DE69822135T2 - Hifi hocheffizienter analogverstärker kombiniert mit digitalverstärker - Google Patents

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Description

  • ERFINDUNGSFELD
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verstärker und insbesondere einen analogen Audioverstärker mit einer hervorragenden Linearität und einer hohen Effizienz, der mit einem digitalen Verstärker kombiniert ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Ein herkömmlicher analoger Audioverstärker etwa der Klasse A, der Klasse B oder der Klasse AB weist auf der Grundlage der Linearschaltungs-Technologie hervorragende Verzerrungseigenschaften, aber gleichzeitig eine sehr schlechte Effizienz und ein großes Volumen auf. Dagegen weist ein digitaler Verstärker der Klasse D, der ein Pulsbreitenmodulationsschalten verwendet, eine hohe Effizienz und ein kleines Volumen, aber eine relativ schlechte Wiedergabetreue auf.
  • Um den heutigen Umweltschutzanforderungen zu entsprechen, ist es bei elektronischen Produkten wie etwa Audioverstärkern erforderlich, eine Technologie mit höherer Effizienz zu entwickeln, um den Energieverlust zu reduzieren.
  • Herkömmlich war bei einem Audioverstärker der wichtigste Faktor bei der Produktentwicklung die Linearität und nicht die Effizienz, weil Energieverluste nicht weiter berücksichtigt wurden oder weil technische Schwierigkeiten eine Verbesserung der Effizienz unmöglich machten. Deshalb verwenden beinahe alle Verstärker für die Audioverstärkung eine analoge lineare Schaltung mit hervorragenden Verzerrungseigenschaften.
  • Die Audioverstärker der Klasse A, der Klasse B oder der Klasse AB weisen wie oben erläutert hervorragende lineare Eigenschaften auf, wobei aber unvermeidlicherweise eine große Energiemenge in dem Hochleistungsverstärker verbraucht wird. Weil bei typischen analogen Audioverstärkern der größte Teil der Ausgabe mit Ausnahme der zu dem Audioklang gewandelten Energie zu einer thermischen Energie gewandelt und abgegeben wird, hat dies eine Temperaturerhöhung der Leistungstransistorgruppen zur Folge, die sich aus bipolaren Transistoren, Feldeffekttransistoren usw. zusammensetzen. Deshalb ist eine massive Wärmesenke aus einem Metall wie etwa Aluminium, Kupfer usw. oder ein Geräusche erzeugender Ventilator für die Kühlung erforderlich, wodurch die Größe und das Gewicht des Leistungsverstärkungssystems unvorteilhaft erhöht werden. Weil ein Verstärker der Klasse A bekanntlich immer im aktiven Bereich betrieben wird, bringt dies den Vorteil von hervorragenden Verzerrungseigenschaften aber auch den Nachteil einer schlechten Effizienz mit sich.
  • Es wäre deshalb vorteilhaft, einen Verstärker mit einer hervorragenden Linearität und einer hohen Effizienz anzugeben, wobei diese beiden Eigenschaften schwierig miteinander zu vereinbaren sind. Um dieses Problem zu lösen, wurden bisher Verstärker der Klasse B entwickelt, die eine sogenannte Push-Pull-Schaltung umfassen. Die Push-Pull-Schaltung enthält ein Paar von Transistoren, die miteinander in einer Emitter-Folger-Verbindung verbunden sind, was für das Einsparen von Energie sehr nützlich ist. Eine hohe Effizienz bis zu maximal 78,5% kann theoretisch erhalten werden, wobei aber weiterhin das Problem einer Übernahmeverzerrung zwischen den beiden Transistoren bei kleinen Signalpegeln gegeben ist. Obwohl bei den Verstärkern der Klasse B die Übernahmeverzerrung bei kleinen Signalpegeln etwas verbessert werden kann, indem eine entsprechende negative Rückkopplung vorgesehen wird, kann die Gesamtverzerrung bei Anlegung einer hohen Spannung und bei einem hohen Stromfluss nicht zufriedenstellend beseitigt werden. Der Grund hierfür ist, dass die zwei Transistoren der Verstärker der Klasse B alternierend ein- und ausgeschaltet werden und deshalb ein einfaches Umschalten bei kleinen Signalpegeln erlauben, wobei dies aber aufgrund der Ladungsspeichereffekts in den Transistoren nicht schnell erfolgen kann, was eine Verschlechterung der Gesamtverzerrung zur Folge hat.
