DE3939616A1

DE3939616A1 - Verstaerkerschaltung fuer pulsbreiten-modulation

Info

Publication number: DE3939616A1
Application number: DE3939616A
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: 1989-11-30
Publication date: 1990-07-05
Also published as: US4949048A; JPH02177607A; JPH0728181B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung für die Pulsbreiten-Modulation und insbesondere eine abgeglichene Schaltung (BTL) ohne Transformator, in der analoge Signale, die zwei bei der Pulsbreiten- Modulation benötigten Verstärkern zuzuführen sind, in entgegengesetzte Phase gebracht werden und die gegenüberliegenden Enden einer Last an eigene Aus gangsklemmen der beiden Verstärker für die Pulsbreiten-Modulation ange schlossen sind.

GRUNDLAGE DER ERFINDUNG

Ein bei der Pulsbreiten-Modulation benötigter Verstärker ist derart aufgebaut, daß ein hochfrequentes, dreieckförmiges Trägersignal mit einem analogen Signal, z. B. einem Audiosignal oder dgl. moduliert wird, damit es in ein Pulsbreitensignal umgewandelt wird. Das Pulsbreitensignal wird strom verstärkt und dann entmoduliert, indem unmittelbar vor seinem Eintritt in eine Last, z. B. in einen Lautsprecher, das Trägersignal von einem Filter beseitigt wird. In der letzten Zeit wird der zuvor genannte Verstärker wegen seines hervorragenden Wirkungsgrades bei einer Strom- bzw. Leistungsverstär kung in beweglichen Audio-Einrichtungen eingesetzt.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für einen üblichen zur Pulsbreiten-Modulati on benutzten Verstärker, der an einer Eingangsklemme 1 ein analoges Signal aufnimmt. Dieses wird einer umkehrenden Eingangsklemme eines Komparators 2 zugeleitet. Gleichzeitig wird das hochfrequente Trägersignal (von z. B. 200 kHz) aus einem Dreieckswellen-Oszillator 3 einer nicht-umkehrenden Klemme des Komparators 2 zugeführt. Somit wird das Trägersignal mit dem analogen Signal moduliert, damit es in ein Pulsbreitensignal umgewandelt wird. Nach seinem Eintritt in einen Treibverstärker 4 wird das aus dem Komparator 2 erhaltene Pulsbreitensignal von einem Pulsverstärker 5 (Stromverstärker) verstärkt, der von MOS-n-Kanal-Leistungsfeldeffekt-Transistoren gebildet wird. Nachdem das Trägersignal von dem Pulsbreitensignal durch eine Filter schaltung abgetrennt ist, die eine Spule 6 mit Joch und einen Kondensator 7 enthält, betätigt das demodulierte Signal z. B. einen an einer Ausgangsklem me 8 angeschlossenen Lautsprecher 9 oder dgl.

In Fig. 6 ist eine bekannte, für die Pulsbreiten-Modulation verwendete Verstärkerschaltung dargestellt, welche zwei solche Verstärker benutzt, um, wie oben erläutert, eine abgeglichene Schaltung BTL ohne Transformator zu bilden.

In dieser Schaltung BTL wird ein der Eingangsklemme 1 zugeführtes, ana loges Signal von einem Differenzbildner 10 oder dgl. in zwei analoge Signale umgewandelt, deren Phase sich voneinander um 180° unterscheidet. Dann wird das erste analoge Signal von dem ersten Komparator 2 in ein Pulsbreitensi gnal umgewandelt, das wiederum über den Treibverstärker 4 und den Pulsver stärker 5 der Spule 6 mit Joch zugeführt wird. Anschließend wird das erste der Spule 6 zugeleitete Signal an die Ausgangsklemme 8 gegeben, nachdem der Träger von der Spule 6 mit Joch und dem Kondensator 7 (Filterelemente) be seitigt ist.

