DE69908319T2

DE69908319T2 - Stromversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE69908319T2
Application number: DE69908319T
Authority: DE
Inventors: Barry John FRENCH; I. David RUSSELL
Original assignee: Indigo Manufacturing Inc
Current assignee: Indigo Manufacturing Inc
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2019-03-10
Also published as: WO1999046611A3; DE69908319D1; WO1999046611A2; CN1379867A; JP2002507069A; CN1178117C; EP1062523B1; HK1033359A1; EP1062523A2; US6160455A; AU2707899A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Spannungsversorgungsschaltungen für Verstärker. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Schaltung für die Spannungsversorgung eines Verbundbrückenverstärkers.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Verbundbrückenverstärker ist in US-Patent 5.075.634 geoffenbart. Dieser Verstärker umfasst eine Kombination Einfach-Verstärker der Klasse D und eines linearen Brückenverstärkers der Klasse AB. Der Ausgang des Verstärkers der Klasse D liefert die Versorgungsspannung für den Brückenverstärker. Diese Versorgungsspannung hängt vom zu verstärkenden Signal ab und erzeugt an den Ausgangsspannungsquellen im Brückenverstärker einen kleinen Spannungsabfall. Dies verringert die Verlustleistung in den Spannungsquellen deutlich, sodass ein Verstärker mit hohem Wirkungsgrad mit der Leistungsfähigkeit der Klasse AB bereitgestellt werden kann.
Ein zweiter Verbundbrückenverstärker ist in US-Patent 5.510.753 geoffenbart. Dieser Verstärker bietet ein geschlossenes Regelkreissteuersystem für den Klasse D-Verstärker, er erhöht die Leistungsfähigkeit des Verstärkers und macht ein Zeitverzögerungselement, das gemäß dem Stand der Technik notwendig war, überflüssig. Außerdem besitzt dieser Verstärker Überstromschutz- und thermische Überlastschutzstufen, die die Ausgangsstufe schützen.
In jedem dieser bekannten Verbundbrückenverstärker ist eine Signalkonditionierungselektronik und eine Steuerelektronik untergebracht, die durch getrennt erzeugte Niederspannungs-Stromschienen mit Spannung versorgt werden. Die Erzeugung dieser unabhängigen Schienen erfordert die Verwendung eines Spannungstransformators und zusätzlicher Schaltkreise. Die Kosten des Verbundbrückenverstärkers können verringert werden, indem die Niederspannungs-Stromschienen aus den Stromschienen gebildet sind, die zur Speisung des Brückenverstärkers dienen.
Gemäß der gegenständlichen Erfindung ist ein Verstärker zum Verstärken eines Eingangssignals bereitgestellt, wobei der Verstärker Folgendes umfasst:

(a) einen Signaleingangsanschluss, um das Eingangssignal von einer Eingangsvorrichtung zu empfangen;
(b) eine Wechselstrom-Gleichrichtungseinheit, um an einem ersten und einem zweiten Gleichspannungsanschluss eine fixe Gleichspannung bereitzustellen;
(c) eine Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit, die an den ersten und den zweiten Gleichspannungsanschluss gekoppelt ist, um an einem ersten und an einem weiten Spannungseingangsanschluss eine zeitabhängige erdunabhängige Gleichspannung in Abhängigkeit vom Eingangssignal zu erzeugen;
(d) eine Verstärkerleistungs-Steuerungsschaltung, die an den Signaleingangsanschluss und die Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit gekoppelt ist, um die zeitabhängige erdunabhängige Gleichspannung zu steuern; worin der Verstärker außerdem Folgendes umfasst:
(e) eine Sicherheitstrennschaltung, die an den Signaleingangsanschluss gekoppelt ist, worin die Sicherheitstrennschaltung einen isolierten Signalanschluss aufweist, wobei die Sicherheitstrenneinheit dazu ausgebildet ist, die physikalische Trennung zwischen dem Signaleingangsanschluss und dem isolierten Signalanschluss bereitzustellen, und dazu ausgebildet ist, am isolierten Signalanschluss ein Signal bereitzustellen, das dem Eingangssignal entspricht;
(f) eine Signalverstärkereinheit mit einem ersten und einem zweiten Spannungseingangsanschluss und einem Steuerungsanschluss, wobei der Steuerungsanschluss an den isolierten Signalanschluss gekoppelt ist;
(g) eine Hochfahreinheit, die dazu ausgebildet ist, automatisch ein Hochfahrsignal zu erzeugen, wenn die Energiezufuhr zum Verstärker beginnt, und die an die Verstärkerleistungs-Steuerungsschaltung gekoppelt ist, wobei die Verstärkerleistungs-Steuerungsschaltung auf das Hochfahrsignal anspricht, um die Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit so zu steuern, dass die Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit für einen gewählten Zeitraum am ersten und am zweiten Spannungseingangsanschluss eine fixe erdunabhängige Gleichspannung erzeugt;
(h) eine Elektronik-Spannungsversorgungsschaltung mit einem ersten und einem zweiten fixen Gleichspannungs-Ausgangsanschluss, wobei die Elektronikspannungsversorgung an den ersten und den zweiten Spannungseingangsanschluss gekoppelt ist, um die zeitabhängige erdunabhängige Gleichspannung zu empfangen und um aus der zeitabhängigen erdunabhängigen Gleichspannung am ersten und am zweiten Gleichspannungsausgangsanschluss eine fixe Gleichspannung zu erzeugen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm des Verbundbrückenverstärkers des Stands der Technik.
2 zeigt eine Niederspannungs-Versorgungseinheit des Stands der Technik.
3 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verbundbrückenverstärkers.
4 ist eine schematische Darstellung der Niederspannungs-Versorgungseinheit aus 3.
5 ist eine schematische Darstellung der Hochfahrschaltung von 3.
6 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Trennschaltung von 3.
7 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Trennschaltung von 3.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen, die einen typischen dem Stand der Technik entsprechenden Verbundbrückenverstärker 20 zeigt. Die Funktionsweise dieses Brückenverstärkers ist in einer für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung offenkundigen Weise in US-Patent 5.075.634 geoffenbart. Die Funktionsweise des Brückenverstärkers des Stands der Technik ist nachstehend kurz beschrieben.
Der herkömmliche Verbundbrückenverstärker 20 umfasst einen Eingangsanschluss 36, eine Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 22, eine Steuerungselektronikeinheit 24, eine Wechselspannungsquelle V_AC, eine Verstärkerspannungs-Gleichrichtungseinheit 26, eine Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 28, eine Brückenverstärkereinheit 30 und eine Niederspannungsleistungs-Versorgungseinheit 60.
