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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Audio-Leistungsverstärker, und
spezieller einen Verstärker
der monolithische integrierte Schaltungen umfaßt, die unter Verwendung von
parallelen Endstufen der Klasse AB hohe Abgabeleistung bereitstellen.
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Kraftfahrzeug-Audiosysteme
empfangen elektrische Leistung typischerweise von elektrischen Systemen
geringer Spannung. Dies resultiert in verschiedenen Schwierigkeiten
beim Versuch hohe Verstärkungspegel
in dem Audiosystem bereitzustellen, um Ausgabelautsprecher anzusteuern.
Verschiedene Techniken wurden eingesetzt um dieses Problem, daß für die Audioausgabe-Verstärker nach
oben hin unangemessene Spannungsfreiheit zur Verfügung steht,
zu überwinden.
Zum Beispiel kann die Abgabeleistung zu dem Lautsprecher erhöht werden,
indem man einen speziell konstruierten Lautsprecher niedriger Impedanz
verwendet. In der bisherigen Technik wurden jedoch nur Verstärkerkonfigurationen
der Klasse D benutzt, um Lautsprecher mit niedriger Impedanz anzusteuern;
weil nur ein solcher Hocheffizienz-Verstärker die Strompegel bereitstellen
konnte, die notwendig sind um einen Lautsprecher mit niedriger Impedanz
anzusteuern, wenn eine Niedrigspannungsquelle verwendet wird. Verstärker der
Klasse D sind jedoch relativ teuer für den Gebrauch in Kraftfahrzeug-Audiosystemen.
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In
der bisherigen Technik ist es außerdem bekannt eine Schaltstrom-Versorgung
in dem Audiosystem einzusetzen, um die Versorgungsspannung für den Ausgangsverstärker zu
steigern, um dadurch die Abgabeleistung zu dem Lautsprecher zu steigern. Schaltstrom- Versorgungen haben
jedoch die Nachteile stark gesteigerter Kosten und erhöhter elektromagnetischer
Interferenz.
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Speziell
in Kraftfahrzeug-Audiosystemen ist es zu bevorzugen Verstärker zu
konstruieren, die monolithische integrierte Schaltungen verwenden.
IC's stellen die
niedrigsten Kosten bereit und benötigen aufgrund der verminderten
Anzahl von Bauteilen in einem Verstärker den geringsten Platzbedarf.
Monolithische IC's
wurden jedoch im Betrag der Abgabeleistung beschränkt, welche
bei den in Kraftfahrzeug-Elektrosystemen verwendeten Spannungen bereitgestellt
werden können.
Der Mangel ausreichender Leistung ist besonders für Subwoofer-Lautsprecher
ein Problem, für
welche ein hoher Schalldruckpegel gewünscht ist.
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Monolithische
IC's sind zur Steigerung
der Abgabeleistung mit gebrückten
Ausgängen
verfügbar.
In der gebrückten
Konfiguration werden die gegenüberliegenden
Lautsprecher-Schwingspuleneingänge jede
durch getrennte Verstärkerstufen
angesteuert, deren Polarität
invertiert ist. Spezieller ist jede Verstärkerstufe bei ungefähr der halben
Versorgungsspannung vorbelastet, und jede Verstärkerstufe verstärkt das
Eingangssignal im Verhältnis
zu der Vorspannung, aber in gegensinniger Richtung bezüglich der
anderen Verstärkerstufe.
Gebrückte
Ausgänge
steigern die auf den Lautsprecher angewandte Leistung ohne eine
negative oder geteilte Spannungsversorgung zu benötigen. Gebrückte Verstärker haben
jedoch für
viele Anwendungen, einschließlich
Subwoofer-Anwendungen, noch immer darin versagt ausreichende Abgabeleistung
bereitzustellen.
DE
41 06 267 A beschreibt bereits einen Audioverstärker der
positive und negative Leistungsausgänge besitzt, um eine Schwingspule
eines Lautsprechers anzuschließen.
