DE4103897A1 - Integrierbare tongeberschaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierbare Tongeberschaltungsan­ ordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche Tongeberschaltungsanordnungen sind unter anderem in Form der kommerziell erhältlichen integrierten Schaltkreise SABO600, SABO601 und SABO602 bekannt und unter anderem in dem Siemens Da­ tenbuch 1989/90 "ICs für industrielle Anwendungen" auf den Sei­ ten 522 bis 529 beschrieben. Ein Prinzipschaltbild einer sol­ chen bekannten Tongeberschaltungsanordnung ist in Fig. 2 dar­ gestellt. Sie besteht aus einer Steuereinheit B mit einem Ton­ generator TG, einer Starter- und Ablaufsteuerung SAS und einem Mutteroszillator MO. Dieser Steuereinheit ist eine Ausgangsstu­ fe A nachgeschaltet, die im wesentlichen einen Digital/Analog- Umsetzer DA und einen Leistungsverstärker SV enthält. Die ge­ samte Anordnung ist an ein Versorgungspotential UB und an ein Bezugspotential geschaltet. Bei diesen bekannten Tongeberschal­ tungen wird eine im Tongenerator gewonnene Sequenz von einem Digital/Analog-Wandler in eine Spannung gewandelt und von einem Analogleistungsverstärker verstärkt an einen Lautsprecher wei­ tergeleitet. Die Starter- und Ablaufsteuerung SAS enthält einen Starter, der eine Tonsequenz auslöst und den Ablauf der Tonse­ quenz steuert und dann den integrierten Schaltkreis nach abge­ laufener Tonsequenz wieder in einen Stand-by-Zustand zurück­ schaltet. Ein Mutteroszillator MO erzeugt eine konstante Fre­ quenz. Diese wird stabilisiert durch ein Parallel-RC-Glied, das an einer Anschlußklemme RC angeschlossen ist und aus einem Wi­ derstand RO und einer Kapazität CO besteht, die gegen Bezugspo­ tential Masse geschaltet sind. Der Ausgang des Mutteroszilla­ tors ist an den Tongenerator angeschlossen und die Frequenz des Mutteroszillators wird im Tongenerator durch Teilung in die ge­ wünschte Sequenz gewandelt. Der bzw. die Digital/Analog-Umset­ zer werden mit dieser Sequenz und evtl. mit einer Taktfrequenz angesteuert und stellen an ihrem Ausgang in Abhängigkeit davon eine Analogausgangsspannung Ui bereit. Der bzw. die Ausgänge der Digital/Analog-Umsetzer sind mit dem Signaleingang eines Leistungsverstärkers LV verbunden, wobei hier üblicherweise ein gegengekoppelter Operationsverstärker vorgesehen ist. Gegebenen­ falls wird die Lautstärke der Tongeberschaltung hierbei durch Variation der Gegenkopplung dieses Leistungsverstärkers einge­ stellt.

Bei solchen bekannten Schaltungsanordnungen treten gewisse Probleme auf. Ein gegengekoppelter Operationsverstärker neigt, insbesondere, wenn die Lautstärke durch höhere Gegenkopplung eingestellt wird, leicht zum schwingen. Der Ausgang Q des Lei­ stungsverstärkers LV kann nicht unmittelbar an einen Lautspre­ cher LS angeschlossen werden, sondern muß über eine in Serie geschaltete Koppelkapazität CK angekoppelt werden, die üblicher­ weise einen hohen Kapazitätswert aufweisen muß und daher die Kosten einer Gesamtschaltung maßgebend beeinflußt. Außerdem be­ nötigt eine bekannte Tongeberschaltung eine Versorgungsspannung zwischen dem Versorgungspotential UB und dem Bezugspotential von ca. 3 V.

Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen einer Tongeberschal­ tungsanordnung, die bei einer geringeren Versorgungsspannung be­ trieben werden kann und an deren Ausgangsklemme unmittelbar ein Lautsprecher angeschlossen werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprü­ chen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Tonge­ berschaltungsanordnung,

Fig. 2 das bereits beschriebene Prinzipschaltbild einer be­ kannten Tongeberschaltungsanordnung,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines besonderen Ausführungsbei­ spieles einer Ausgangsstufe C nach Fig. 1,

Fig. 4a, 4b, 4c Signalverläufe in einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3,

Fig. 5 als besonderes Ausführungsbeispiel eine Gegentaktstrom- Digital/Analog-Umsetzerschaltung, wie sie in erfin­ dungsgemäßen Tongeberschaltungsanordnungen eingesetzt werden kann,

Fig. 6 ein besonderes Ausführungsbeispiel eines Stromverstär­ kers SV, wie er in erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nungen eingesetzt werden kann.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Tongeberschaltungsanordnung mit einer Steuereinheit B gemäß Fig. 2 und einer Ausgangsstufe C. Die Ausgangsstufe C enthält einen Digital/Analog-Umsetzer DA, der an seinem Ausgang einen von digitalen Eingangssignalen abhängigen Strom Ii bereit­ stellt. Der Ausgang dieses Digital/Analog-Stromwandlers DA ist mit dem Eingang eines Stromverstärkers SV zusammengeschaltet. Der Ausgang des Stromverstärkers SV bildet die Ausgangsklemme Q und ist umittelbar an einen Lautsprecher LS angeschlossen. Der andere Anschluß des Lautsprechers LS ist an ein Versorgungspo­ tential, hier das Versorgungspotential UB, angeschlossen. Durch eine unterbrochen gezeichnete Linie ist dargestellt, daß be­ darfsweise eine Kapazität CP parallel zu dem Lautsprecher LS geschaltet werden kann.

Der von dem Digital/Analog-Stromwandler abgegebene Strom Ii wird in dem nicht gegengekoppelten Stromverstärker hochtrans­ formiert und dann direkt auf den Lautsprecher geleitet. Die Stromendstufe SV sollte im A-Betrieb arbeiten, um die Verzer­ rungen möglichst gering zu halten. Der Ausgang Q ist vorzugs­ weise ein stromgesteuerter Open-Kollektorausgang. Dadurch ge­ nügt der integrierbaren Tongeberschaltungsanordnung eine Ver­ sorgungsspannung von ca. 1 V. Die Parallelkapazität Cp, die durch unterbrochene Darstellung als bedarfsweise anschließbar gekennzeichnet ist, bedämpft die Oberwellenanteile der Membran­ bewegungen des Lautsprechers. Bedarfsweise kann die Stromver­ stärkerschaltung SV eine Flankensteilheitsbegrenzungsschaltung enthalten.

Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Ausgangsstufe C nach Fig. 1 für den Fall, daß drei Digi­ tal/Analog-Umsetzer DA1, DA2 und DA3 vorgesehen sind. Diese Di­ gital/Analog-Umsetzer DA1, DA2 und DA3 sind derart ausgebildet, daß sie in Abhängigkeit von einer digitalen Tonsequenz an ihrem Eingang einen analogen Ausgangsstrom liefern, wobei die Ampli­ tude dieses Ausgangsstromes durch einen Strom IL steuerbar ist. Dieser Steuerstrom IL wird von einer Stromquelle 1 geliefert, die derart ausgebildet ist, daß ihr konstanter Ausgangsstrom IL durch Variation eines Widerstandes RL gegen Bezugspotential ein stellbar ist. Solche Stromquellenschaltungen sind dem Fach­ mann hinlänglich bekannt und unter anderem in Tietze/Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 5. Aufl. 1980 auf den Seiten 53, 54, 87, 254 und 255 sowie 242 und 243 beschrieben. Durch Ver­ wenden einer solchen Stromquellenschaltung 1, bestehend aus ei­ ner Transstorschaltung TIL und einem Widerstand RL gegen Be­ zugspotential, ist es möglich, die Lautstärke einer erfindungs­ gemäßen Tongeberschaltungsanordnung durch Variation eines Wi­ derstandes RL, der nur eine Anschlußklemme an einem integrier­ ten Schaltkreis benötigt, einzustellen. Die drei Digital/Analog- Umsetzer DA1, DA2 und DA3 wandeln die von der Steuerschaltung B gelieferten digitalen Informationen in einen Treppenstrom um, der keine Gleichstromkomponente aufweist. Dadurch ist eine Kop­ pelkapazität nicht erforderlich. Die Ausgangsströme IAC1, IAC2 und IAC3 der Digital/Analog-Umsetzer DA1, DA2 und DA3 werden in einem Stromsummenknoten S1 addiert und bilden den Strom IAC. Zu diesem gleichstromfreien Summenstrom IAC wird in einem zweiten Summierknoten S2 ein Gleichstrom IA addiert, der von einer Stromquellenschaltung 2 geliefert wird, die aus einer Transi­ storschaltung TIA und einem gegen Bezugspotential geschalteten Widerstand RA gebildet wird. Der Ausgangsstrom Ii des Summen­ knotens S2 wird in dem Stromverstärker SV verstärkt. Die Aus­ gangsstufe des Stromverstärkers arbeitet hierbei im A-Betrieb. Der Arbeitspunkt des Stromverstärkers wird durch den Gleich­ stromanteil IA an seinem Eingangsstrom Ii festgelegt. Der Aus­ gang Q des Stromverstärkers V ist hierbei ohne Koppelkapazität unmittelbar an einen in Fig. 1 gezeigten Lautsprecher LS an­ schaltbar.

Um eine Überhitzung des Stromverstärkers SV zu verhindern, kann es sinnvoll sein, eine Temperatursicherung vorzusehen. Hierbei kann sowohl eine Temperatursicherung mit Hysterese als auch ei­ ne ohne Hysterese vorgesehen sein. Außerdem kann die Temperatur­ sicherung evtl. abschaltbar sein. Durch eine solche Temperatur­ sicherung wird der Ausgang Q des Stromverstärkers SV kurz­ schluß- und überlastfest.

Die Stromquelle 2 kann über die Klemme X von einer Starter- und Ablaufsteuerung SAS aktiviert und deaktiviert werden.

Fig. 4a zeigt einen möglichen Ausgangsstromverlauf IAC1 eines Digital/Analog-Umsetzers DA1 aus Fig. 3 über die Zeit t, wobei zum Zeitpunkt to von einer Starter- und Ablaufsteuerung SAS nach Fig. 1 ein Startsignal ausgelöst wird.

Fig. 4b zeigt den Verlauf des Gleichstromes IA, der den Ar­ beitspunkt des Stromverstärkers SV in Fig. 3 einstellt und von der Stromquelle 2 bereitgestellt wird. Die Zeitachse t ist hierbei in Fig. 4b genauso angeordnet wie in Fig. 4a und die Stromquelle 2 wird über die Klemme X zum Zeitpunkt to aktiviert.

Fig. 4c zeigt den aus den Signalen der Fig. 4a und 4b re­ sultierenden Eingangsstrom Ii eines Stromverstärkers SV nach Fig. 3 sowie die daraus resultierende Ausgangsspannung UQ, die an der Ausgangsklemme Q des Stromverstärkers SV bereitgestellt wird, falls diese Ausgangsklemme Q entsprechend Fig. 1 be­ schaltet ist.

