DE69827039T2

DE69827039T2 - Pulsreferenziertes Steuerverfahren zur verbesserten Leistungsverstärkung eines pulsmodulierten Signals

Info

Publication number: DE69827039T2
Application number: DE69827039T
Authority: DE
Inventors: & Olufsen Powerhouse A/S Bang
Original assignee: ICEPower AS
Current assignee: ICEPower AS
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2018-04-02
Also published as: JP2001517393A; EP1042865B8; WO1998044626A2; WO1998044626A3; US6768779B1; JP3346581B2; CN1251697A; CN1123116C; AU6495098A; EP1042865A2; ATE279811T1; EP1042865B1; KR100426422B1; KR20010005877A; AU730339B2; CA2285355A1; CA2285355C; DE69827039D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft die Leistungsverstärkung von pulsmodulierten Signalen durch eine Schaltleistungsstufe.
Die Erfindung kann vorteilhafterweise für eine verbesserte direkte Umwandlung eines digitalen Signals in analoge Leistung verwendet werden. Anwendungen sind direkte digitale Audioleistungsumwandlungs- und allgemeine Gleichstrom-Gleichstrom- oder Gleichstrom-Wechselstrom-Leistungsumwandlungssysteme, die vom digitalen Bereich gesteuert werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Vorteile einer Leistungsverstärkung auf Basis einer Schaltleistungsstufe sind wohlbekannt. Die hohe Leistungsfähigkeit stellt mehrere Vorteile hinsichtlich des minimalen Gewichts und Umfangs, der höheren Leistungshandhabungsfähigkeit und der verbesserten Verlässlichkeit bereit. Die grundlegenden Elemente bei der Schaltleistungsverstärkung sind der Modulator, die Schaltleistungsstufe und der Demodulationsfilter, um das modulierte Signal wiederherzustellen. Die Nichtlinearität der Schaltleistungsstufe bietet ein bedeutendes Hindernis für die Bewahrung der Modulatorleistung über die nachfolgende Leistungsumwandlung durch eine Schaltleistungsstufe hinweg. Dieses Problem ist grundlegend und unabhängig von der Verwendung einer analogen Modulation wie analoger Impulsbreitenmodulation PWM oder digitaler Modulation als direkter digitaler Impulscodemodulation PCM-PWM-Umwandlung.
Beim Stand der Technik wurde der Ausgleich für das nichtideale Verhalten im Allgemeinen mit verschiedenen Rückmeldungssteuerverfahren versucht. Die US-Patentschrift Nr. 4,724,396 und die US-Patentschrift Nr. 5,521,549 offenbaren Beispiele dieses Verfahrens mit einer Audioleistungsverstärkung als bestimmter Anwendung. Lineare Rückmeldungs steuerverfahren benötigen jedoch einen analogen Niederfrequenzbezug. Bei einer direkteren Umwandlung einer digitalen Quelle in Leistung ist es wünschenswert, die Leistungsumwandlung dahingehend zu vereinfachen, dass kein gesonderter Digital-Analog-Wandler benötigt wird. Darüber hinaus werden kein Analogmodulationsschaltsystem und keine Trägerbildner benötigt werden. Die internationale Patentanmeldung Nr. WO92/11699 und die internationale Patentanmeldung Nr. WO97/37433 offenbaren verbesserte Verfahren zur digitalen PCM-PWM-Umwandlung für eine digitale Verstärkung von Digital zu Leistung. In der Praxis sind diese Systeme kaum leicht ausführbar, da kein Ausgleich für die Grundfehlerquellen innerhalb der Schaltleistungsumwandlung bereitgestellt wird. Die Anwendung einer auf die digitale Quelle referierten digitalen Rückmeldungssteuerung ist dahingehend kompliziert, dass im Rückmeldungspfad ein Analog-Digital-Wandler benötigt wird. Dies macht eine normale Rückmeldungssteuerung unpraktisch.
