DE69024098T2 - Verzerrungslose Temperaturbegrenzungsschaltung in Tonfrequenzleistungsverstärkern - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Temperaturbegrenzung mit minimierter Verzerrung in Audioleistungsverstärkern.
• Es ist bekannt, daß monolithisch integrierte Audioverstärker normalerweise gegen Übertemperaturen (höher als 150ºC) durch eine geeignet konfiguierte Schaltung geschützt sind. Diese Schaltung, welche im einfachsten Fall aus nur einem Transistor bestehen kann, begrenzt den Strom in der Endstufe, wenn die Temperatur überschritten wird, zum Beispiel durch Abschalten einiger in der Stufe vorgesehener Stromquellen und begrenzt so die Verlustleistung. Auf diese Weise begrenzt das Audioverstärker/Wärmeableitungs-System, welches integrierten Schaltungen normalerweise zugeordnet ist, seine Leistung selbst, um die Temperatur in der integrierten Schaltung (Durchschnittstemperatur auf dem Silikonbaustein) im Bereich des Maximalwertes (allgemein gleich 150ºC) zu halten.
• Diese Art der Begrenzung ist jedoch nachteilig, da das Abschalten einiger Komponenten des Verstärkers eine Verzerrung der Wellenform des Ausgangssignals auslöst und dadurch die Klangtreue der Wiedergabe nachteilig beeinflußt.
• Diese Lösung ist daher für bestimmte Anwendungen nicht akzeptabel.
• Das Dokument "Analoge Schaltungen" von Manfred Seifart, 1. Auflage, 1987, VEB Verlag Technik Berlin, beschreibt auf Seite 173-176 eine Schaltung dieses Typs, welche die Stromzufuhr der Ausgangsstufe unterbricht, wenn ein Temperaturschwellwert überschritten wird.
• Von diese Situation ausgehend ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zum Begrenzen der Temperatur in einem Audioleistungsverstärker anzugeben, welche ohne Einführen von Verzerrungen in das Ausgangssignal wirksam arbeiten kann und dadurch die Klangtreue der Wiedergabe sicherstellt. Im Rahmen dieses Zieles ist es eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung anzugeben, welche kompatibel mit konventionellen Temperaturbegrenzungssystemen ist, um eine erste Begrenzung bereitzustellen, die möglicherweise durch bekannte Vorrichtungen integriert ist, um stets und in jedem Fall sichere Bedingungen für die integrierte Schaltung, auch in extremen Situationen, sicherzustellen.
• Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung anzugeben, welche keine großen Abmessungen aufweist und daher leicht mit dem zu schützenden Audioverstärker integrierbar ist.
• Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung anzugeben, welche am Ausgang ein Signal abgeben kann, das anzeigt, daß die höchste zulässige Temperatur überschritten ist, obwohl sie geringe Abmessungen aufweist und ohne einen besonders zugeordneten Ausgangsanschluß der integrierten Schaltung zu erfordern.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltung des oben beschriebenen Typs anzugeben, welche keine Modifikationen der Anordnung des zugeordneten Audioverstärkers mit sich bringt.
• Nicht zuletzt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung des gezeigten Typs anzugeben, welche einfach und trotzdem sehr zuverlässig ist und für ihre Herstellung keine Vorrichtungen oder Verfahren erfordert, die von den allgemein in der Elektronikindustrie angewendeten abweichen, und daher niedrige Herstellungskosten aufweist.
• Dieses Ziel, die erwähnten Aufgaben und andere, welche nachfolgend erkennbar werden, werden verwirklicht durch eine Schaltung zum Begrenzen der Temperatur mit minimierter Verzerrung in Audio-Leistungsverstärkern, mit: einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur in einem Audio-Leistungsverstärker und einem Verstärker mit veränderbarer Verstärkung, der vor dem Audio-Leistungsverstärker angeschlossen ist und einen Verstärkungssteuerungseingang aufweist, gekennzeichnet durch einen Hysterese-Komparator mit einem oberen und einem unteren Schwellwert, der so ausgebildet ist, daß er ein Temperaturbegrenzungssignal erzeugt, welches mit der Temperaturüberhöhung korreliert ist, die durch den Temperatursensor erfaßt wird, und eine Verzögerungsschaltung, die so ausgebildet ist, daß sie das Temperaturbegrenzungssignal aus den hohen Frequenzen filtert und ein Steuerungssignal erzeugt, das in den Verstärkungssteuerungseingang des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung eingespeist wird, wobei der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung so ausgebildet ist, daß er das Steuerungssignal mit einem Audio-Eingangssignal multipliziert, um ein Eingangssignal für den Audio- Verstärker zu erzeugen.
• Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform erkennbar, welche durch die beigefügten Zeichnungen als nicht begrenzende Beispiele illustriert ist. Dabei zeigen:
• Figur 1 ein allgemeines Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung;
• Figur 2 eine abweichende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung;
• Figur 2a ein Schaltbild einer möglichen Implementation der Schaltung in Figur 2; und
• Figur 3 das Zeitverhalten der Wellenform einiger Signale der Diagramme der Figuren 1 und 2.
• Die erfindungsgemäße Temperaturbegrenzungsschaltung in Figur 1 eignet sich für jede Art von Audio-Leistungsverstärkern, wie vereinfacht durch den Verstärker 1 gezeigt. Der Verstärker 1 kann zum Beispiel der in dem U.S.-Patent Nr.4,878,032, welches zum Beispiel der FR-A-2 614 483 entspricht, beschriebene Endverstärker sein.
• Erfindungsgemäß ist ein bekannter Temperatursensor 2 mit dem Verstärker 1 verbunden, um seine Temperatur zu erfassen und ein Temperatursignal V(T) zu erzeugen (siehe Figur 3), wenn die Temperatur in der integrierten Schaltung, welche den Verstärker 1 enthält, einen voreingestellten Schwellwert typisch weniger als 150ºC, überschreitet. Wenn der Verstärker 1 von der in dem oben erwähnten U.S.-Patent erwähnten Art ist, kann der Temperatursensor zum Beispiel durch einen einfachen NPN-Transistor gebildet sein, der mit einem Basis-Emitter- Spannungsabfall von 400mV vorgespannt ist, welcher den NPN-Transistor innerhalb des erlaubten Temperaturbereichs ausgeschaltet hält, den gleichen Transistor aber einschaltet, wenn die maximal zulässige Temperatur von 150ºC überschritten wird, und so das Temperatursignal V(T) erzeugt (siehe ebenfalls Figur 2a, worin Transistor Q den Temperatursensor bildet).
• Das Temperatursignal wird dann vorteilhaft in einen Hysterese-Komparator 3 eingespeist (beispielsweise als Schmitt-Trigger implementiert), welcher weiterhin zwei Referenzwerte V(T&sub1;) und V(T&sub2;) empfängt, welche einen unteren und einen oberen Schwellwert darstellen, um ein Ausgangssignal (thermisches Begrenzungssignal) zu erzeugen, welches mit der erfaßten Temperaturüberschreitung korreliert ist. Dieses Signal wird in eine Verzögerungsschaltung 4 (zum Beispiel eine RC- Schaltung) mit der Zeitkonstanten T eingespeist, welche praktisch ein Tiefpaßfilter bildet, um hohe Frequenzen zu beseitigen. Das so erhaltene Steuerungssignal wird in einen Vorverstärker mit veränderbarer Verstärkung 5 an seinem Steuerungseingang 6 eingespeist.
• Der Vorverstärker 5, welcher weiterhin an dem Eingang das Nutzeingangssignal VIN empfängt, dämpft entsprechend das in den Eingang des Audio-Verstärkers 1 eingespeiste Signal. Der Vorverstärker mit veränderbarer Verstärkung 5 kann zum Beispiel als Gilbert-Multiplizierer (siehe z.B. Paul R. Gray, Robert G. Meyer, "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", John Wiley and Sons, 1977, Seite 561-570) implementiert werden, welcher das Eingangssignal VIN mit dem durch die Verzögerungsschaltung 4 gelieferten Steuerungssignal multipliziert und so ein Signal in den Eingang des Audioverstärkers 1 einspeist, welches die Verlustleistung in der Endstufe und dadurch die Temperatur begrenzt. Insbesondere, wenn der Audioverstärker implementiert ist, wie in den U.S.-Patent Nr.4,878,032 beschrieben, d.h., er hat am Eingang wenigstens einen durch einen Transistor gebildeten Spannungs/Strom-Wandler (in dem Patent vereinfacht gezeigt durch eine der zwei Stromquellen I&sub1;, I&sub2;), wie gezeigt in Figur 1 des Artikels "The Monolithical Operational Amplifier: A Tutorial study", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-9, Nr. 6, 1974, wird das Ausgangssignal des Vorverstärkers 5 in den Spannungseingang des Transistors (in dem Beitrag bezeichnet durch Q&sub2; oder Q&sub4;) eingespeist.