Eine monolithische integrierte Verstärkerschaltung schließt eine
gebrückte
Verstärkerstufe
der Klasse AB ein, die positive und negative Brückenausgänge aufweist. Ein Isolierungsnetzwerk einschließlich eines
Kondensators koppelt die Verstärkerstufe
der Klasse AB an die Leistungsausgänge.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Audio-Leistungsverstärker bereitgestellt, der positive und
negative Leistungsausgänge
aufweist, um eine Schwingspule eines Lautsprechers anzuschließen; der
eine monolithische integrierte Audio-Verstärkerschaltung umfaßt, die
eine erste gebrückte
Verstärkerstufe
der Klasse AB besitzt, welche positive und negative Brückenausgänge aufweist;
und ein Isolationsnetzwerk, das diese gebrückte Verstärkerstufe der Klasse AB an
diese Leistungsausgänge
koppelt; dadurch gekennzeichnet, daß diese monolithische integrierte
Audio-Verstärkerschaltung
einen zweite gebrückte
Verstärkerstufe
der Klasse AB einschließt, die
positive ind negative Brückenausgänge aufweist, wobei
dieses Isolationsnetzwerk diese ersten und zweiten gebrückten Verstärkerstufen
der Klasse AB parallel an diese Leistungsausgänge koppelt; dieses Isolierungsnetzwerk
ein erstes Isolierungselement zwischen diese positiven Brückenausgänge und
dieser ersten und zweiten gebrückten Verstärkerstufen der
Klasse AB gekoppelt einschließt,
und ein zwischen diesen negativen Brückenausgängen dieser ersten und zweiten
gebrückten
Verstärkerstufen
der Klasse AB gekoppeltes zweites Isolationselement; und worin diese
Isolationselemente Impedanzhöhen aufweisen,
welche einen Abgleich zwischen begrenzenden Ruheströmen, verursacht
durch Ungleichheiten in den Vorspannungen dieser ersten und zweiten
gebrückten
Verstärkerstufen
der Klasse AB, bereitstellen und einen elektrischen Dämpfungsfaktor
dieses Lautsprechers beibehalten.
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Die
vorliegende Erfindung besitzt den Vorteil gesteigerte Abgabeleistung
unter Verwendung monolithischer integrierter Schaltungen bereitzustellen, wobei
gebrückte
Verstärkerstufen
der Klasse AB parallel angeschlossen werden können, um den Ansteuerstrom
zu einem Ausgabelautsprecher zu steigern. Vor der vorliegenden Erfindung
verhinderten Unterschiede in Vorspannungen getrennter Verstärkerstufen
der Klasse AB die Parallelisierung von Stufen.
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Die
Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
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1 ein
Blockdiagramm ist, das einen gebrückten Verstärker der bisherigen Technik
zeigt, der Verstärkerstufen
der Klasse AB benutzt;
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2 ein
Blockdiagramm ist, das ein hochtransformiertes Spannungsverstärkungs-System zeigt, wie
es in der bisherigen Technik benutzt wird;
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3 ein
Blockdiagramm ist, das ein Verstärker
der bisherigen Technik zeigt, der Lautsprecher niedriger Impedanz
verwendet;
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4 ein
schematisches Diagramm ist, das eine Verstärkerstufe der Klasse AB zeigt,
welches das Problem von parallel angeschlossenen Stufen veranschaulicht;
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5 ein
schematisches Diagramm ist, das parallelisierte Verstärkerstufen
zeigt;
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6 ein
schematisches Diagramm ist, das gebrückte Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung
parallel angeschlossen und an einen Doppelschwingspulen-Lautsprecher
angeschlossen zeigt; und
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7 ein
schematisches Diagramm ist, das ein alternatives Isolationsnetzwerk
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Unter
Bezug auf 1 stellt eine monolithische
integrierte Schaltung 10 einen Audio-Leistungsverstärker einschließlich einer
Verstärkerstufe
der Klasse AB 11 und einer Verstärkerstufe der Klasse AB 12 bereit.
Wie in der Technik bekannt besteht jeder Verstärker der Klasse AB aus einem
Gegentaktverstärker,
in dem jede Hälfte
des Gegentaktverstärkers
für mehr
als einen Halbzyklus einer Ausgabe-Wellenform leitet. Jede Verstärkerstufe
der Klasse AB ist auf eine Vorspannung ungefähr auf halbem Weg zwischen
der Versorgungsspannung Vcc und Masse vorbelastet.