Die veröffentlichte internationale Patentanmeldung EP758164 offenbart ein Rückmeldungsverfahren, das in der Schaltleistungsstufe ansässig ist, wobei der Leistungsstufenausgang zurückgemeldet und mit einem impulsbreitenmodulierten Eingang summiert wird. Das sich ergebende Signal wird verwendet, um die Schaltleistungsstufe anzutreiben. Die Ausgleichswirkung wird jedoch begrenzt sein, und es ist schwierig, die Verbesserungen gegenüber allen Fehlerquellen zu steuern.
Folglich ist beim Stand der Technik keine Erfindung für eine allgemeine Leistungsverstärkung eines pulsmodulierten Signals vorhanden, die einfache und wirksame Mittel zum Beseitigen jedweder Quelle von Nichtlinearität und Rauschen in der Schaltleistungsverstärkungsstufe enthält.
Demgemäß ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Leistungsverstärkung eines pulsmodulierten Signals zu ermöglichen, wobei alle Fehlerquellen im Zusammenhang mit der Leistungsstufe und dem Demodulationsfilter beseitigt sind, so dass die Modulatorleistung über die nachfolgenden Elemente hinweg bis zum Ausgang hin bewahrt werden kann. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, ein praktisches digitales PCM-Leistungsumwandlungssystem bereitzustellen, das gegenüber einer Leistungsstufennichtlinearität, einer Störung der Leistungsversorgung und jedweden anderen nichtidealen Elementen unempfindlich ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Nach Anspruch 1 und 2 werden die Aufgaben der Erfindung durch die Einbringung einer Korrektureinheit zwischen dem Impulsmodulator und der Schaltleistungsverstärkungsstufe erfüllt. Die Korrektureinheit stellt den Ausgleich mittels einer Impulseintaktung an den Impulsflanken bereit, wobei die Eintaktung so gesteuert ist, dass sie eine "vorverzerrende" Wirkung aufweist, so dass der sich ergebende Schaltleistungsstufenausgang frei von Verzerrungen, Rauschen oder jedwedem anderen unerwünschten Beitrag ist.
Nach Anspruch 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin besonders, dass die Impulswiedereintaktung in der Korrektureinheit eine lineare Funktion eines Fehlersignaleingangs ist. Dies ist dahingehend vorteilhaft, dass das sich ergebende Steuersystem linear ist, wodurch die Systemgestaltung und -optimierung vereinfacht und die Leistungsverbesserung steuerbar wird.
Nach Anspruch 4 ist es zweckmäßig, dass das pulsreferierte Steuersystem die folgenden grundlegenden Elemente umfasst:

– eine Eingangsklemme, die ein pulsmoduliertes Signal aufnimmt,
– eine Korrektureinheit mit einem Mittel, um die Verzögerungen der einzelnen Impulsflanken zu steuern, die durch einen Steuereingang gesteuert wird,
– eine Zustandsrückmeldung mit Ausgleich,
– einen Bezugsformungsblock, um den gepulsten Bezugseingang für eine optimale Fehlerschätzung abzuändern,
– einen Differenzblock, um ein Fehlersignal zu bilden, und eine Ausgleichsvorrichtung, um diesen Fehler zu formen.

Die Erfindung beinhaltet verschiedene Ausführungsformen hinsichtlich der tatsächlichen Verwirklichung der Steuerfunktion innerhalb der Korrektureinheit. Nach Anspruch 6 bis 10 beinhaltet die Erfindung verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen, die eine verbesserte Digital-Analog-Leistungsumwandlung betreffen, welche für die Audioleistungsverstärkung geeignet ist.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein grundlegend neues Steuerverfahren für die verbesserte Verstärkung eines pulsmodulierten Eingangssignals. Der Anwendungsbereich ist dahingehend äußerst weit, dass die Erfindung mit jedwedem im analogen oder im digitalen Bereich modulierten pulsmodulierten Eingang verwendet werden kann, und jedwede Belastung speisen kann, bei der ein gepulstes Leistungssignal von steuerbarer Qualität benötigt wird. Schließlich kann das Prinzip der Erfindung eine perfekte Wiedergabe des gepulsten Bezugs verwirklichen, so dass der Ausgang unabhängig von jedweden Störungen, die während der Leistungsumwandlung eingebracht werden, ein konstantes Vielfaches des Eingangs ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird unter Bezugnahe auf die Zeichnungen näher beschrieben werden, wobei
1 ein Prinzip der Leistungsverstärkung auf Basis entweder eines analogen oder eines digitalen Eingangs zeigt, das in der Technik wohlbekannt ist.