  • Andererseits gestattet der Verstärker der Klasse AB, dessen Lastkurve zwischen der Klasse A und der Klasse B liegt, einen kleinen Stromfluss auch dann, wenn kein Signal angelegt wird. Dieser Stromwert ist kleiner als bei dem Verstärker der Klasse A, aber wesentlich größer als bei einem Verstärker der Klasse B. Wenn bei dem Verstärker der Klasse AB der Vorspannungsstrom zunimmt, nähert sich die lineare Kennlinie der Klasse A an, während sie sich, wenn der Vorspannungsstrom abnimmt, der Klasse B annähert.
  • Im Folgenden wird ein einfacher analoger Audioverstärker mit einer negativen Rückkopplung mit Bezug auf 1 beschrieben.
  • Bei einem Verstärker der Klassen A, B oder AB werden bekanntlich ungefähr 21,5% bis ungefähr 75% der zugeführten Energie als thermische Energie abgegeben, sodass eine große Energiesenke aus Aluminium oder eine Geräusche erzeugende Ventilatorkühlung in einem Raum vorgesehen werden müssen, in dem verschiedene andere Einrichtungen montiert sind. Deshalb weisen diese Verstärker nicht nur die Nachteile einer schlechten Effizienz und eines großen Volumens, die bei den typischen Verstärkern der Klassen A, B oder AB gegeben sind, sondern auch den Nachteil einer Geräuscherzeugung durch den Kühlungsventilator auf. Insbesondere wenn derartige Verstärker in einem geschlossenen Raum wie etwa in einem Kraftfahrzeug betrieben werden, können sich die Betriebseigenschaften von verschiedenen Einrichtungen wie etwa Leistungstransistoren aufgrund einer schlechten Wärmeabstrahlung in dem geschlossenen Raum verschlechtern, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer von Audioeinrichtungen führt.
  • Dementsprechend besteht ein großer Bedarf für einen Audioverstärker mit einer hohen Wiedergabetreue und einer hohen Effizienz.
  • Diese Anforderungen können durch die vorliegende Erfindung gelöst werden, die einen analogen Verstärker in Kombination mit einem digitalen Verstärker der Klasse D mit hoher Effizienz und kleinem Volumen angibt.
  • Der digitale Verstärker der Klasse D verwendet ein Pulsbreitenmodulationsschaltschema, das eine Verstärkungsfunktion durchführt, indem es eine andere Schaltoperation als eine lineare Operation durchführt. Es ist allgemein bekannt, dass ein digitaler Verstärker der Klasse D eine hohe Effizienz und ein kleines Volumen, aber eine relativ schlechte Wiedergabetreue aufweist. Bei einem digitalen Verstärker der Klasse D werden die als Steuerimpulse verwendeten Gate-Signale von Leistungstransistoren erzeugt, indem das Trägersignal der Sägezahnwelle mit dem Steuerreferenzsignal oder Fehlersignal des Audiosignals vergleichen wird. Die Nichtlinearität aufgrund einer Verzerrung, die unvermeidlicherweise in einem digitalen Verstärker der Klasse D erzeugt wird, muss durch eine präzise negative Rückkopplungs-Technologie korrigiert werden, um die für Audioeinrichtungen erforderliche Wiedergabetreue zu erfüllen. Das Betriebsprinzip des digitalen Verstärkers der Klasse D ist identisch mit demjenigen eines Schaltreglers oder Pulsbreitenmodulationswandlers, wobei ein digitaler Verstärker der Klasse D für Audioeinrichtungen eine größere Bandbreite als ein Schaltregler oder Pulsbreitenmodulationswandler aufweist, die von ungefähr 20 Hz bis ungefähr 20 kHz reicht und damit das hörbare Frequenzband umfasst.
  • Der Verstärker der Klasse D umfasst allgemein Hochleistungs-Feldeffekttransistoren (FETs) als Leistungsschalteinrichtungen, wobei theoretisch eine Effizienz von 100% erhalten werden kann, praktisch aber aufgrund von Wärmeverlusten, die proportional zu der Schaltfrequenz auftreten, und aufgrund eines Leistungsverlustes in verschiedenen Steuerschaltungen nur ungefähr 90% erhalten werden.
  • Weil ein derartiger Verstärker der Klasse D sehr schlechte Verzerrungseigenschaften aufweist, muss eine präzise Rückkopplungsschaltung vorgesehen werden, um die für Akustikeinrichtungen erforderliche Klangqualität zu erhalten. Allgemein ist bei akustischen Einrichtungen mit einem Verstärker der Klasse D der digitale Schaltungsblock, der die Verstärkungsoperation unter Verwendung eines Pulsbreitenmodulationsschaltens vornimmt, mit einem analogen Schaltungsblock kombiniert, der ein großes Schaltrauschen in der Schaltung einführt. Deshalb ist es schwierig, eine negative Rückkopplungsschaltung mit ausreichender Stabilität vorzusehen. Wenn außerdem die negative Rückkopplungsschaltung fehlerhaft aufgebaut ist, kann dies zu einer unerwünschten Oszillation führen, was eine kritische Beschädigung des Schaltungsblocks mit sich bringen kann.
