DE60131972T2

DE60131972T2 - Störfreie einschaltung

Info

Publication number: DE60131972T2
Application number: DE60131972T
Authority: DE
Inventors: Marco Berkhout
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2021-05-04
Also published as: ES2296756T3; JP2003534692A; WO2001091285A1; EP1293037A1; US6384678B2; KR100809242B1; US20020014916A1; DE60131972D1; KR20020056876A; EP1293037B1; ATE381808T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gegentaktverstärker, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.
Aus dem US-Patent US-A-5.805.020 ist ein Stummstart-Klasse-D-Verstärker bekannt, bei dem ein Einschaltgeräusch korrigiert wird, indem ein Analogschalter zur Integratorschaltung hinzugefügt wird. In einer alternativen Ausführungsform verbindet ein Stummstartschalter einen veränderlichen Widerstand mit einem Komparatoreingang. Der Widerstand steigt allmählich an, um ein Einschaltgeräusch zu beseitigen.
Ein Nachteil dieses bekannten Stummstart-Klasse-D-Verstärkers besteht darin, dass die Aktivierung der Schalteinheit in einem völlig willkürlichen Moment erfolgt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Gegentaktverstärker und eine Stummstartschaltung zu schaffen, die nicht die Nachteile des bekannten Verstärkers und der bekannten Stummstartschaltung aufweisen. Zu diesem Zweck umfasst ein Gegentaktverstärker die Merkmale des Anspruchs 1. Die Erfindung bietet die Möglichkeit, zuerst die Schleife näherungsweise auf den benötigten Pegel zu bringen, und zweitens mit dem Einschalten einen Augenblick zu warten, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Einschaltgeräusch möglichst klein ist.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden mit Bezug auf die im Folgenden beschriebenen Beispiele offensichtlich und erläutert. Hierbei zeigen:
1 schematisch ein Beispiel eines Gegentaktverstärkers;
2 schematisch die Äquivalenzschaltung während des Einschaltens;
3 die optimalen Einschaltzeitpunkte;
4 ein Beispiel der Stummschleifenschaltung;
5 ein Beispiel der Komparatoreingangssignale im Stummmodus;
6 eine Schaltung mit der Stummstartschaltung; und
7 ein Beispiel der Stummstart-Logikimplementierung.
1 zeigt blockschematisch ein Beispiel eines Gegentaktverstärkers PPA gemäß der Erfindung. Über eine Eingangseinheit IU empfängt der Verstärker das Eingangssignal. Die Eingangseinheit IU ist mit einem Pulsbreitenmodulator PWM gekoppelt, der mit einem Ausgang zu einer Schalteinheit SU verbunden ist. Die Schalteinheit liefert ein Ausgangssignal über ein Demodulationsfilter DF an den Ausgang O des Verstärkers. Der Pulsbreitenmodulator PWM ist in einer Rückkopplungsschleife mit einem Rückkopplungselement RF verbunden, das an einer Seite mit dem Ausgang der Schalteinheit SU und an der anderen Seite mit dem Eingang des Pulsbreitenmodulators gekoppelt ist. Der Pulsbreitenmodulator umfasst ferner einen ersten Integrator FI und einen zweiten Integrator SI sowie einen Komparator COM, wobei der Eingang des ersten Integrators mit dem Ausgang der Eingangseinheit IU gekoppelt ist und der Eingang des zweiten Integrators mit einem Ausgang des ersten Integrators FI und ferner mit einem Oszillator OSC gekoppelt ist.
Die Schalteinheit SU umfasst eine Schaltsteuereinheit SCU und erste und zweite Schalter SW1 bzw. SW2. Das Demodulationsfilter DF ist in diesem Beispiel als Induktivität L und Kapazität C gezeigt, und kann ein Tiefpass-Demodulationsfilter zweiter Ordnung oder ein Demodulationsfilter höherer Ordnung sein.
Anstelle der Verwendung zweier Integratoren ist es auch möglich, nur einen Integrator zu verwenden. Am invertierenden Eingang des Komparators kann dann z. B. ein Sägezahnsignal angelegt werden.
Ein gewöhnliches Problem bei Audioverstärkern ist das Auftreten von Geräuschen im Lautsprecher, wenn der Verstärker eingeschaltet wird. Es ist gewöhnlich ein erheblicher Entwicklungsaufwand erforderlich, um dieses Einschaltgeräusch oder diesen "Plopp" zu reduzieren. In einem Klasse-D-Rückkopplungsverstärker tragen zwei Mechanismen zum Einschaltgeräusch bei.
Erstens, wenn der Verstärker gestartet wird, ist der Anfangszustand der Integratoren (FI, SI, siehe 1) in der Schleife undefiniert und befindet sich gewöhnlich nicht in der Nähe des Stationärzustandsbereiches. Die Schleife benötigt daher eine gewisse Zeitspanne, sich zu beruhigen. Da die Schalteinheit während diese Beruhigung aktiv ist, kann dies zu hörbaren Geräuschen im Lautsprecher führen. Idealerweise erzeugt der Ausgang des Verstärkers direkt nach dem Einschalten ein Rechteckwellensignal mit 50% Tastverhältnis.
Zweitens, vor dem Einschalten befindet sich der Ausgang der Schalteinheit gewöhnlich in einem hochohmigen Zustand, um einen Gleichstrom im Lautsprecher zu verhindern. Zu einem bestimmten Zeitpunkt beginnt der Ausgang zu schalten. Selbst wenn der Verstärker fähig ist, eine perfekte Impulsbreite, die mit einem Signal mit 50% Tastverhältnis moduliert ist, direkt nach dem Einschalten zu erzeugen, führt dies immer zu einer Antwort im Laufsprecher, da das Demodulationsfilter sich erst beruhigen muss.
Unter der Annahme, dass der Verstärker fähig ist, das gewünschte Rechteckwellensignal mit 50% Tastverhältnis direkt zu erzeugen, ist der einzige verbleibende Freiheitsgrad die Phase, bei der das Signal gestartet wird.
2 zeigt schematisch die Äquivalenzschaltung während des Einschaltens.
Um die optimale Startphase zu bestimmen, wird die in 3 gezeigte Situation betrachtet. Hier erzeugt die Spannungsquelle V_S eine Rechteckwelle mit der Amplitude A_S und einer Frequenz ☐_S sehr viel höher als die Eckfrequenz ☐₀ des Filters. Anfangs ist der Schalter S₁ offen und es ist keine Energie im Filter gespeichert, d. h. sowohl der Induktivitätsstrom I_L als auch die Kapazitätsspannung V_C sind gleich 0.
Nachdem der Schalter S₁ geschlossen worden ist und das Filter sich bis in den stationären Zustand beruhigt hat, wechseln der Induktivitätsstrom I_L und die Kondensatorspannung V_C periodisch. Die in der Induktivität und im Kondensator gespeicherte Energie kann ausgedrückt werden durch:
Im stationären Zustand wechselt auch die im Filter gespeicherte Gesamtenergie periodisch. Der optimale Zeitpunkt zum Schließen des Schalters liegt in der Phase des Quellensignals, in der die gespeicherte Energie den Minimalwert erreicht.
Im Stoppband nimmt die in den Komponenten in einem IC-Filter gespeicherte Energie von der Quelle zur Last schnell ab und wird durch das Element, das der Quelle am Nächsten ist, dominiert. In dem in 2 gezeigten Filter zweiter Ordnung wird die gespeicherte Gesamtenergie durch die Induktivität dominiert. Somit ist die gespeicherte Energie nahezu minimal, wenn der Induktivitätsstrom I_L gleich 0 ist. Das Quellensignal V_S und der Induktivitätsstrom I_L während des stationären Zustands sind in 3 gezeigt.
Wie in 3 zu sehen ist, wird der Induktivitätsstrom I_L in jeder Periode der Quelle zweimal gleich 0. Folglich befindet sich der optimale Einschaltzeitpunkt bei 1/4 oder 3/4 der Periode. Für die Ausgangsantwort sind beide Zeitpunkte gleichwertig. Es wird jedoch bevorzugt, dass der Ausgang zuerst auf die niedrige Seite geschaltet wird, um die Anodenbasisschaltung zu laden. Die optimale Phase zum Starten des Schaltens befindet sich daher bei der 3/4-Periode. Diese Herleitung ist auch für Demodulationsfilter höherer Ordnung gültig.