2 zeigt ein Verfahren der Leistungsumwandlung auf Basis einer digitalen Impulsmodulation. Dieser Ansatz ist in der Technik wohlbekannt.
3 zeigt ein allgemeines Modell der Erfindung.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung hinsichtlich eines doppeleingangspulsreferierten Steuerverfahrens, das auf einer Zustandsrückmeldung von der Leistungsstufe beruht.
5 zeigt verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, die Impulsflankenverzögerungsfehlerkorrekturverfahren betreffen.
6 zeigt das Prinzip für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die eine Flankenverzögerungskorrektureinheitsausführung betrifft, die die zweckmäßige lineare Steuerfunktion durch eine Tätigkeit an beiden Flanken des Impulses ausführt.
7 zeigt ein Systemblockdiagramm für eine bevorzugte Ausführung für eine doppelseitige Flankenverzögerungskorrektureinheit.
8 zeigt eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung hinsichtlich eines Umwandlungssystems von Digital zu Leistung für Audiozwecke, wobei der Bezugsformungsblock "Eins" ist, und der Rückmeldungsblock einen konstanten Dämpfungsverlauf aufweist.
9 zeigt ein lineares Modell für die vorteilhafte Anwendung der Erfindung in 8. Das Modell definiert eine passende Ausgleichsvorrichtung für die Anwendung.
10 zeigt noch eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung hinsichtlich eines Umwandlungssystems von Digital zu Leistung für Audiozwecke, wobei der Bezugsformungsblock und der Rückmeldungsblock Eigenschaften erster Ordnung für eine verbesserte Fehlerschätzung aufweisen.
11 zeigt noch eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung hinsichtlich eines Umwandlungssystems von Digital zu Leistung für Audiozwecke, wobei für die Fehlerkorrektur eine gesamte Rückmeldungsquelle verwendet wird.
12 zeigt die Steuerschleifeneigenschaften für einen bevorzugten Gestaltungsansatz für die bevorzugte Ausführungsform von 8.
13 zeigt die Eigenschaften des Systems mit geschlossener Schleife für einen bevorzugten Gestaltungsansatz für die bevorzugte Ausführungsform von 8.
14 zeigt die Ergebnisse einer Simulation der Fehlerkorrektur gegenüber einer deterministischen Impulstastungsfehlerquelle in der Schaltleistungsstufe. Die beispielhafte Ausführungsform der Erfindung verringert die Verzerrung beträchtlich.
15 zeigt eine Simulation der Wirkungen von Leistungsversorgungsstörungen. Die beispielhafte Ausführungsform beseitigt die durch diese Fehlerquelle verursachte Zwischenmodulation.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Um die Erfindung vollständig zu verstehen, ist es hilfreich, die grundlegenden physikalischen Beschränkungen zu besprechen, die bei der Verstärkung eines pulsmodulierten Signals auf Leistungspegel bestehen. Die meisten Probleme beziehen sich auf die Schaltleistungsstufe, die dazu dient, die Impulse, die vom Modulator kommen, zu verstärken. Es ist zweckmäßig, die Fehlerquellen in Impulstastungsfehler (PTE) und Impulsamplitudenfehler (PAE) zu teilen. Impulstastungsfehler ergeben sich aus

– der Unterschiedlichkeit von Verzögerungen vom Einschalten oder Ausschalten zum tatsächlichen Übergang am Ausgang der Schaltleistungsstufe im Fall des Einschaltens bzw. des Ausschaltens. Die Verzögerungen hängen von verschiedenen Parametern in der Leistungsschaltphysik und in der Hardware, die die Schalter treibt, ab.
– der Verzögerung zwischen einem Ausschalten und dem folgenden Einschalten in einem Schaltzweig,
– den endlichen Anstiegs- und Abfallzeiten im Gegensatz zum in der Theorie benötigten unendlich schnellen Schalten.