• Erfindungsgemäß erfaßt der Sensor praktisch die Durchschnittstemperatur des Bausteins, in welchem der Audioverstärker 1 integriert ist, erzeugt ein Signal V(T), welches eine Funktion der Temperatur ist, und verwendet das Signal, um in linearer Weise die Amplitude des Signals am Eingang des Audioverstärkers 1 durch lineares Variieren der Verstärkung des vor dem Audioverstärker angeordneten Vorverstärkerelements zu verändern, wie vereinfacht in Figur 3 dargestellt durch den mit a bezeichneten Teil des Ausgangssignales VOUT. Auf diese Weise wird eine Begrenzung der Leistung (und daher der Temperatur in dem Baustein) erhalten, ohne die Leistungsfähigkeit der Wiedergabe aufzugeben.
• Die erfindungsgemäße Schaltung ist nicht inkompatibel mit bekannten Lösungen, welche direkt innerhalb der Audioverstärker wirken, um einige Stromquellen abzuschalten, aber ihre Wirkung kann mit denjenigen der bekannten Lösungen integriert werden. In diesem Fall stellt die erfindungsgemäße Schaltung ein vorläufiges Temperaturbegrenzungssignal bereit (mit einer Leistung, die für das Ohr angenehm ist) und wenn dann aus irgendeinem Grund die Temperatur noch weiter ansteigt, stellt ein deutlicher Eingriff (der konventionellen Art) die Betriebssicherheit auch bei extremen Bedingungen sicher.
• Figur 2 illustriert eine variierte Ausführungsform, in welcher das thermische Begrenzungssignal nicht direkt zumsteuern des Vorverstärkers. 5 verwendet wird, sondern zuerst außerhalb des Bausteins verfügbar gemacht wird. Diese Ausführungsform kann insbesondere bei einem Audioverstärker, wie in der EP-A-295 497 beschrieben, angewendet werden, welcher die gleiche Grundstruktur aufweist, wie der in der U.S.-A-4,878,032 beschriebene, und weiterhin eine Verzerrungserfassungs-(Begrenzungs)-Schaltung beinhaltet. In diesem Fall werden das durch den Temperatursensor und durch den Komparator bereitgestellte Signal zu dem von dem Begrenzungs-Detektor ankommenden Signal, welches vereinfacht bei 10 in Figur 2 gezeigt ist und dem Begrenzungs-Sensor 3 der EP-A-295 497 entspricht, durch ein ODER-Gatter 11 zusammengefaßt, welches ein Ausgangssignal VOR erzeugt, das Impulse bei der Sättigung des Audioausgangs VOUT aufweist (welcher entsprechend begrenzt ist, siehe die flachen Teile des in Figur 3 gezeigten Ausgangssignals). Die Impulse werden zeitlich gedehnt (Teil b des Signales VOR), wenn die Temperatur zwischen den zwei Temperaturschwellwerten T&sub1; und T&sub2; liegt, repräsentiert durch die Spannungen V(T&sub1;) und V(T&sub2;). Das Ausgangssignal VOR kann an einen Ausgangsanschluß der integrierten Schaltung abgegeben werden, welche dann einen einzelnen Anschluß verwendet, um das thermische Begrenzungssignal abzugeben, und das Signal, welches die durch den Begrenzungssensor 10 erzeugte Information umfaßt; dies wird bereits in Audioverstärkerschaltungen berücksichtigt.
• Eine zeichnerische Implementation dieses Teils der Ausführungsform in Figur 2 ist in Figur 2a gezeigt, welche den Transistor Q zeigt, der als Temperatursensor wirkt und dessen Basis an einen Generator einer Referenzspannung VREF von annähernd 400mV angeschlossen ist, dessen Emitter an Masse angeschlossen ist, und dessen Kollektor (an welchem das Temperatursignal abgenommen wird) durch einen Widerstand RC an den Ausgang angeschlossen ist. V(T) wird dann in den Komparator 3 eingespeist, dessen Ausgang an einen Transistor QT angeschlossen ist, welcher zusammen mit einem weiteren Transistor QC das ODER-Gatter 11 bildet.
• QC wiederum empfängt das durch die in der EP-A-295 497 beschriebene Begrenzungserfassungsschaltung auf die Leitung 20 ausgegebene Begrenzungssignal. Das Ausgangssignal VOR wird dann an den gekoppelten Kollektoren von Q und QC übernommen.