In ähnlicher Weise wird das zweite analoge Signal von einem zweiten Komparator 2′ in ein Pulsbreitensignal umgewandelt, das wiederum über einen Treibverstärker 4′ und einen Pulsverstärker 5′ einer Spule 6′ mit Joch zuge leitet wird. Das zweite der Spule 6′ zugeführte Signal gelangt an eine Aus gangsklemme 8′, nachdem von einem Filter aus der Spule 6′ und einem Konden sator 7′ der Träger entfernt ist.

Die Last 9, z. B. ein Lautsprecher oder dgl. ist mit seinen entgegenge setzten Enden an den Ausgangsklemmen 8 und 8′ angeschlossen. Daher werden die demodulierten, analogen Ausgangssignale, die von den für die Pulsbrei ten-Modulation vorgesehenen Verstärkern hervorgebracht werden, in Gegenphase an die Last 9 angelegt. Beispielsweise ist eine Spannung an den entgegenge setzten Enden der Last 9 doppelt so groß wie die von einem einzigen Verstär ker der Pulsbreiten-Modulation abgegebene Spannung; daher ist die elektri sche Leistung theoretisch viermal größer als diejenige, falls nur ein für die Pulsbreiten-Modulation vorgesehener Verstärker an die Last 9 angelegt wird.

Bei dem vorstehenden abgeglichenen, für die Pulsbreiten-Modulation vorgese henen Verstärker ohne Transformator wird ein Dreieckswellen-Trägersignal d von dem einen Oszillator 3 gemeinsam den zugehörigen Komparatoren 2 und 2′ zugeleitet, von denen das analoge Signal hinsichtlich der Pulsbreite modu liert wird.

Als Dreieckswellen-Trägersignal d wird das Ausgangssignal des gemein samen Oszillators 3 den beiden Verstärkern auf die zuvor angegebene Art zu geführt, die auf der Erzeugung von Impulsen und dem Aufwand basiert.

Wenn an den beiden für die Pulsbreiten-Modulation vorgesehenen Verstär kern ihre analogen Eingangssignale a und a′ null sind, treten daher die von den Pulsverstärkern 5 und 5′ abgegebenen Rechteckwellen-Impulse b und b′ in Phase auf, so daß sie, wie in den Fig. 3a und 3b gezeigt ist, gleichzeitig ansteigen und abfallen. Wenn die analogen Signale a und a′ ein vorgegebenes Niveau erreichen, werden die von den Pulsverstärkern 5 und 5′ abgegebenen Impulse derart moduliert, daß die betreffenden Nutzleistungsfaktoren der ab gegebenen Impulse in Übereinstimmung mit den analogen Signalen abgeändert werden, wie in Fig. 3c gezeigt ist. In dieser Situation muß die Linearität des an die Komparatoren 2 und 2′ anzulegenden Dreieckswellen-Trägersignals aufrechterhalten werden. Wenn somit die Linearität der Dreieckswelle verdor ben wird, kommt in die Umwandlung einer Spannungsgröße in eine Pulsbreite ein Fehler hinein, wodurch eine Störung verursacht wird. Deshalb wird im allgemeinen ein Oszillator 3 in einer einwandfreien Ausführung benutzt.

Wenn jedoch entsprechend dem hereinkommenden Impuls die beiden Puls verstärker 5 und 5′ eine starke elektrische Leistung schalten, ergibt sich ein scharfer Wechsel der Stromzufuhr, so daß die Versorgungsspannung eben falls nachteilig beeinflußt wird. Wegen dieser Änderung der Versorgungsspan nung werden der vom Oszillator 3 abgegebenen Signalwelle störende Spitzen überlagert. Infolgedessen wird die Linearität des vom Oszillator 3 erzeugten Dreieckswellen-Trägersignals verringert, wodurch die erzeugte Verzerrung vermindert wird.