Die Wechselspannungsquelle V_AC ist normalerweise eine Wechselstromleitung für Privathaushalte. Die Verstärkerspannungsgleichrichtungseinheit umfasst einen Spannungstransformator 52 und einen Gleichrichter 56. Sekundärwicklungen 54 des Spannungstransformators 52 und Gleichrichters 56 sind in bekannter Weise konfiguriert, um die durch die Wechselpannungsquelle V_AC bereitgestellte Spannung hinunterzusetzen und gleichzurichten, damit an den Anschlüssen 57 bzw. 58 eine positive und eine negative Gleichspannung +V_DC und –V_DC bereitgestellt werden können.
Während des Betriebs ist ein Eingangssignal V_in (typischerweise ein Audioeingangssignal) an den Eingangsanschluss 36 gekoppelt. Dieses Eingangssignal ist an die Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 22 gerichtet, die einen Vorverstärker umfassen kann. Der Ausgang der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 22 ist am Anschluss 34 geteilt.
Ein Teil des vorkonditionierten Signals ist an die Brückenverstärkereinheit 30 gerichtet, die eine Spannungsverstärkungs/Phasentrenner-Einheit 42 und eine Leistungsverstärkungsstufe 44 umfasst. Die Kopplung zwischen dem Anschluss 34 und der Brückenverstärkereinheit 30 kann je nach Konstruktion des Verbundbrückenverstärkers eine (nicht dargestellte) Zeitverzögerungsstufe enthalten. Das vorkonditionierte Signal wird durch die Spannungsverstärkungs/Phasentrenner-Einheit 42 phasengetrennt und verstärkt, um steuerbare Spannungsquellen (die jeweils einen Transistor umfassen können) V1 bis V4 zu steuern, die die Leistungsverstärkungsstufe 44 enthalten. Die steuerbaren Spannungsquellen V1 bis V4 sind in einer Brückenkonfiguration verbunden. Das Ausgangssignal der Leistungsverstärkungsstufe 44 tritt an den Anschlüssen 48 und 50 auf und steuert eine Last oder einen Lautsprecher 46 an. Die Leistungsverstärkerstufe 44 besteht im Wesentlichen aus zwei Gegentakt-Verstärkern, die 180° phasenverschoben voneinander angesteuert sind. Während eines Halbzyklus des Eingangssignals V_in sind die steuerbaren Spannungsquellen V1 und V4 eingeschaltet, und Strom fließt durch die Last 46 in einer Richtung, die durch die durchgehende Linie A dargestellt ist. Während des anderen Halbzyklus sind die steuerbaren Spannungsquellen V2 und V3 eingeschaltet, und Strom fließt durch die Last 46 in die andere Richtung, die durch die strichlierte Linie B angezeigt ist. (Die Funktionsweise und die Konstruktion der Brückenverstärkereinheit sind ausführlich in US-Patent 5.075.634 beschrieben.) Der andere Teil des vorkonditionierten Signals ist an die Steuerungselektonikeinheit 24 gerichtet, die ein Pulsbreiten-moduliertes Gate-Treibersignal am Anschluss 59, das mit dem Eingangssignal V_in korrespondiert, bereitstellt. Dieses Pulsbreiten-modulierte Gate-Treibersignal dient dazu, die Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 28, die positive und negative Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP erzeugt, an den Anschlüssen 38 bzw. 40 zu steuern; dies erfolgt anhand der Gleichspannungen +V_DC und –V_DC an Anschlüssen 57 bzw. 58. Diese Versorgungsschienen (an den Anschüssen 38, 40) sind zeitabhängig und sollten zu jedem Zeitpunkt zum Erdpotential symmetrisch sein (d. h. sie sollten gleiche Größenordnung und entgegengesetzte Polarität aufweisen). Die Funktionsweise der Steuerungselektronikeinheit 24 und der Verstärkerversorgungs-Versorgungseinheit 28 ist ausführlich in US-Patent 5.075.634 beschrieben.
Die Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 22 und die Steuerungselektronikeinheit 24 des herkömmlichen Verbundbrückenverstärkers 20 werden durch eine getrennte Spannungsversorgung gespeist (unabhängig von der Wechselspannungsquelle V_AC in einer Niederspannungs-Versorgungseinheit 60 erzeugt).
Als nächstes wird auf 2 Bezug genommen, aus der eine Niederspannungs-Versorgungseinheit 60 des Stands der Technik im Detail ersichtlich ist. Diese besteht aus einer Sekundärwicklung 62 des Transformators 52, Dioden 63 bis 66, Kondensatoren 67 und 68 sowie Regler 69 und 70.
Die Sekundärwicklung 62, die Dioden 63 bis 66 und die Kondensatoren 67 und 68 sind, wie dies gezeigt ist, als zwei Spannungsgleichrichter verbunden, deren Funktionsweise für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung offenkundig ist. Der Ausgang dieser Regler an den Anschlüssen 71 und 72 sind zwei gleichgerichtete Gleichspannungsschienen.
Die Regler 69 und 70 sind optional und können eine zusätzliche Spannungskonditionierungselektronik enthalten, um die Spannungen an den Anschlüssen 71 und 72 hinunter- und hinaufzusetzen. Fachleute auf dem Gebiet können Regler konstruieren, die auf die jeweilige Anwendung des Brückenverstärkers 20 angepasst sind. Der Ausgang der Regler sind Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC an den Anschlüssen 73 bzw. 74. Wenn keine zusätzliche Regulierung der gleichgerichteten Gleichspannungsversorgungen erforderlich ist, können die Anschlüsse 71 und 72 direkt mit den Anschlüssen 73 bzw. 74 verbunden sein. Die Ausgangsspannungsschienen +V_CC an Anschluss 73 und –V_CC an Anschluss 74 werden dazu verwendet, der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 22 und der Steuerungselektronikeinheit 24 Versorgungs-Spannung zuzuführen.
Die mittlere Anzapfung der Sekundärwicklung 62 ist am Anschluss 76 mit Erde verbunden. Diese Verbindung bietet einen Rückweg für jeden Erdstrom, der in der Steuerungselektronikeinheit 24 und der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 22 entsteht. Die Verwendung der Sekundärwicklungen 62, die unabhängig von der Sekundärwicklung 54 ist, führt dazu, dass die Niederspannungs-Versorgungseinheit 60 potentialunabhängig von der Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 28 ist. In der Folge kommt es zu keiner Beeinflussung des Betriebs der Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 28, der Verstärkerspannung oder der Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP durch die in der Steuerungselektronikeinheit 24 oder der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 22 entstehenden Erdströme. Diese Unabhängigkeit der Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP und der Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Verstärkerversorgungsschienen symmetrisch um Erde angeordnet sind. Wenn die Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP nicht symmetrisch um Erde angeordnet sind, sind die maximalen positiven und negativen Spannungsschwankungen an der Last 46 nicht gleich. Wenn der Verstärker als Audioverstärker verwendet wird, könnte dies zu einer Verzerrung der Ausgangswellenform führen.
