DE3925159A1

DE3925159A1 - Impulsbreitenmodulationsverstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE3925159A1
Application number: DE3925159A
Authority: DE
Inventors: Akio Tokumo; Masayuki Kato; Takeshi Sato; Tatsuzo Hasegawa
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1989-07-28
Publication date: 1990-07-12
Also published as: JPH02177605A; US4968948A

Description

Die Erfindung betrifft eine Impulsbreitenmodulations verstärkerschaltung mit einer symmetrischen Gegentakt-Aus gangsschaltung ohne Anpaßtransformator und insbesondere eine Filterschaltung zur Eliminierung eines Trägersignals.

Impulsbreitenmodulationsverstärker (auch als PWM-Verstärker bezeichnet) sind zur Modulation hochfrequenter Dreieckwellen trägersignale mit einem Analogsignal, beispielsweise einem Tonsignal in Impulsbreitenmodulationssignale, bekannt. Der artige Verstärker führen eine Leistungsverstärkung des Impulsbreitensignals durch und eliminieren das Trägersignal mit Hilfe eines Demodulationsfilters. Diese Verstärker sind bei der Leistungsverstärkung äußerst wirkungsvoll, und sie werden daher in neuerer Zeit in Tonwiedergabegeräten, ins besondere in Automobilen, verwendet.

In der Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines Impulsbreiten modulationsverstärkers (PWM-Verstärkers) dargestellt. Ein an einer Eingangsklemme 1 vorhandenes Analogsignal wird einem invertierenden Eingang eines Vergleichers 2 zugelei tet. Dem nichtinvertierenden Eingang wird von einem Hoch frequenz(etwa 200 kHz)-Dreieckwellengenerator 3 ein Aus gangssignal zugeleitet. Dieses bewirkt, daß das Trägersignal in ein Impulsbreitensignal moduliert wird. Nach Verstärkung durch einen Antriebsverstärker 4 wird das vom Vergleicher 2 erhaltene Impulsbreitenmodulationssignal durch einen Impuls verstärker (Leistungsverstärker) 5 verstärkt. Dieser Impuls verstärker besteht aus Leistungsfeldeffekttransistoren vom N-Kanal-MOS-Typ. Das Trägersignal wird durch eine Filter schaltung eliminiert, die aus einer Drosselspule 6 und einem Kondensator 7 besteht. Das verbliebene Signal treibt eine Last an, beispielsweise einen Lautsprecher 9, der mit einer Ausgangsklemme 8 verbunden ist.

Die Fig. 4 zeigt eine herkömmliche symmetrische Gegentakt- Ausgangsschaltung ohne Anpaßtransformator (BTL-Schaltung), bei der zwei Impulsbreitenmodulationsverstärker der oben beschriebenen Art verwendet werden.

In der symmetrischen Gegentakt-Ausgangsschaltung ohne Anpaß transformator wird das an der Eingangsklemme 1 vorhandene Signal in erste und zweite Analogsignale umgewandelt, die in ihrer Phase sich um 180° voneinander unterscheiden. Dies erfolgt mit Hilfe einer Differentialschaltung 10 oder dgl. Das erste Analogsignal wird durch den ersten Vergleicher 2 in ein Impulsbreitenmodulationssignal umgewandelt. Dieses Signal wird von einem Antriebsverstärker 4 und einem Impuls breitenverstärker 5 verstärkt. Durch eine Drosselspule 6 und einen Kondensator 7 wird das Trägersignal eliminiert, und das resultierende verbliebene Signal wird einer Ausgangs klemme 8 zugeleitet. In der gleichen Weise wird das zweite Analogsignal in ein Impulsbreitenmodulationssignal mit Hilfe eines zweiten Vergleichers 2′ umgewandelt und durch einen Antriebsverstärker 4′ und einen Impulsbreitenverstärker 5′ verstärkt. Sein Trägersignal wird durch eine Drossel spule 6′ und einen Kondensator 7′ beseitigt, und das ver bliebene Signal wird einer Ausgangsklemme 8′ zugeleitet.

Beide Enden einer Last, z. B. eines Lautsprechers oder dgl., werden zwischen die beiden Ausgangsklemmen 8 und 8′ geschal tet. Die Last 9 wird daher mit demodulierten analogen Aus gangssignalen entgegengesetzter Phase durch die beiden Impulsbreitenmodulationsverstärker versorgt. Die Spannung zwischen den Klemmen der Last hat die doppelte Ausgangs spannung, welche von einem einzelnen Impulsbreiten modulationsverstärker verstärkt werden kann. Es ist daher möglich, an die Last 9 ein Ausgangssignal anzulegen, das gegenüber einem einzelnen Impulsbreitenmodulationsverstärker vierfache elektrische Leistung erreichen kann.

