DE3708650A1

DE3708650A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum verbessern der reproduktion hoher frequenzen eines bassverstaerkers

Info

Publication number: DE3708650A1
Application number: DE19873708650
Authority: DE
Inventors: Goeran Hahne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-03-20
Filing date: 1987-03-17
Publication date: 1987-09-24
Also published as: SE8601308D0; US4797933A; GB8705309D0; JPS62277807A; GB2188203A; SE450613B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft, was deren technisches Gebiet anbelangt, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Verbessern der Reproduktion eines Baßverstärkers des sogenannten ACE-Typs bei Frequenzen, die höher sind als eine gewisse bzw. vorbestimmte Grenzfrequenz innerhalb eines Audiobands von 20 Hz bis 20 kHz. Es sei hier darauf hingewiesen, daß unter dem ACE-Verfahren, das weiter unten noch näher erläutert wird, ein Verstärkersteuerungs- bzw. -regelungseuphonie-Verfahren verstanden wird, wobei diese Bezeichnung auf die Anfangsbuchstaben der Worte des englischen Ausdrucks "Amplifier-Control-Euphonic" zurückgeht.

Der Stand der Technik, wie er aus der US-Patentschrift 41 18 600, der das schwedische Patent 76 03 585-6 entspricht, bekannt ist, lehrt ein Verfahren wie auch eine Einrichtung zum Verbessern der Baßreproduktion eines elektrodynamischen Lautsprecherelements. Dieses bekannte Verfahren wird dazu verwendet, einen ausgedehnten bzw. vergrößerten Frequenzbereich des Elements bzw. Lautsprecherlements und eine geringere Verzerrung im Baßregister bzw. -bereich bei der Hifi-Reproduktion bzw. bei der hochqualitativen Reproduktion zu erzielen. Das Verfahren wird in einer sogenannten aktiven Auslegung bzw. Ausbildung des Lautsprechersystems verwendet, d. h. der Verstärker und der Lautsprecher sind integriert. Mit solchen Systemen ist es möglich, die untere Grenzfrequenz weiter dadurch zu vermindern, daß man dem Lautsprecher mehr Leistung bei niedrigen Frequenzen hinzufügt bzw. gibt, während die Leistungsfähigkeit bzw. der Wirkungsgrad bei höheren Frequenzen aufrechterhalten wird. Jedoch ist dieses nur bis zu einer gewissen Leistungsgrenze möglich, und daher wurden gemäß diesem bekannten Verfahren, das als ACE-Verfahren (entsprechend den Anfangsbuchstaben des Ausdruck "Amplifier-Control-Euphonic") bezeichnet wird, Versuche unternommen, bessere Lautsprecherqualitäten bei niedrigen Frequenzen auf einem ziemlich anderen Wege zu erzielen. Der Lautsprecher, bei dem es gewünscht wird, dessen Baßreproduktion zu verbessern, wird durch einen Verstärker oder durch eine Verstärkerkombination betrieben, deren effektive Ausgangsimpedanz eine negative Impedanz umfaßt oder einer negativen Impedanz äquivalent ist, welche in Reihe mit einer Parallelresonanzschaltung bzw. mit einem Parallelresonanzkreis geschaltet ist. Der negative Widerstandswert hat im wesentlichen den gleichen Betrag wie der Widerstandswert der Schwingspule des Lautsprechers. Auf diese Weise wird die Baßreproduktion des Lautsprechers verbessert, so als ob eine äquivalente Änderung seiner mechanischen Parameter, wie die sich bewegende Masse, die Dämpfung und die reziproke Steifigkeit erzielen würde.

Es sei nun eine kurze Zusammenfassung der Erfindung gegeben:

In der bekannten ACE-Schaltung wird eine Verbesserung erzielt, da eine Kompensation für den Widerstandswert der Schwingspule ausgeführt werden kann, die zu einem verbesserten Baßregister bzw. zu einer verbesserten Baßwiedergabe führt. Jedoch verbleibt ein Nachteil bei höheren Frequenzen, es werden nämlich die Audiosignale bei diesen Frequenzen aufgrund der Induktanz der Schwingspule gedämpft. Das hat einen leichten Einfluß bei niedrigen Frequenzen. Infolgedessen ist es wünschenswert, einen Audiobaßverstärker zur Verfügung zu haben, der eine Verbesserung innerhalb des gesamten Audiofrequenzbereichs, d. h. von 20 Hz bis zu 20 kHz, erbringt.

Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Baßverstärkerschaltung eines Lautsprechers, der eine Schwingspule enthält, die einen gewissen Widerstandswert und eine gewisse Induktanz hat, zur Verfügung zu stellen, worin der Einfluß der Schwingspule bei hohen Audiofrequenzen beträchtlich vermindert ist.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere in der Weise aus, wie in den Patentansprüchen angegeben ist.

Die Erfindung sei nachstehend in näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein äquivalentes Diagramm bzw. Schaltbild einer bekannten Baßverstärker-Lautsprecher-Schaltung bei niedrigen Frequenzen;

Fig. 2 ein äquivalentes Diagramm bzw. Schaltbild der gleichen Schaltung bei hohen Frequenzen;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine in näheren Einzelheiten ausgeführte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 in einem Schaltbild; und

Fig. 5 ein Diagramm bzw. eine Kurvendarstellung des Niveaus des Lautsprecherausgangssignals in Abhängigkeit von der Frequenz bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung.

Es seien nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben

Um das Problem, auf dem die vorliegende Erfindung basiert, näher zu verdeutlichen, sei zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen:

Die Fig. 1 zeigt ein Äquivalentschaltbild einer solchen Audiobaßverstärkerschaltung, wie sie in der oben erwähnten US-Patentschrift 41 18 600 dargestellt ist. Die Komponenten CP, LP und RP repräsentieren von der ACE-Verstärkerstufe den äquivalenten Kapazitätswert (CP), den äquivalenten Induktanzwert (LP) und den äquivalenten Widerstandswert (RP), und die Komponenten CM, MM und RM sind die elektrischen Äquivalente der mechanischen Größen des Lautsprechers, nämlich der reziproken Steifigkeit (CM) der Masse (MM) und der Dämpfung (RM).

Der Widerstandswert -R _s ist der negative Ausgangswiderstandswert von der Verstärkerstufe, der in der Theorie so hoch wie RE sein sollte, wobei RE der Widerstandswert der Schwingspule ist. Da -R _s + R _E gleich Null ist, können die Parallelabschnitte kombiniert werden, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, und die Masse, Steifigkeit und Dämpfung des Lautsprecherelements nehmen zu.

Jedoch kommt es bei hohen Frequenzen (etwa 100 bis 500 Hz) dazu, daß die Schwingspuleninduktanz LE einen Einfluß ausübt und die beiden Parallelabschnitte nicht kombiniert werden können. Stattdessen wird ein Tiefpaßfilter der dritten Ordnung erhalten, das durch die Komponenten CP, LE und CM in einem sogenannten Π-Abschnitt gebildet wird. Dieses Filter hat eine Grenzfrequenz zwischen 100 und 500 Hz und einen hohen Q-Wert wie auch eine Dämpfung, die mit einer Neigung von 18 dB/Oktave zunimmt.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gezeigt. Die beiden Blöcke ACE 1, ACE 2 wie auch die Widerstände R 3, R 4 und R 5 gehören zu dem vorbekannten ACE-Verstärker, dessen Eigenschaften bei hohen Frequenzen, d. h. bei Frequenzen, die höher als eine gewisse bzw. vorbestimmte Grenzfrequenz fs sind, verbessert werden sollen. Gemäß der Erfindung ist ein Reihenabschnitt bzw. eine Reihenschaltung parallel zu ACE 1 geschaltet, und dieser Reihenabschnitt bzw. diese Reihenschaltung enthält einen Hochpaßfilterteil HP und einen Phasenschieberteil AP, die bis zum Leistungsverstärker EF geschaltet sind.

Das Hochpaßfilter HP sollte eine Grenzfrequenz fs haben, die im wesentlichen mit der Grenzfrequenz übereinstimmt, welche von dem Tiefpaßfilterteil gemäß der Fig. 2 erhalten wird, das bzw. die gebildet wird, wenn die Induktanz der Schwingspule betrachtet wird. Infolgedessen sollte das Hochpaßfilter HP eine Grenzfrequenz haben, die übernommen wird bzw. übernimmt, wo der ACE-Baßverstärker überhaupt nicht mehr funktioniert.

