hohem Wirkungsgrad erzielen. Eine derartige Betriebsart ließe sich beim Verstärker der Figur 1 dadurch erzielen, indem man die Ausgangsspannungen V_ und U, der Versargungsquelle PS ändert in Abhängigkeit von der V/erstärkerausgangsspannung ν . Eine Spannungsversargungsquelle, deren Ausgangsspannung sd bemessen ist, daß sie einem vorgegebenen Signal folgt, wird auch als Nachlaufregler bezeichnet. Wenn der Nachlaufregler linear arbeitet, läßt sich der Wirkungsgrad des Gesamtsystems nicht verbessern, weil die zunächst in den Verstärkerstufen AZ und A3 verbrauchte Energie nunmehr durch den linearen Nachlaufverstärker verbraucht uärd. Um den Gesamtidirkungsgrad zu erhöhen, benötigt man einen Nachlaufregler mit hohem Wirkungsgrad. Ein derartiger Regler läßt sich erzielen, wenn gegenüber dem Linearbetrieb der Schalttechnik der Vorzug gegeben wird. Ein derartiger Regler wird auch als Nachlaufschaltregler (TSR) bezeichnet. Es ist schwierig, einen Nachlaufschaltregler (TSR) zu schaffen, der mit hoher Genauigkeit seinem Eingangssteuersignal folgt. Diese Eigenschaft ist jedoch von geringer Bedeutung, da die Verstärkerstufen AZ und A3 bei einem beliebigen Klirrfaktor in v„ und ν., korrigiert sind.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Fig. Z nunmehr erläutert werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden für A1, A2, A3 und F1M1 die gleichen Bausteine verwendet wie in der Fig. 1. 3edoch erfolgt die Energieversorgung der Verstärkerstufen A2 und A3 durch Nachlaufschaltregler. Die Nachlaufschaltregler können in zwei Bausteine aufgeteilt sein und können als Schaltreglersteuerungen SRC1 und SRCZ sowie Schaltregler SR1 und SRZ ausgebildet sein. Das Eingangssignal für die Schaltreglersteuerungen ist die Verstärkerausgangsspannung ν . In der Praxis lassen sich die Spannungen v„ und V-, innerhalb eines Bereiches von 5 bis 1D Volt in Abhängigkeit von ν halten. Hieraus wird ersichtlich, daß man eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber dem bekannten Verstärker erzielt, bei dem die Spannungsversorgung auf eine Ausgangsspannung von + kQ bis + 80 Volt festgelegt ist.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Ausführungsform nach der Fig. Z, wenn die Größe der Spannungen v„ und v-, in der Nähe der Spannung ν gehalten wird. In diesem Fall lassen sich die Nennspannungen der Verstärkerstufen AZ und A3 im Vergleich zu bekannten Verstärkern erheblich verringern.

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Dieses Erste Ausführungsbeispiel kann nach Art eines A-, G- ader AB-Uerstürkers arbeiten. Ein spezieller Vorteil dieses ersten Ausführungsbeispiels liegt noch darin, daß der Wirkungsgrad höher ist als bei den in den vorstehend genannten Veröffentlichungen von Jensen und Fiibakin beschriebenen Verstärkern, für solche Verstärker, welche nach Art eines A-Verstärkers und nach Art eines AB-V/erstärkers arbeiten, da die Spannung an allen Ausgnngsgerüten niedrig ist. Die Spannung an allen Ausgangsgeräten bei den von .lonsen und Kibakin beschriebenen Verstärkern kann jedoch bei einer Signalverarbeitung nicht niedrig gehalten werden.

Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 3 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden [Machlaufschaltregler des ersten Ausführungsbeispiels ersetzt durch einen Zweifachausgangsnachlaufschaltregler. Dieser setzt sich zusammen aus einer Schaltreglersteuerung SRC3 und einem Schaltregler SR3. Im übrigen ist der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels ähnlich dem des ersten Ausführungsbeispiels. Ein Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels besteht noch darin, daß es ohne großen Aufwand verwirklicht werden kann.