Obwohl der Verbundbrückenverstärker 20 des Stands der Technik äußerst wirkungsvoll ist, ist er sehr kostspielig, da es notwendig ist, einen teuren Spannungstransformator mit mehreren unabhängigen Sekundärwicklungen vorzusehen. Die Notwendigkeit eines Spannungstransformators kann entfallen, indem die Niederspannungs-Spannungsschienen +V_CC und –V_CC aus den zeitabhängigen Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP (erzeugt durch die Verstärkerleistungs-Versorgungseinheit 28) abgeleitet werden.
Nun wird auf 3 Bezug genommen, die einen verbesserten Verbundbrückenverstärker 120 der Erfindung zeigt.
Der verbesserte Verbundbrückenverstärker 120 umfasst einen Eingangsanschluss 136, eine Sicherheitstrenneinheit 190, eine Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 122, eine Steuerungselektronikeinheit 124, eine Wechselspannungsquelle V_AC, eine Wechselstrom-Gleichrichtungseinheit 126, eine Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 128, eine Niederspannungs-Spannungsversorgungseinheit 160, eine Brückenverstärkungseinheit 130 und eine Hochfahreinheit 180.
Der stabile Betriebszustand des verbesserten Verbundbrückenverstärkers 120 bleibt im Wesentlichen der gleiche wie der Betrieb des Verbundbrückenverstärkers 20 des Stands der Technik. Der Betrieb der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 122, der Wechselspannungsquelle V_AC, der Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 128 und der Brückenverstärkereinheit 130 ist mit dem Betrieb der analogen Komponenten im Verbundbrückenverstärker 20 des Stands der Technik identisch. Der Betrieb der Steuerungselektronikeinheit 124 ist im Wesentlichen der gleiche wie jener der Steuerungselektronikeinheit 24 gemäß dem Stand der Technik, wobei die Unterschiede bzw. Modifikationen unten erläutert sind.
Die Wechselspannungs-Gleichrichtungseinheit 126 umfasst einen an eine Wechselspannungsquelle V_AC gekoppelten Gleichrichter 156. Der Transformator 52, der in der Wechselspannungs-Gleichrichtungseinheit 26 des Stands der Technik vorhanden war, ist nun nicht mehr erforderlich. Der Gleichrichter 156 kann eine (nicht dargestellte) Diodenbrücke umfassen, die in bekannter Weise konfiguriert ist, um die von der Wechselspannungsquelle V_AC bereitgestellte Wechselspannung zu den Gleichspannungen +V_DC und –V_DC an den Anschlüssen 157 bzw. 158 gleichzurichten. Diese Gleichspannungen +V_DC und –V_DC werden auf die Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 128 gerichtet, die wie im Stand der Technik betrieben wird, um die Verstärkerspannungsschienen +V_AMP und –V_AMP am Anschluss 138 bzw. 140 zu erzeugen.
Das Weglassen des Transformators 52 in der Wechselstrom-Gleichrichtungseinheit 126 ist einer der Hauptvorteile der Erfindung. Dies ermöglicht die kostengünstigere Herstellung eines leichteren und verbesserten Verbundbrückenverstärkers 120.
Im Verbundbrückenverstärker 20 des Stands der Technik bot der Transformator 52 eine Sicherheitstrennung zwischen der Wechselspannungsquelle V_AC und dem Eingangsanschluss 36. Da der Transformator 52 im verbesserten Verbundbrückenverstärker 120 nicht verwendet wird, wird eine Sicherheitstrenneinheit 190 dazu verwendet, für die Sicherheitstrennung zu sorgen. Der Betrieb der Sicherheitstrenneinheit 190 wird nachstehend ausführlich beschrieben.
Die Niederspannungs-Spannungsversorgungseinheit 60 im Verbundbrückenverstärker des Stands der Technik wurde im verbesserten Verbundbrückenverstärker 120 durch die Niederspannungs-Spannungsversorgungseinheit 160 ersetzt. Diese erzeugt die Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC aus den zeitabhängigen positiven und negativen VerstärkerVersorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP, wie dies ausführlich unten erläutert ist.
Im stabilen Betrieb des verbesserten Verbundbrückenverstärkers 120 werden die Steuerungselektronikeinheit 120, die Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 122 und die anderen Komponenten, die je nach der konkreten Anwendung des verbesserten Verbundbrückenverstärkers 120 notwendig sind, durch die Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC mit Spannung versorgt.
Es ist für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig, dass diese Anordnung zu einem Problem führt, wenn der verbesserte Verbundbrückenverstärker zuerst eingeschaltet wird. Die positive und die negative Verstärkerspannungsschiene +V_AMP und –V_AMP können erst erzeugt werden, wenn die Steuerungselektronikeinheit 124 versorgt ist, und die Steuerungselektronikeinheit 124 kann erst dann betrieben werden, wenn die Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC, die aus den Verstärkerspannungsschienen +V_AMP und –V_AMP abgeleitet werden, erzeugt wurden. Dieses Problem wird durch Hinzufügen einer Hochfahrsteuerungseinheit 180 und durch Koppeln der Hochfahrsteuerungseinheit 180 und der Steuerungselektronikeinheit 124 an den +V_DC-Ausgang der Wechselstrom-Gleichrichtungseinheit 156 am Anschluss 157 gelöst.
Während des Hochfahrvorgangs des erfindungsgemäßen Verbundbrückenverstärkers 120 erzeugt die Hochfahrsteuerungseinheit 180 ein Hochfahrsignal am Anschluss 182. Das Hochfahrsignal wird an die Steuerungselektronikeinheit 124 ausgesendet. Als Reaktion auf das Hochfahrsignal erzeugt die Steuerungselektronikeinheit 124 ein vorprogrammiertes Pulsbreiten-moduliertes Hochfahr-Gate-Treibersignal. Dieses wird an die Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 128 gesendet, wodurch diese die positive und negative Verstärkerspannungsschienen +V_AMP und –V_AMP erzeugt. Die Niederspannungs-Versorgungseinheit 160 erzeugt dann korrespondierende Spannungen auf den Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC. Sobald ein ausreichender Zeitraum für die Erzeugung dieser Spannungen verstrichen ist, entfernt die Hochfahrsteuerungseinheit 180 das Hochfahrsignal vom Anschluss 182, und die Steuerungselektronikeinheit 124 tritt in den stabilen Betriebszustand ein, in dem sie ihre Speisung von den Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC bezieht.