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Die
Verstärkerstufen
in 1 liegen in einer gebrückten Konfiguration vor, in
der Verstärkerstufe 11 ein
Audio-Eingabesignal 13 empfängt, während Verstärkerstufe 12 der Klasse
AB ein invertiertes Audio-Eingabesignal 14 empfängt. Verstärkerstufen 11 und 12 steuern
gegenüberliegende
Seiten eines Ausgabelautsprechers 15 an. Gebrückte Verstärkerstufen
zu verwenden steigert die Leistungsabgabe, die von einer monolithischen
integrierten Schaltung zu Lautsprecher 15 geliefert werden
kann. Die Abgabeleistung ist für
viele Anwendungen jedoch noch immer unzureichend, es sei denn Versorgungsspannung
Vcc wird gesteigert, oder es sei denn es
werden teurere Schaltungen oder Fabrikationstechniken für integrierte
Schaltungen angewandt.
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2 veranschaulicht
die Lösung
die Versorgungsspannung zu erhöhen,
um die Abgabeleistung zu steigern. Die Batteriespannung Vb, in einem Kraftfahrzeug-Elektrosystem etwa
14 Volt, wird an eine Schaltstrom-Quelle 16 geliefert,
welche die Spannung hochtransformiert (z.B. auf einen Wert von ungefähr 40 Volt).
Die hochtransformierte Spannung wird zu einem gebrückten Verstärker-IC 17 geliefert, welcher
die Audioeingabe verstärkt
und Lautsprecher 18 mit einem gesteigerten Schalldruckpegel
des Lautsprechers ansteuert.
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3 zeigt
eine alternative Lösung
der bisherigen Technik, in der ein Lautsprecher geringer Impedanz 20 durch
einen Hocheffizienz-Verstärker 21 der
Klasse D angesteuert wird. Mit der verminderten Impedanz des Lautsprechers
kann selbst mit einer zu Verstärker 21 gelieferten
niedrigen Batteriespannung Vb von 14 Volt
ein höherer
Strom durch die Lautsprecher zum fließen gebracht werden. Dennoch
wurde in der bisherigen Technik ein teurer Verstärker der Klasse D eingesetzt,
um zur Verstärkung
des Audiosignals ausreichende Strompegel zu erzeugen.
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Von
den verschiedenen gemeinhin als integrierte Schaltungen verfügbaren Verstärker-Konfigurationen ist
der Verstärker
der Klasse AB der für Kraftfahrzeug-Audiosysteme
vorteilhafteste, weil er in Preis, Leistung und Effizienz den besten
Kompromiß erzielt.
Der Ausgangsstrom von Verstärkern kann
gesteigert werden, indem man eine Mehrzahl von Verstärkern parallel
anschließt.
Verstärkerausgänge der
Klasse AB können
jedoch aus verschiedenen Gründen
nicht parallel angeschlossen werden.
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4 zeigt
eine typische Verstärkerstufe der
Klasse AB einschließlich
eines Paares von Gegentakttransistoren 30 und 31 in
Reihe zwischen Versorgungsspannung Vcc und
Masse angeschlossen. Eine Verbindung 32 zwischen Transistor 30 und 31 stellt
die Verstärkerausgabe
bereit und weist eine Ausgangsspannung Vout1 auf.
Eine Aktivschaltung 33 empfängt das Eingangs-Audiosignal
Vin und regelt Transistoren 30 und 31,
um die richtige Vorspannung des Verstärkers bereitzustellen und die
Verstärkung von
Eingangssignal Vin zu regeln. Aktivschaltung 33 ist
an Verbindung 32 angeschlossen, um zur Überwachung des Vorbelastungsniveaus
des Verstärkers eine
Rückkopplung
zu erhalten. Aktivschaltung 33 leitet zum Vergleich mit
Vout1 intern eine Refernzspannung ab, um
eine Regelung des Vorbelastungsniveaus bereitzustellen.
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Würden zwei
Verstärkerstufen
der Klasse AB des in 4 gezeigten Typs parallel angeschlossen,
so würde
eine zweite Verstärkerstufe
Vout2 auch zu Verbindung 32 bereitstellen.
Weil die zweite Verstärkerstufe
ihre eigene Referenzspannung innerhalb ihrer Aktivschaltung aufweisen
würde,
um die Vorspannung einzustellen, resultiert ein unrichtiger Betrieb.