  • Als Beispiel aus dem Stand der Technik, das derartige Nachteile bei einem Verstärker der Klasse D zu beseitigen versucht, ist ein Audioverstärker mit dreifacher Schleife und negativer Rückkopplung (koreanische Patentanmeldung Nr. 96-37905 der vorliegenden Anmelden) bekannt. Dieser Audioverstärker mit dreifacher Schleife und negativer Rückkopplung weist eine sehr niedrige Verzerrungskennlinie von 0,1% im Vergleich zu dem herkömmlichen Verstärker der Klasse D auf, wobei er eine hohe Effizienz und eine hohe Leistung aufrechterhält.
  • Leider sind die bisher entwickelten Audioverstärker derart ausgebildet, dass sie je nach ihrem Verwendungszweck entweder eine hohe Wiedergabetreue oder eine hohe Effizienz bieten.
  • Dementsprechend besteht ein Bedarf für einen Audioverstärker, der sowohl eine hervorragende Verzerrungskennlinie als auch eine hohe Effizienz aufweist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen analogen Verstärker mit einer Unterstützung durch einen digitalen Verstärker anzugeben, der sowohl eine hohe Wiedergabetreue als auch eine hohe Effizienz aufweist.
  • Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, umfasst der Analog-Digital-Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung einen analogen Verstärker der Klasse A, B oder AB, der als unabhängige Spannungsquelle dient, und einen digitalen Verstärker der Klasse D, der als abhängige Stromquelle dient, wobei die Ausgänge jeweils miteinander verbunden sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der kombinierte Analog-Digital-Verstärker weiterhin eine Abtastschaltung zum Abtasten eines kleinen Stromwerts der Stromausgabe aus dem analogen Verstärker sowie zum Erzeugen einer Abtastspannung, damit der digitale Verstärker einen großen Stromwert zuführen kann.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Efindung umfasst der analoge Verstärker einen Grundverstärker, einen Basis-Treiber zum Steuern des Betriebs des Transistors, ein Paar von Transistoren, die eine Push-Pull-Stufe bilden, und eine Rückkopplungseinrichtung, die aus passiven Elementen zum Bestimmen der Verstärkung mit Gegenkopplung des Gesamtsystems besteht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der digitale Verstärker einen Komparator, eine Vielzahl von Widerständen zum Bestimmen der Hysteresespannung des Komparators und einen Pull-Up-Widerstand, einen Gate-Treiber, ein Paar von Hochleistungsschaltern, die eine Ausgangsstufe bilden, und ein Induktionselement.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Induktor einen Wert auf, der zwischen ungefähr 10 μH bis ungefähr 500 μH liegt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Abtastblock einen Widerstand, um den aus dem analogen Verstärker zugeführten oder dort absorbierten Strom abzutasten und in die Spannungskomponente umzuwandeln, und einen Verstärker, um die durch den Widerstand abgetastete Spannung zu verstärken.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Abtastwiderstand einen Wert auf, der im Bereich zwischen ungefähr 0,01 Ω und ungefähr 10 Ω liegt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das einen herkömmlichen analogen Verstärker zeigt.
  • 2 ist ein Blockdiagramm, das einen Audioverstärker zeigt, der einen analogen Verstärker in Kombination mit einem digitalen Verstärker gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 3 ist ein detailliertes Schaltungsdiagramm des Audioverstärkers von 2.
  • 4 ist ein Kurvendiagramm, das die Simulationsergebnisse des Audioverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5a bis 5c zeigen Eingangs-/Ausgangs-Wellenformdiagramme des kombinierten Analog-Digital-Audioverstärkers von 2.
  • 6a und 6b sind Kurvendiagramme, die die Gesamtverzerrungskennlinie des kombinierten Analog-Digital-Audioverstärkers der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • 7a und 7b sind Kurvendiagramme, die jeweils Effizienzkennlinien des kombinierten Audioverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • 8a und 8b sind Kurvendiagramme, die jeweils Frequenzreaktionskennlinien des kombinierten Audioverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • BESCHREIBUNG VON SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im folgenden wird ein in 1 gezeigter digitaler Verstärker mit einer hohen Effizienzkennlinie in Kombination mit einem herkömmlichen analogen Audioverstärker mit einer hervorragenden Verzerrungskennlinie beschrieben, der sowohl eine hervorragende Verzerrungskennlinie als auch eine hohe Wiedergabetreue erreicht.
  • Der kombinierte Analog-Digital-Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
  • Wie in 2 gezeigt, umfasst der kombinierte Analog-Digital-Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung vier Schaltungsabschnitte, d.h. einen analogen Verstärker 10, der als unabhängige Spannungsquelle dient, einen digitalen Verstärker 20, der als abhängige Stromquelle dient, eine Abtastschaltung 30 zum Abtasten eines kleinen Stromwerts i, der durch den analogen Verstärker 10 zugeführt wird, sowie zum Erzeugen einer Abtastspannung VS, damit der digitale Verstärker 20 einen großen Stromwert id zuführen kann, und einen Lautsprecher 40 zum Erzeugen eines Audioklangs.
  • Der analoge Verstärker 10 umfasst wie in 3 gezeigt einen Grundverstärker 11, einen Basis-Treiber 12 zum Steuern des Betriebs eines Paares von Transistoren Q1 und Q2, die gemeinsam eine Push-Pull-Stufe bilden, und eine Rückkopplungseinrichtung 15, die sich aus passiven Elementen Z1 und Z2 zusammensetzt, um die Verstärkung mit Gegenkopplung des Gesamtsystems zu bestimmen.
  • Weiterhin umfasst der digitale Verstärker 20 einen Komparator 21, Widerstände R1, R2 und einen Pull-Up-Widerstand R3 zum Bestimmen der Hysteresespannung des Komparators 21, einen Gate-Treiber 22, ein Paar von Hochleistungsschaltern M1 und M2, die eine Ausgangsstufe bilden, und ein Induktionselement L.
  • Die Abtastschaltung 30 umfasst einen Widerstand Rs, um den von dem analogen Verstärker 10 zugeführten oder dort absorbierten Strom abzutasten und diesen zu einer Spannung VS' zu wandeln, und einen Verstärker 31, um die durch den Widerstand abgetastete Spannung VS' zu einer verstärkten Spannung Vs zu verstärken.
  • Im Folgenden wird der Betrieb des kombinierten Analog-Digital-Verstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Der analoge Verstärker 10 dient als unabhängige Spannungsquelle und erzeugt nur einen Wellenstrom, um die durch den digitalen Verstärker 20 verursachte Verzerrung zu kompensieren und eine hohe Wiedergabetreue sicherzustellen.
  • Also auch wenn der analoge Verstärker 10 eine Schaltung der Klasse B ist, wird die durch den Verstärker der Klasse B der vorliegenden Erfindung 10 verursachte Verzerrung stärker reduziert als bei einem herkömmlichen Verstärker der Klasse B, weil der Strom aus dem analogen Verstärker 10 des Lautsprechers 40 relativ kleiner als bei dem herkömmlichen Verstärker der Klasse B ist.
  • Der digitale Verstärker 20 dient als abhängige Stromquelle und führt den Großteil des Stroms id des im Lautsprecher 40 erforderlichen Stroms i0 zu, sodass eine höhere Effizienzkennlinie durch diesen digitalen Verstärker 20 erhalten werden kann. Es ist zu beachten, dass kein Problem für die Systemstabilität entsteht, weil der digitale Verstärker 20 ein einzelnes System der ersten Ordnung ist.
  • Um den durch das Induktionselement L erzeugten Wellenstrom rasch zu absorbieren, sollte die Bandbreite des analogen Verstärkers 10 möglichst breit sein.
  • Weil gemäß der vorliegenden Erfindung der analoge Verstärker 10 und der digitale Verstärker 20 jeweils als unabhängige Spannungsquelle und als abhängige Stromquelle dienen, entsteht aufgrund der parallelen Verbindung zwischen dem analogen Verstärker 10 und dem digitalen Verstärker 20 kein Problem.
  • Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass wenn der Strom ia aus dem analogen Verstärker 10 mit einer hervorragenden Verzerrungskennlinie aber einer schlechten Effizienz zu dem Lautsprecher 40 fließt, der Großteil des Stroms id des im Lautsprecher 40 erforderlichen Stroms io von dem digitalen Verstärker 20 zugeführt wird, der eine hohe Effizienz aufweist, wobei der analoge Verstärker 10 nur eine kleine Menge an Wellenstrom zuführt oder rasch einen übermäßigen Strom ia absorbiert, sodass sowohl eine hohe Wiedergabetreue als auch eine hohe Effizienz erhalten werden können.
  • Im Folgenden wird der Stromfluss von den entsprechenden Verstärkern zu dem Lautsprecher 40 mit Bezug auf 2 beschrieben.