Zur Erzielung des hohen Wirkungsgrades hält der Zweifachnachlaufschaltregler die Ausgangsspannungen so niedrig wie möglich, wobei jedoch gewährleistet ist, daß der Verstärker noch die notwendige Ausgangsspannung ν liefert. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist noch eine weitere Besonderheit vorgesehen dahingehend, daß die Größe der Spannung V₂ höher bemessen ist als die Größe der Spannung v.,, wenn der Strom in der Verstärkerstufe A3 größer ist als der Strom in der Verstärkerstufe A2. Im umgekehrten Fall ist die Größe der Spannung v-, höher bemessen als die Spannung v_, wenn der Strom in der Verstärkerstufe A2 größer ist als der Strom in der Verstärkerstufe A3. Beim ersten Ausführungsbeispiel hängen die Spannungen v„ und v-, von diesen Bedingungen nicht ab. Insofern verringert sich der Wirkungsgrad beim zweiten Ausführungsbeispiel gegenüber dem des ersten Ausführungsbeispiels, wenn der Ruhestrom der Verstärkerstufen A2 und A3 erhöht wird. Jedoch ist in jedem Fall der Wirkungsgrad noch bedeutend höher als beim bekannten Verstärker der Fig. 1.

Die !Machlaufschaltregler des Ersten und zweiten Ausführungsbeispiels beziehen ihre Ausgangsspannungen von einer Wechselspannungs- oder Gleichspannungsversorgungsquelle über kleine Transformatoren, die bei hoher Frequenz arbeiten. Der Aufwand, die Größe und das Gewicht derartiger Ausführungsformen wurden bereits erwähnt.

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Der Klirrfaktor der AusführungsfarmEn der Erfindung läßt sich weiter verringern, uienn der Klirrfaktor, mit dem die Spannung v„ und v-, behaftet ist, verringert wird. Dies läßt sich dadurch erzielen, daß sich an die Nachlaufschaltregler lineare Nachlaufregler anschließen. Eine entsprechende Ausführungsfarm ist in der Fig. k dargestellt. Ein linearer Regler LR ist an den Ausgang des j

Nachlaufschaltreglers TSR angesprochen,und das gewonnene Ausgangssignal wird an die Verstörkp.rstufe A2 bzw. A3 weitergeleitet. Der lineare Nachlauf regler wird gesteuert durch eine lineare Nachlaufreglersteuerschaltung LRT in Abhängigkeit von der Spannung ν oder einer anderen geeigneten Spannung. Eine wei- t tere Verringerung des Klirrfaktors von v„ und v.,, durch welche ebenfalls der ■

Klirrfaktor der Uerstärkerstufen A2 und A3 verringert udrd, ergibt sich dadurch, daß eine lokale Rückkoppelungsschleife um die Uerstärkerstufen A2 und A3 s und/oder lokale Rückkoppelungsschleifen jeweils um A2 und A3 vorgesehen sind. ' Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Figur besitzt eine Ausgangsstufe A, eine Rückkoppelungsschleife FN.

Ein Schaltbild für einen Verstärker, bei dem die Versorgungsenergiequelle nicht dargestellt ist, ist in der Fig. 6 dargestellt und kann zur Anwendung kommen sowohl beim ersten und beim zweiten Ausführungsbeispiel. Ein Verstärkereingangssignal \i. wird durch ein Bandpaßfilter,bestehend aus C1, C2, R1 und R2,gefiltert. Die Eingangsstufe besteht aus einem Differenzierschaltungspaar Q1 und Q2, deren Emittergegenkopplung über Widerstände R^ und R5 erzielt wird. Die Eingangsstufe wird durch eine Stromspiegelschaltung Q3, Qif, RG und R7 belastet.