Darüber hinaus ist ein Allpaßfilter AP oder irgendeine andere Phasenverschiebungsschaltung in Reihe mit dem Hochpaßfilter HP geschaltet. Es ist das Ziel des Allpaßfilter AP, die Phase der Signale, die an den Punkten a 1 und a 2 erscheinen, bei der oben erwähnten Grenzfrequenz fs im wesentlichen gleich zu machen, so daß diese Signale an dem Kombinationspunkt a in dem Leistungsverstärker EF kombiniert werden können. Wenn die Signale an diesen Punkten a 1 und a 2 nicht gleich sind, insbesondere deren Phase nicht gleich ist, wird eine Einsattelung bzw. Senke im Frequenzansprechen bei der Grenzfrequenz fs erhalten, die in Fig. 5 dargestellt ist, die ein Diagramm bzw. eine Kurvendarstellung des Ausgangsniveaus von dem Abschnitt veranschaulicht, der den Tiefpaßfilterteil LP (ACE 1) und den Hochpaßfilterteil HP enthält.

Es kann gesagt werden, daß der in Fig. 3 gezeigte Gesamtverstärker durch die vorgeschlagene Schaltung gemäß dem bekannten Verfahren mit ACE-Baßverstärkung arbeitet, bis er in der Frequenz aufgrund der Schwingspuleninduktanz nach aufwärts abweicht, und daß er oberhalb dieser Frequenz als ein Strom-Stromrückkopplungs- bzw. -gegenkopplungsverstärker arbeitet, wo die Widerstände R 2 und R 1 die Verstärkung gemäß der bekannten Beziehung F = -R 1/R 2 entscheiden bzw. bestimmen.

Die Fig. 4 zeigt in näheren Einzelheiten, wie in einer bevorzugten Ausführungsform das Hochpaßfilter HP und (im vorliegenden Falle) das Allpaßfilter AP ausgelegt bzw. ausgebildet sein können. Weiterhin ist die Ausbildung bzw. Auslegung der beiden Blöcke ACE 1 und ACE 2 gemäß der Fig. 3 in näheren Einzelheiten gezeigt. Hier ist der Widerstand R 2 ein solcher von festem Widerstandswert R 21 und ein solcher von variablem Widerstandswert R 22, damit die Verstärkung F beschränkt ist (R 2 = 0 ergibt F = ∞ gemäß dem obigen).

Das Hochpaßfilter HP ist ein Filter der zweiten Ordnung, das die folgende Grenzfrequenz hat

und der Q-Wert ist

Das Allphasenfilter AP ist ein Phasenverschiebungsabschnitt bzw. eine Phasenschieberschaltung einer an sich bekannten Art, worin die Phasenverschiebung ρ gegeben ist durch

ϕ = 180°C - 2tan^-1 (f/fs)

und worin

Durch Auswahl von R 1 und C 1 in einer geeigneten Weise kann infolgedessen die Phasenverschiebung des Signals, das durch den Abschnitt hindurchgeht, derart sein, daß die Phasendifferenz in den Punkten a 1 und a 2 bei der Grenzfrequenz fs = 194 Hz nahe an Null liegt oder Null ist. Jede Schaltung HP und AP invertiert das eintreffende Signal, d. h. dieses Signal wird um 180°C in seiner Phase verschoben, und daher wird das Ausgangssignal, das von dem Allpaßabschnitt AP herkommt, vor dem Ausgang zu dem Leistungsverstärker EF nicht beeinflußt.

Die letzte Stufe ACE 2 bildet zusammen mit dem Leistungsverstärker EF eine positive Rückkopplung bzw. Mitkopplung und ergibt infolgedessen eine negative Ausgangsimpedanz zu dem nachfolgenden Lautsprecher, was erforderlich ist, um das oben erwähnte bekannte Verfahren zum Ausschalten des Einflusses des Widerstandswertes der Schwingspulenwicklung zu erfüllen. Die Komponenten C ₁₀ und R ₁₀ in Fig. 4 vermindern die positive Rückkopplung bzw. Mitkopplung bei fs, so daß der Q-wert des Tiefpaßfilterteils ACE 1 vermindert wird. Der beste Q-Wert ist

für ein flaches Frequenzansprechen bzw. -ansprechverhalten. In der Kurvendarstellung gemäß Fig. 5 ist dieses Frequenzansprechverhalten (mit einer kontinuierlichen Linie) für einen gleichphasigen Zustand im Punkt A gezeigt. Die gestrichelte Kurve d zeigt das Frequenzansprechverhalten in der Nähe von fs = 194 Hz, wenn die Signale nicht in Phase sind.

Das Hochpaßfilter HP sollte eines der zweiten Ordnung sein, das geeignet ist, wenn der Abschnitt Signale hoher Frequenz übertragen soll, aber es ist natürlich so, daß ein Hochpaßfilter von einer höheren oder niedrigeren Ordnung in Abhängigkeit von dem gesonderten bzw. jeweiligen Falle gewählt werden kann. Wie oben erwähnt, ist es auch nicht unbedingt notwendig, daß die Schaltung AP ein Allpaßfilterabschnitt ist, sondern sie kann auch aus irgendeiner Phasenverschiebungsschaltung bestehen, welche die Phase bei der Grenzfrequenz fs so einstellt, daß ein gleichphasiger Zustand in Punkt A erzielt wird. Jedoch muß diese letztere Bedingung erfüllt werden, um ein gerades bzw. geradliniges Frequenzansprechverhalten in der gesamten Verstärkerschaltung zu erhalten.

Claims

1. Verfahren zum Verbessern der Frequenzproduktion bei Frequenzen, die höher als eine gewisse bzw. vorbestimmte Grenzfrequenz (fs) sind, bei einem Audiobaßverstärker, dem ein Audiosignal eingegeben wird und dessen effektive Ausgangsimpedanz, gesehen von der Spulenwicklung eines Lautsprecherelementes, im wesentlichen aus einem negativen Widerstandswert besteht, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Audiosignal, das in dem Audiobaßverstärker tiefpaßgefiltert wird, eine Hochpaßfilterung von der Grenzfrequenz (fs) des Signals aus und eine Phasenverschiebung (ρ) von dem hochpaßgefilterten Signal in dem Verstärker ausgeführt werden, so daß die Signale, die dem Lautsprecherelement nach der Verstärkung zugeführt werden, im wesentlichen gleichphasig bei der Grenzfrequenz (fs) sind.

2. Schaltungsanordnung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, welche einen Audiobaßverstärker mit einem Tiefpaßfilterteil (ACE 1) und einem Leistungsverstärkerteil (EF) mit dessen zugehörigem Stromrückkopplungs- bzw. -gegenkopplungsteil (ACE 2) zum Verbessern der Baßreproduktion eines mit dem Verstärker verbundenen Lautsprechers enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochpaßfilterschaltung (HP) mit dem Eingang des Baßverstärkers verbunden ist, deren untere Grenzfrequenz im wesentlichen mit der erwähnten Grenzfrequenz (fs) übereinstimmt, und eine Schaltung (AP), um bei der Grenzfrequenz (fs) im wesentlichen die gleiche Phase des Audiosignals, das dem nachfolgenden Leistungsverstärker (EF) zugeführt wird, zu erzielen, so daß ein gerades bzw. geradliniges Frequenzansprechen über einen ausgedehnten Audiofrequenzbereich erzielt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Reihenabschnitt, der aus der Hochpaßfilterschaltung (HP) und der Schaltung zum Erzielen der gleichen Phase besteht, wobei dieser Abschnitt parallel mit dem Tiefpaßfilterungsteil in dem Audiobaßverstärker und an den Leistungsverstärker (EF) geschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zum Erzielen der gleichen Phase aus einem Allpaßfilter (HP) mit einer solchen Phasenverschiebung (ρ) besteht, daß im wesentlichen die gleiche Phase des Audiosignals, das dem nachfolgenden Leistungsverstärker (EF) zugeführt wird, erzielt wird.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochpaßfilterungsschaltung aus einem Hochpaßfilter der zweiten Ordnung besteht.