Während des Hochfahrvorgangs braucht es einige Zeit, bis sich die Verstärkerspannungsschienen +V_AMP und –V_AMP und somit auch die Niederspannungs-Leistungsschienen +V_CC und –V_CC stabilisieren. In der Folge kann die der Verstärkereinheit 130 zugeführte Spannung instabil sein. Da die Vorkonditionierungselektronik von den Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC gespeist werden, kann das vorkonditionierte Signal, das am Anschluss 134 auftritt, ebenfalls instabil sein. Als Folge eines oder beider dieser instabilen Zustände kann der Ausgang der Brückenverstärkereinheit 130 an der Last 146 instabil sein. Um den Lautsprecher 146 zu schützen und einen unerwünschten Ausgangsübergangszustand zu vermeiden, wurde eine Stumm- bzw. Muteschaltung 184 zur Brückenverstärkereinheit 130 hinzugefügt. Die Stummschaltung 184 sperrt den Ausgang des Verbundbrückenverstärkers 120, bis die Verstärkerspannungsschienen +V_AMP und –V_AMP SOWIE die Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC stabilisiert sind. Die Stummschaltung kann auch ausgebildet sein, den Ausgang des erfindungsgemäßen Verbundbrückenverstärkers stumm zu setzen, wenn der Verstärker ausgeschaltet ist, um einen unerwünschten Ausgangsübergang zu vermeiden. Stummschaltungen sind auf dem Gebiet der Erfindung allgemein bekannt, und die Konstruktion der Stummschaltung 184 wird an dieser Stelle nicht weiter erläutert. Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung sind in der Lage, je nach der vorliegenden Anwendung des verbesserten erfindungsgemäßen Verbundbrückenverstärkers eine Stummschaltung 184 zu konstruieren.
Niederspannungs-Leistungsversorgungseinheit 160 (4) Die Struktur und Funktionsweise der Niederspannungs-Spannungsversorgungseinheit 160 wird nun unter Bezugnahme auf 4 erklärt, aus der die Niederspannungs-Leistungsversorgungseinheit 160 in Form eines Blockdiagramms ersichtlich ist.
Die Niederspannungs-Spannungsversorgungseinheit 160 umfasst eine Mittenabgleichseinheit 200 und eine Regulatoreinheit 202.
Im Verbundbrückenverstärker 20 des Stands der Technik umfasst die Niederspannungs-Spannungsversorgungseinheit 60 (2) ein Gleichrichtungsnetzwerk, das aus den Dioden 63 bis 66 und den Kondensatoren 67 und 68 bestand, um eine Wechseleingangsspannung an den Anschlüssen 71 und 72 in eine Gleichspannung gleichzurichten. Im erfindungsgemäßen Verbundbrückenverstärker 120 empfängt die Niederspannungs-Spannungsversorgungseinheit 160 Gleichspannungen von den Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP aus der Verstärkerspannungs- Versorgungseinheit 128 an den Anschlüssen 138 und 140. Die Notwendigkeit eines Gleichrichtungsnetzwerkes entfällt somit.
Der Reglerblock 202 setzt die zeitabhängigen Gleichspannungen +V_AMP und –V_AMP aus der Verstärkerversorgungseinheit 128 an den Anschlüssen 138 bzw. 140 hinunter, um die Niederspannungs-Leistungsschienen +V_CC und –V_CC an den Anschlüssen 173 bzw. 174 zu erzeugen.
Der Reglerblock 202 besteht aus zwei Zenerdioden 220 und 222, zwei Widerständen 224 und 226 sowie zwei Transistoren 228 und 230. Der Kollektor des Transistors 228 ist mit dem Anschluss 138 verbunden. Der Widerstand 224 ist über den Kollektor und die Basis des Transistors 228 verbunden. Die Kathode der Zenerdiode 220 ist mit der Basis des Transistors 228 verbunden und die Anode der Zenerdiode 220 mit Erde verbunden. Die Spannung am Anschluss 173 entspricht der Spannung der Zenerdiode 220 minus dem Spannungsabfall über den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 228. Jede unerwünschte Spannung fällt über den Transistor 228 und den Widerstand 224 ab. Somit kann die Spannung am Anschluss 173 durch Auswahl der Zenerdiode 220 präzise gesteuert werden. Die Zenerdiode 222, der Widerstand 226 und der Transistor 230 sind in analoger Weise miteinander verbunden, um am Anschluss 174 eine geregelte Spannung bereitzustellen.
Obwohl der Reglerblock 202 mit Transistoren 228 und 230 dargestellt ist, kann jedes beliebige Seriendurchgangselement verwendet werden, um die unerwünschte Spannung zwischen den Anschlüssen 138 und 173 oder zwischen den Anschlüssen 140 und 174 herabzusetzen. Wenn die Lastströme der Steuerungselektronikeinheit 124 und der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 122 sowie anderer Vorrichtungen, die durch die Niederspannungs-Spannungsversorgungsschienen +V_CC und –V_CC versorgt werden, ausreichend niedrig sind, kann das Seriendurchgangselement zur Gänze entfernt werden. Der Anschluss 173 ist dann in diesem Fall zwischen dem Widerstand 224 und der Zenerdiode 220 verbunden und der Anschluss 174 zwischen dem Widerstand 226 und der Zenerdiode 222 verbunden. Jede unerwünschte Spannung wird über die Widerstände 224 und 226 zum Abfallen gebracht.
Wie dies für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung offenkundig ist, muss die Spannung +V_AMP am Anschluss 138 die spezifizierte Spannung der Zenerdiode 220 übersteigen, und ebenso muss die Spannung –V_AMP am Anschluss 140 unter dem Negativwert der spezifizierten Spannung der Zenerdiode 222 liegen (d. h. –V_D). Wenn keine dieser Bedingungen erfüllt ist, können der jeweilige Transistor 228 oder 230 ebenso wie die Spannung an den Anschlüssen 173 oder 173 nicht mehr geregelt werden.
Daher muss die Steuerungselektronikeinheit 124 modifiziert sein, um sicherzustellen, dass die Spannungen +V_AMP und –V_AMP, die durch die Verstärkerleistungs-Versorgungseinheit 128 an den Anschlüssen 138 und 140 erzeugt werden, diese minimalen und maximalen Spannungserfordernisse erfüllen. Während dies den Wirkungsgrad des verbesserten Verbundbrückenverstärkers 120 senkt (indem der Spielraum zwischen der Versorgungsspannung am Brückenverstärker 144 und der Ausgangsspannung an der Last 146 vergrößert wird, wenn sich die Ausgangsspannung auf einem niedrigen Niveau befindet), wird der Verlust an Wirkungsgrad durch die geringeren Kosten des verbesserten Verbundbrückenverstärkers 120 ausgeglichen. Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung können diese Modifikationen der Steuerungselektronikeinheit vornehmen.