Fig. 5 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel eines Gegen­ taktstrom-Digital/Analog-Umsetzers, wie er beispielsweise in Fig. 3 verwendet wird. Fig. 5 zeigt eine Stromspiegelschal­ tung SS1 mit einem Eingangstransistor TI5, dem ein Strom IL eingeprägt wird und mit vier Ausgangstransistoren TI1, TI2, TI3 und TI4, deren Basisanschlüsse jeweils mit dem Basisanschluß des Eingangstransistors TI5 zusammengeschaltet sind. Wesentlich für die gezeigte Stromspiegelschaltung SS1 ist, daß ein Strom­ ausgang einen konstanten Strom I1 liefert, ein Stromausgang ei­ nen doppelt so hohen Strom 2I1, ein Stromausgang einen viermal so hohen Strom 4I1 und ein Stromausgang einen achtmal so hohen Strom 8I1. Diese Verhältnisse sind jeweils unter anderem durch entsprechende Emitterflächenverhältnisse der Transistoren er­ reichbar. Jeder der Stromausgänge dieser Stromspiegelschaltung ist mit einer Digitalleitung B1, B2, B3 bzw. B4 verbunden, die ihrerseits von einem Taktgenerator ansteuerbar sind. Außerdem sind diese Stromausgänge über Dioden D1, D2, D3 und D4 zusam­ mengeschaltet und liefern gemeinsam einen Strom IDC. Die Dioden D1 bis D4 verhindern hierbei, daß ein Low-Pegel auf einer der Digitalleitungen B1 bis B4 Einfluß auf die Ströme hat, die von den nicht mit dieser Digitalleitung verbundenen Stromausgängen der Stromspiegelschaltung SS1 geliefert werden. Der Strom IDC kann beispielsweise ein teppenförmiger Strom mit 16 Stufen sein. Die Amplitude des Stromes IDC wird durch den Referenz­ strom IL vorgegeben. Der Strom IDC wird einem Eingangstransi­ stor TI6 einer zweiten Stromspiegelschaltung SS2 mit zwei Aus­ gangstransistoren TI7 und TI8 eingeprägt. Der Ausgangsstrom dieser zweiten Stromspiegelschaltung SS2, der an dem Kollektor des Ausgangstransistors TI7 bereitgestellt wird, wird dem Ein­ gangstransistor TI9 einer dritten Stromspiegelschaltung mit einem Ausgangstransistor TI10 aufgeprägt. Der Kollektoranschluß des Ausgangstransistors TI10 der Stromspiegelschaltung SS3 ist über eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode D5 an den Ausgang der Digital/Analog-Umsetzerschaltung geschaltet und stellt den positiven Anteil des Gegentaktausgangsstromes IAC bereit. Der Kollektoranschluß des Stromausgangstransistors TI8, der den weiteren Stromausgang der Stromspiegelschaltung SS2 bildet, ist mit dem Stromeingangstransistor TI11 einer vierten Stromspiegel­ schaltung SS4 zusammengeschaltet und der von einem Stromaus­ gangstransistor TI12 dieser vierten Stromspiegelschaltung SS4 bereitgestellte Ausgangsstrom wird dem Stromeingangstransistor TI13 einer fünften Stromspiegelschaltung SS5 eingeprägt. Der Kollektoranschluß eines Stromausgangstransistors TI14 dieser fünften Stromspiegelschaltung SS5 ist mit dem Ausgang des Digi­ tal/Analog-Umsetzers verbunden und liefert die negative Kompo­ nente des Ausgangswechselstromes IAC. Um den beschriebenen Di­ gital/Analog-Umsetzer in Gegentaktschaltung zu betreiben, sind ein erster Verstärker V1 und ein zweiter, invertierender Ver­ stärker V2 vorgesehen, deren Eingänge zusammengeschaltet sind und eine Eingangsklemme F bilden. Der Ausgang des ersten Ver­ stärkers V1 ist mit dem Stromausgang der dritten Stromspiegel­ schaltung SS3 zusammengeschaltet, der Ausgang des invertieren­ den Verstärkers V2 ist mit dem Stromeingang der fünften Strom­ spiegelschaltung SS5 zusammengeschaltet. Die Eingangsklemme F wird mit der Tonfrequenz des jeweiligen Digital/Analog-Umset­ zers, beispielsweise von einem Tongenerator TG, angesteuert. Mit Hilfe der Verstärker V1 und V2 werden die Stromspiegel­ schaltungen SS3 und SS5 mit der an der Eingangsklemme F einge­ speisten Tonfrequenz im Gegentakt ein- und ausgeschaltet. Somit wird durch die Stromspiegelschaltungen SS2, SS3, SS4 und SS5 am Ausgang der Digital/Analog-Umsetzerschaltung ein Strom IAC be­ reitgestellt, der verglichen mit dem eingespeisten Strom IDC die doppelte Amplitude bei fehlendem Gleichanteil aufweist.