Bei dem abgeglichenen, für die Pulsbreiten-Modulation vorgesehenen Ver stärker ohne Transformator nach Fig. 6 weisen die analogen Signale a und a′, die den beiden Komparatoren 2 bzw. 2′ zugeleitet werden, unter sich ei ne Phasendifferenz von 180° auf. Daher ändern sich die beiden Pulsbreiten- Signale, die von den beiden Komparatoren 2 und 2′ erzeugt werden, mit ent gegengesetzter Phase.

Wenn eine Umschaltung in den Pulsverstärkern 5 oder 5′ so ausgeführt wird, daß sie einem der analogen Signale a und a′ entsprechen und dadurch ein spitzes Störsignal erzeugt wird, wird das andere analoge Signal a bzw. a′ in dem Komparator 2 oder 2′ verglichen. Infolgedessen wird die Linearität des dem Komparator 2 oder 2′ zugeleiteten Dreieckswellen-Trägersignals in diesem Zeitpunkt von dem spitzen Störsignal verändert. Daher wird, wenn in dem Komparator 2 oder 2′ eine Spannung in eine Pulsbreite umgewandelt wird, ein Fehler verursacht,durch den die Verzerrung verschlimmert wird.

Die vorliegende Erfindung ist mit Blick auf die vorstehenden Probleme, die den bekannten abgeglichenen, für die Pulsbreiten-Modulation vorgesehenen Verstärkern eigentümlich sind, entwickelt worden; sie ist so gestaltet, daß eine Verzerrung verhindert wird, die dann entstehen kann, wenn die Lineari tät einer Dreieckswelle, die einem für die Pulsbreiten-Modulation vorgese henen Verstärker zugeführt wird, von einem spitzen Störsignal verdorben wird, das während des Schaltens des anderen für die Pulsbreiten-Modulation vorgesehenen Verstärkers entsteht.

ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG

Die vorstehenden und weitere Ziele der Erfindung werden durch ein Merk mal erreicht, nämlich dadurch daß zwischen den betreffenden, an die beiden Komparatoren anzulegenden Dreieckswellen-Trägersignalen eine Phasendifferenz von annähernd 90° geschaffen wird, damit sich die Schaltzeiten bei einem niedrigen Niveau des Eingangssignals nicht bis zu einer 50%igen Modulierung annähern. Somit wird eine Verzerrung infolge einer wechselseitigen Beein trächtigung verhindert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung deutlicher hervor, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird:

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild für eine Ausführungsform der vorliegen den Erfindung,

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel eines gemäß der Er findung benutzten Phasenschiebers zeigt,

Fig. 3 sind Auftragungen eines Signalverlaufes, um die Arbeitsvorgänge bei der Pulsbreiten-Modulation zu erläutern,

Fig. 4 ist eine Auftragung, die bei verschiedenen Komponenten der Fi gur 2 den Signalverlauf darstellt,

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild, um den grundlegenden Aufbau des für die Pulsbreiten-Modulation vorgesehenen Verstärkers zu erklären, und

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, das eine bekannte, für die Pulsbrei ten-Modulation vorgesehene, abgeglichene Verstärkerschaltung zeigt, die ohne Transformator arbeitet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 sei anschließend die für die Pulsbreiten-Modulation vorgesehene Verstärkerschaltung gemäß der vorliegen den Erfindung erläutert.

Fig. 1 stellt den Aufbau einer Ausführungsform der für die Pulsbrei ten-Modulation vorgesehenen Verstärkerschaltung gemäß der vorliegenden Er findung dar. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von dem bekannten,für die Pulsbreiten-Modulation vorgesehenen, abgeglichenen Verstärker, der ohne Transformator arbeitet und in Fig. 6 gezeigt ist, dadurch, daß zwischen ei nem Trägeroszillator 3 und zwei Komparatoren 2 und 2′ eine der Phasenver schiebung dienende Schaltung 11 vorgesehen ist, die die Phasendifferenz zwi schen dem dreieckigen Verlauf der Träger auf annähernd 90° einregelt. Fig. 2 ist ein spezielles Beispiel für die der Phasenverschiebung dienende Schaltung 11, bei der ein dreieckiges Trägersignal d des Oszillators 3 einer nicht-invertierenden Eingangsklemme eines Komparators 12 zugeleitet und von diesem mit der Mittelpunktsspannung (0 V) verglichen wird, die einer inver tierenden Eingangsklemme des Komparators 12 zugeleitet wird.