Die zweite Stufe besitzt einen Verstärker Q6 in Emitterschaltung, der durch einen Emitterfolger Q5 betrieben wird. Eine Gesamtrückkoppelungsschleife wird durch CG frequenzkompensiert. Die zweite Stufe ist belastet durch den stromliefernden Transistor Q7.

Die Ausgangsstufe besitzt eine komplementäre Gegentaktkonfiguration. Die Darlingtonschaltung der Emitterfolger Q2D und Q21, Q22 und Q23 wird betrieben von Differenzierschaltungspaaren QB und 0.9, Q1D und Q12. Die Differenz!erschaltungspaare sind belastet von Stromspiegelschaltungen Q12 und Q13, Q/lif und Q.15. Es sind zwei lokale Rückkoppelungsschleifen in der Ausgangsstufe vorhanden. Diese werden vervollständigt durch Widerstände R17 und R19 und frequenzkompensiert durch CB und C9. Die Ausgangsstufe besitzt zwei lineare Regler,bestehend aus

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D5, i±2k und 1425, Dfi, [427 und Q28. Die Regler bestimmen die Ruhebediaiungen für die Ausgangsstufe. Die Regler werden durch QZ6 gestartet. Der Basisstrom der Ausgangstransistoren wird gesteuert durch den von Q7 kammenden Strom und durch die Komponenten R15, R3D und R31. Eine Verzerrung durch Überschneidung wird verhindert durch Auskoppelungstransistaren Q1S und Q17. Die Ausgangsstufe wird durch Strombegrenzungstransistnren Q18 und Q. 19 geschützt.

Die Verstärkerlast, ujelche eine Spannung ν ' aufweist, ist bei hohen Frequenzen durch ein Tiefpaßfiltsr C12, L1 und R37 vom Verstärker entkoppelt. Die Verstärkerausgangsspannung ν bildet das Eingangssignal der Schaltreglersteuerschaltung. Die Komponenten Ct, C5, R1D und R11 bilden eine Gesamtgegenkoppelungsschleife.

In der Fig. 7 ist ein Schaltbild einer SchaltreglErstEuerschaltung dargestsllt, die beim zwsiten AusführungsbEispiel angewendet werden kann. Es sei angenommen, daß der Knotenpunkt am negativen Eingang von A1Ü7 PJullpotential aufweist. Die Schaltung, welche mit A101 und A1D2 bestückt ist, bestimmt die geringere Amplitude der VerstärkErausgangsstufenversorgungsspannungen v„ und v-, und ÜEfert proportional hierzu einen negativen Strom über R110 in den Knotenpunkt. Die Schaltung, welche mit A1D3 und A1Q4 bestückt ist, führt eine Zweiweggleichrichtung der Verstärkerausgangsspannung ν durch und liefert proportional hierzu einen positiven Strom über RMk und R11S zum Knotenpunkt. Ferner wird ein konstanter Strom über R123 zum Knotenpunkt gEÜEfert. In Wirklichkeit ist das KnotenpunktspotEntial nicht Null, sondern oszilÜErt nahe um das Nullpotential, wobei der exakte Wert angibt, Db der Schaltreglerausgang erhöht wird ader nicht. Befindet sich der Ausgang von A107 auf einem niedrigen Zustand, bedeutet dies, daß dsr ReglErausgang erhöht wird. Ein geringer Anteil an positiver Rückführung um A1D7 über R124 und R125 verhindert jegliche ungewollte hochfrequente Storschwingung.

Befindet sich der Ausgang des Komperators A1D7 auf einem hohen Zustand, so bedeutet dies, daß der Reglerausgang verringert wird. Dieser hohe Zustand wird über D1OB, A1Q9 und G1G1 auf G102 und G103 übertragen, WElchE hinwiederum Q103 und Q1Q^ und damit den Schaltregler abschalten, wie es erwünscht ist. Wenn der positive Eingang von A1G9 einen hohen Zustand annimmt, veranlaßt der Ladestrom von C1QZ, daß Q1Q2 der Kondensator C104 vollständig EntladEn wird. Die Leerlaufgleichspannungsquelle V101 ist klein bemessen oder kann so angeordnet sein, daß

