DE60035108T2

DE60035108T2 - Leistungsverstärkervorrichtung

Info

Publication number: DE60035108T2
Application number: DE60035108T
Authority: DE
Inventors: Edoardo Botti; Antonio Grosso
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: EP1184973B1; US6489840B2; DE60035108D1; EP1184973A1; US20020024383A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsverstärkungseinrichtung und insbesondere auf eine Einrichtung zur Verstärkung von Audiosignalen.
Die typische Tendenz zur Verringerung des Leistungsverbrauchs und des Gewichts und der Belastung von Kühlkörpern hat dazu geführt, von den Einrichtungskonstrukteuren Leistungsaudioverstärker mit einem höheren Wirkungsgrad als die Verstärker der Klasse AB zu fordern.
Zum Erfüllen dieser Forderung wurden Audioverstärker der Klasse D vorgeschlagen, die einen DC/AC-Wandler enthalten, der ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal (PWM = pulse width modulation) erzeugt. Ein solches Signal treibt seinerseits Leistungsschalter, die eine Last treiben, die mit einem passiven Filter versehen ist zum Wiederherstellen des verstärkten Audiosignals.
Ein einzelner Ausgangsverstärker mit Analogeingang und PWM-Ausgang (Verstärker der Klasse D) ist in dem Artikel "Analysis of a quality class-D amplifier", F.A. Himmelstoss u.a., IEEE Transactions an Consumer Electronics, Band 42, Nr. 3, August 1996 beschrieben.
Das wachsende Interesse an digitaler Verarbeitung von Signalen hat dazu geführt, Leistungsverstärker mit analogem oder digitalem Eingang bereitzustellen.
Eine besondere Klasse solcher Verstärker ist diejenige der Audioschalterverstärker, bei denen der Ausgang des PWM-Leistungsverstärkerblocks 1 wie in 1 gezeigt von einer Last 2 (im Allgemeinen einem Lautsprecher) durch ein LC-Tiefpassfilter 3 getrennt ist. Wenn der Verstärker mittels des Signals En eingeschaltet wird, ist die vor dem LC-Filter 3 erfasste Spannung bei Abwesenheit eines Eingangsaudiosignals ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 50%, das ist das Rechtecksignal des PWM-Modulators, das verstärkt wurde. Das Spannungssignal Vout, das von dem LC-Filter 3 ausgegeben wird, das im Betriebszustand einen Signalverlauf aufweist, der schematisch durch ein mittelwertfreies Dreiecksignal gebildet ist, hat, wie in 2 gezeigt, in der Zeitspanne Ti, die dem Einschalten folgt, einen Mittelwert ungleich Null, was in dem Lautsprecher ein hörbares Geräusch bewirkt. Das gleiche Ergebnis wird beim Ausschalten des Verstärkers in der Zeitspanne Tf bewirkt. Die Weite eines solchen Geräuschs ist auch nicht konstant, sondern sie hängt von dem Augenblick des Anlegens des Einschaltsignals ab.
Eine Lösung, die tatsächlich zum Eliminieren solcher Geräusche verwendet wird, besteht darin, zwischen das LC-Tiefpassfilter 3 und den Lautsprecher ein Relais 4 einzufügen, das mittels eines Signals Enrelais geeignet angesteuert wird, das für eine bestimmte Zeitdauer Ton nach dem Einschalten aktiviert wird und um eine Zeit Toff vor dem Ausschalten der Vorrichtung deaktiviert wird, so dass der Lautsprecher in den interessierenden Zeiträumen von den Transienten ausgeschlossen ist, wie es in 3 und 4 gezeigt ist.
EP-A-0 503 571 offenbart eine Leistungsverstärkungseinrichtung, wie sie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist.
Angesichts des beschriebenen Standes der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Leistungsverstärkungseinrichtung bereitzustellen, die die Geräusche aufgrund der Einschalt- und Ausschalttransienten des Verstärkers in einer wirtschaftlichen Weise verringert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe erfüllt durch eine Leistungsverstärkungseinrichtung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klar durch die folgende detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform, die als nicht einschränkendes Beispiel in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist, wobei:
1 ein Blockdiagramm eines Audioverstärkers gemäß dem Stand der Technik ist;
2 einige Betriebssignalverläufe des Verstärkers von 1 zeigt;
3 ein Blockdiagramm eines Audioverstärkers mit einer Vorrichtung zum Beseitigen der Einschalt- und Ausschalttransienten gemäß dem Stand der Technik ist;
4 einige Betriebssignalverläufe des Verstärkers von 3 zeigt;
5 ein Blockdiagramm einer PWM-Verstärkungseinrichtung mit einer Vorrichtung zum Beseitigen der Einschalt- und Ausschalttransienten gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
6 ein Schaltbild der Einrichtung von 5 ist;
7 Betriebssignalverläufe der Einrichtung von 6 zeigt; und
8 ein Schaltbild der Vorrichtung zum Beseitigen der Einschalt- und Ausschalttransienten von 6 ist.
In 1 ist das Blockdiagramm eines typischen Audioschaltverstärkers gezeigt, wobei der Ausgang des PWM-Leistungsverstärkerblocks 1 gezeigt von einer Last 2 (im Allgemeinen einem Lautsprecher) durch ein LC-Tiefpassfilter 3 getrennt ist. Wenn der Verstärker mittels des Signals En eingeschaltet wird, ist die vor dem LC-Filter 3 erfasste Spannung bei Abwesenheit eines Eingangsaudiosignals ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 50%, das ist das Rechtecksignal des PWM-Modulators, das verstärkt wurde. Das Spannungssignal Vout, das von dem LC-Filter 3 ausgegeben wird, das im Betriebszustand einen Signalverlauf aufweist, der durch ein mittelwertfreies Dreiecksignal gezeigt ist, hat, wie in 2 gezeigt, in der Zeitspanne Ti, die dem Einschalten folgt, einen Mittelwert ungleich Null, was in dem Lautsprecher ein hörbares Geräusch bewirkt. Das gleiche Ergebnis wird beim Ausschalten des Verstärkers in der Zeitspanne Tf bewirkt.