• Um die zwei Zustände zu unterscheiden, sind zwei Filterschaltungen 12, 13 außerhalb der Schaltung vorgesehen und beide empfangen das Signal VOR. Insbesondere die Filterschaltung 12, welche ein Tiefpaßfilter bildet und die Verzögerungsschaltung 4 ersetzen kann, liefert am Ausgang das auf die Temperatur bezogene Signal VTW (Thermal Warning), während die Schaltung 13, welche ein Hochpaßfilter bildet, an ihrem Ausgang das Begrenzungssignal VCD abgibt, wie in den korrespondierenden Wellenformen in Figur 3 gezeigt. Die Signale können dann zu einem Mikroprozessor gesendet werden, welcher die Verstärkung des Vorverstärkers vor dem Audioverstärker gemäß den Betriebsbedingungen des letzteren steuert und optimiert.
• Wie aus der obigen Beschreibung erkennbar ist, verwirklicht die Erfindung das vorgeschlagene Ziel. Eine Schaltung zum Begrenzen der Temperatur eines Audioverstärkers wird angegeben, welche durch lineares Einwirken auf das Signal am Eingang des Audioverstärkers selbst keine Verzerrung des Ausgangssignals verursacht. Wie bereits erwähnt, vermeidet die erfindungsgemäße Schaltung jedoch nicht die zusätzliche Anwendung eines bekannten Systems, um stets sichere Bedingungen für den zugeordneten Audioverstärker sicherzustellen.
• In ihrer minimalen Konfiguration ist die erfindungsgemäße Schaltung äußerst einfach und umfaßt den Temperatursensor und den mit veränderlicher Verstärkung gesteuerten Vorverstärker und kann daher leicht mit minimalen Kosten hergestellt werden; aber auch wenn sie durch den Hysterese-Komparator und durch die Zeitkonstante vervollständigt wird (wie es tatsächlich insbesondere för eine genaue Steuerung vorteilhaft ist, ohne Unbestimmtheiten, die Verstärkungsveränderung des Vorverstärkers 5 und die Begrenzung hoher Frequenzen), ist die Komplexität der Schaltung gering.
• Die erfindungsgemäße Schaltung erfordert weiterhin keine Modifikationen des Audioverstärkers, da der Temperatursensor und das Leistungsbegrenzungssystem (Vorverstärker 5) nicht in den Schaltungen des Audioverstärkers selbst enthalten ist, sondern der Sensor eine reine Funktion der Überwachung der Temperatur in dem Audioverstärker ohne Beeinträchtigung seines Betriebs ausführt, da der Vorverstärker vor diesem arbeitet.
• Wenn die thermische Begrenzung und die Begrenzungsinformation extern erforderlich ist und das Schaltbild in Figur 2 verwendet wird, wird der Vorteil erhalten, daß die Information an einem einzelnen Anschluß bereitgestellt wird, aber in einer solchen Weise, daß es möglich ist, nachfolgend die zwei Datenelemente zu dekodieren, um die Zeitkonstanten vor dem Audioverstärker zu optimieren.
• Die so erhaltene Erfindung ist vielfältigen Modifikationen und Variationen zugänglich, welche alle innerhalb des Umfangs des erfindungsgemäßen Konzepts liegen. Insbesondere ist zu erwähnen, daß die Schaltung in Figur 1 vollständig in einem einzelnen Baustein integrierbar ist, mit lediglich einem Taktsignal als Interaktion mit dem übrigen System (Radio, Verstärker, etc.), um die Eingriffshäufigkeit entsprechend der Anwendung zu bestimmen, oder wie bereits bei der Ausführungsform in Figur 2 erwähnt, können der Temperatursensor und der Komparator (und möglicherweise der Vorverstärker) mit einem Audioverstärker integriert werden und eine externe Zeitkonstante (Filter 12) erfordern, welche das Filter 4 ersetzen kann. Es ist ebenfalls möglich, nur den Temperatursensor zu integrieren.
• Die Blöcke in Figur 1 können weiterhin auf verschiedene Weise implementiert werden. Insbesondere der Sensor 2 kann jeden Komparator beinhalten, welcher an dem Eingang ein temperaturveränderbares Signal, welches an der Endstufe des Audioverstärkers abgegriffen wird, und ein Schwellwertsignal empfängt, und der Vorverstärker 5 kann von jeder geeigneten Art sein; zum Beispiel kann er ein Mikroprozessor-gesteuerter Verstärker mit veränderbarer Verstärkung in diskreten Schritten sein, wie ein bereits erwähnter Gilbert-Multiplizierer.