  • In 2 gibt das Bezugszeichen io den Strom an, der zu dem Lautsprecher 40 fließt, gibt ia den Ausgabestrom des analogen Verstärkers 10 an, gibt id den Ausgabestrom des digitalen Verstärkers 20 an, gibt gd die Verstärkung des digitalen Verstärkers 20 an, gibt Aa die Verstärkung des Grundverstärkers 11 in dem analogen Verstärker 10 an und gibt AR die Verstärkung der Abtastschaltung 30 an.
  • Aus 2 kann die folgende Gleichung erhalten werden: io = ia + id (1) id = gd VS (2) VS = AR ia (3)Wenn man (3) in (2) einsetzt, ergibt dies: id = gd AR ia (4)Wenn man (4) in (1) einsetzt, ergibt dies: io = (1 + gd AR) ia (5)Bei den oben genannten Gleichungen muss der Strom ia vermindert werden und muss der Strom id erhöht werden, um eine hohe Effizienz sicherzustellen, weil der analoge Verstärker dem digitalen Verstärker hinsichtlich der Effizienz unterlegen ist. Aus den vorstehenden Gleichung geht hervor, dass wenn ein bestimmter Strom io aus der Gleichung 5 erhalten werden soll, eine hohe Effizienz erhalten werden kann, indem gd und AR erhöht werden, um den Strom ia zu vermindern.
  • Theoretisch ergibt sich aus Gleichung 5, dass wenn gd und AR größer werden, ia auf beinahe null reduziert werden kann, wobei aber tatsächlich eine physikalische Grenze gegeben ist. Wenn in der Gleichung 5 gd AR ausreichend größer als 1 wird, kann dies durch die Gleichung 6 angenähert ausgedrückt werden. io × gd AR ia (6)Gemäß der vorliegenden Erfindung kann gd AR einen Wert aufweisen, der bis zu mehreren Zehn groß ist. Dabei kann gd AR einfach eingestellt werden, indem der Wert von AR, des Abtastwiderstands Rs und des Induktionselements L geändert wird.
  • Wenn der Wert des Abtastwiderstands RS zunimmt, nimmt die zu dem Lautsprecher zugeführte Spannung ab. Vorzugsweise weist der Abtastwiderstand also einen kleineren Wert auf. Wenn dieser Wert jedoch zu klein ist, kann dies zu einem Rauschen führen. Dementsprechend sollte der Wert des Abtastwiderstands RS in der vorliegenden Erfindung im Bereich zwischen 0,01 Ω und 10 Ω liegen.
  • Wenn der Wert des Induktionselementes zu klein ist, fließt ein großer Strom abrupt, wodurch die Hochleistungsschalter oder Transistoren Q1 und Q2 beschädigt werden können. Wenn jedoch der Wert des Induktionselements übermäßig groß und nahe dem Unendlichen (∞) ist, kann der digitale Verstärker 20 vernachlässigt werden. Dementsprechend weist das Induktionselement in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Wert auf, der im Bereich von ungefähr 10 μH bis ungefähr 500 μH liegt.
  • Mit Bezug auf 2 wird im Folgenden der Prozess zum Bestimmen der Spannungsverstärkung beschrieben.
  • In der folgenden Gleichung geben Vi und Vo jeweils die Eingangs- und Ausgangssignale an, gibt V0' den annähernden Wert für V0 an, gibt f die Übertragungsfunktion der zur Eingangsseite rückgekoppelten Spannung Vf an, gibt Vc die Differenzspannung zwischen Vi und Vf an. Es ist zu beachten, dass die ein- und ausgehenden Ströme in der Abtastschaltung 30 gleich sind. Der Einfachheit halber soll angenommen werden, dass der Spannungsabfall über die Abtastschaltung 30 vernachlässigt werden kann, woraus folgt, dass: vo = V0' (7)Aus 2 erhält man: Vo = Aa Ve (8) Vf = f V0 (9) Ve = Vi-Vf (10)Wenn man (9) in (10) einsetzt, ergibt dies: Ve = Vi-fV0 (11)Wenn man (11) in (8) einsetzt, ergibt dies: V0 = Aa Vi-Aa fV0 (12) Aus (12) erhält man: V0/Vi = A = Aa/(1 + A2 f) (13)wobei A, d.h. die sogenannte Verstärkung mit Gegenkopplung, die Gesamtverstärkung in dem oben beschriebenen negativen Rückkopplungssystem ist, und die Schleifenverstärkung T wie folgt gegeben ist: T = Aaf (14)Wenn man (14) in (13) einsetzt, erhält man: V0/Vi = A = Aa/(1+T) = (1/f) (T/1+T)) (15)Wenn T ≫ 1 ergibt sich aus (15) die Gesamtverstärkung wie folgt: A = 1/f (16)Für einen großen Wert der Schleifenverstärkung T wird die Gesamtverstärkung ausschließlich durch die Rückkopplungs-Übertragungsfunktion f bestimmt.