Um den Effizienzverlust infolge der Anforderung, dass die Verstärkerversorgungsschienen +VAMP und –VAMP immer bestimmte minimale Spannungswerte aufweisen müssen, zu minimieren, sollten die Steuerungselektronikeinheit 124 und die Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 122 solcherart modifiziert werden, dass sie bei möglichst niedriger Spannung betrieben werden können.
Es ist vorzuziehen, die Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC aus den zeitabhängigen Verstärkerleistungsschienen +V_AMP und –V_AMP und nicht aus den festen Gleichspannungen +V_DC und –V_DC erzeugt werden, die durch eine Wechselstrom-Gleichrichtungseinheit 126 an den Anschlüssen 157 und 158 erzeugt werden. Wie dies für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung offenkundig ist, besitzen die Gleichspannungen +V_DC und –V_DC immer eine größere Größenordnung als die zeitabhängigen Gleichspannungen +V_AMP und –V_AMP. Wenn daher die Gleichspannungen +V_DC und –V_DC verwendet würden, um die Niederspannungs- Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC zu erzeugen, müsste eine höhere Spannung in der Regiereinheit 202 heruntergesetzt werden, was den Leistungsverbrauch des erfindungsgemäß verbesserten Verbundbrückenverstärkers 120 erhöhen würde.
Wie oben angeführt, müssen die Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP zum Erdpotential symmetrisch sein. Im herkömmlichen Verbundbrückenverstärker wurde die Spannung dem Brückenverstärker 44 (aus der Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 28), der Steuerungselektronikeinheit 24 und der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 22 (aus der Niederspannungs-Spannungsversorgungseinheit 60) separat zugeführt. Wie dies für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung offenkundig ist, ermöglichte die Brücken-Ausgangsstufe des Brückenverstärkers 44, dass alle in der Last 46 erzeugten Lastströme direkt vom positiven Spannungseingang am Anschluss 38 zum negativen Spannungseingang am Anschluss 40 des Brückenverstärkers 44 fließen konnten. In der Folge wurde kein zugehöriger Erdstrom im Brückenverstärker 44 erzeugt, und die Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit musste nicht ausgebildet werden, um solche Erdströme zu eliminieren, z. B. durch Potential-Bezugnahme der Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP auf Erde.
Die Steuerungselektronikeinheit 24 und die Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 22 erzeugen Erdströme, und der Rückpfad für diese Erdströme wurde durch die mittlere Anzapfung der Sekundärwicklung 62 bereitgestellt, wie dies oben erläutert ist. Im verbesserten erfindungsgemäßen Verbundbrückenverstärker 120 werden diese Erdströme durch die Regiereinheit 202 an die Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit 128 geleitet. In der Folge können die Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP und –V_AMP zum Erdpotential symmetrisch sein.
Dieses Problem wird durch die Mittenabgleichseinheit 200 (4) gelöst, die unsymmetrische Erdströme, die in der Steuerungselektronikeinheit 124 und der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 122 erzeugt werden, ausgleicht, indem ein Arbeitspunkt geschaffen wird, mit dem alle unsymmetrischen Ströme in den zeitabhängigen Verstärkerspannungsschienen +V_AMP und –V_AMP verglichen werden, und indem ein Kompensationsstrom der jeweiligen Verstärkerspannungsschiene +V_AMP und –V_AMP hinzugefügt wird. Die Mittenabgleichseinheit umfasst die Widerstände 204, 206, 210 und 212, den Verstärker 208, den NPN-Transistor 214 und den PNP-Transistor 216. Die Widerstände 204 und 206, die gleichen Widerstand aufweisen müssen, sind zwischen den Anschlüssen 138 und 140 in Reihe geschaltet. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 208 ist zwischen den Widerständen 204 und 206 mit dem Anschluss 217 verbunden. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 208, der als nicht invertierender Verstärker geschaltet ist, wird durch den Widerstand 210, der zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 208 und Erde geschaltet ist, und dem Widerstand 212, der zwischen dem negativen Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 208 verbunden ist, geregelt. Der Ausgang des Verstärkers 208 ist mit dem Anschluss 218 verbunden. Die Basiseingänge der Transistoren 214 und 216 sind auch mit dem Anschluss 218 verbunden. Der Kollektor des NPN-Transistors 214 ist mit der +V_AMP-Schiene am Anschluss 138 verbunden, und der Emitter des Transistors 214 ist mit Erde verbunden. Der Kollektor des PNP-Transistors 216 ist mit der –V_AMP-Schiene am Anschluss 140 verbunden, und der Emitter des Transistors 216 ist mit Erde verbunden.
Die Mittenabgleichseinheit 200 wird wie folgt betrieben. Wenn ein unsymmetrischer Strom (d. h. ein Erdstrom) in der Steuerungselektronikeinheit 124 oder der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 122 oder in jedem anderen Bauteil, der seine Speisung aus den Verstärkerschienen +V_AMP oder –V_AMP (entweder direkt oder durch die Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC oder –V_CC, die durch die Niederspannungs-Stromversorgungseinheit 160 erzeugt werden) bezieht, sind die Verstärkerschienen +V_AMP der–V_AMP zum Erdpotential nicht symmetrisch. Dies bewirkt, dass die Spannung am Anschluss 217 nicht null ist. Diese von null verschiedene Spannung wird durch den Verstärker 208 verstärkt, und die resultierende verstärkte Spannung, die am Anschluss 218 auftritt, dient dazu, den Betrieb der Transistoren 214 und 216 zu regeln. Wenn die Spannung am Anschluss 218 positiv ist, wird der Transistor 214 in seinem aktiven Bereich betrieben, was Strom von der positiven Verstärkerspannungsschiene +V_AMP abzieht. Wenn die Spannung am Anschluss 218 negativ ist, wird der Transistor 216 in seinem aktiven Bereich betrieben, was Strom der negativen Verstärkerspannungsschiene –V_AMP hinzufügt. Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung sind in der Lage, jeweilige Widerstände für die Widerstandselemente 210 und 212 auszuwählen, um sicherzustellen, dass das Mittenabgleichsnetzwerk unsymmetrische Ströme in den Verstärkerversorgungsschienen +V_AMP oder –V_AMP nicht über- oder unterkompensiert.