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kein Strom in ihr fließt bei dieser Bedingung. Der Kondensator ClO^, der zeitbestimmend für den Sägezahnoszillatar 0101 ist, uiird dann vom Oszillator durch einen konstanten Strom aufgeladen, der festgelegt ist durch R131. Die Kondensatorspannung steigt an, bis sie gleich der Leerlaufgleichspannung der Spannungsquelle V1Q1 + der Sättigungsspannung von Q101 ist. Diese Gesamtspannung liegt etwas über der an R127 liegenden Spannung. Die Kondensatorspannung ist konstant, da der vom Oszillator kommende Strom über Q101 nach Erde fließt. Weder Q103 noch Q/lOi* sind eingeschaltet, während die Spannung an C1Q£t unter der Spannung ist, die an R127 liegt, da der Ausgang uon A108 einen hohen Zustand aufweist,und der Ausgang uan G101 ebenfalls einen hohen Zustand aufweisen muß. Die Zeit, welche benötigt wird, um C10l· auf die Spannung zu laden, welche an R1Z7 liegt, wird Totzeit genannt. Die Totzeit ist lang, wenn die Spannung erst an die Steuerschaltung gelegt wird, da C102 zunächst aufgeladen werden muß. Hieraus ergibt sich eine gewünschte langsame Einschaltcharakteristik.

Wenn der Reglerausgang auf einen zu niedrigen Zustand abfällt, wird der Ausgang uon A107 ebenfalls niedrig. Wenn zusätzlich die Spannung an R127 geringer ist als die an C104, wird der niedrige Zustand über A109 an den Ausgang von G101 übertragen, und einer der Transistoren Q103 bzw. 10if wird eingeschaltet. Hierdurch wird der Reglerausgang angehoben. Der Transsitor 0.101 ist nunmehr ausgeschaltet, sodaß die Spannung an C1Qi+ linear anwächst. Wenn die Reglerspannung nicht in ausreichendem Maße anwächst, wird die Spannung an C1Q£t gleich der Spannung am positiven Eingang von A1Q9. Der Ausgang υαπ Α109 ändert seinen Zustand, und der Regler wird während einer Zwangstotzeit ausgeschaltet, nach welcher die Reglerspannung wieder anwächst. Wenn der Reglerausgang die gewünschte Ausgangsspannung erreicht, werden Q103 und QIO^ ausgeschaltet. Das Flip-Flop F101 steuert das Ein-Signal abwechselnd von G101 auf Q103 und QIQit.

Wenn die Spannungen v„ bzw. v, oder deren Unterschied zu groß wird, kann auch die Verstärkernennspannung überschritten werden. In der Praxis ergeben sich keine Schwierigkeiten bezüglich der GrößE der Spannung u-, für den Verstärker der Fig. 6, da υ, durch die Sättigung von QG "begrenzt ist. Die Größe von v„ ist begrenzt durch die Steuerschaltung der Fig. 7,und zwar durch den Schaltkreis, welcher mit A106 bestückt ist. Die Spannungsdifferenz zwischen ν_? und V^ wird begrenzt durch die mit A105 versehene Schaltung. Ein hoher Zustand am Ausgang von A105 bzw. A106 schaltet den Regler in der gleichen LJeise aus, wie das durch einen hohen Zustand am Ausgang von A107 erfolgt.

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Urn die AnsprechcharaktEristik der Steuerschaltung zu verbessern, kann man είπε Voreil- und/oder IVacheilkampensatinnsschaltung in diE Signalwege vor A1Ü7 schalten. Wie diES durchzuführBn ist, ist in der Fig. 7 im ΕίηζΕΐηεη nicht dargestellt.