Fig. 6 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel eines Strom­ verstärkers SV, an dessen Eingang ein Summierknoten S2 vorge­ sehen ist, der zum einen mit einem Eingangsstrom IAC und außer­ dem mit einem, von einer Konstantstromquelle 2 bereitgestellten Eingangsstrom IA beaufschlagt wird. Hierbei soll der Strom IA ein Gleichstrom sein, der den Arbeitspunkt des Stromverstärkers einstellt. Der Stromverstärker enthält einen Stromspiegel mit einem Eingangstransistor 61 und einem Ausgangstransistor 62, wobei der Emitter des Eingangstransistors 61 über einen Wider­ stand 63 an Bezugspotential geschaltet ist und der Emitter des Ausgangstransistors 62 über einen Widerstand 64 an Bezugspoten­ tial geschaltet ist. Der Eingang dieser Stromspiegelschaltung ist mit dem Summenknoten S2 zusammengeschaltet. Der Ausgang dieses Stromspiegels 61, 62, 63, 64 ist einerseits mit dem Kol­ lektoranschluß eines Transistors 65 und andererseits mit dem Basisanschluß eines Transistors 67 zusammengeschaltet. Der Kol­ lektoranschluß des Transistors 67 ist gegen Bezugspotential ge­ schaltet, der Emitteranschluß des Transistors 67 ist mit dem Basisanschluß des Transistors 65 und mit dem Basisanschluß eines Transistors 66 verbunden. Der Kollektoranschluß des Tran­ sistors 65 ist über einen Widerstand 68 an Versorgungspotential UB geschaltet. Der Emitteranschluß des Transistors 66 ist über einen Widerstand 69 an Versorgungspotential UB geschaltet und der Emitteranschluß des Transistors 67 ist über einen Wider­ stand 70 an Versorgungspotential UB geschaltet. Der Widerstand 70 sollte einen hohen Widerstandswert, beispielsweise 20 Kilo­ ohm aufweisen. Der Widerstand 69 sollte einen relativ geringen Widerstandswert, beispielsweise 25 Ohm aufweisen und der Wider­ stand 68 sollte etwa um den gewünschten Stromverstärkungsfaktor größer sein als der Wert des Widerstandes 69. Demgemäß sollte die Emitterfläche des Widerstandes 66 um den gewünschten Strom­ verstärkungsfaktor größer sein als die Emitterfläche des Tran­ sistors 65. Die Transistoren 65 und 66 bilden mit ihrem Emit­ terwiderständen 68 und 69 einen über den Transistor 67 stabili­ sierten Stromspiegel, dessen Stromverstärkung durch das Emit­ terflächenverhältnis und durch das umgekehrte Emitterwider­ standsverhältnis festgelegt ist. Hierbei wird der Eingang die­ ser Stromspiegelschaltung durch den Basisanschluß des Transi­ stors 67 und den Kollektoranschluß des Transistors 65 gebildet und der Ausgang dieser Stromspiegelschaltung wird durch den Kollektoranschluß des Transistors 66 gebildet. Dieser Strom­ spiegelschaltung, gebildet von den Transistoren 65, 66 und 67 und den Widerständen 68, 69 und 70, ist eine analoge Stromspie­ gelschaltung, gebildet aus Transistoren 75, 76 und 77 und einem Widerstand 74 nachgeschaltet. Hierbei weisen die Transistoren 65, 66 und 67 den entgegengesetzten Leitungstyp auf wie die Transistoren 75, 76 und 77. Der Kollektoranschluß des Transi­ stors 66 ist an den Kollektoranschluß des Transistors 75 und an den Basisanschluß des Transistors 77 angeschlossen. Der Kollek­ toranschluß des Transistors 77 ist an Versorgungspotential UB geschaltet. Der Emitteranschluß des Transistors 77 ist mit dem Basisanschluß des Transistors 75 und dem Basisanschluß des Transistors 76 verbunden und außerdem über den Widerstand 74 an Bezugspotential geschaltet. Die Emitteranschlüsse der Transi­ storen 75 und 76 sind unmittelbar an Bezugspotential geschal­ tet. Der Kollektoranschluß des Transistors 76 bildet den Open- Kollektorausgang Q des Stromverstärkers. In dieser Stromspiegel­ schaltung wird das Stromverstärkungsverhältnis durch das Emit­ terflächenverhältnis der Transistoren 75 und 76 eingestellt. Der Widerstand 74 sollte hochohmig sein, größenordnungsmäßig 10 Kiloohm. Wenn in einer Schaltungsanordnung nach Fig. 6 bei­ spielsweise die Emitterfläche des Transistors 66 vierzigmal größer ist als die Emitterfläche des Transistors 65 und die Emitterfläche des Transistors 76 sechzigmal größer ist als die Emitterfläche des Transistors 75, so erhält man einen Stromver­ stärkungsfaktor von 2400.