Die durch die beiden entsprechenden Aktivschaltungen benutzte Spannungsreferenz
wird stets einen kleinen Unterschied aufweisen. Jede Aktivschaltung
wird jedoch die gleiche Spannung überwachen, und wird versuchen
sie in einer Art und Weise zu kompensieren, um ihre gewünschte Spannung
zu erzielen. Ein Kurzschluß gegen
Masse wird zwischen der Stromversorgung und Masse aufgrund der Tatsache
resultieren, daß die
Verstärkerstufe
mit der höheren
Spannungsreferenz versuchen wird die Ausgangsspannung zu steigern,
während
die Verstärkerstufe
mit der niedrigeren Spannungsreferenz gleichzeitig versuchen wird
die gleiche Ausgangsspannung zu senken. Keine wird erfolgreich sein,
und die Aktivschaltungen werden den Ansteuerstrom zu Transistoren
auf gegenüberliegenden
Seiten der Gegentaktanordnung steigern, bis ein Kurzschluß von der Stromversorgung
nach Masse resultiert. Selbst die kleinen Unterschiede in Referenzspannungen
zwischen auf der gleichen monolithischen integrierten Schaltung
gebildeten Verstärkerstufen
sind ausreichend, um in einem solchen Kurzschluß gegen Masse zu resultieren.
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Dennoch
sind Unterschiede in Referenzspannungen zwischen Stufen auf der
gleichen monolithischen integrierten Schaltung ausreichend klein, so
daß das
Problem unter Verwendung eines Isolationsnetzwerks überwunden
werden kann, wie es in 5 gezeigt ist. Eine monolithische
integrierte Schaltung 35 schließt Verstärkerstufen der Klasse AB 36 und 37 ein.
Die Verstärkerstufen
sind in diesem Beispiel nicht gebrückt, sind aber durch ein Isolationsnetzwerk 38 parallel
an die gleiche Seite der Lautsprecherlast angeschlossen. Isolationsnetzwerk 38 schließt ein Paar
von Widerständen 40 und 41 ein, die
jeder an entsprechende Ausgänge
von Verstärkerstufen 36 und 37 angeschlossen
sind. Die Widerstände
isolieren die Verstärkerausgänge und
erlauben es ihnen ihre gewünschten
Vorspannungen erfolgreich beizubehalten, während sie es weiterhin gestatten
daß die
Ausgangsströme
der beiden Verstärker
parallel addiert werden. Das Widerstandsniveau von Widerständen 40 und 41 ist
ausgewählt
um eine ausreichende Isolierung bereitzustellen, während der Verstärker- Ruhestrom nicht unnötig gesteigert
oder der Dämpfungsfaktor
des Lautsprechers nicht nachteilig beeinträchtigt wird. Der Dämpfungsfaktor
nimmt auf die Fähigkeit
der Verstärkerausgabe
Bezug, die Lautsprecherspannung zu regeln, und ist gleich dem Verhältnis der
Lautsprecherimpedanz zur Ausgangsimpedanz des Verstärkers. Typischerweise
ist ein Dämpfungsfaktor
größer als
oder gleich ungefähr
10 gewünscht
(obwohl für
manche Anwendungen niedrigere Werte bis hinab zu 5 oder weniger
tolerierbar sein können).
Somit ist der Widerstand des Isolationsnetzwerks, wie er vom Lautsprecher
aus gesehen wird, bevorzugt geringer oder gleich ungefähr 10% des
Lautsprecherwiderstands.
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10 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die gebrückte
Verstärker
der Klasse AB parallel angeschlossen verwendet, um eine hohe Ausgangsleistung
bereitzustellen. Zusätzlich
wird ein Doppelschwingspulen-Lautsprecher mit getrennten, parallelisierten
Verstärkern
benutzt, die zur weiteren Erhöhung
der Ausgangsleistung jeder getrennte Schwingspulen ansteuern, während nur herkömmliche
gebrückte
Verstärker-IC's der Klasse AB benutzt
werden. Dies resultiert in einem Verstärker mit sehr geringen Kosten,
mit sehr hoher Ausgangsleistung und ausgezeichneter Leistung.
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Ein
erster monolithischer IC 45 schließt gebrückte Verstärkerstufen der Klasse AB 46 und 47 ein.
Nicht invertierte (+) und invertierte (-) Audioeingaben sind an
die Eingänge
der Verstärkerstufen 46 und 47 gekoppelt.
Die nicht invertierten Ausgänge der
Stufen 46 und 47 sind entsprechend an Isolationswiderstände 48 und 49 gekoppelt.