Ein Schaltbild für Einen Schaltregler, der beim zueitfin Ausführungsbeispisl verwendet werden kann, ist in dsr Fig. 8 dargestellt. In dieser Schaltung wetden BipalartransistürEn Q2Q1 und Q206 als Netzumschalter verwendet. Diese IMetzumschalter werdsn vErsorgt übEr Transformatoren T101 und T102 der SchaltreglerstEuerschaltung in dEr Fig. 7. Die BasissteuErschaltungsn für Q 2G1 und Q2ÜG in der Fig. B, weiche zusammengesetzt sind aus Q202, Q2D3, U.2Qtt und 0.205, Q207, Q20B und Q2Q9 und Q210 können rasch ein- und ausschalten und versorgen die Basen mit dem notujEndigen Strom, verhindern eine Sättigung in Q201 und Q2Q6, entladen die Basen bei hohEm Strom und halten die Basen auf ειπεγ geeigneten negativen Spannung, wenn die IMetzumschalter ausgeschaltet sind. Die Dioden D209 und D215 verhindern Gegenspannungen an Q2Q1 und Q2QG. Die Dioden D2Q7 und D208 sind Schutzdioden, welche die Energie zur QubIIe zurückfließen lassen, wenn die IMetzumschalter ausgeschaltet sind. Die "Stoßdämpfer"-Schaltung C2G7 und R203 schützen Q2Q1 und Q206 und verbessern den Wirkungsgrad des Reglers. Eine Gleichspannungsversorgungsquelle ist direkt abgeleitet vom Netz durch C201, C2Q2, D2Q1 und D202. Ein Triac TR201 und ein Widerstand R2G1 verhindern große Ströme, uiEnn die Schaltung erstmalig eingeschaltet wird. Der Ausgang eines Hochfrequenztransformators T2G1 wird durch D2Q3, D2Q4, D205 und D206 gleichgerichtet und durch T2Q2, C205 und C2G6 geglättet. Der Transformator T202 ist kein wesentlicher Bestandteil der Schaltung, jedoch ist er von Uorteil bei Hochleistungszwecken. Zusätzliche Strombegrenzungen neben den bereits in der Schaltung vorhandenen können dann noch vorgesehen sein, wenn T2Q2 verwendet wird.

In der Fig. 9 ist eine andere Ausführungsform des Schaltreglers dargestellt. Bei dieser Ausführungsform werden MQS-Feldeffekttransistoren F3Q1 und F3D2 als IMetzschalter verwendet. Die Betriebsweise dieser Schaltung ist ähnlich der des Schaltreglers in der Fig. 8. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ist jedoch die Gate-Steuerschaltung, welche Q3G1 und Q3Q2 enthält, äußerst einfach aufgebaut. Aufgrund des raschen Ansprechverhaltens von F3Q1 und F3Q2 ergibt sich eine zusätzliche Verbesserung.

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Dei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispiolen werden die Spannungen v„ und v^. durch die Verstärkerausgangsspannung u gesteuert. Zur Steuerung sind natürlich such andere Eingangsspannungen geeignet, die eine Funktion von ν sind. Beispielsweise läßt sich das Verstärkereingangssignal oder ein diesem zeitlich vorhergehendes Signal oder ein zu diesen Phasen verschobenes Signal verwenden.

Um die Erläuterung der Betriebsweise ri^r V^rst/^rkernusführungsbe:· spiele nit hohütn Uirkungsgrad und geringem Klirrfaktor zu erleichtern, wurden die Stufen mit bestimmten Funktionen getrennt betrachtet und in verschiedenen Blöcken in den Figuren i^argestellt. Diese Aufteilung ist jedoch in gewisser Hinsicht willkürlich. Wenn man die Betriebsweise des Uerstärkers unter einem anderen Gesichte punkt betrachtet, läßt sich auch eine andere Aufteilung der Blöcke vornehmen, beispielsweise können A2 und A3 zueinander gruppiert werden. Ferner können SRC und SR miteinander gruppiert werden. SRC und SR können auch als Bestandteil des Verstärkers beibehalten werden, da sie Signale verarbeiten, üienn man derartige Unterscheidungen macht, wird jedoch das Grundprinzip nicht verlassen.