Auf diese Weise sorgt die Mittenabgleichseinheit wirkungsvoll dafür, dass die Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC, die durch die Regiereinheit 202 erzeugt werden, auf Erdpotential bezogen sind, obwohl kein Bezug auf Erdpotential für die zeitabhängigen Verstärkerleistungsschienen +V_AMP und –V_AMP besteht. In der Folge wird jeder unsymmetrische Strom, der in der Steuerungselektronikeinheit 124 oder der Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 122 entsteht, durch das Mittenabgleichsnetzwerk kompensiert, und die Verstärkerspannungsschienen +V_AMP und –V_AMP bleiben zum Erdpotential symmetrisch. Außerdem kompensiert das Mittenabgleichsnetzwerk jeden unsymmetrischen Strom, der in der Leistungsverstärkungsstufe 144 erzeugt wird, wodurch es nicht mehr dringend erforderlich ist, präzise symmetrische Spannungsquellen (V1 bis V4) vorzusehen, und die Bereitstellung der Leistungsverstärkungsstufe mit weniger teuren Bauteilen ermöglicht wird.
Wenn es die Leistungskriterien für den verbesserten erfindungsgemäßen Verbundbrückenverstärker 120 ermöglichen, kann das Mittenabgleichsnetz ohne den Verstärker 208 und die Widerstände 210 und 212 ausgeführt sein. In diesem Fall sind die Anschlüsse 217 und 218 miteinander und mit den Basen der Transistoren 214 und 216 verbunden. Diese Konfiguration ist gegenüber allfälliger Asymmetrie der Verstärkerspannungsschienen +V_AMP und –V_AMP um das Erdpotential weniger empfindlich, doch es ist eine kostengünstigere Produktion möglich.
Hochfahrsteuerungseinheit 180 (5)
Es wird nun auf 5 Bezug genommen, die die Hochfahreinheit 180 im Detail veranschaulicht. Die Hochfahreinheit 180 besteht aus den Anschlüssen 240 und 182, dem Kondensator 242, dem Widerstand 244, der Diode 246 und dem NPN-Transistor 248.
Der Anschluss 240 ist mit der positiven Gleichstromausgangsspannung +V_DC des Gleichrichters 156 am Anschluss 157 verbunden, wie dies oben besprochen ist. Der Kondensator 242 ist zwischen dem Anschluss 240 und der Basis des Transistors 248 gekoppelt. Der Widerstand 244 ist zwischen der Basis des Transistors 248 und Erde verbunden. Die Kathode der Diode 246 ist mit der Basis des Transistors 248 verbunden, und die Anode der Diode 246 ist mit Erde verbunden. Der Emitter des Transistors 248 ist mit Erde verbunden, und der Kollektor des Transistors 248 ist mit dem Anschluss 182 verbunden. Der Anschluss 182 ist an eine Steuerungselektronikeinheit 124 gekoppelt, die sicherstellen muss, dass der Anschluss 182 durch einen Pull-up-Widerstand an V_DC gekoppelt ist.
Die Hochfahreinheit 180 liefert der Steuerungseinheit 124 ein Hochfahrsignal, wenn der erfindungsgemäße verbesserte Verbundbrückenverstärker zuerst eingeschaltet wird. Das Hochfahrsignal wird erzeugt, bis ausreichend Zeit verstrichen ist, damit die Verstärkerspannungs-Versorgungseinheit unter der Steuerung der Steuerungselektronikeinheit 124 die Verstärkerleistungsschienen +V_AMP und –V_AMP erzeugen kann, damit die Niederspannungs-Stromversorgungseinheit die Niederspannungs-Versorgungsschienen +V_CC und –V_CC erzeugen kann und damit die Spannungsschienen stabil werden.
Die Hochfahrsteuereinheit 180 wird wie folgt betrieben. Wenn der erfindungsgemäße Verbundbrückenverstärker eingeschaltet wird, erzeugt die Verstärkerspannungs-Gleichrichtungseinheit 126 die positive und die negative Gleichspannung +V_DC und –V_DC an den Anschlüssen 157 bzw. 158, wie dies oben beschrieben ist. Die positive Gleichspannung an Anschluss 240 (der an Anschluss 157 gekoppelt ist) lädt den Kondensator 242, wodurch sich der Transistor 248 einschaltet. Die Spannung am Anschluss 182 fällt ab. Diese Niederspannung am Anschluss 182 umfasst das Hochfahrsignal. Der Kondensator 242 wird durch den Widerstand 244 zu Erde entladen, und schließlich fällt die Basisspannung des Transistors 248 unter die Basisemitter-Spannung des Transistors 248, wodurch sich dieser ausschaltet. Die Kollektorspannung wird dann durch den oben angeführten Pull-up-Widerstand nach oben gezogen, wodurch das Hochfahrsignal endet. Die Diode 246 stellt sicher, dass die Basisspannung des Transistors 248 höher bleibt als die Basisemitter-Spannung des Transistors 248, während der Kondensator 242 sich entlädt.
Die Länge des Hochfahrsignals hängt von der jeweiligen Anwendung des verbesserten erfindungsgemäßen Verbundbrückenverstärkers ab, wobei Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung in der Lage sind, den Kondensator 242 und den Widerstand 244 auszuwählen, um sicherzustellen, dass das Hochfahrsignal nicht beendet wird, bevor die Spannungsschienen +V_AMP, –V_AMP, +V_CC und –V_CC stabil wurden.
Eingangssignal-Trenneinheit 190 (6)
Es wird nun auf 6 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform der Sicherheitstrenneinheit 190 im Detail veranschaulicht.
Im Verbundbrückenverstärker 20 des Stands der Technik wurde die Sicherheitstrennung durch den Leistungstransformator 52 bereitgestellt. Wie dies oben beschrieben ist, wird dieser Transformator im vorliegenden Verbundbrückenverstärker 120 nicht verwendet; für Sicherheitstrennung sorgt stattdessen die Sicherheitstrenneinheit 190.
Die Sicherheitstrenneinheit 190 besteht aus einer Stromtransformatorschaltung 260, einer Eingangsschaltung 262 und einer Servoschaltung 264.