In 3 ist das Blockdiagramm des Audioschaltverstärkers von 1 gezeigt, der eine bekannte Vorrichtung zum Beseitigen der Transienten aufweist, d.h. ein Relais 4, das zwischen das LC-Tiefpassfilter 3 und den Lautsprecher geschaltet ist. Das Relais 4 wird mittels eines Signals Enrelais geeignet angesteuert, das für eine bestimmte Zeitdauer Ton nach dem Einschalten aktiviert wird und um eine Zeit Toff vor dem Ausschalten der Vorrichtung deaktiviert wird, so dass der Lautsprecher in den interessierenden Zeiträumen von den Transienten ausgeschlossen ist, wie es in 4 gezeigt ist.
In 5 ist das Blockdiagramm einer Verstärkungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Eine solche Verstärkungseinrichtung enthält einen Signalverstärkungsblock 10, der seinerseits einen Leistungsverstärkungsblock 5 vom Pulsbreitenmodulationstyp (PWM = pulse width modulation) und einen Block 7 enthält. Der Block 10 empfängt an seinem Eingang bei Abwesenheit eines Eingangsaudiosignals ein Eingangsrechtecksignal C mit einem Tastverhältnis von 50% und ein Freigabesig nal En (ein Signal, das das Einschalten und Ausschalten des Verstärkers bewirkt). In dem Fall, in dem das Eingangsaudiosignal ein Digitalsignal ist, ist das Rechtecksignal C ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis von 50% in den Schritten des Einschaltens und Ausschaltens der Vorrichtung (das PWM-Modulationssignal, das aus einer in den Figuren nicht gezeigten PWM-Modulationskette stammt). Wenn das Eingangsaudiosignal dagegen ein Analogsignal ist, ist das Rechtecksignal C ein Taktsignal mit einem Tastverhältnis von 50%, das beispielsweise durch einen Oszillator erzeugt wird. Das PWM-Ausgangssignal von dem Block 10 geht an den Eingang des Blocks 3, der durch das LC-Filter gebildet ist und dessen Ausgang die Last 2 treibt.
In 6 ist eine Schaltungsverwirklichung der Verstärkungseinrichtung von 5 gezeigt. Der Block 5 enthält eine Integratorstufe, die durch einen Operationsverstärker O1, einen zwischen den invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers O1 und seinen Ausgang geschalteten Kondensator C1 und einen Widerstand Ri, der mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers O1 verbunden ist und einen freien Anschluss aufweist, an den das Eingangssignal C angelegt wird. Der nichtinvertierende Anschluss des Operationsverstärkers O1 ist mit Masse oder einer Referenzspannung verbunden.
Ein in 7 gezeigtes Dreiecksignal 7 wird an der Integratorstufe ausgegeben. Das Dreiecksignal tri wird in ein Rechteck umgewandelt durch den Logikblock INV, der ein einfaches logisches NOT-Gatter oder ein Inverter oder eine Kaskade von logischen NOT-Gattern sein kann, an dessen Ausgang ein logisches Pulsbreitenmodulationssignal sq gewonnen wird, das ein Rechtecksignal ist, das um 1/4 Periode gegenüber dem am Eingang verschoben ist.
Das Signal sq wird an den Eingang eines Schalters S übertragen, der zwei Ausgangsanschlüsse S1 und S2 aufweist, von denen der erste mit einer Leistungsausgangsstufe 20 verbunden ist und der zweite mit einem Widerstand Rf1 verbunden ist, dessen anderer Anschluss mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers O1 verbunden ist. Der Strom, der in den Widerständen Rf und Rf1 fließt, muss kleiner sein als der Strom, der in dem Widerstand Ri fließt, so dass die Verstärkungseinrichtung korrekt arbeitet, wie es bei der Beschreibung des Betriebs der Einrichtung angenommen wird.
Der Schalter S wird durch ein Signal Ens am Ausgang einer Vorrichtung 6 gesteuert, die mit dem Schalter S und dem Widerstand Rf1 den Block 7 des Verstärkers von 5 bildet.
Die Vorrichtung 6 empfängt am Eingang die Signale C und En, und sie erzeugt am Ausgang das Signal Ens, welches das Signal En ist, das mit einer ansteigenden oder abfallenden Flanke des Eingangssignals C zusammenfällt. Jedes Signal Ens bewirkt, dass der Schalter S am Anschluss Si angeordnet ist, und es bewirkt, dass das Ausgangssignal Vo der Leistungsstufe 20 einen ersten Puls Ti nach ihrem Einschalten und einen letzten Puls Tf vor ihrem Ausschalten aufweist mit einer Dauer von 1/4 ihrer Periode. Das verringert die Amplitude des hörbaren Transienten des Ausgangssignals Vo.
Wenn das Signal Ens auf low liegt, ist der Schalter S an dem Anschluss S2 angeordnet, der an einem Anschluss des Widerstands Rf1 liegt, so dass während der Nichtbetriebsdauer der Leistungsstufe 20 die Integratorstufe nicht divergiert und sich selbst aus dem Linearitätszustand hinausträgt.
Die Vorrichtung 6 kann beispielsweise durch ein flankengetriggertes Setz-Rücksetz-Flip-Flop des in 8 gezeigten Typs gebildet sein. Das Eingangssignal C und das invertierte Signal C liegen am Eingang eines AND-Gatters A1 an, dessen Ausgangssignal an den Eingängen von zwei NAND-Gattern N1 und N2 anliegt. Das Freigabesignal En wird an den anderen Eingang des NAND-Gatters N1 übertragen, während der andere Eingang des NAND-Gatters N2 an Masse liegt. Die Ausgangssignale der NAND-Gatter N1 und N2 werden an zwei weitere NAND-Gatter N3 und N4 übertragen, an deren Eingängen jeweils die Signale Ensn (welches das invertierte Signal Ens ist) und Ens anliegen. Wie bereits beschrieben, ist der zeitliche Signalverlauf des Signals Ens in 7 gezeigt.

