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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brückenverstärkerschaltung mit einem ersten und
einem zweiten Verstärker,
die jeweils einen Signaleingang, einen Referenzeingang und einen
Ausgang besitzen, um einer zwischen die Ausgänge geschalteten Last ein verstärktes Eingangssignal
zuzuführen.
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Eine
derartige Verstärkerschaltung
ist aus dem Data Handbook IC01b „Semiconductors for Radio
and Audio Systems",
S. 1247, 1995 von Philips Semiconductors, bekannt. In einer Brückenkonfiguration
wird diese Verstärkerschaltung,
die TDA1516, verwendet, um eine zwischen die Ausgänge der
beiden Verstärker
geschaltete Last anzusteuern. Ein Nachteil der bekannten Brückenverstärkerschaltung besteht
darin, dass Offsets zwischen den Ausgängen der beiden Verstärker auftreten
können,
was dazu führt,
dass ein Gleichstrom durch die Last fließt. Dies wiederum hat eine
unnötige
Leistungsaufnahme zur Folge.
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Aus
der US-amerikanischen Patentschrift US-A-4.560.946 ist eine Brückenverstärkerschaltung bekannt,
wie sie in der Einleitung von Anspruch 1 beschrieben wird.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, eine Brückenverstärkerschaltung mit reduziertem
Offset an den Ausgängen
zu schaffen.
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Eine
erfindungsgemäße Brückenverstärkerschaltung
umfasst die Merkmale von Anspruch 1.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch die Schaffung einer
Kompensation der Signalschwankungen an dem Referenzeingang des zweiten
Verstärkers
ein Rückkopplungspfad
von dem Ausgang des ersten Verstärkers
zu dem genannten Referenzeingang geschaffen werden kann, um eine Offsetspannung
zwischen den beiden Ausgängen
zu reduzieren. Auf diese Weise kann der Vorteil des Rückkopplungspfades
(d.h. Reduzierung der Offsetspannungen) beibehalten werden, ohne
den üblichen Nachteil
eines Rückkopplungspfades
in Kauf nehmen zu müssen,
nämlich
eine verringerte Verstärkung
der Verstärkerschaltung.
Ein zusätzlicher
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nur Signalschwankungen
kompensiert werden. Das bedeutet, dass Verzerrungskomponenten, die
in dem Ausgangssignal des ersten Verstärkers vorhanden sind, auch
an dem genannten Referenzeingang und damit auch am Ausgang des zweiten
Verstärkers
vorhanden sind. Diese Verzerrungskomponenten sind nun im Gleichtaktmodus
auf beiden Seiten der Last vorhanden, was bedeutet, dass die Verzerrungskomponenten
in dem Signalstrom durch die Last erheblich reduziert werden.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brückenverstärkerschaltung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungspfad eine Impedanz
beinhaltet und die Kompensationsmittel eine Stromquelle mit einem
Stromwert umfassen, der proportional zum Eingangssignal ist.
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Dies
ist eine einfache Implementierung der erfindungsgemäßen Maßnahmen.