Die Verbindung der Isolationswiderstände 48 und 49 ist
an die entsprechende positive Seite einer Schwingspule 50 in
einem Doppelschwingspulen-Lautsprecher 51 angeschlossen.
Die invertierten Ausgänge
der Stufen 46 und 47 sind an Isolationswiderstände 52 und 53 angeschlossen,
welche ihre Ausgänge
jeder an die negative Seite von Schwingspule 50 angeschlossen aufweisen. Ähnlich schließt eine
zweite monolithische integrierte Schaltung 55 gebrückte Verstärkerstufen 56 und 57 der
Klasse AB ein, welche die nicht invertierten und invertierten Audio-Eingangssignale wie
gezeigt empfangen. Die Isolationswiderstände 58 und 59 sind
an die nicht invertierten Ausgänge
der Verstärkerstufen 56 und 57 angeschlossen,
und stellen eine Ausgabe zu der positiven Seite einer Schwingspule 60 bereit.
Isolationswiderstände 62 und 63 schließen die
invertierten Ausgänge
von Verstärkerstufen 56 und 57 an
die negative Seite von Schwingspule 60 an.
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Schwingspulen 50 und 60 sind
bevorzugt konstruiert um eine niedrigere Lautsprecherimpedanz als
typisch bereitzustellen, zum Beispiel etwa um ein Ohm. Die Kombination
aus niedriger Lausprecherimpedanz, parallelisierten Verstärkern der
Klasse AB, und durch getrennte gebrückte Verstärker angesteuerten Doppelschwingspulen
resultiert insgesamt in einer sehr hohen Lautsprecherleistung und sehr
hohem Schalldruckpegel bei äußerst geringen Kosten.
In einer Automobilanwendung zum Beispiel wird die Kostenersparnis
mit $ 5,00 pro Audiosystem gegenüber
Lösungen
nach bisherigem Stand der Technik geschätzt. Die Erfindung erlaubt,
daß herkömmliche
monolithische integrierte Verstärkerschaltungen
der Klasse AB in Anwendungen verwendet werden, welche bisher spezialisierte
und teure Komponenten erforderten.
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Wenn
man in einer abgestimmten Konfiguration, wie in 6 gezeigt,
Isolationswiderstände
benutzt (d.h. mit einem getrennten Widerstand an jeden Verstärkerausgang
angeschlossen), so sehen die Lautsprecher-Schwingspulen jede ein
Paar von Widerständen
parallel, und daher ist der parallele Widerstand der beiden Widerstände bevorzugt
weniger oder gleich 10% des Lautsprecherschwingspulen-Widerstands,
um einen angemessenen Dämpfungsfaktor
bereitzustellen. Ein Gesamtwiderstand bei 10% wird typischerweise
groß genug
sein um übermäßigen Ruhestromfluß in den
Verstärkern
zu verhindern.
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7 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
in der die Anzahl von Widerständen
in dem Isolationsnetzwerk vermindert ist, indem man einen einzelnen
Widerstand an einen Verstärkerausgang
jedes parallelisierten Paares anschließt. Somit schließt ein monolithischer
IC 70 Verstärkerstufen
der Klasse AB 71 und 72 ein. Die nicht invertierenden
Ausgänge der
Stufen 71 und 72 sind zusammen durch einen einzigen
Isolationswiderstand 73 angeschlossen, während die
invertierenden Ausgänge
durch einen einzigen Isolationswiderstand 74 angeschlossen sind.
Ein Lautsprecher 75 ist als eine einzelne Spule enthaltend
gezeigt; für
dieses Ausführungsform könnte jedoch
auch eine Doppelschwingspule benutzt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nur praktisch, wenn man Verstärkerkanäle der gleichen
monolithischen integrierten Schaltung parallelisiert. Ansonsten
werden größere Unterschiede
in Vorspannungen gesehen, welche größere Isolationswiderstände erfordern
würden,
und welche in größeren Ruheströmen und
einem größeren Wärmeeintrag
resultieren würden,
was die Ansteuerungsfähigkeit
der integrierten Schaltung beschränken würde.
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Obwohl
Widerstände
als Komponenten innerhalb des Isolationsnetzwerks gezeigt sind,
könnten
andere Vorrichtungen verwendet werden, wie etwa aktive Vorrichtung.
Was beansprucht wird ist folgendes: