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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verstärker umfassend einen Ausgangsverstärker mit
einer ersten Ausgangsstufe und einer zweiten Ausgangsstufe, wobei
ein Eingangssignal nicht invertiert an die erste Ausgangsstufe und
invertiert an die zweite Ausgangsstufe angelegt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
einem Verstärker
mit einem Ausgangsverstärker
mit einer ersten Ausgangsstufe und einer zweiten Ausgangsstufe,
wobei das Eingangssignal nicht invertiert an die erste Ausgangsstufe
und invertiert an die zweite Ausgangsstufe gelegt wird, üblicherweise
bezeichnet als Klasse-D-Verstärker/-Ausgangsstufe,
wird ein Eingangssignal (typischerweise ein Audiosignal) transformiert
in ein Ausgangssignal, welches dazu geeignet ist, als Originalsignal
durch eine externe Last, üblicherweise
einen Lautsprecher oder dergleichen, reproduziert zu werden. In
der grundlegenden Betriebsart eines Klasse-D-Verstärkers/-Ausgangsstufe wird
ein eingehendes Signal, z. B. durch einen Pulsweiten- oder Pulscodemodulator oder
dergleichen, in ein hochfrequentes Rechtecksignal umgewandelt, wobei
der Mittelwert dem des Originalsignals entspricht. Das Rechtecksignal
wird auf eine Ausgangsstufe gelegt, die eine Anpassung der Signalstärke ermöglicht und
das Signal in ein High/Low-Ausgangssignal
aufteilt. Das Ausgangssignal wird gefiltert um Umschaltrauschen
zu entfernen, wobei ein gemitteltes Ausgangssignal entsteht um eine
Last, wie z. B. einen Lautsprecher, damit zu betreiben.
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Der
Ausgang eines differenziellen Klasse-D-Verstärkers/-Ausgangsstufe oszilliert zwischen zwei
Extremen um ein analoges Signal darzustellen. Diese beiden Extreme
werden dargestellt durch 1-0 oder 0-1 am Ausgang. Beispielsweise
hat ein Verstärker
mit einer Speisespannung von 5 Volt als Extremwert auf der einen
Seite einen ersten Ausgangsanschluss mit einer Spannung von 5 Volt
und einen zweiten Ausgangsanschluss mit einer Spannung von 0 Volt.
Als anderes Extrem hat der erste Ausgangsanschluss eine Spannung
von 0 Volt und der zweite Ausgangsanschluss eine Spannung von 5
Volt.
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Eine
ohmsche oder kapazitive Last angeschlossen an den Verstärker hat
immer eine Spannung von ± 5
Volt anliegen und ermöglicht
es der Last, eine Menge Strom zu verbrauchen.
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WO
03/021770 offenbart eine Schaltung zum Herstellen einer spektralen
Null in einem differentiell den Ausgang schaltenden Verstärker. Das
modulierte Signal wird an einen Vollbrücken-Schaltverstärker angeschlossen und ist
kompensiert, um vorbestimmte Frequenzen ungerader Harmonischer zu
entfernen. Die Kompensation invertiert und verzögert ein Signal, welches angeschlossen
ist an eine erste Hälfte
der Vollbrücke
und legt das verzögerte
invertierte Signal an eine zweite Hälfte der Vollbrücke. Durch eine
Verzögerung
mit einer ungeraden Anzahl an Halbzyklen werden das Trägersignal
und dessen ungerade Harmonische unterdrückt, da das gleiche Signal
auf beiden Seiten des Ausgangs der Vollbrücke existiert. Werden diese
beiden gleichen Signale durch die Wirkung der Vollbrücke voneinander
subtrahiert, werden der Träger
und die ungeraden Harmonischen unterdrückt.
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Aufgabe der
Erfindung
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung ist es, einen differentiellen Klasse-D-Verstärker/-Ausgangsstufe
mit einem reduzierten Stromverbrauch im Falle einer an dem Verstärker anliegenden
Last bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Klasse-D-Verstärker/-Ausgangsstufe
mit einer verbesserten Ausgangssignalqualität bereitzustellen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
genannten Aufgaben und Vorteile werden realisiert durch einen Verstärker und
die Verwendung eines Verstärkers
nach den unabhängigen
Ansprüchen.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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Insbesondere
wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst durch einen Verstärker umfassend
einen Ausgangsverstärker
mit einer ersten Ausgangsstufe und einer zweiten Ausgangsstufe, wobei
der Verstärker
weiter einen Sigma-Delta-Modulator umfasst, wobei das Ausgangssignal
des Sigma-Delta-Modulators ein Digitalsignal ist, das als Eingangssignal
nicht invertiert an die erste Ausgangsstufe und invertiert an die
zweite Ausgangsstufe gelegt ist, wobei das Ausgangssignal der ersten
und zweiten Ausgangsstufe ein Digitalsignal ist und wobei das Eingangssignal
mit einer Zeitverzögerung
auf eine der beiden Ausgangsstufen gelegt ist, wobei die Zeitverzögerung gleich
1/Abtastfrequenz ist.
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Ein
erfindungsgemäßer Verstärker wird
verwendet zum Betrieb einer Last, beispielsweise eines Lautsprechers,
eines Ohrhörers
oder dergleichen. Das Eingangssignal des Verstärkers ist ein digitales oder
analoges Signal. Der Verstärker
kann unterschiedliche Stufen umfassen, beispielsweise einen Vorverstärker und
eine Endstufe. Die Endstufe umfasst einen Ausgangsverstärker mit
einer ersten Ausgangsstufe und einer zweiten Aus gangsstufe. Das Eingangssignal
wird nicht invertiert an eine der Ausgangsstufen gelegt, beispielsweise
die erste Ausgangsstufe, und invertiert an die andere Ausgangsstufe
gelegt, beispielsweise an die zweite Ausgangsstufe. Daher sind die
Ausgangssignale der Ausgangsstufen gegeneinander invertiert. Das
Eingangssignal einer der Ausgangsstufen wird mit einer Verzögerung an
diese Stufe angelegt. Im Ergebnis sind die Ausgangssignale der Ausgangsstufen
zeitweise entgegengesetzt und haben während der Verzögerungszeit
die gleiche Polarität.
Wenn die Ausgangssignale der Ausgangsstufen die gleiche Polarität haben,
wird kein Strom durch die Last verbraucht. Dadurch ist der Stromverbrauch
des Verstärkers
und der Last reduziert. Als zweiter Effekt wird die Qualität des Ausgangssignals
erhöht,
indem eine Verzögerung
in einen der Ausgangspfade gelegt wird.
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Die
Abtastfrequenz ist die Arbeitsfrequenz des Sigma-Delta-Modulators. Wenn
die Verzögerung gleich
1/Abtastfrequenz ist, verbraucht die Last über die meiste Zeit keinen
Strom und es wird keine Energie verbraucht. Wenn die Verzögerung gleich
null ist zieht die Last jederzeit Strom und das Verhalten des erfindungsgemäßen Verstärkers ist
gleich dem Verhalten eines Verstärkers
nach Stand der Technik.
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Ein
erfindungsgemäßer Verstärker kann
verwendet werden zur Reduktion von totaler harmonischer Verzerrung
und Rauschen eines Klasse-D-Verstärkers/-Ausgangsstufe und kann
ebenfalls verwendet werden zur Verringerung des Stromverbrauchs eines
Klasse-D-Verstärkers/-Ausgangsstufe.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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1 ein
Blockdiagramm eines Klasse-D-Verstärkers/-Ausgangsstufe mit einer Verzögerung ist;
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2 das
Ausgangssignal der beiden Anschlüsse
eines differentiellen Klasse-D-Verstärkers nach Stand der Technik
und den Strom durch eine ohmsche Last an dem Verstärker darstellt;
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3 das
Ausgangssignal der beiden Anschlüsse
eines differentiellen Klasse-D-Verstärkers mit einer Verzögerung und
den Strom durch eine ohmsche Last an dem Verstärker darstellt;
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4 einen
durch einen Sigma-Delta-Modulator beaufschlagten Drei-Zustands-Ausgangsverstärker darstellt;
und
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5 ein
Diagramm ist, das die totale harmonische Verzerrung und Rauschen über die
Amplitude eines Klasse-D-Verstärkers unter
Verwendung des Ausgangsverstärkers
nach Stand der Technik und unter Verwendung eines Ausgangsverstärkers entsprechend
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform Die vorliegende
Erfindung besteht darin, einen dritten Pegel zu dem Ausgang eines Klasse-D-Verstärkers hinzuzufügen und
damit zu einem System mit einem Ausgang mit drei Zuständen zu
verwandeln. Zusätzlich
zu den zwei bekannten Pegeln, einer positiven Spannung und einer
negativen Spannung, wird ein dritter Pegel hinzugefügt. Bei dem
dritten Pegel sind beide Anschlüsse
einer Last auf die gleiche Spannung gelegt, so dass keine Spannung
an der Last am Ausgang anliegt. Während der Verstärker in
dem dritten Zustand ist, zieht die Last keinen Strom und daher wird
keine Energie verbraucht.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Klasse-D-Verstärkers/-Ausgangsstufe mit Verzögerung entsprechend
den Grundsätzen
der vorliegenden Erfindung. Ein analoges oder digitales Signal 1 ist
Eingang für
eine Signalverarbeitungsvorrichtung 2. Ausgangssignale
der Signalverarbeitungsvorrichtung 2 sind ein invertiertes
Signal 8a und ein nichtinvertiertes Signal 8b.
Die Polarität
der Signal 8a und 8b ist jeweils entgegengesetzt.
Das Signal 8 ist Eingangssignal für Ausgangsstufen 4, 5.
Eines der Signale, das invertierte Signal 8a oder das nicht
invertierte Signal 8b, ist an ein Verzögerungselement 3 gelegt.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das nicht invertierte Signal 8b an das Verzögerungselement 3 gelegt.
Alternativ könnte
das invertierte Signal 8a dem Verzögerungselement 3 aufgeschaltet sein.
Im Ergebnis wird eines der Signale 8a, 8b, das invertierte
oder das nicht invertierte, der Signalverarbeitungsvorrichtung 2 mit
Verzögerung
an die erste Ausgangsstufe 4, das andere Signal ohne Verzögerung an
die zweite Ausgangsstufe 5 gelegt. Ausgangsanschlüsse der
ersten und der zweiten Ausgangsstufe 4, 5 sind
verbunden mit einer Last 6. Die Last 6 ist üblicherweise
ein Lautsprecher, ein Ohrhörer
oder dergleichen und damit eine ohmsche, kapazitive oder induktive
Last.
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Anstatt
jederzeit das exakte Gegenteil der ersten Ausgangsstufe 4 an
die zweite Ausgangsstufe 5 anzulegen, wird das Signal der
ersten Ausgangsstufe 4 verzögert. Daher haben die beiden
Ausgangsanschlüsse
oft die gleiche Spannung und es fällt daher keine Spannung an
der Last 6 ab. Wenn die Verzögerung klein ist, bleibt die
Qualität
des Ausgangssignals die gleiche wie bei einer normalen Klasse-D-Schaltung.
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2 zeigt
die Ausgangssignale U1 und U2 eines
gängigen
Klasse-D-Verstärkers,
wobei das zweite Ausgangssignal immer das Gegenteil des ersten Ausgangssignals
ist. Die Spannungen U1 und U2 korrespondieren
jeweils mit einem der Ausgangsanschlüsse der ersten und zweiten
Ausgangsstufe 4, 5. Der Strom IL durch
eine ohmsche Last ist jederzeit bei einem maximalen Wert (± I).
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3 verdeutlicht
den Ausgang IL eines differentiellen Klasse-D-Verstärkers mit
Verzögerung. Die
Spannungen U1 und U2 sind
nicht nur alternierend, sondernd auch phasenverschoben. Wie in 3 gezeigt
wird, fließt
bei einem Verstärker
mit Verzögerung
erfindungsgemäß während der
meisten Zeit kein Strom IL durch die Last.
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Wenn
der Eingang eine Konstante bei der Hälfte des Spannungsbereichs
ist, oszilliert der Ausgang eines Verstärkers nach Stand der Technik ähnlich einer
Uhr. Durch die erfindungsgemäße Zeitverzögerung gleich
der Oszillationsfrequenz geht der Energieverbrauch in dem Verstärker gegen
null. Im Kontrast dazu, wenn der Eingang an seinem maximalen oder
minimalen Wert bleibt, gibt es keine Reduzierung des Energieverbrauchs.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verstärker hängt der
Energieverbrauch etwa linear von der Amplitude des Eingangssignals
ab, wobei bei einem Verstärker
nach Stand der Technik der Energieverbrauch immer bei seinem maximalen
Wert verbleibt.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung kann der Energieverbrauch eines jeden
Klasse-D-Verstärkers
reduziert werden. Die Reduzierung ist bedeutsamer für einen
Klasse-D-Ausgangsverstärker, da
diese oftmals eine Last mit einem geringen ohmschen Widerstand haben.
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Die
Ausgangsstufe mit drei Zuständen
entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ebenso vorteilhaft für Ausgangsverstärker, die
direkt von einem Sigma-Delta-Modulator angesteuert werden. Wie in 4 gezeigt
wird konvertiert der Sigma-Delta-Modulator 7 ein
hochauflösendes
niederfrequentes Signal durch einen Ein-Bit-Quantisierer 8 in
ein niedrigaufgelöstes
hochfrequentes Signal. Beispielsweise wird ein mit 16 kHz abgetastetes
16-Bit-Signal konvertiert in ein Ein-Bit 2 MHz Signal. Indem das
2 MHz Signal an eine Treiberstufe 9 umfassend eine zweite
Ausgangsstufe 5 als ersten Pfad und einen Inverter 10,
ein Verzögerungselement 3 und
eine erste Ausgangsstufe 4 als zweiten Pfad umfasst, kann
ein Klasse-D-artiger differentieller Ausgangsverstärker ausgeführt werden.
Der Verstärker 9 entspricht
dem in 1 dargestellten Verstärker/Ausgangsstufe.
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Auch
hier wird durch eine Verzögerung
vor einer der Ausgangsstufen 4, 5 der Energieverbrauch stark
reduziert, da über
die meiste Zeit keine Differenzspannung an die Last der Ausgangsstufen
gelegt wird.
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Messungen
mit einem Sigma-Delta-Modulator dritter Ordnung zeigen, dass mit
einem über
den gesamten Spannungsbereich gehenden sinusförmigen Eingangssignal (0dB)
an dem Modulator und mit einer Verzögerung gleich 1/(Abtastfrequenz)
der durch die Last fließende
Strom um 17% verglichen mit einer Schaltung nach Stand der Technik
ohne Verzögerung
reduziert wird. Mit einer Amplitude des Eingangssignals von –20dB und
darunter ist die Reduktion im Energieverbrauch über 70%.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die gesteigerte
Qualität
des Ausgangssignals. Durch Aufbringen der Verzögerung konnte eine Verbesserung
von mehreren dB der totalen harmonischen Verzerrung und Rauschen
(THD+N) und des Signal-Rauschabstandes (SNR) gemessen werden. 5 stellt
ein Diagramm dar, das eine Messung der totalen harmonischen Verzerrung
und Rauschen (THD+N) über
die Amplitude am Ausgang eines Audio-16-Bit-Sigma-Delta-Digital/Analog-Konverters zeigt.
Eine Linie, die mit „two
level output" gekennzeichnet
ist, zeigt die Messung eines Verstärkers nach Stand der Technik
als Ausgangsverstärker,
eine Linie, die mit „three
level output" markiert
ist, zeigt die Messung eines Verstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung
als Ausgangsverstärker.
Wie in 5 dargestellt ist, ist THD+N eines Ausgangsverstärkers gemäß der vorliegenden
Erfindung geringer als THD+N eines Verstärkers nach Stand der Technik über nahezu
den gesamten Dynamikbereich zwischen –98dB und 0dB. Nur bei sehr
kleinen und sehr großen
Amplituden, nahe –98dB
und 0dB, ist THD+N in etwa die gleiche für einen Ausgangsverstärker nach
Stand der Technik und einen Ausgangsverstärker entsprechend der vorliegenden
Erfindung.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist die Beschreibung der Erfindung lediglich
illustrativ und ist nicht gedacht als eine Limitierung der Erfindung.
Verschiedene Abwandlungen und Änderungen
werden einem Fachmann einfallen, ohne den Bereich der Erfindung,
wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.