Die Stromtransformatorschaltung 260 umfasst die Widerstände 270 und 271 sowie den Transformator 272. Dieser besitzt einen Primärstartanschluss 326, einen Primärendanschluss 325, einen Sekundärstartanschluss 277 und einen Sekundärendanschluss 278. Die Widerstände 270 und 271 sind mit der Primärwicklung des Transformators 272 in Reihe geschaltet, wie dies über die Anschlüsse 136a und 136b zu sehen ist; daran ist das Eingangssignal V_in gekoppelt. Die Widerstände 270 und 271 wandeln das Eingangssignal V_in, das das zu verstärkende Signal als Spannung repräsentiert, in ein Stromsignal um. Der Transformator 272 wandelt dieses Stromsignal in ein getrenntes proportionales Stromsignal an den Anschlüssen 277 und 278 um. Wenn das Eingangssignal V_in direkt und ohne Umwandlung in ein Stromsignal dem Transformator 272 zugeführt würde und die Eingangsschaltung 262 in eine spannungsgesteuerte Schaltung (wie unten beschrieben) umgeändert würde, würde der Transformator 272 als Spannungstransformator fungieren und müsste große Voltsekunden ohne jede Verzerrung bereitstellen können. Ein solcher Transformator ist teuer und würde die Kosten eines verbesserten erfindungsgemäßen Verbundbrückenverstärkers 120 erhöhen. Die Umwandlung des Eingangssignals V_in in ein Stromsignal ermöglicht die Verwendung eines weniger teuren Transformators mit wenig Verzerrung des Eingangssignals. Der Transformator 272 stellt die Sicherheitstrennung zwischen dem Eingangsanschluss 136 und der Wechselspannungsversorgung V_AC bereit.
Die Eingangsschaltung 262 umfasst die Widerstände 282 und 284, den Kondensator 286 und den Differentialverstärker 280, der einen Operationsverstärker enthält. Der Anschluss 277 ist mit dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 280 verbunden und der Anschluss 278 mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 280 verbunden. Der Widerstand 284 ist zwischen dem nicht invertrierenden Eingang des Differentialverstärkers 280 und Erde verbunden. Der Widerstand 282 ist mit einem Rückkopplungswiderstand zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 280 verbunden. Der Kondensator 286 ist zwischen dem Ausgang des Differentialverstärkers 280 und dem Anschluss 176 verbunden, der an die Vorkonditionierungs-Elektronikeinheit 122 gekoppelt ist.
Gegebenenfalls können die Anschlüsse 277 und 278 durch ein nicht dargestelltes Widerstandspaar an die invertierenden und nicht invertierenden Eingänge des Differentialverstärkers 280 gekoppelt sein. Diese Widerstände eignen sich dazu, vor einer Beschädigung des Differentialverstärkers 280 durch elektrostatische Entladung zu schützen. Wenn solche Widerstände verwendet werden, sollten ihre Widerstandswerte minimiert werden, um sicherzustellen, dass die Sekundärwirkung des Transformators 272 tatsächlich durch den virtuellen Kurzschluss zwischen den invertierenden und nicht invertierenden Eingängen des Differentialverstärkers 280 abgeschlossen ist. Wenn diese Widerstandswerte nicht minimiert sind, wird die Eingangsschaltung 262 als spannungsgesteuerte Schaltung betrieben.
Die Eingangsschaltung 262 wandelt den Strom durch die Sekundärwicklung des Transformators 272 in ein verstärktes Signal um, das vom Eingangssignal V_in (durch den Kondensator 286) am Anschluss 176 abhängt. Die Verwendung des Differentialverstärkers 280 in der Eingangsschaltung sorgt für eine hohe Gleichtaktrauschen-Unterdrückungsrate, wodurch die Wirkung von Gleichtaktströmen, die durch parasitäre Kapazitäten über den Transformator 272 eingeleitet werden, verringert wird. Es stellt sich heraus, dass die Gleichtaktrauschen-Unterdrückungsrate verbessert wird, wenn der Transformator 272 ausgewählt ist, niedrige parasitäre Kapazitäten aufzuweisen. Die Kapazitäten könnten durch zwei unterschiedliche, konzentrierte, äquivalente Elemente dargestellt sein. Das erste hierin als Startanschusskapazität definierte Element ist zwischen dem Primärstartanschluss 326 und dem Sekundärstartanschluss 277 definiert. Das zweite hierin als Endanschlusskapazität definierte Element ist zwischen dem Primärendanschluss 325 und dem Sekundärendanschluss 278 definiert. Es ist vorzuziehen, dass jede dieser Kapazitäten weniger als 10 pF und die Quellenimpedanz der das Eingangssignal V_in liefernden Vorrichtung weniger als 1 kΩ beträgt. Der Vorteil einer verbesserten Unterdrückungsrate des Gleichtaktrauschens kommt weniger zur Geltung, wenn die Differenz zwischen der Startanschlusskapazität und der Endanschlusskapazität 0,1 pF übersteigt. Der Vorteil geht im Wesentlichen verloren, wenn die Differenz über 0,4 pF hinausgeht.
Der Transformator 272 besitzt normalerweise eine niedrige Gleichstromimpedanz relativ zum Rückkopplungswiderstand 282. In der Folge leidet möglicherweise der Ausgang des Differentialverstärkers 280 unter Gleichspannungsoffset. Diese Wirkung kann durch Auswahl eines entsprechenden Rückkopplungswiderstands 282 und eines geeigneten Operationsverstärkers zur Verwendung als Differentialverstärker 280 gelindert werden, wobei ein derartiger Auswahlvorgang für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig ist. Die Wirkung eines Gleichspannungsoffsets wird durch den Kondensator 286 weiter minimiert. Der Kondensator 286 dient als Wechselstromkoppler und filtert Gleichstromkomponenten im Ausgang des Differentialverstärkers 280 heraus.
Wenn der Gleichspannungsoffset relativ groß ist, kann dies den dynamischen Bereich des Differentialverstärkers wesentlich einschränken und in der Folge auch den dynamischen Bereich des Eingangssignals V_in limitieren, das durch den erfindungsgemäßen verbesserten Verbundbrückenverstärker 120 verstärkt werden kann. Um einen derartigen Gleichspannungsoffset zu korrigieren, kann die Servoschaltung 264 hinzugefügt werden.
Die Servoschaltung 264 umfasst den Operationsverstärker 290, die Widerstände 292, 294, 296 und 298 sowie den Kondensator 300. Der Widerstand 298 ist zwischen dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 290 und dem Ausgang des Differentialverstärkers 280 verbunden. Der Kondensator 300 ist zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 290 und Erde verbunden. Der Widerstand 296 ist zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 290 und Erde verbunden. Der Widerstand 292 ist ein Rückkopplungswiderstand, der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 290 verbunden. ist. Der Widerstand 294 koppelt den Ausgang des Operationsverstärkers 290 an den invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 280.