In einem Impulsbreitenmodulationsverstärker mit symmetrischer Gegentakt-Ausgangsschaltung ohne Anpaßtransformator (BTL-PWM-Verstärker) der beschriebenen Art ist es erforder lich, daß der erste und zweite Impulsbreitenmodulations verstärker mit Filtern ausgestattet ist, welche das Träger signal eliminieren. Jedes dieser Filter besteht aus einer Drosselspule und einem Kondensator. Da die Drosselspulen mit impulsförmigen Signalen versorgt werden, beispielsweise mit 200 kHz, werden Ringspulen normalerweise verwendet, um ausgestrahlte Störungen zu vermeiden.

In jeder der Drosselspulen ergeben sich große Ströme, da sie durch Tonfrequenzausgangssignale angetrieben werden. Dies bewirkt, daß die Drosselspulen durch Gleichstromvormagneti sierung gesättigt werden müssen, welches hinwiederum zur Verringerung der Filterfunktion führt. Man hat zur Verhinde rung dieser Schwierigkeit die Abmessung der Drosselspule eines jeden Filters vergrößert.

Außerdem ist es schwierig, die Grenzfrequenz der aus der Drosselspule und dem Kondensator bestehenden Filterschaltung zu bestimmen wegen zweier in Konflikt stehender Anforderun gen. Erstens soll die Grenzfrequenz ziemlich hoch bemessen werden, um das Ausgangssignal im Tonfrequenzsignalband nicht zu beeinträchtigen, und zweitens soll die Grenzfrequenz ziemlich niedrig bemessen werden, um eine ausreichende Dämp fung der Trägerfrequenz zu erhalten.

Ausgehend von den oben geschilderten Schwierigkeiten bei Impulsbreitenmodulationsverstärkern ist es Aufgabe der Er findung, einen Impulsbreitenmodulationsverstärker zu schaf fen, bei dem man mit kleinen Drosselspulen auskommt, welche die Ausgangsimpulse glätten und gleichzeitig ohne Beein trächtigung des Tonfrequenzausgangssignals das Trägersignal ausreichend dämpfen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird ein Impulsbreitenmodulations verstärker geschaffen mit einer symmetrischen Gegentakt-Aus gangsschaltung ohne Anpaßtransformator (BTL), bei der erste und zweite Filterspulen teilweise oder ganz auf einen ein zigen Kern gewickelt sind. Ein symmetrischer Gegentakt-Aus gang ohne Anpaßtransformator (BTL-Ausgang) ist mit einem Ende einer Last und der andere symmetrische Gegentakt-Aus gang ohne Anpaßtransformator (BTL-Ausgang) ist mit dem an deren Ende der Last verbunden. Die beiden Drosselspulen haben die gleiche Wicklungspolarität gegenüber den BTL-Aus gängen.

Anhand der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 Wellenformen zur Erläuterung des Betriebs bei der Impulsbreitenmodulation;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des grundsätzlichen Aufbaus eines herkömmlichen Impulsbreitenmodulations verstärkers; und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Impuls breitenmodulationsverstärkerschaltung mit symme trischer Gegentakt-Ausgangsschaltung ohne Anpaß transformator (BTL-Aufbau).

Anhand der Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel eines er findungsgemäßen Impulsbreitenmodulationsverstärkers im ein zelnen noch erläutert.

In der Fig. 1 sind die Teile, welche den Bauelementen mit den Bezugsziffern 1 bis 5, 7 bis 10, 2′ bis 5 und 7′ in Fig. 4 entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Da sie die gleichen Funktionen haben, wird auf eine noch malige Erläuterung in der folgenden Beschreibung verzichtet.

Eine erste Spule 11 verbindet die Ausgangsklemme des ersten Impulsbreitenverstärkers 5 mit der Ausgangsklemme 8 der Last 9. Eine zweite Spule 12 verbindet die Ausgangsklemme des zweiten Impulsbreitenverstärkers 5′ mit der Ausgangs klemme 8′ der Last 9. Die erste und zweite Spule 11 und 12 sind auf einen gleichen Kern 13 gewickelt. Die Spulen 11 und 12 sind so miteinander verbunden, daß sie in gleicher Pola rität (in gleichem Modus) im Hinblick auf die Ausgangs klemmen des ersten und zweiten Impulsbreitenverstärkers 5, 5′ sich befinden.

Wenn bei dem erläuterten Aufbau ein Dreieckwellenträgersignal durch den Oszillator 3 erzeugt wird, welches die in der Fig. 2(A) dargestellte Form aufweist, und wenn ein analoges Eingangssignal, das der Eingangsklemme 1 zugeführt wird, Null ist, erzeugen die Impulsbreitenverstärker 5 und 5′ Rechteckwellenimpulse, wie sie in Fig. 2(B) dargestellt sind. Wenn jedoch das analoge Eingangssignal, welches der Eingangsklemme 1 zugeführt wird, einen hohen Pegel aufweist haben die Ausgangsimpulse, welche von den Impulsbreiten verstärkern 5 und 5′ erzeugt werden, Wellenformen, wie sie in den Fig. 2(C) und 2(D) dargestellt sind. Dies hat seinen Grund darin, daß die Analogsignale, welche an die invertierenden Eingangsklemmen der ersten und zweiten Ver gleicher 2, 2′ angelegt werden, gleichen Pegel, jedoch ent gegengesetzte Phase aufweisen.