Wie in Fig. 4a wiedergegeben ist, weist das dreieckige Trägersignal d gegenüber dem Nullniveau positive und negative Spitzen derselben Amplitude auf. Wenn auf Fig. 4b bezuggenommen wird, so sieht man, daß der Komparator 12 geschaltet wird, wenn das Signal d die Nullspannung aus dem Negativen in das Positive überquert, wobei ein Ausgangssignal c von positiver Phase auf hohem Niveau entsteht. Wenn das Trägersignal d, wie in Fig. 4c gezeigt ist, die Nullspannung aus dem Positiven in das Negative durchquert, wird der Kom parator 12 so geschaltet, daß das Ausgangssignal c von positiver Phase auf tiefem Niveau und ein Ausgangssignal c′ von negativer Phase auf hohem Niveau entstehen.

Das Ausgangssignal c von positiver Phase und das Ausgangssignal c′ von negativer Phase werden je einer konstanten Stromquelle 13 bzw. 14 zugelei tet. Die konstante Stromquelle 13 wird von dem Ausgangssignal c von positi ver Phase auf hohem Niveau ein- und auf tiefem Niveau abgeschaltet. In ähn licher Weise wird die konstante Stromquelle 14 von dem Ausgangssignal c, von negativer Phase auf hohem Niveau ein- und auf tiefem Niveau abgeschaltet.

Während ihrer Einschaltung geben die beiden konstanten Stromquellen 13 und 14 einen konstanten Strom i ab. Sie laden und entladen daher abwechselnd einen Kondensator C ₁, der zwischen der Verbindung der beiden Stromquellen 13 und 14 und der Erde angeschlossen ist. An einer Klemme des Kondensators C ₁ wird infolgedessen ein in Fig. 4d wiedergegebenes Signal d′ von dreiek kigem Verlauf erzeugt, das gegenüber dem vom Oszillator 3 abgegebenen Trä gersignal d bezüglich der Phase um 90° nachläuft. Durch eine passende Wahl der Werte für den konstanten Strom i und für die Kapazität des Kondensators C ₁ kann der Spitzenwert des Trägersignals d′ gleich dem des Trägersignals d gemacht werden.

Das dreieckige Trägersignal d′ wird außerdem einem Tiefpaßfilter aus einem Ohmschen Widerstand R und einem Kondensator C ₂ zugeleitet. Das von diesem Tiefpaßfilter abgegebene Signal wird zu der invertierten Eingangs klemme des Komparators 12 rückgekoppelt, um die bereits erwähnte Mittel punktsspannung (0 V) beizubehalten.

Wenn die auf diese Weise erhaltenen Trägersignale d und d′, die gegen einander eine Phasendifferenz von 90° besitzen, an die nicht-invertierten, betreffenden Klemmen der beiden Komparatoren 2 und 2′ der Fig. 1 herange führt werden, stehen die Pulssignale von rechteckigem Verlauf, die durch eine Pulsbreiten-Modulation an den Komparatoren 2 und 2′ in den Pulsverstär kern 5 und 5′ erhalten werden, in der in den Fig. 3c und 3d gezeigten Beziehung zueinander. Infolgedessen nehmen die Pulssignale von rechteckigem Verlauf nicht gleichzeitig zu oder ab, sogar wenn die Leistungsfaktoren bis zu einer 50%igen Modulation schwanken, und es tritt keine Verzerrung oder sonstige unerwünschte Veränderung auf. Selbst wenn eine Beeinträchtigung durch eine eingeführte 50%ige oder noch größere Modulation hervorgerufen wird, entsteht kein Problem, da das Signalniveau nunmehr hinreichend groß im Vergleich mit der Verzerrungs-Komponente geworden ist, die auf eine Stö rung zurückzuführen ist.

Obgleich bei der vorstehenden Ausführungsform die Phasendifferenz zwi schen den Trägersignalen d und d′ auf 90° eingestellt worden ist, braucht sie nicht exakt 90° zu betragen, sondern kann annähernd bei diesem Wert lie gen. Kurz gesagt, kann die Phasendifferenz auf einen beliebigen Wert gebracht werden, so lange wie die von den beiden Komparatoren 2 und 2′ erhaltenen Pulse von rechteckigem Verlauf nicht miteinander zusammenfallen, während sie in einem benötigten Modulationsbereich zu- und abnehmen, wenn sich die Leistungsfaktoren infolge der Modulation verändern.

Die Fig. 3c und 3d zeigen die Veränderung der Leistungsfaktoren in einem mittleren und einem kleinen Modulationsbereich. Diese Änderungsberei che der Leistungsfaktoren sind genau gegeneinander abgetrennt.

Daher ergeben Schaltstörungen, die in solch einem Zustand hervorgerufen werden, kaum eine wechselweise Wirkung auf die Signale, wodurch sich die Verzerrung oder sonstige Abänderung nicht verschlechtert.

Wie aus dem vorstehenden zu ersehen ist, fallen bei der für die Puls breiten-Modulation vorgesehenen Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung die modulierten Pulssignale von rechteckigem Verlauf in den abgeglichenen, ohne Transformator arbeitenden Verstärkern nicht miteinander zusammen, während sie zu- oder abnehmen, so daß eine Verzerrung verhindert werden kann; daher kön nen die umfassenden Verzerrungs-Eigenschaften verbessert werden.

Während bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und erläutert sind, sind den auf diesem technischen Gebiet arbeitenden Fachleuten viele Abän derungen innerhalb des Rahmens der Erfindung nahegelegt.

Claims

1. Pulsbreiten-Modulationsschaltungmit einem ein analoges Signal emp fangenden Hilfsmittel zur Erzeugung zweier analoger Signale, deren Phase sich um 180° unterscheidet, mit einem Phasenschieber zur Erzeugung zweier hochfrequenter Trägersignale, deren Phase sich um annähernd 90° gegeneinan der unterscheidet, mit zwei Pulsbreiten-Modulations-Verstärkern, um die bei den hochfrequenten Trägersignale mit dem einen bzw. anderen analogen Signal hinsichtlich der Pulsbreite zu modulieren und die sich ergebenden Pulsbrei ten-Signale jeweils zu verstärken, und mit einer Last, mit deren gegenüber liegenden Enden die Ausgangsklemmen der beiden Pulsbreiten-Modulationsver stärker verbunden sind.

2. Pulsbreitenmodulation-Verstärkerschaltung, wie im Anspruch 1 defi niert, bei der sich die Größe der Phase der beiden hochfrequenten Signale um 90° unterscheidet.

3. Pulsbreitenmodulation-Verstärkerschaltung, wie im Anspruch 1 defi niert, bei der die beiden hochfrequenten Trägersignale einen dreieckigen Verlauf aufweisen.

4. Pulsbreitenmodulation-Verstärkerschaltung, wie im Anspruch 1 defi niert, bei der die Hilfsmittel zur Erzeugung der beiden analogen Signale einen Differenzbildner enthalten.

5. Pulsbreitenmodulation-Verstärkerschaltung, wie im Anspruch 1 defi niert, bei der die beiden für die Pulsbreiten-Modulation vorgesehenen Ver stärker einen Komparator und einen Verstärker enthalten.