Die Einfügung
einer Impedanz in den Rückkopplungspfad
ermöglicht die
Verwendung einer einfachen eingangssignalabhängigen Stromquelle, die mit
dem Referenzeingang gekoppelt wird, um die Signalschwankungen an
diesem Eingang zu reduzieren. Indem dieser Strom proportional zu
dem Eingangssignal gemacht wird, werden eventuelle Fehler/Verzerrungen
oder Offset im Ausgangssignal des ersten Verstärkers, die aber nicht im Eingangssignal
IN vorhanden sind, am Referenzeingang nicht reduziert. Dies hat
eine Kompensation hiervon zur Folge, weil sie auf beiden Seiten der
Last vorliegen.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brückenverstärkerschaltung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus dem Impedanzwert und
dem Stromwert so gewählt
wird, dass eine Spannung an dem Referenzeingang des zweiten Verstärkers geschaffen
wird, um eine durch den Ausgang des ersten Verstärkers an den genannten Referenzeingang
gelieferte Signalspannung erheblich zu kompensieren. Der dem Referenzeingang
zusammen mit der Rückkopplungsimpedanz
zugeführte
Signalstrom führt
zu einer Spannung am Referenzeingang, die im Wesentlichen dem Produkt
aus dem Widerstandswert und dem Signalstromwert entspricht. Indem
der Wert dieses Produkts im Wesentlichen gleich der Ausgangsspannung
des zweiten Verstärkers,
aber mit entgegengesetztem Vorzeichen, gewählt wird, wird diese Ausgangsspannung
am Referenzeingang im Wesentlichen kompensiert, wodurch die Verstärkung der
Schaltung maximiert wird. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Kompensation
besteht darin, dass der Referenzeingang jetzt nur mit einer Spannung
zu tun hat, die lediglich kleine Schwankungen aufweist, und nicht
mit einer Spannung, die über einen
breiten Bereich gehen kann. Hierdurch wird die Eingangsschaltung
des ersten Verstärkers
erheblich vereinfacht.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des ersten Verstärkers höher ist
als die Ver stärkung
des zweiten Verstärkers. Indem
der erste Verstärker
mit einer höheren
Verstärkung
vorgesehen wird als der zweite Verstärker, wird der erste Verstärker schneller
auf hohe Ausgangsspannungen gesteuert als der zweite Verstärker und wird
daher der Verstärker
mit der stärksten
Verzerrung sein. Aufgrund der Anwesenheit des Rückkopplungspfads wird diese
Verzerrung nicht in dem Signalstrom durch die Last vorhanden sein,
da der Rückkopplungspfad
sicherstellt, dass eine Verzerrungskomponente, die in der Ausgangsspannung
des ersten Verstärkers
vorhanden ist, auch in der Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers vorhanden
sein wird. Diese Verzerrung ist also auf beiden Seiten der Last
vorhanden und wird daher nicht in dem Strom durch die Last vorhanden
sein. Durch diese Maßnahmen
kann die Brückenverstärkerschaltung
so angesteuert werden, dass etwas mehr Ausgangsleistung mit weniger
Verzerrung erzeugt wird als in einer Brückenverstärkerschaltung möglich ist,
in der die Verstärkungen
beider Verstärker
gleich sind (oder in der die Verstärkung des zweiten Verstärkers höher ist
als die Verstärkung
des ersten Verstärkers).
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Die
obige Aufgabe und die oben genannten Merkmale der vorliegenden Erfindung
sind aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1 einen Schaltplan einer
bekannten Brückenverstärkerschaltung;
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2 einen Schaltplan einer
ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brückenverstärkerschaltung;
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3 einen Schaltplan einer
zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brückenverstärkerschaltung.
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In
den Figuren sind identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist ein Schaltplan einer
bekannten Brückenverstärkerschaltung
dargestellt. Die Brückenverstärkerschaltung
umfasst einen ersten Verstärker 1 mit
einem nicht-invertierenden Signaleingang 101, einem invertierenden
Referenzeingang 102 und einem Ausgang 103, einen
zweiten Verstärker 2 mit
einem invertierenden Signaleingang 202, einem nicht-invertierenden
Referenzeingang 201 und einem Ausgang 203, eine
Last 3 und eine Referenzspannungsquelle 4. Die
Referenzeingänge 102 und 201 sind
mit der Referenzspannungsquelle 4 verbunden. Die Signaleingänge 101 und 202 sind
miteinander verbunden, um ein Eingangssignal IN zu erhalten. Das
Eingangssignal IN wird durch den ersten und den zweiten Verstärker 1 und 2 verstärkt, die
in einer Brückenkonfiguration
arbei ten, um eine hohe Verstärkung
zu erreichen. Die Last 3 ist zwischen die Ausgänge 103 und 203 geschaltet.
Obwohl jeder Verstärker
die gleiche Referenzspannung empfängt, ist es immer noch möglich, dass
aufgrund von zum Beispiel Fehlanpassungen zwischen den beiden Verstärkern eine
Offsetspannung zwischen den Ausgängen 103 und 203 vorhanden
ist.
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In 2 ist ein Schaltplan einer
ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brückenverstärkerschaltung
dargestellt. 2 unterscheidet sich
in folgender Hinsicht von 1:
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- – der
Referenzeingang 201 des zweiten Verstärkers 2 ist nicht
mehr mit der Referenzspannungsquelle 4 oder dem Referenzeingang 102 des
ersten Verstärkers 1 verbunden;
- – eine
Impedanz 5 ist zwischen den Ausgang 103 des ersten
Verstärkers 1 und
den Referenzeingang 201 des zweiten Verstärkers 2 geschaltet;
- – eine
Signalstromquelle 6 ist mit dem Referenzeingang 201 des
zweiten Verstärkers 2 verbunden.
Der Stromwert der Signalstromquelle 6 ist proportional
zu dem Eingangssignal. Das Vorzeichen des durch die Signalstromquelle 6 gelieferten
Stroms ist so beschaffen, dass sie eine Signalspannung am Referenzeingang 201 des
zweiten Verstärkers 2 erzeugt,
die in der Größe proportional,
aber in Bezug auf das Vorzeichen oder die Polarität entgegengesetzt
zu der von dem Ausgang 103 des ersten Verstärkers 1 über die
Impedanz 5 gelieferten Signalspannung ist. Auf diese Weise
fungiert die Signalstromquelle 6 als Kompensationsmittel
zur Reduzierung der Signalschwankungen am genannten Referenzeingang 201.
Vorzugsweise wird das Produkt aus dem Impedanzwert der Impedanz 5 und
dem Stromwert der Signalstromquelle 6 so gewählt, dass
die von dem ersten Verstärker 1 gelieferte
genannte Signalspannung im Wesentlichen kompensiert wird. Jetzt
werden nur die im Ausgangssignal des ersten Verstärkers 1 vorhandenen
Verzerrungskomponenten und Offsetspannung an den Referenzeingang 201 des
zweiten Verstärkers 2 rückgekoppelt.
Das bedeutet, dass diese unerwünschten Komponenten
jetzt auf beiden Seiten der Last 3 vorhanden sind und somit
im Wesentlichen kein mit diesen unerwünschten Komponenten zusammenhängender
Strom durch die Last 5 fließt. Da die Signalschwankungen
am Referenzeingang 201 effizient kompensiert werden, ist
keine Rückkopplung
für Signalschwankungen
vorhanden. Auf diese Weise ist der übliche Nachteil der Rückkopplung,
nämlich
eine reduzierte Verstärkung, nicht
mehr vorhanden, und die Verstärkung
der Brückenverstärkerschaltung
ist im Wesentlichen die gleiche wie die Verstärkung der bekannten Brückenverstärkerschaltung
ohne Rückkopplung. Ein
zusätzlicher
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Eingangsschaltung des
zweiten Verstärkers 2 einfach
gehalten werden kann, da die Eingangsschaltung keine großen Spannungsschwankungen
zu verarbeiten hat, zum Beispiel Spannungsschwankungen, die von der
positiven Versorgungsspannung bis zur negativen Versorgungsspannung
reichen und die in Reaktion auf ein großes Eingangssignal IN erzeugt
werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verstärkung des
ersten Verstärkers 1 etwas
höher als
die Verstärkung
des zweiten Verstärkers 2.
Bei großen
Eingangssignalpegeln bedeutet dies, dass es möglich ist, dass die Ausgangsspannung
des zweiten Verstärkers 2 kaum Verzerrungen
enthält,
während
das Ausgangssignal des ersten Verstärkers 1 aufgrund der
höheren
Verstärkung
des ersten Verstärkers 1 etwas (oder
sogar starke) Verzerrungen enthält.
Aufgrund der Rückkopplung
werden diese Verzerrungen an das andere Ende der Last rückgekoppelt und
es werden keine Verzerrungen im Strom durch die Last 3 vorhanden
sein. Wenn die Verstärkungen
von beiden Verstärkern
gleich wären, und
in dieser Situation sowie in der vorhergehenden Situation die Summe
der Verstärkungen
der Verstärker
gleich wäre,
kann es so sein, dass beide Ausgangssignale die gleichen Verzerrungen enthalten,
von denen nur die Verzerrungen im Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 2 aufgrund
der Rückkopplung
kompensiert werden. Obwohl also die Gesamtverstärkung nicht geändert wird,
werden weniger Verzerrungen in dem Signal durch die Last 3 vorhanden
sein, wenn die Verstärkung
des ersten Verstärkers 1 mindestens etwas
höher ist
als die Verstärkung
des zweiten Verstärkers 2.
Es ist also möglich,
eine höhere Gesamtverstärkung bei
verringerter Verzerrung im Vergleich zu einer Schaltung zu erhalten,
in der die Verstärkung
des zweiten Verstärkers 2 der Verstärkung des
ersten Verstärkers 1 entspricht oder
größer ist
als diese.
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In 3 ist ein Schaltplan einer
zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung
dargestellt. Der erste und der zweite Verstärker 1 und 2 sind
als Operationsverstärker
konfiguriert, jeweils mit entsprechenden Rückkopplungsimpedanzen 9 und 8,
die zwischen die entsprechenden Ausgänge 103 und 203 und
die entsprechenden invertierenden Signaleingänge 101 und 202 geschaltet
sind. Die Signalstromquellen 7 und 8 sind mit
den Signaleingängen 101 bzw. 202 verbunden,
um Signalströme
an die jeweiligen Signaleingänge
zu liefern, wobei die Stromwerte proportional zu dem Eingangssignal
sind, aber jeweils entgegengesetzte Vorzeichen haben. Die Signalstromquellen 6 und 7 haben
die gleichen Vorzeichen. Hier sind die Referenzeingänge 102 und 201 jeweils
nicht-invertierende Eingänge.
Das Produkt aus dem Impedanzwert von Impedanz 5 und dem
Stromwert der Signalstromquelle 6 sollte vorzugsweise im
Wesentlichen gleich dem Produkt aus dem Impedanzwert von Impedanz 9 und
dem Stromwert der Signalstromquelle 7 sein. Das Produkt
aus dem Impedanzwert der Impedanz 10 und dem Stromwert
der Signalstromquelle 8 sollte vorzugsweise geringer sein
als die anderen zuvor genannten Produkte, um eine niedrigere Signalverstärkung am
Ausgang 203 als am Ausgang 103 zu realisieren
und damit die Verzerrung zu reduzieren.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt. Die
Vorzeichen der Eingänge
können
zum Beispiel alle umgekehrt werden, solange die beiden Verstärker Verstärkungen
mit jeweils entgegengesetzten Vorzeichen haben. Die Referenzspannungsquelle 4 kann
auf zahlreiche Weisen implementiert werden, da diese nicht Teil
der vorliegenden Erfindung ist. Außerdem braucht die Impedanz 4 kein
Widerstand zu sein, sondern es kann sich auch um eine Spule oder
eine Kombination von Elementen handeln, solange sie eine finite
Impedanz für
Gleichstrom liefert und zusammen mit den Kompensationsmitteln (mindestens)
für eine
Kompensation der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers 1 am
Referenzeingang 201 des zweiten Verstärkers 2 sorgt. Die
Impedanzen 9 und 10 können durch geeignete Impedanznetzwerke
zur Schaffung einer gewünschten
Transferfunktion für
den ersten und den zweiten Verstärker 1 und 2 ersetzt
werden. Die Impedanz 5 kann auch durch ein geeignetes Impedanznetzwerk
zur Schaffung einer gewünschten
Rückkopplungskennlinie
ersetzt werden, solange eine finite Impedanz für Gleichstrom geschaffen wird,
um den Offset zu reduzieren.