Die vorstehenden Ausführungsbeispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung und schließen andere mögliche Ausführungsfarmen nicht aus. Jedes Verfahren zur Änderung der Spannungen v„ und V-, in Abhängigkeit von einem Signalpegel, worunter der Signalpegel selbst oder der Pegel einer umhüllenden verstanden werden kann, unter Verwendung von Schaltreglern, durch die der Wirkungsgrad des Systems erhöht werden kann, lassen sich bei der Erfindung zum Einsatz bringen. Hierdurch erzielt man für eine vorgegebene Verstärkerausgangsleistung eine verringerte Verlustleistung.

Q30062/09AQ BAD ORIGJNAt

Leer seife

Claims

LIEDL, NÖTH, ZEITLER

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Verstärker

Patentansprüche:

1. Verstärker mit einem Netzteil zur Versorgung einas Verbrauchers mit einer Leistung, enthaltend eine Verstärkerschaltung mit Signaleingängen und -ausgängen und IMetzeingängen, die die Verbindung von wenigstens zwei Spannungsquellen erfordern, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen eine oder mehrere Spannungsquellen und die IMetzeingänge wenigstens zwei Nachlaufschaltregler (SRC1, SR1; SRC2, SR2) geschaltet sind, deren Ausgangsspannungen durch ein Steuersignal Dder Steuersignale geändert werden, das bzw. die derart abgeleitet wird bzw. werden, daß die Verstärkerverlustleistung geringer ist als bei konstanten Spannungen an den Netzeingängen.

9749 W/Lp

030062/0940

2. Verstärker mit einem Netzteil zur Versorgung eines Verbrauchers mit einer Leistung, enthaltend eine Verstärkerschaltung mit Signaleingängen und -ausgängen und Netzeingängen, die die Verbindung von wenigstens zwei Spannungsquellen erfordern, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Nachlaufschaltregler (SRC3, SR3) mit wenigstens zwei Ausgängen, enthaltend wenigstens die beiden Spannungsquellen,an die Netzeingänge angeschlossen ist, dessen Ausgangsspannungen durch wenigstens ein Steuersignal oder Steuersignale geändert werden, das bzw. die derart abgeleitet wird bzw. werden, daß die Verstärkerverlustleistung geringer ist als bei konstanten Spannungen an den Netzeingängen.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-π ε t , daß die Nachlaufschaltregler einen Transformator aufweisen, der Signale mit höherer Frequenz als die Netzfrequenz überträgt.

it. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator, der die Signale mit höherer Frequenz als die Netzfrequenz überträgt, zur Netzteilisolierung dient.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis if, dadurch gekennzeichnet , daß mit den Signalausgangsstufen kein Transformator verbunden ist, der einen wesentlichen Anteil der Leistung überträgt.

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen wenigstens einem Ausgang des Nachlaufschaltreglers bzw. der Nachlaufschaltregler und den Netzeingängen des Verstärkers ein linearer Nachlaufregler (LR, Fig. k) geschaltet ist und daß Steuersignale für jeden linearen Nachlaufregler (LR) abgeleitet sind, derart,daß die Verlustleistung eines jeden linearen Nachlaufreglers gesteuert ist und der Einfluß der Signale an den Nachlaufschaltreglerausgängen auf das Verstärkerausgangssignal verringert ist.

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7« Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis G, dadurch gekenn zeich ηεΐ, daß eine oder mehrere Rückkoppelungsschleifen um die Verstärkerausgangsstufe oder Teile dav/on gelegt ist bzui. sind, sodaß der Einfluß der Signale am Verstärkereingang auf das Verstärkerausgangssignal uerringert ist.

Θ. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn, zeichnet, daß jeder Nachlaufschaltregler als einstufiger Regler ausgebildet ist.

9. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet , daß das Verstärkereingangssignal im wesentlichen aus Tonfrequenzen zusammengesetzt ist.

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