Claims (7)

1. Integrierbare Tongeberschaltungsanordnung mit einem Tonge­ nerator (TG), der digitale Tonsequenzen liefert und mit einer Ausgangsstufe (A; C) aus mindestens einem Digital/Analog-Umset­ zer (DA) und einer Verstärkerstufe (LV; SV), wobei in dieser Ausgangsstufe (A; C) digitale Tonsequenzen in Signale zum An­ steuern eines Lautsprechers (LS) umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Digital-Analog-Umsetzer (DA) an seinem/ihrem Aus­ gang einen von digitalen Eingangssignalen abhängigen Strom (Ii) bereitstellen, daß der Ausgang bzw. die Ausgänge der/des Digi­ tal/Analog-Umsetzers (DA) mit dem Eingang eines Stromverstär­ kers (SV) zusammengeschaltet ist/sind und daß das Ausgangssi­ gnal dieses Stromverstärkers unmittelbar zur Ansteuerung eines Lautsprechers (LS) vorgesehen ist.

2. Tongeberschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker (SV) einen Open-Kollektorausgang (Q) aufweist und der Lautsprecher (LS) unmittelbar zwischen dem Open-Kollektorausgang (Q) des Stromverstärkers (SV) und ein Versorgungspotential (UB) geschaltet ist.

3. Tongeberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Ausgangssignales aller Digital/Analog-Um­ setzer (DA) in Abhängigkeit von einem Referenzstrom (IL) steu­ erbar ist und daß dieser Referenzstrom (IL) durch Variation ei­ nes Widerstandes (RL) verändert werden kann.

4. Tongeberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker (SV) als Linearverstärker ausgebildet ist, dessen Arbeitspunkt durch seinen Eingangsstrom (Ii) ein­ stellbar ist, daß dem von den Digital/Analog-Umsetzern (DA) ge­ lieferten Eingangssignal (IAC) des Stromverstärkers (SV) der Gleichstrom (IA) einer Stromquelle (2) überlagert wird und daß dieser Gleichstrom (IA) durch Variation eines dieser Stromquel­ le (2) zugeordneten, gegen Bezugspotential geschalteten Wider­ standes (RA) veränderbar ist.

5. Tongeberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lautsprecher (LS) eine Kapazität (CP) parallelgeschal­ tet ist.

6. Tongeberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Digital/Analog-Umsetzer (DA) Gegentakt-Strom-Digital/ Analog-Umsetzer vorgesehen sind.

7. Tongeberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärker (SV) mit einer bedarfsweise deaktivier­ baren Temperatursicherung ausgestattet ist.