  • Weil die Spannungsreihen-Rückkopplung wie in 3 gezeigt angelegt wird, kann die Gesamtverstärkung durch die folgende Gleichung (17) mit den Impedanzeinrichtungen Z1 und Z2 der Rückkopplungseinrichtung 15 wiedergegeben werden. A = 1 + Z1/Z2 (17)Im Folgenden wird der Betrieb des Audioverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf 3 erläutert.
  • Der digitale Verstärker 20 weist zwei Schaltmodi auf. In dem ersten Schaltmodus wird ein Hochleistungsschalter M1 aus einen p-Kanal-Metalloxid-Halbleiter (PMOS) eingeschaltet, während ein Hochleistungsschalter M2 aus einem n-Kanal-Metalloxid-Halbleiter (NMOS) ausgeschaltet wird. In dem zweiten Schaltmodus wird der Hochleistungsschalter M1 ausgeschaltet, während der Hochleistungsschalter M2 eingeschaltet wird.
  • Es soll angenommen werden, dass ein Eingangssignal zu dem analogen Verstärker 10 eine Sinuswellenform aufweist und positiv wächst. Wenn V; zunimmt, nimmt auch der aus dem analogen Verstärker 10 ausgegebene Strom ia proportional zu dem Eingangssignal Vi zu.
  • Weil der Strom ia über den Widerstand RS in der Abtastschaltung 30 zu dem Lautsprecher 40 geführt wird, ergibt eine Erhöhung von ia einen Spannungsabfall VS' über den Widerstand RS. Der Spannungsabfall VS' über den Widerstand RS wird durch den Verstärker 31 zu einer Spannung VS verstärkt, wobei die Spannung VS dann zu dem invertierenden Eingangsanschluss des Komparators 21 in dem digitalen Verstärker 20 geführt wird. Wenn die Eingangsspannung V; zunimmt und die Ausgangsspannung VS der Abtastschaltung 30 gleich R2 (+Vdd) / (R1+R2) = VT(H) wird, wird die Ausgabe des Komparators 21 von Vdd zu –Vdd geändert. Der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Komparators 21 wird also zu R2 (–Vdd) / (R1+R2) = VT(L) geändert. Die Ausgabe –Vdd des Komparators weist den niedrigen Pegel auf, und die durch den Gate-Treiber 22 hindurchgehende Spannung hält ebenfalls den niedrigen Pegel. Der Hochleistungsschalter M1 wird also eingeschaltet, und der Hochleistungsschalter M2 wird ausgeschaltet. Dieser Schaltzustand wird als erster Schaltmodus bezeichnet.
  • Während des ersten Schaltmodus nimmt der Induktionselementstrom id linear mit der annähernden Steigung (+Vdd – V0(t)) / L zu, wobei V0(t) den Ausgabestrom zum Zeitpunkt t wiedergibt. Wenn der aus dem digitalen Verstärker 20 durch das Induktionselement L zu dem Lautsprecher 40 zugeführte Strom id zunimmt, nimmt der von dem analogen Verstärker 10 zugeführte Strom ia ab. Der von dem digitalen Verstärker 20 zugeführte Strom id wächst und fließt weiterhin entlang derselben Richtung wie der im Lautsprecher 40 benötigte Strom i0 in die Last, bis der Strom ia null erreicht. Das bedeutet, dass der gesamte Strom in dem Lautsprecher 40 von dem digitalen Verstärker 20 zugeführt wird.
  • Nachdem der von dem analogen Verstärker ia zugeführte Strom null erreicht, beginnt der von dem digitalen Verstärker zugeführte übermäßige Strom in den analogen Verstärker zu fließen und erzeugt den negativen Strom –ia in der entgegengesetzten Richtung zu dem Strom ia. Der negative Strom –ia fließt über den Widerstand RS in den analogen Verstärker, sodass der durch den negativen Strom –ia verursachte Spannungsabfall über den Widerstand RS die negative Abtastspannung –VS' erzeugt. Durch die Abtastspannung –VS wird also eine negative Spannung –VS am Ausgang des Verstärkers 21 in der Abtastschaltung 30 erzeugt und an dem invertierenden Eingang des Komparators 21 angelegt.
  • Die Hysteresespannung VT hält unter dieser Bedingung R2 * (–Vdd) / (R1-R2) = VT(L), sodass wenn die negative Spannung –VS an dem invertierenden Eingang des Komparators 21 kleiner als R2 * (–Vdd) / (R1+R2) = VT(L) an dem nicht-invertierenden Eingang wird, die Ausgabe des Komparators 21 von –Vdd zu +Vdd geändert wird, sodass die Ausgabe des Komparators 21 zu dem hohen Pegel wechselt, wodurch der Schalter M1 ausgeschaltet und der Schalter M2 eingeschaltet wird.
