DE3943170C2

DE3943170C2 - Verstärkerschaltung zur Pulsbreiten-Modulation

Info

Publication number: DE3943170C2
Application number: DE3943170A
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: 1989-12-28
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2009-12-29
Also published as: DE3943170A1; JPH0785525B2; US4992749A; JPH02262705A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung für die Pulsbreiten- Modulation mit Treiberschaltungen, mit einem Leistungsverstärker zur Aufnahme von Eingangssignalen aus den Treiberschaltungen und mit einem demodulierenden Filter, das an der Ausgangsklemme des Leistungsverstärkers angeschlossen ist.

Aus IEEE-Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, Vol. IE CI-26, No. 4, November 1979, Seiten 211-218, ist ein Klasse-D-MOS- Leistungsverstärker bekannt, bei dem das Verstärkereingangssignal einem Impulsbreitenmodulator zugeführt wird, der mit einer festen Trägerfrequenz arbeitet. Die Impulsbreite am Modulatorausgang ist proportional dem Augenblickswert des Eingangssignals. Eine dem Modulator folgende Treiberstufe bewirkt die Pegelumsetzung, die notwendig ist, um die MOS-Leistungsendstufe anzusteuern. Die Endstufe liefert eine Hochpegel-Version des ursprünglichen impulsbreitenmodulierten Signals. Ein der Endstufe folgendes Filter läßt nur solche Signalkomponenten durch, die proportional dem ursprünglichen Eingangssignalverlauf sind. Als Folge des Filtervorgangs erscheint eine verstärkte Version des ursprünglichen Eingangssignalverlaufs an der Last.

In Fig. 1 ist für ein Beispiel eines bekannten Pulsbreitenmodulationsverstärkers (PWM-Verstärkers) eine Eingangsklemme 1 zum Empfang eines analogen Signals vorgesehen, das der invertierten Eingangsklemme eines Komparators 2 zugeleitet wird, während der nichtinvertierten Eingangsklemme das Ausgangssignal eines hochfrequenten Dreieckswellen-Generators 3 (z. B. bei etwa 200 kHz) zugeführt wird. Dieses bewirkt somit, daß das Trägersignal mit dem analogen Signal zu einem Pulsbreitensignal moduliert wird. Nach dem Durchgang durch einen Treiberverstärker 4 wird das Pulsbreitensignal von einem Pulsverstärker 5 (einem Stromverstärker) verstärkt, der aus Leistungs-MOSFETs mit n-Kanal besteht, und anschließend einer Filterschaltung zugeführt, die aus einer Spule 6 mit Joch und einem Kondensator 7 besteht, von der das Trägersignal unterdrückt wird. Mit dem von der Filterschaltung ausgegebenen Audiosignal wird eine Last, z. B. ein Lautsprecher 9, betrieben, die an einer Ausgangsklemme 8 angeschlossen ist.

Um den MOSFET einzuschalten, muß, was eine bekannte Tatsache ist, seinem Gate eine Spannung zugeführt werden, die höher als die am Drain angelegte Spannung +B ist. Daher muß bei solch einem Gebilde wie oben, bei dem MOSFETs als Impulsverstärker 5 benutzt werden, der Treiberverstärker 4 der vorangehenden Stufe eine höhere Spannung als die Spannung +B ausgeben. Mit der Spannung +B als alleinigen Spannung wird die Treiberspannung aus dem Treiberverstärker 4 für einen einwandfreien Antrieb des Pulsverstärkers 5 zu niedrig.

Fig. 2 zeigt eine zur Lösung dieses Problems beabsichtigte Ausführungsform, bei der die n-Kanal-MOSFETs zur Bildung eines Pulsverstärkers 12 in einer Gegentaktschaltung angeordnet sind. Ein erster komplementärer Treiberverstärker 10 besteht aus einem npn-Transistor Q₁ und einem pnp-Transistor Q₂ und ein zweiter komplementärer Verstärker 11 aus einem npn-Transistor Q₃ und einem pnp-Transistor Q₄. Die Ausgangsklemmen der beiden Treiberverstärker 10 und 11 sind mit den Gates der zugehörigen Leistungs-FETs Q₅ und Q₆ verbunden, die den Pulsverstärker 12 bilden.

Eine aus einem Kondensator C₁ und einer Diode D₁ bestehende Bootstrap-Schaltung 13 liefert eine Vorspannung an den vorangehenden Treiberverstärker 10, was ein Kurzschlußproblem mit der Treiberspannung aufwirft.

Die Bootstrap-Schaltung 13 ist nämlich in einer solchen Weise ausgebildet, daß die eine Klemme des Kondensators C₁ mit der Ausgangsklemme des Pulsverstärkers 12 und die andere Klemme mit der die Spannung zuführenden Leitung des ersten Treiberverstärkers 10 verbunden. Die die Spannung zuführende Leitung ist über die Diode D₁ an der die Spannung +B liefernden Stromquelle angeschlossen.

Folglich wird dem oben erwähnten Kondensator C₁ über die Diode D₁ eine positive Spannung + aufgeprägt, wie in der Figur gezeigt ist. Das Einschalten des ersten Leistungs-FET Q₅ bewirkt, daß die Ausgangsklemme des Pulsverstärkers 12 auf eine Spannung gebracht wird, die annähernd mit der Spannung +B übereinstimmt; daher wird dem Kollektor des Transistors Q₁, der in dem ersten Treiberverstärker 10 enthalten ist, ungefähr die doppelte Spannung +B auferlegt. Bei solch einem Pulsverstärker aus n-Kanal-MOSFETs kann daher das Kurzschlußproblem der Treiberspannung in dem Treiberverstärker umgangen werden.

Bei dem oben erläuterten Schaltungsaufbau bleiben noch die folgenden Probleme bestehen: Falls das der Eingangsklemme 1 in Fig. 1 zugeleitete analoge Signal so groß ist, daß der Modulationsfaktor der Pulsbreiten-Modulation beim Komparator 2 100% übersteigt, wird das Ausgangssignal des Komparators 2 kein Pulsbreitensignal, sondern ein Gleichstromsignal mit einem positiven oder negativen Maximalwert. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 wird das Ausgangssignal der Treiberverstärker 10 und 11 dementsprechend zu einem Gleichstromsignal mit einem gewissen Wert. Dies bedeutet, daß die FETs Q₅ und Q₆, die den Pulsverstärker 12 bilden, an- oder ausgeschaltet bleiben; an der Ausgangsklemme des Pulsverstärkers 12 tritt also kein Pulssignal auf.

Der Kondensator C₁ führt innerhalb einer Periode des dem Komparator 2 zugeleiteten Trägersignals eine Ladung oder Entladung aus. Wenn die Kapazität des Kondensators C₁ groß gewählt ist, wird der erste Treiberverstärker 10 infolge der in dem Kondensator C₁ gespeicherten Ladungen mit einer Spannung versorgt, die höher als die Spannung +B der Stromquelle ist, sogar wenn der Modulationsfaktor während einer kurzen Periode die 100%-Marke übersteigt. Falls jedoch die Kapazität des Kondensators C₁ zu groß ist, wird dem Kondensator C₁ ein überschüssiger Ladestrom aus dem Pulsverstärker 12 synchron mit dem Trägersignal zugeleitet, wodurch das Ausgangssignal des Pulsverstärkers 12 und folglich das demodulierte Audiosignal verzerrt werden, das ausgesendet wird. Deshalb sollte die Kapazität C₁ keinen sehr großen Wert besitzen; deshalb wird mit dem analogen Signal, das bewirkt, daß der Modulationsfaktor 100% übersteigt, der vom Pulsverstärker 12 abgegebene Impuls abgebrochen und der Kondensator C₁ in kurzer Zeit völlig entladen.

Folglich stellt die der Vorspannung dienende Schaltung 13 aus dem Kon densator C₁ und der Diode D₁ ihre Tätigkeit ein, wodurch der PWM-Verstärker in den Zustand eines abnormen Ausgangssignals gelangt.

ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung beruht auf einer Betrachtung der oben erwähn ten Probleme bei den PWM-Verstärkern. Daher ist es ein Ziel der Erfindung, einen Zustand abnormer Ausgangssignale von einem PWM-Verstär ker fernzuhalten, selbst wenn die Eingangssignale so groß werden, daß der Modulationsfaktor den Wert von 100% übersteigt.

Ein Verstärker für die Pulsbreiten-Modulation gemäß der Erfindung weist die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die in den beiliegenden Zeichnungen anschaulich gemacht ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den grundlegenden Aufbau eines be kannten PWM-Verstärkers zeigt;

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines bekannten PWM-Verstärkers;

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unten sei unter Bezugnahme auf Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer Pulsverstärkerschaltung der vorliegenden Erfindung erläutert.

Die Schaltung der Fig. 3 enthält wie auch die der Fig. 1 einen Pulsverstärker 12, dessen n-Kanal-MOSFETs im Gegentakt betrieben werden. Dieselben in den beiden Figuren vorkommenden Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile, für die sich Erläuterungen erübrigen.

Die Schaltung der Fig. 3 ist mit einem zweiten der Vorspannung dienen den Stromkreis 14 aus einem Kondensator C₂, Dioden D₂ und D₃ und einem Widerstand R₁ versehen, der zu der ersten Schaltung 13 hinzugefügt ist.

Im einzelnen ist die eine Klemme des obigen Kondensators C₂ mit der Ausgangsklemme 8 für die demodulierten Signale verbunden, die an der Filterschaltung aus der Spule 6 mit Joch und dem Kondensator 7 angeschlossen ist, während die andere Klemme über die Diode D₂ an der spannungsführenden Leitung des ersten Treiberverstärkers 10 anliegt. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Kondensator C₂ von der Stromquelle mit der Spannung +B aus über die Diode D₃ und den Widerstand R₁ eine positive Spannung + erhält.

Sobald bei der oben erwähnten Zusammenstellung das demodulierte Ausgangssignal des PWM-Verstärkers, das an der Ausgangsklemme 8 erscheint, z. B. in die positive Richtung ausschlägt, steigt das Potential an der einen Klemme des Kondensators C₂ an. Dieses bedeutet, daß sich der Potentialanstieg zu dem positiven Potential addiert, was auf die gespeicherten Ladungen an der anderen Klemme des Kondensators C₂ zurückzuführen ist.

Somit wird die sich an der anderen Klemme des Kondensators C₂ ergebende positive Spannung ≈+1,5 B über die Diode D₂ der spannungsführenden Leitung des ersten Treiberverstärkers 10 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt sind die Dioden D₁ und D₃ wegen ihrer umgekehrten Vorspannungen abgeschaltet.

Wenn der erste FET Q₅ eingeschaltet wird, ist der erste Treiberverstärker 10 einem Kurzschlußproblem der Treiberspannung gegenübergestellt. Sobald bei der obigen Zusammenstellung der erste FET Q₅ eingeschaltet wird, liefert der zweite der Vorspannung dienende Stromkreis 14 ebenfalls eine Vorspannung an die spannungsführende Leitung des ersten Treiberverstärkers 10.

Selbst wenn ein analoges Signal den Modulationsfaktor über 100% hinaus ansteigen läßt und dadurch die Funktion der ersten der Vorspannung dienenden Bootstrap-Schaltung 13 unterbricht, weist die hier vorliegende Schaltung keinen abnormen Zustand ihres Ausgangssignals auf, da dank der Arbeitsweise des zweiten der Vorspannung dienenden Bootstrap-Stromkreises 14 dem ersten Treiberverstärker 10 ausreichend Spannung zugeführt wird.

Gemäß dieser Ausführungsform arbeitet die erste Bootstrap-Schaltung 13 in dem Modulationsbereich von 0 bis 100% und die zweite Bootstrap-Schaltung 14 in dem Modulationsbereich von mehreren Prozenten bis über 100% hinaus.

Da der Kondensator C₁ über die Diode D₂ mit einer Spannung, die größer als die Spannung +B ist, geladen werden kann, leidet die Ausführungsform der Fig. 3 noch unter den folgenden Schwierigkeiten: Erstens kann die zwischen Gate und Source des FET Q₅ angelegte Spannung die zulässige Spannung am Gate der FETs (in typischer Weise etwa 20 V) überschreiten, wodurch der FET Q₅ geschädigt wird. Zweitens kann das demodulierte Ausgangssignal eine gewisse Verzerrung erfahren, da sich die Treiberspannung, das heißt, die Spannung am Gate des FET Q₅ mit dem analogen Signal ändert.

Um die obigen Probleme zu lösen, ist in Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt; diese zeichnet sich durch den Zusatz einer Diode D₄ zu der Zusammenstellung der ersten Ausführungsform aus. Da die Diode D₄ vorhanden ist, wird der Kondensator C₁ nicht über die Diode D₂, sondern nur über die Diode D₁ geladen. In Abhängigkeit von der Beziehung zwischen den Spannungen an den Klemmen der Kondensatoren C₁ und C₂ wird die stromführende Leitung des Treiberverstärkers 10 entweder über die Diode D₂ oder die Diode D₄ mit Spannung versorgt. Da die Klemmenspannungen der Kondensatoren C₁ und C₂ kleiner als die Spannung +2B ist bzw. annähernd +1,5B beträgt, wird die Spannung zwischen der Gate und Source des FET Q₅ innerhalb seiner zulässigen Spannung am Gate gehalten. Da die Spannung an dem Treiberverstärker 10 aufgebaut wird, können die Verzerrungseigenschaften des analogen Ausgangssignals keinesfalls schlechter werden.

Wie aus der obigen Beschreibung klar hervorgeht, kann die Arbeitsweise ohne den sonst notwendigen Zusatz eines Begrenzers stabilisiert werden, um den Modulationsfaktor an der Eingangsstufe auf unter 100% zu beschränken.

Aus diesem Grund kann bei Anwendung des obigen Merkmals ein PWM-Ver stärker ebenfalls als äußerst wirkungsvoller Leistungsverstärker benutzt werden.

Obgleich in der obigen Erläuterung eine höhere Vorspannung als die Quellenspannung benötigt wird, kann dies durch eine Umkehrung der Polung an der Diode und am Kondensator bewerkstelligt werden, falls eine Vorspannung unterhalb des Erdpotentials erforderlich ist. Bei der obigen Ausführungsform werden in der Ausgangsstufe n-Kanal-MOSFETs in einer Gegentaktschaltung benutzt; es ist klar, daß keine Beschränkung hierauf gegeben ist. Ferner können die den Treiberverstärker bildenden Transistoren in einer Darlingtonschaltung sowie in einer komplementären Schaltung betrieben werden.

Claims

1. Verstärkerschaltung zur Pulsbreiten-Modulation mit Treiberschaltungen, mit einem Leistungsverstärker zur Aufnahme von Eingangssignalen aus den Treiberschaltungen und mit einem demodulierenden Filter, das an der Ausgangsklemme des Leistungsverstärkers angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Vorspannung dienende Schaltungen zur Lieferung einer Versorgungsspannung an eine der Treiberschaltungen vorgesehen sind, daß die erste der Vorspannung dienende Schaltung zwischen der Ausgangsklemme des Leistungsverstärkers und der einen Treiberschaltung und die zweite der Vorspannung dienende Schaltung zwischen der Ausgangsklemme des demodulierenden Filters und der einen Treiberschaltung angeschlossen ist.

2. Verstärkerschaltung zur Pulsbreiten-Modulation nach Anspruch 1, bei der die zweite der Vorspannung dienende Schaltung einen Speicherkondensator, dessen eine Klemme mit der Ausgangsklemme des demodulierenden Filters verbunden ist, eine erste Diode, deren eine Klemme mit der einen Treiberschaltung und deren andere Klemme mit der anderen Klemme des Speicherkondensators verbunden ist, und eine Reihenschaltung einer zweiten Diode und eines Widerstandes enthält, die zwischen der anderen Klemme der ersten Diode und der stromführenden Klemme des Leistungsverstärkers angeschlossen ist.

3. Verstärkerschaltung zur Pulsbreiten-Modulation nach Anspruch 2, bei der ferner eine dritte Diode zwischen einer Ausgangsklemme der ersten der Vorspannung dienenden Schaltung und der einen Klemme der ersten Diode zur Verhinderung eines Stromflusses von der zweiten zur ersten der der Vorspannung dienenden Schaltung vorgesehen ist.