Impulsamplitudenfehler (PAE) ergeben sich hauptsächlich aus

– einem Rauschen von der Leistungsversorgung, die die Schaltleistungsstufe speist. Jedwedes Leistungsversorgungsbrummen oder -rauschen wird mit dem modulierten Audiosignal zwischenmodulieren, und die Schaltleistungsstufe weist eine Leistungsversorgungsabweisungsrate von 0 dB auf.
– der endlichen Impedanz für die Leistungsschalter,
– hochfrequenzresonanten Übergangszuständen an den sich ergebenden Impulsleistungssignalen.

Es gibt zusätzliche Fehlerquellen, die die nichtideale Modulation und die nichtideale Demodulation betreffen. Die Demodulationsfilterfehler können eine weitere Verzerrung einbringen, da Magnetkermaterialien nicht ideal sind.
Zusätzlich erhöht der Filter die gesamte Ausgangsimpedanz. Demgemäß werden Veränderungen in der Belastungsimpedanz das Frequenzverhalten verzerren.
1 zeigt ein in der Technik wohlbekanntes Verfahren, um eine Leistungsverstärkung auf Basis von analogen Pulsmodulationstechniken zu verwirklichen. Der Modulatorausgang speist eine Schaltleistungsstufe, deren Ausgang demoduliert und der Belastung zugeführt wird. Ein auf den analogen Eingang referiertes lineares Steuersystem dient dazu, die Fehler innerhalb der Leistungsumwandlung zu minimieren, so dass die Wirkungen der oben erwähnten Fehler minimiert werden können. Ein digitaler Eingang benötigt einen gesonderten Digital-Analog-Wandler, um den analogen Eingang zu erzeugen, der als Eingang an das Steuersystem dient. 2 veranschaulicht das vereinfachte und wünschenswerte System für eine direkte Digital-Analog-Leistungsumwandlung unter Verwendung von digitalen Pulsmodulationstechniken, die in der herkömmlichen Technik ebenfalls wohlbekannt sind. Die Anwendung der Fehlerrückmeldungssteuerung ist dahingehend kompliziert, dass ein Analog-Digital-Wandler benötigt werden würde, um einen Vergleich mit der digitalen Bezugsquelle zu ermöglichen. Dies beeinträchtigt sowohl die Leistung als auch die Komplexität und macht das Verfahren unpraktisch.
Das neue Prinzip der Erfindung ist durch das allgemeine Blockdiagramm in 3 gezeigt. Der Modulator wird einer Korrektureinheit zugeführt, die dazu dient, das pulsmodulierte Signal v_r zu korrigieren oder "vorzuverzerren", um das kompensierte Impulssignal v_c zu erzeugen, so dass das erwähnte nichtideale Verhalten innerhalb der nachfolgenden Leistungsumwandlung und Demodulation beseitigt wird. Dies wird durch intelligente Impulsflankenverzögerungen an jeder der Impulsflanken durchgeführt, die durch ein Eingangssteuersignal v_e an die Korrektureinheit gesteuert werden. Das Verfahren wird fortan als Impulsflankenverzögerungsfehlerkorrektur (PEDEC) bezeichnet werden.
Die Erfindung ist ein grundlegend neues Steuerverfahren zur verbesserten Verstärkung eines pulsmodulierten Eingangssignals. Der Anwendungsbereich ist dahingehend weit, dass die Erfindung mit jedwedem im analogen oder im digitalen Bereich modulierten pulsmodulierten Eingang verwendet werden kann und jedwede Belastung speisen kann, bei der ein gepulstes Leistungssignal von steuerbarer Qualität benötigt wird.
Die Erfindung stützt sich auf zwei grundlegende Tatsachen:

– Der Impulsmodulator kann eine gepulste Wellenform von sehr hoher Qualität erzeugen, die als Bezug für das Steuersystem verwendet werden kann.
– Alle Fehlerquellen (PAE oder PTE) innerhalb der Schaltleistungsumwandlung können durch eine intelligente Impulseintaktung korrigiert werden, und alle Fehlerquellen benötigen für die perfekte Beseitigung nur eine geringfügige Impulsflankeneintaktung.

Die Flankenkorrektur kann wie in 5 konzeptuell gezeigt unter Verwendung einer einseitigen oder einer doppelseitigen Flankenverzögerungskorrektur ausgeführt werden.
Die Wahl einer einseitigen oder einer doppelseitigen Flankenkorrektur ist von der Art des Modulationsverfahrens unabhängig. Die Steuerung beider Flaken führt zu einer leistungsfähigen Korrektur und weist darüber hinaus einfache Ausführungsstrategien auf. Anschließend wird sich die folgende Beschreibung dieses Merkmals der Erfindung auf die doppelseitige Flankenkorrektur konzentrieren.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 6 gezeigt. Das pulsreferierte Doppeleingangs-Rückmeldungssteuersystem umfasst:

– eine Eingangsklemme, die durch ein pulsmoduliertes Signal v_r gespeist wird;
– eine Korrektureinheit (PEDEC) mit einem Mittel, um die Verzögerungen der einzelnen Impulsflanken zu steuern und das korrigierte Ausgangsimpulssignal v_c zu erzeugen;
– einen Zustandsrückmeldungsblock A, der einen Ausgleich vom Leistungsstufenblock beinhaltet;
– einen optionalen Bezugsformungsblock R;
– eine Subtrahiereinheit, um Fehlerinformationen zu erlangen;
– eine Ausgleichsvorrichtung C, um den Fehler zu formen und den geformten Fehler v_e in die Korrektureinheit einzugeben.

Die Korrektureinheit kann durch verschiedene lineare und auch nichtlineare Verfahren verwirklicht werden. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung hinsichtlich der Verwirklichung der PEDEC-Einheit ist nachstehend beschrieben. Es erweist sich als vorteilhaft, das Korrekturfehlersignal v_e an die PEDEC-Einheit am Ende jedes Schalttakts eine wirkungsvolle Veränderung in der Impulsbreite Δt_w verwirklichen zu lassen, die in einem Verhältnis zum Steuersignaleingang v_e steht: dtw/dve = kw (1)
Durch ein Mitteln innerhalb eines einzelnen Schalttakts kann die Beziehung zwischen einer Zunahme in der Impulsbreite Δt_w und der entsprechenden Veränderung im Durchschnitt des Ausgangs der PEDEC-Einheit Δv_c erstellt werden.
Nehmen wir zur Einfachheit im Folgenden an, dass die Impulsamplitude des Ausgangs der PEDEC-Einheit "Eins" ist. Δv_c steht mit Δt_w wie folgt in Beziehung:
wobei d der Arbeitszyklus innerhalb des vorhandenen Schalttakts und t_s die Schaltperiode ist. Somit ist d v c/dtw = 2/ts (3)
Durch Kombinieren von (1) und (3) gelangt man zur linearen Steuerfunktion: kPEDEC = d v c/dve = 2 kw/ts (4)
Diese bevorzugte lineare Steuerfunktion ist dahingehend vorteilhaft, dass sie die Steuerungsgestaltung vereinfacht und verglichen mit, beispielsweise, der Ausführung einer nichtlinearen Steuerfunktion steuerbare Leistungsverbesserungen bereitstellt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dahingehend besonders, dass die Ausführung einer doppelseitigen Korrektureinheit, die (4) ausführt, einfach ist. Das Verfahren ist in 6 gezeigt. Die lineare Steuerfunktion wird durch eine begrenzte Integration des Bezugs v_r, wodurch das Signal v_i erzeugt wird, verwirklicht. Ein Vergleich zwischen dem modifizierten Bezug und dem Steuersignal v_e verursacht, dass die Impulsflanken eingetaktet werden. Aus 6 folgt, dass
ist, wobei (^–) die korrigierte Variable nach dem Durchgang durch die PEDEC-Einheit angibt. Es wird angenommen, dass alle Impulsamplituden zu "Eins" normalisiert werden. In dieser bevorzugten Ausführung ist k_w wie in (1) definiert kw = (dtw/dve) = t0 (6)
Der folgende äquivalente Steuerverstärkungsgrad tritt für die vorgeschlagene Ausführung der doppelseitigen Flankenkorrektur auf: kPEDEC = 2t0/ts (7)
7 zeigt eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens der doppelseitigen Flankenkorrektur. Das Verfahren ist sehr einfach und direkt.
Für eine optimale Steuerung in dieser bevorzugten Lösung sollten die Impulse eine bestimmte Mindestbreite aufweisen.
Die Mindestimpulsbreite für die optimale Leistung steht mit dem Modulationsindex M und der Schaltperiode t_s wie folgt in Beziehung: tw,min ≥ t0 ⇒ Mmax = 1 – (2t0/ts) (8)
Diese Beschränkung der Impulsbreite und des maximalen Modulationsindex M_max stellt keine grundlegende Beschränkung dar, da die Korrektur über diese Grenze hinaus nach wie vor teilweise arbeiten wird. Da im Allgemeinen nur ein begrenzter Korrekturbereich benötigt wird, ist t₀ vorzugsweise in der Größenordnung von oder geringer als t_s.
Die Erfindung beinhaltet mehrere Ausführungsformen, die die spezifische Anwendung der Erfindung bei der Digital-Analog-Leistungsumwandlung betreffen. Eine bevorzugte Ausführungsform ist das in 8 gezeigte System. Bei Verwendung von PEDEC in Kombination mit einem der Hochleistungs-Digital-Impulsbreitenmodulationsverfahren (PCM-PWM-Verfahren), die in der Technik bekannt sind, wird das Signal über die Hauptaudiokette hinweg digital oder gepulst verbleiben. Es wird kein analoger Modulator oder Trägerbildner benötigt, wie dies bei der analogen Impulsmodulation der Fall ist, da das System ausschließlich durch den digitalen Modulator gesteuert wird. In dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Zustandsrückmeldung eine Spannungsrück meldung vom Schaltleistungsstufenausgang v_p. Die Rückmeldungspfad-Ausgleichsvorrichtung ist eine einfache Dämpfung, und der Ausgleichsvorrichtungsblock C(s) ist ein linearer Filter. Trotz des einfachen Steuerungsaufbaus dieser besonderen Ausführungsform bringt das System eine sehr leistungsfähige und flexible Steuerung der Systemleistung ein.
Die bevorzugte lineare Steuerfunktion stellt große Flexibilität bei der Leistungsoptimierung bereit. Ein Beispiel der Gestaltung des PEDEC-Steuersystems ist im Folgenden angegeben. Die Ausgleichsvorrichtung ist im wie in 9 gezeigten linearen Modell des Systems definiert. Die PEDEC-Einheit wurde durch ihren äquivalenten linearen Verstärkungsgrad ersetzt, und das sich ergebende System wurde umgezeichnet, um den Doppeleingangscharakter des auf PEDEC beruhenden Systems der Umwandlung von Digital zu Leistung zu betonen. Die bestimmte Ausgleichsvorrichtung stellt ausreichende Flexibilität bereit, um die Leistung hinsichtlich verschiedenster Eigenschaften zu optimieren. Die sich ergebende Schleifenübergangsfunktion wird direkt vom Systemmodell abgeleitet: L(s) = (KpkPEDEC/K)C(s) = (KCKpkPEDEC/K) – (τp1s + 1)/[(τp2s + 1)(τp2s + 1) (τp3s + 1)] (9)
Alle nichtidealen Wirkungen wie Rauschen, Verzerrungen oder Leistungsversorgungsstörungen, die den Leistungsstufenverstärkungsgrad K_p beeinflussen, werden durch die Empfindlichkeitsfunktion S(s) = (1 + L(s))^–1 verringert. Die tatsächliche Schleifenformung ist ein Kompromiss zwischen der Schleifenbandbreite und der gewünschten Empfindlichkeitsfunktion. Weitere Überlegungen sind die Stabilität und die Unempfindlichkeit gegenüber einer Unsicherheit in den Systemparametern. Tabelle 1 gibt einen Satz von normali sierten Systemparameterwerten an, der zu einem ansprechenden Kompromiss zwischen diesen Aspekten führen wird.