  • Im Folgenden wird der erste Schaltmodus beendet und wird der zweite Schaltmodus gestartet. Während des zweiten Schaltmoduszustands nimmt der durch das Induktionselement L hindurchgehende Strom id mit der Steigung (–Vdd – V0(t)) / L ab, sodass auch der von dem analogen Verstärker 10 zugeführte Strom ia zunimmt. Deshalb wird die positive Abtastspannung +Vi von dem Verstärker 31 festgestellt. Wenn diese Spannung +Vs den Wert VT(H) erreicht, wird die Ausgabe aus dem Komparator 21 zu dem niedrigen Pegel (–Vdd) geändert, wodurch der zweite Schaltmodus beendet wird und der erste Schaltmodus startet.
  • Dementsprechend können durch die zwei oben genannten Schaltmodi eine hohe Wiedergabetreue und eine hohe Effizienz garantiert werden.
  • 4 zeigt mehrere simulierte Wellenformen des von dem analogen Verstärker 10 zugeführten Stroms ia, des von dem digitalen Verstärker 20 zugeführten Stroms id und des zu dem Lautsprecher 40 geführten Stroms i0. Wie in 4 gezeigt, wird beinahe der gesamte Strom id des in dem Lautsprecher 40 benötigten Stroms i0 von dem digitalen Verstärker 20 zugeführt, während der analoge Verstärker 10 nur einen kleinen Wellenstrom zuführt oder diesen absorbiert.
  • Im Folgenden wird die Leistung des gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Audioverstärkers beschrieben.
  • Die Versorgungsspannung ±Vdd ist auf ±22 Vdc gesetzt, und eine Last von 4Ω wird für die typische 50W-Ausgabe verwendet. Weil die Eingangsspannung Vi auf maximal 1VP gesetzt ist, muss die Ausgangsspannung 20Vp betragen, um eine Ausgabe von 50W zu erhalten ((=20/√2)2/4). Die Verstärkung mit Gegenkopplung ist also auf ungefähr 20 gesetzt. Und die Schaltfrequenz des digitalen Verstärkers 20 im Leerlauf, wenn kein Signal am Eingang angelegt wird, ist auf ungefähr 250 kHz gesetzt. Folgende Elemente sind für die Bestimmung der Schaltfrequenz wichtig: Induktionselement L, Widerstände R1 und R2, eine optional zu dem Gate-Treiber in dem digitalen Verstärker 20 hinzugefügte Auszeit, Impedanzen Z1 und Z2 in dem analogen Verstärker 10, Abtastwiderstand RS und Verstärkung des Verstärkers 31 in der Abtastschaltung 30, usw.
  • 5a bis 5c zeigen Ausgabewellenformen VL des digitalen Verstärkers 20 und Ausgabewellenformen V0 bei einem 0,5 VP großen Eingangssignal Vi mit Sinuswellenformen jeweils bei 1 kHz, 10 kHz und 20 kHz.
  • 6a zeigt die Beziehung zwischen den Nennausgabespannung und der Gesamtverzerrung bei 1 kHz, und 6b zeigt die Beziehung zwischen der Frequenz und der Gesamtverzerrung bei der Nennausgabe von jeweils 1 W, 10W und 50W.
  • Die Gesamtverzerrung bei der Ausgabe mit niedrigem Pegel ist stärker als bei der Ausgabe mit mittlerem Pegel, weil das Rauschen das Signal mit niedrigem Pegel stark beeinträchtigt. Weiterhin ist die Gesamtverzerrung bei der Ausgabe mit hohem Pegel gering, weil wenn das Ausgabesignal V0 zu groß für die Versorgungsspannung ±Vdd ist, das Problem einer Begrenzung des Ausgangssignals abrupt aus der ±Vdd-Beschränkung entsteht. Wie aus 6a und 6b deutlich wird, betragen die Gesamtverzerrungen bei 0,5W und 50W ungefähr 0,01 %, während die Gesamtverzerrungen bei 500 Hz bis 5 kHz, d.h. im gesamten Sprachfrequenzband, die besten Kennlinien aufweisen.
  • 7a zeigt die Beziehung zwischen der Nennausgabeleistung und dem Gesamtstromverbrauch, und 7b zeigt die Beziehung zwischen der Nennausgabeleistung und der Effizienz. Die Leistungseffizienz lässt sich mit der folgenden Gleichung berechnen: η(x) = P0(x) (18)wobei P0(x), Pdd(x) und x jeweils die Ausgabeleistung des Lautsprechers, die insgesamt zugeführte Leistung und den Ausgabepegel wiedergeben. Aus 7a und 7b wird deutlich, dass der Audioverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung die beste Leistungseffizienzkennlinie bei ungefähr 90% und 50W aufweist und insbesondere für die Hochleistungsanwendung geeignet ist.
  • 8a und 8b zeigen Frequenzreaktionskennlinien, wobei 8a die Größenreaktion zeigt, während 8b die Phasenreaktion zeigt.
  • Aus 8a und 8b wird deutlich, dass die Größenreaktion bei den hörbaren Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 kHz sehr flach ist und dass die 3 dB-Bandbreite bei ungefähr 40 kHz liegt.
  • Wie weiter oben genannt, weist der analoge Audioverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Linearität und eine hohe Effizienz auf.
  • Insbesondere bietet die vorliegende Erfindung außerordentliche Energiespareffekte, indem der hocheffiziente digitale Verstärker in Kombination mit dem analogen Verstärker verwendet wird. Bei einem 50W-Leistungsvertärker weisen herkömmliche Verstärker der Klasse A mit einer schlechten Effizienz von ungefähr 20% einen Leistungsverlust von ungefähr 200 W auf. Der Leistungsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung weist jedoch eine Effizienz von 90% oder mehr auf, sodass der Leistungsverslust bei nur ungefähr 5W liegt.
  • Der kombinierte Analog-Digital-Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung wurde mit Bezug auf eine Audioanwendung beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Zum Beispiel kann der Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf die Spannungsquelle in einer Spannungsversorgung angewendet werden.
  • Die Erfindung wurde mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben, wobei die Beschreibung jedoch nicht einschränkend ist. Es können verschiedene Modifikationen and der beschriebenen Ausführungsform vorgenommen und andere Ausführungsformen auf der Basis dieser Beschreibung realisiert werden, ohne dass dadurch der durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definierte Erfindungsumfang verlassen wird.

Claims (7)

  1. Ein kombinierter Analog-Digital-Verstärker, umfassend: einen Klasse A, Klasse B oder Klasse AB-Typ Analogverstärker (10), der als eine unabhängige Spannungsquelle dient; und einen Klasse D-Typ Digitalverstärker (20), der als eine abhängige Stromquelle dafür dient, wobei der Ausgang des Analogverstärkers (10) und der Ausgang des Digitalverstärkers (20) miteinander verbunden sind.
  2. Ein kombinierter Analog-Digital-Verstärker nach Anspruch 1, weiter mit einer Abtastschaltung (30) zum Abtasten eines kleinen Stromwerts, ausgegeben von dem Analogverstärker (10), und zum Erzeugen einer Abtastspannung, um es dem Digitalverstärker (20) zu ermöglichen, einen großen Stromwert zu liefern.
  3. Ein kombinierter Analog-Digital-Verstärker nach Anspruch 2, wobei der Analogverstärker (10) einen Grundverstärker (11) umfasst; einen Basis-Treiber (12) zum Steuern des Betriebs des Transistors; ein Paar von Transistoren (Q1, Q2), die eine Push-Pull-Stufe darstellen; und eine Rückkopplungseinrichtung (15), bestehend aus passiven Elementen zur Festlegung eines geschlossenen Kreises eines Gesamtsystems.
  4. Ein kombinierter Analog-Digital-Verstärker nach Anspruch 2, wobei der Digitalverstärker (20) einen Komparator (21) umfasst; eine Vielzahl von Widerständen (R1, R2) und einen Pull-Up-Resistor (R3) zur Bestimmung der Hysterisispannung des Vergleichers (21); einen Gate-Treiber (22); ein Paar von Hochleistungsschaltern (M1, M2), die eine Ausgangsstufe darstellen, und einen Induktor (L).
  5. Ein kombinierter Analog-Digital-Verstärker nach Anspruch 4, wobei der Induktor (L) einen Wert aufweist, der im Bereich von ungefähr 10 μH bis ungefähr 500 μH ist.
  6. Ein kombinierter Analog-Digital-Verstärker nach Anspruch 2, wobei der Abtastblock (30) einen Widerstand (Rs) umfasst, um den von dem Analogverstärker (10) gelieferten oder dort absorbierten Strom abzutasten, und um diesen in die Spannungskomponente umzuwandeln; und einen Verstärker (31), um die durch den Widerstand (Rs) abgetastete Spannung zu verstärken.
  7. Ein kombinierter Analog-Digital-Verstärker nach Anspruch 6, wobei der Abtastwiderstand (Rs). einen Wert aufweist, der im Bereich von ungefähr 0,01 Ω bis ungefähr 10 Ω ist.
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