Claims (5)

1. Schaltung zum Begrenzen der Temperatur mit minimierter Verzerrung in Audio-Leistungsverstärkern, mit:

einem Temperatursensor (2) zum Erfassen der Temperatur in einem Audio-Leistungsverstärker (1) und

einem Verstärker mit veränderbarer Verstärkung (5), der vor dem Audio-Leistungsverstärker (1) angeschlossen ist und einen Verstärkungssteuerungseingang (6) aufweist,

gekennzeichnet durch

einen Hysterese-Komparator (3) mit einem oberen (V(T&sub2;)) und einem unteren (V(T&sub1;)) Schwellwert, der so ausgebildet ist, daß er ein Temperaturbegrenzungssignal erzeugt, welches mit der Temperaturüberhöhung korreliert ist, die durch den Temperatursensor (2) erfaßt wird, und

eine Verzögerungsschaltung (4), die so ausgebildet ist, daß sie das Temperaturbegrenzungssignal aus den hohen Frequenzen filtert und ein Steuerungssignal erzeugt, das in den Verstärkungssteuerungseingang (6) des Verstärkers mit veränderbarer Verstärkung (5) eingespeist wird,

wobei der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung (5) so ausgebildet ist, daß er das Steuerungssignal mit einem Audio-Eingangssignal multipliziert, um ein Eingangssignal für den Audio-Verstärker (1) zu erzeugen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung (4) durch ein Tiefpaßfilter gebildet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hysterese-Komparator (3) einen Ausgang aufweist, der an einen ersten Eingang eines ODER-Gatters (11) angeschlossen ist, welches an einem zweiten Eingang ebenfalls das Ausgangssignal einer Begrenzungserfassungsschaltung (10) empfängt, wobei das ODER-Gatter mit seinem Ausgang an die Verzögerungseinrichtung (12), welche so ausgebildet ist, daß sie ein Temperatursignal (VTW) erzeugt, und an ein Hochpaßfilter (13), welches so ausgebildet ist, daß es ein Begrenzungssignal (VCD) erzeugt, angeschlossen ist, wobei das Temperatur- (VTW) und das Begrenzungs- (VCD)-Signal an einen Mikroprozessor gesendet werden, der so ausgebildet ist, daß er die Verstärkung des Verstärkers mit variabler Verstärkung (5) steuert und optimiert.

4. Schaltung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (2) einen Transistor (Q) umfaßt, welcher so vorgespannt ist, daß er einen Basis-Emitter-Spannungsabfall aufweist, welcher den Transistor (Q) für Temperaturen unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes ausgeschaltet läßt und den Transistor (Q) einschaltet, wenn der Schwellwert überschritten wird.

5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker mit veränderbarer Verstärkung (5) ein Gilbert-Multiplizierer ist.