Der Gleichstromverstärkungsgrad K_C der Ausgleichsvorrichtung wird optimiert, um die gewünschte Schleifenbandbreite zu ergeben. Eine Bandbereite des sechs- bis achtfachen der Zielbandbreite ist ein guter Kompromiss zwischen der Leistungsfähigkeit und der Fähigkeit zur Fehlerkorrektur. 12 zeigt Bode-Diagramme für jeden Bestandteil und die sich ergebende Schleifenübergangsfunktion.
Tabelle 1: Beispiele für frequenznormalisierte Parameter
Der Verstärkungsgrad des Systems wird durch den A-Block gesteuert, und bei der gegebenen Ausführungsform wird das PEDEC-Steuersystem den Systemverstärkungsgrad zwingen, innerhalb der Zielbandbreite konstant zu sein. Dies stabilisiert sowohl den Systemverstärkungsgrad als auch das Frequenzverhalten. Nach dem linearen Modell für diese beispielhafte Ausführungsform der Erfindung in 9 besteht die sich ergebende Systemantwort aus zwei Beiträ gen, da der Bezug zwei Eingänge in die Schleife aufweist.
Die Systemübergangsfunktion ist
Im besonderen (aber nicht ungewöhnlichen) Fall, in dem K = K_p ist, ist die Systemübergangsfunktion konstant: H(s) = {K[C(s)kPEDEC + 1]}/[1 + C(s)kPEDEC] = K (11)
Der allgemeine Fall lautet:
13 zeigt die sich ergebenden Bode-Diagramme für das geschlossene System, die aus zwei Beiträgen bestehen, welche mit dem Demodulationsfilter das Schleifenverhalten und eine gesamte Systemantwort bilden. Die konstante Verstärkungsgradeigenschaft der Schleife ist durch K = K_p verursacht. Nur der Demodulationsfilter bestimmt die Antwort des Systems.
Die Parameter der obigen beispielhaften Ausführungsform sind nur veranschaulichend, und durch andere Kompromisse hinsichtlich des Schleifenübergangsfunktionsverstärkungsgrads und der Bandbreite usw. können verschiedenste andere Systemeigenschaften erdacht werden.
Andere vorteilhafte Ausführungsformen, die ebenfalls für eine Umwandlung von Digital zu Leistung mit hoher Qualität geeignet sind, sind in 10 und 11 gezeigt. Diese alternativen Ausführungsformen sind durch die Verwendung unterschiedlicher Ausgleichsvorrichtungs- und Bezugsformungsblöcke gekennzeichnet. Die Ausführungsform in 10 beruht vorzugsweise sowohl beim Bezugsformungsblock R(s) als auch bei der Rückmeldungsausgleichsvorrichtung A(s) auf einer Eigenschaft erster Ordnung. Die Vorteile bei der Demodulation sowohl des Bezugs als auch des Rückmeldungssignals sind minimiertes Rauschen innerhalb des Steuersystems und darüber hinaus geringere Bandbreitenanforderungen für die Rückmeldungsausgleichsvorrichtung. Die Ausführungsform in 11 beruht auf einer gesamten Rückmeldungsquelle, so dass Demodulationsfilterfehler innerhalb der Schleife enthalten sind und für sie eine Korrektur vorgenommen wird. Dies erfordert eine Bezugsformungsvorrichtung der zweiten Ordnung für eine optimale Fehlerschätzung.
Die Korrekturwirkungen gegenüber Impulstastungsfehlern (PTE) sind in 14 gezeigt, wo THD für das System mit offener Schleife und drei PEDEC-Steuerungskonfigurationen bei der Signalfrequenz des ungünstigsten Falls untersucht wurden. Es ist offensichtlich, dass die Steuerung die Wirkungen dieser besonderen Fehlerquelle beträchtlich verringert. Darüber hinaus kann das Einstellen des Ausgleichsvorrichtungsverstärkungsgrads K_C die Verbesserungen steuern.
In dieser besonderen Situation ist die Verzerrung um 20 dB bis 30 dB verringert. 15 zeigt eine Untersuchung von PAEs mit einer ernsten Leistungsversorgungsstörung von 10 Vpp. Die obere Figur veranschaulicht die klare Zwischenmodulation zwischen der Leistungsversorgung und dem Signal.
Die untere Figur zeigt, wie die PEDEC-Steuerung diese Wirkung beseitigt, so dass die Zwischenmodulation im Zeitbereich nicht mehr sichtbar ist. Die Zwischenmodulationsverzerrung ist verglichen mit dem Fall der offenen Schleife wie durch die Empfindlichkeitsfunktion in der Theorie vorhergesagt um mehr als 40 dB verringert.
Obwohl die Erfindung im Vorhergehenden unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen davon beschrieben ist, wird man verstehen, dass die vorhergehenden und verschiedenste andere Veränderungen, Weglassungen und Hinzufügungen vorgenommen werden können, ohne vom wie in den beiliegenden Ansprüchen definierten Umfang dieser Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Korrigieren jedweder Quelle von Nichtlinearität und Rauschen, das in die Leistungsverstärkung eines pulsmodulierten Signals eingebracht wird, gekennzeichnet durch die Einbringung einer Korrektureinheit zwischen dem Impulsmodulator und der Schaltleistungsverstärkungsstufe, wobei die Korrektureinheit Verzögerungen an den Impulsflanken einbringt, die gesteuert werden, damit sie eine ausgleichende Wirkung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsflankenverzögerungskorrektur entweder an der ansteigenden Flanke, der abfallenden Flanke, oder an beiden Flanken des ankommenden pulsmodulierten Signals durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur durch eine wirkungsvolle Impulsbreitenveränderung Δt_w in jedem Schalttakt durchgeführt wird, die als eine lineare Steuerfunktion eines Fehlersignals v_e an die Korrektureinheit gesteuert wird, so daß eine allgemeine lineare Beziehung Δt_w = k_w·v_e errichtet wird.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens von Anspruch 1 bis. 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Folgendes umfaßt: – eine Eingangsklemme, die ein pulsmoduliertes Signal aufnimmt; – eine Korrektureinheit mit einem Mittel, um die Verzögerungen der einzelnen Impulsflanken zu steuern; – einen Zustandsrückmeldungsblock mit Ausgleich vom Leistungsstufenblock; – einen optionalen Bezugsformungsblock; – eine Subtrahiereinheit, um Fehlerinformationen zu erlangen; und – eine Ausgleichsvorrichtung, um den Fehler zu formen und den geformten Fehler in die Korrektureinheit einzugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausführung der doppelseitigen Flankenkorrektur durch eine begrenzte Integration des gepulsten Bezugs verwirklicht wird, um ein neues Signal v_i zu erzeugen, so daß ein Vergleich von v_i mit dem Fehlersignal v_e in der Korrektureinheit eine lineare Kontrollfunktion in der Form Δt_w = k_w·v_e verwirklicht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 oder Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 5, wobei der Bezugseingang durch Impulsbreitenmodulation moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 oder Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 5, um ein verbessertes allgemeines digitales PCM-Analogleistungs-Umwandlungssystem zu verwirklichen.
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsrückmeldung die lokale Schaltleistungsausgangsspannung v_p ist, und der Bezugsformungsblock "Eins" ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, die als ein Leistungsverstärker verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsrückmeldung die lokale Schaltleistungsausgangsspannung ist, die Rückmeldungsausgleichsvorrichtung ein Filter erster Ordnung ist, und der Bezugsformungsblock in gleicher Weise ein System erster Ordnung verwirklicht.
Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, die als ein Leistungsverstärker verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsrückmeldung der gesamte Verstärkerausgang ist, der Bezugsformungsblock ein Filter zweiter Ordnung ist, und der Rückmeldungspfadausgleich eine konstante Dämpfung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 oder Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltleistungsstufenausgang einen Lautsprecher oder eine andere Belastung mit Impulsen, die direkt von der Schaltleistungsstufe stammen, direkt antreibt.