Die impulsförmigen Ausgangswellenformen der Fig. 2(C) und (D) werden nach ihrer Verstärkung den ersten und zweiten Drosselspulen 11 und 12 zugeleitet. Da die beiden Drossel spulen 11 und 12 auf den gleichen Kern 13 gewickelt sind und so miteinander verbunden sind, daß sie in gemeinsamem Modus arbeiten, wirken die Analogsignale auf den Kern 13 in entgegengesetzten Phasenbeziehungen, so daß sie sich gegen seitig löschen. Hieraus ergibt sich, daß der Kern 13 nicht leicht magnetisch gesättigt wird. Da die Spulen 11 und 12 auf das Analogsignal nicht wie eine Spule wirken, d. h. sie haben keine Wirkung als Induktivitätskomponente auf das Analogsignal, ist es möglich, die Grenzfrequenz gegenüber dem Trägersignal für eine beliebige Frequenz, welche das Tonfrequenzband enthält, festzusetzen.

Da im Hinblick auf die Trägersignale die beiden Drossel spulen 11 und 12 in einer gleichen Phasenbeziehung sind, bewirkt die durch die auf den gleichen Kern 13 aufgewickelten Spulen 11 und 12 hervorgerufene wechselseitige Induktivität eine doppelte Induktivitätskomponente. Der Kern 13 kann daher zusätzlich zu dem Miniaturisierungseffekt des Kerns 13, welcher durch die geringere Möglichkeit der magnetischen Sättigung erreicht wird, noch kleiner ausgebildet werden.

Wenn der analoge Eingangspegel hoch ist, sind die Phasen der impulsförmigen Signale, welche von den Impulsbreitenverstär kern 5, 5′ erzeugt werden, nicht in der gleichen Phasen beziehung zu jedem Zeitpunkt. Wenn dies der Fall ist, ergibt sich die Wahrscheinlichkeit, daß es schwierig ist, das Trä gersignal mit Hilfe der in gleichem Modus arbeitenden Dros selspulen allein zu eliminieren, wie das oben erläutert wurde.

Als Gegenmaßnahme hierzu können zusätzliche Drosselspulen mit vergleichsweise geringer Induktivität getrennt in Reihe zu den oben erwähnten ersten und zweiten Drosselspulen 11 und 12 vorgesehen sein. Dies ermöglicht die vollständige Beseitigung des Trägersignals.

Wenn Drosselspulen in Reihe zusätzlich vorgesehen sind, können kleine Drosselspulen verwendet werden, um diesen Zweck zu erfüllen. Selbst im letztgenannten Fall ist es möglich, die Filter kleiner auszubilden als dies bei den herkömmlichen Ausführungsformen der Fall ist.

Aus obiger Erläuterung ergibt sich, daß bei der Erfindung Gleichtaktdrosselspulen für Filter des Impulsbreiten modulationsverstärkers mit symmetrischer Gegentakt-Ausgangs schaltung ohne Anpaßtransformator verwendet werden. Die Drosselspulen unterdrücken sich gegenseitig für Analog signale, und sie können nicht einfach magnetisch gesättigt werden. Hierdurch läßt sich die Kernabmessung miniaturisie ren. Da die beiden Spulen nicht als Induktivität auf Analog signale wirken, kann die Grenzfrequenz des Filters auf das Tonfrequenzband erniedrigt werden, so daß eine ausreichende Filterwirkung auf Trägersignale zur Auswirkung gebracht wird.

Da ferner die gegenseitige Induktivität die Induktivitäts komponente gegenüber Trägersignalen erhöht, ist es möglich, die Windungszahl der Spulen zu verringern, so daß das Volumen der Filter gegenüber herkömmlichen Ausführungsformen, bei denen zwei diskrete Drosselspulen verwendet werden, wesent lich verringert werden kann.

Claims

1. Impulsbreitenmodulationsverstärkerschaltung mit symme trischer Gegentakt-Ausgangsschaltung ohne Anpaßtransforma tor und ersten und zweiten Filterschaltungen, deren Aus gänge an eine gemeinsame Last angeschlossen sind, wobei das erste Filter eine erste Filterspule und das zweite Fil ter eine zweite Filterspule aufweisen, dadurch gekennzeich net, daß die erste Filterspule (11) und die zweite Filter spule (12) auf einen gemeinsamen Kern (13) gewickelt sind und jede Filterspule die gleiche Wicklungspolarität gegenüber den Schaltungsausgängen aufweist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenzen jeder Filterspule (11, 12) im Ton frequenzbereich liegen.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die erste Filterspule (11) und die zweite Filter spule (12) ganz auf den gemeinsamen Kern (13) gewickelt sind.