Nun müssen zwei Probleme gelöst werden, um das optimale Einschaltverhalten zu verwirklichen. Erstens, die Regelschleife muss sich im stationären Zustand befinden, bevor der Ausgang freigegeben wird, und zweitens, der Ausgang muss zum optimalen Zeitpunkt freigegeben werden.
Das erste Problem kann leicht gelöst werden, indem eine sekundäre Rückkopplungsschleife verwendet wird. Wie vorher erläutert worden ist, ist das Signal, das zur virtuellen Masse des ersten Integrators in der Schleife zurückgeführt wird, ein Rechteckwellenstrom mit der Amplitude I_fb = V_p/R_I. Dieser Strom kann mittels einer geschalteten Stromquelle emuliert werden, die durch den gleichen Komparatorausgang gesteuert wird, der zum Steuern der Schalteinheit verwendet wird.
Dies führt zu dem in 4 gezeigten System. Der Pulsbreitenmodulator PWM4 arbeitet wie folgt. Solange die Schalteinheit SU (siehe 1) nicht freigegeben ist, wird kein Strom durch den Widerstand RF4 zurückgeführt. In diesem Fall ist die geschaltete Stromquelle (SCU, siehe 1) freigegeben und ein Strom +I_stumm oder –I_stumm wird zur virtuellen Masse zurückgeführt. Sofern die Schleife betroffen ist, ist diese Situation gleichbedeutend mit einer Situation, in der die Schalteinheit freigegeben ist und die geschaltete Stromquelle SS4 gesperrt ist, solange I_stumm gleich I_fb ist. Folglich konvergiert die Schleife zum stationären Zustand. Nachdem der stationäre Zustand erreicht worden ist, was innerhalb weniger Taktzyklen geschieht, wird die geschaltete Stromquelle gesperrt und die Schalteinheit wird gleichzeitig freigegeben. Diese sekundäre Rückkopplungskonfiguration wird als Stummschleife bezeichnet, da sie nur dann arbeitet, wenn die Schalteinheit ge sperrt ist.
Das zweite Problem besteht darin, den optimalen Zeitpunkt zum Umschalten zwischen der Stummschleife und der Hauptschleife zu bestimmen. Zu diesem Zweck können die internen Signale verwertet werden. Da die Stummschleife äquivalent zur Hauptschleife ist, sind die internen Signale im Stummmodus identisch mit denjenigen im Normalmodus. Diese Signale sind in 5 gezeigt.
In 5 ist zu sehen, dass der optimale Zeitpunkt zum Freigeben der Schalteinheit dann ist, wenn das Plus-Signal durch 0 läuft. Dieser Zeitpunkt kann leicht mittels eines zweiten Komparators COM62 erfasst werden, wie in 6 gezeigt ist. Das Ausgangssignals dieses Komparators wird als SYNC-Signal bezeichnet. Um ein optimales Einschaltverhalten zu haben, muss das Signal, das die Schalteinheit freigibt, mit der steigenden Flanke des SYNC-Signals synchronisiert sein. Zu diesem Zweck kann eine einfache Logikschaltung SSLOG6 verwendet werden.
Es ist zu beachten, dass der invertierende Eingang des zweiten Komparators nicht mit der Signalmasse verbunden ist, sondern mit einer tiefpassgefilterten Version des Plus-Signals. Dies dient dazu, Versatzfehler zu kompensieren, die eine Gleichstromkomponente für die internen Signale hervorrufen, die den Zeitablauf beeinflusst.
Der Signalpfad enthält zwei geschaltete Stromquellen. Die Funktion dieser Quellen besteht darin, in Abhängigkeit von einem Logiksteuersignal einen Strom mit konstanter Größe aufzunehmen oder abzugeben.
7 zeigt eine Implementierung der Stummstart-Logikschaltung SSLOG7.
Es ist zu beachten, dass im Vorangehenden die Erfindung auf der Grundlage eines Beispiels beschrieben worden ist, dass jedoch Fachleute Änderungen erkennen werden, die nicht von der Erfindung abzuweichen.

Claims

Gegentaktverstärker mit einem Eingang zum Empfangen eines Eingangssignals und einem Ausgang zum Liefern eines Ausgangssignals, wobei der Gegentaktverstärker umfasst: einen Pulsweitenmodulator (PWM), der wenigstens einen Integrator (FI), einen Komparator (COM4) mit einem Komparatorausgang, ein Rückkopplungselement (RF), das zwischen einem Ausgang einer Schalteinheit (SU) und einem Eingang des Pulsweitenmodulators (PWM) angeordnet ist, um einen Rückkopplungsstrom dem Eingang des Pulsweitenmodulators (PWM) zuzuführen, und eine Stummstartschaltung zum Erreichen eines Anlaufs des Verstärkers ohne Anlaufgeräusch umfasst, wobei die Stummstartschaltung eine Schleife (COM62, SSLOG6) zum Sperren einer Schalteinheit (SU) während des Anlaufens aufweist, die Schalteinheit (SU) mit wenigstens zwei Schaltern (SW1, SW2), die mit dem Komparatorausgang des Pulsweitenmodulators (PWM) gekoppelt ist, und ein Demodulatorfilter (DF), das mit dem Ausgang der Schalteinheit (SU) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsweitenmodulator (PWM) eine sekundäre Rückkopplungsschleife umfasst, die eine geschaltete Stromquelle (SS6) umfasst zum Zuführen eines Stroms (+Istumm, Istumm) zum Eingang des Pulsweitenmodulators (PWM), wenn die Schalteinheit (SU) gesperrt ist, wobei die geschaltete Stromquelle (SS6) mit dem Komparatorausgang gekoppelt ist, um den Strom (+Istumm, Istumm) gleich dem Rückkopplungsstrom während des Bereitschaftszustands zu liefern.
Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegentaktverstärker ein Klasse-D-Verstärker ist.
Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Integrator (FI) einen invertierenden Eingang und einen nichtinvertierenden Eingang aufweist, wobei der Eingang des Pulsweitenmodulators (PWM) der invertierende Eingang des wenigstens einen Integrators (FI) ist.
Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Eingang des wenigstens einen Integrators (FI) virtuelle Masse ist.
Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Demodulatorfilter (DF) ein IC-Filter mit einer Filterinduktivität (L) und einer Filterkapazität (C) umfasst, und dass die Stummstartschaltung so konstruiert ist, dass sie die Schalteinheit (SU) freigibt, wenn ein Induktivitätsstrom (IL) durch die Filterinduktivität (L) gleich 0 wird.
Gegentaktverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (COM4) einen nichtinvertierenden Eingang, der zum Empfangen eines Signals des wenigstens einen Integrators (FI) angeschlossen ist, und einen invertierenden Eingang zum Empfangen eines Sägezahnsignals aufweist, wobei die Stummstartschaltung so konstruiert ist, dass sie die Schalteinheit (SU) freigibt, wenn ein Signal am nichtinvertierenden Eingang des Komparators (COM4) die Nulllinie kreuzt.
Gegentaktverstärker nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsweitenmodulator (PWM) ferner einen Oszillator (OSC) umfasst, und dass der wenigstens eine Integrator (FI) einen ersten Integrator (FI) und einen zweiten Integrator (SI) umfasst, wobei ein Eingang des ersten Integrators (FI) mit einem Eingang des Pulsweitenmodulators (PWM) gekoppelt ist, der Eingang des zweiten Integrators (SI) mit einem Ausgang des ersten Integrators und mit dem Oszillator (OSC) gekoppelt ist, und wobei der Komparator (COM) einen ersten Eingang zum Empfangen eines Ausgangssignals des ersten Integrators (FI) und einen zweiten Eingang zum Empfangen eines Ausgangssignals des zweiten Integrators (SI) aufweist.
Gegentaktverstärker nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungselement (RF) an einer Seite mit einem Ausgang der Schalteinheit (SU) und an der anderen Seite mit einem Eingang des Pulsweitenmodulators (PWM) gekoppelt ist.