Claims

Leistungsverstärkungseinrichtung, die am Eingang ein Freigabesignal (En) und ein Eingangsrechtecksignal (C) empfängt, wobei die Einrichtung eine Vorrichtung (6) enthält, die das Eingangsrechtecksignal (C) und das Freigabesignal (En) empfängt und ein neues Freigabesignal (Ens) für die Einrichtung erzeugt, das mit einer ansteigenden oder abfallenden Flanke des Eingangsrechtecksignals (C) synchronisiert ist, so dass ein Ausgangsrechtecksignal (Vo) der Einrichtung, das normalerweise um einen bestimmten Periodenteil gegenüber dem Eingangsrechtecksignal (C) am Eingang der Einrichtung verschoben ist, einen ersten (Ti) und einen letzten (Tf) Puls aufweist, die eine Dauer haben, die gleich einem Periodenteil des Ausgangsrechtecksignals (Va) sind, und wobei die Leistungsverstärkungseinrichtung eine PWM-Einrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Verstärkungsstufe (O1, C1, Ri, INV) und eine zweite Verstärkungsstufe (20) enthält, die erste Verstärkungsstufe (O1, C1, Ri, INV) eine Integratorstufe (O1, C1, Ri), bei der das Eingangsrechtecksignal (C) am Eingang an ihrem invertierenden Knoten anliegt, und eine Rechteckstufe (INV) für das Ausgangssignal (tri) der Integratorstufe (O1, C1, Ri) enthält, die erste Verstärkungsstufe (O1, C1, Ri, INV) in Reihe zu der zweiten Verstärkungsstufe (20) angeordnet ist und der Ausgang der zweiten Verstärkungsstufe (20) mit einem Anschluss eines Widerstands (Rf) verbunden ist, dessen anderer Anschluss mit dem invertierenden Knoten der Integratorstufe (O1, C1, Ri) verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des ersten (Ti) und des letzten (Tf) Pulses des Rechtecksignals (Vo) am Ausgang der Verstärkungseinrichtung 1/4 der Periode des Ausgangsrechtecksignals (Vo) ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) ein Flipflop vom flankengetriggerten Setz-Rücksetz-Typ ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schalter (S) enthält, der zwischen der Rechteckstufe (INV) und der zweiten Verstärkungsstufe (20) eingefügt ist, wobei der Schalter (S) durch das von der Vorrichtung (6) erzeugte neue Freigabesignal (Ens) so gesteuert wird, dass der Ausgang der Rechteckstufe (INV) mit der zweiten Verstärkungsstufe (20) verbunden ist, wenn das neue Freigabesignal (Ens) auf high liegt, oder dass der Ausgang der Rechteckstufe (INV) mit einem Anschluss eines zweiten Widerstands (Rf1) verbunden ist, dessen anderer Anschluss mit dem invertierenden Knoten der Integratorstufe (O1, C1, Ri) verbunden ist, wenn das neue Freigabesignal (Ens) auf low liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal der zweiten Verstärkungsstufe (20) das Ausgangsrechtecksignal (Vo) der Einrichtung ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsrechtecksignal (C) ein Tastverhältnis von 50% aufweist.