Die Servoschaltung 264 sorgt für aktive Entfernung des Gleichspannungsoffsets vom Ausgang des Differentialverstärkers 280 und geht dabei wie folgt vor. Der Widerstand 298 und der Kondensator 300 dienen als Tiefpassfilter, der bewirkt, dass der mittlere Gleichstromoffset im Ausgang des Differentialverstärkers 280 zum nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 290 geleitet wird. Der Operationsverstärker 290 ist als nicht-invertierender Verstärker konfiguriert, dessen Verstärkung in bekannter Weise durch die Widerstände 292 und 296 gesteuert wird; der Ausgang des Operationsverstärkers 290 ist ein verstärktes Gleichspannungssignal, das mit dem mittleren Gleichspannungsoffset im Ausgang des Differentialverstärkers 280 korrespondiert. Das verstärkte Gleichspannungssignal wird durch den Widerstand 294 an den invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 280 ausgesendet und vom Ausgang des Differentialverstärkers 280 wirkungsvoll subtrahiert.
Nun wird auf 7 Bezug genommen, die eine zweite Ausführungsform der Sicherheitstrenneinheit 190' zeigt, die für verbesserte Gleichtaktrauschen-Unterdrückung sorgt. Die Elemente in 7, die mit identischen Elementen in 6 übereinstimmen, erhielten die gleichen Bezugszeichen. Die Sicherheitstrenneinheit 190' umfasst eine Stromtransformatorschaltung 322, eine Eingangsschaltung 320 und eine Servoschaltung 264. Die Servoschaltung 264 bleibt gegenüber der Ausführungsform von 6 unverändert und wird deshalb nicht näher erläutert.
Die Stromtransformatorschaltung 322 umfasst einen Transformator 324 und einen Widerstand 270, die zwischen dem Eingangsanschluss 136a und einer Seite der Primärwicklung des Transformators 324 verbunden sind. Die andere Seite der Primärwicklung des Transformators 324 ist mit der Signalerde des Eingangssignals V_in am Eingangsanschluss 136b verbunden. Die Sekundärwicklung des Transformators ist über die Anschlüsse 277 und 278 verbunden. Der Anschluss 278 ist mit Erde verbunden. Die verbesserte Unterdrückungsrate des Gleichtaktrauschens der zweiten Ausführungsform 190' der Sicherheitstrennschaltung wird am besten erzielt, wenn die Geometrie des Transformators 324 solcherart angeordnet ist, dass der Strom durch die Startanschlusskapazität (wie oben in Bezug auf 6 definiert) und der Strom durch die Endanschlusskapazität (wie oben in Bezug auf 6 definiert) den Strom aufheben, der in der Sekundärwicklung des Transformators 324 magnetisch induziert wird (dies erfolgt durch den Strom in der Primärwicklung des Transformators 324). Dieser Vorgang ist in 7 durch die Polaritätspunkte neben dem Primärstartanschluss 326 und dem Sekundärstartanschluss 277 des Transformators 324 dargestellt. In dieser zweiten Ausführungsform 190' ist es nicht notwendig, sicherzustellen, dass die Startanschlusskapaität und die Endanschlusskapazität gleich sind. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Gleichtaktrauschen-Unterdrückung wird beibehalten, selbst wenn das Verhältnis zwischen den zwei Kapazitäten 10 : 1 (oder 1 : 10 beträgt). Sowohl die Startanschlusskapazität als auch die Endanschlusskapazität sollten vorzugsweise jedoch in der dargestellten Geometrie weniger als 6 pF betragen. Idealerweise sollten beide Kapazitäten kleiner als 3 pF sein.
Die Eingangsschaltung 320 umfasst den Differentialverstärker 280, einen Widerstand 282 und einen Kondensator 286. Der Widerstand 282 und der Kondensator 286 sind in gleicher Weise wie in der Ausführungsform von 6 verbunden und werden auch gleich betrieben, weshalb nun keine weitere Erklärung gegeben wird. Der invertierende Eingang des Differentialverstärkers 280 ist mit dem Anschluss 277 verbunden, und der nicht-invertierende Anschluss des Differentialverstärkers 280 ist mit Erde verbunden. Die Eingangsschaltung 320 liefert ein verstärktes Signal am Anschluss 176, das mit dem Eingangssignal V_in korrespondiert, das an den Anschlüssen 136a und 136b empfangen wird (in gleicher Weise wie die Eingangsschaltung 262 aus 6).
Es ist zu beachten, dass zwar bestimmte Geometrien in 6 und 7 geoffenbart sind, dass aber auch andere Geometrien in Frage kommen, sofern die Ströme, die die parasitären Kapazitanzen über den Transformator mit Gleichtakt-Rauschspannungen laden, den Rauschstrom in der Sekundärwicklung des Transformators aufheben. Der Ladestrom oder die Ladeströme, der bzw. die für diese Aufgabe erforderlich sind, kann bzw. können jene der Startkapazität, der Endkapazität oder einer Kombination der beiden sein. Je nach der Geometrie können die parasitären Kapazitäten andere Werte als die oben angeführten aufweisen.
Obwohl die hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung besonders für die Verstärkung von Audiosignalen geeignet sind, ist es für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung offenkundig, dass die vorliegende Erfindung auch in anderen Zusammenhängen angewendet werden kann und dass andere Ausführungsformen auch in den in den folgenden Patentansprüchen definierten Schutzumfang der Erfindung fallen.

Claims

Verstärker zum Verstärken eines Eingangssignals, wobei der Verstärker umfasst: (a) einen Signaleingangsanschluss (136), um das Eingangssignal von einer Eingangsvorrichtung zu empfangen; (b) einen Wechselstrom-Gleichrichtungseinheit (126), um an einem ersten und einem zweiten Gleichspannungsanschluss (157 und 158) eine fixe Gleichspannung bereitzustellen; (c) eine Verstärkerspannungsversorgungseinheit (128), die an den ersten und den zweiten Gleichspannungsanschluss gekoppelt ist, um an einem ersten und an einem zweiten Spannungseingangsanschluss (138 und 140) eine zeitabhängige erdunabhängige Gleichspannung in Abhängigkeit vom Eingangssignal zu erzeugen; (d) eine Verstärker-Leistungssteuerungsschaltung (124), die an den Signaleingangsanschluss und die Verstärkerspannungsversorgungseinheit gekoppelt ist, um die zeitabhängige erdunabhängige Gleichspannung zu steuern; dadurch gekennzeichnet, dass er weiters umfasst (e) eine Sicherheitstrennschaltung (190), die an den Signaleingangsanschluss gekoppelt ist, worin die Sicherheitstrennschaltung einen isolierten Signalanschluss (176) aufweist, wobei die Sicherheitstrenneinheit dazu ausgebildet ist, die physikalische Trennung zwischen dem Signaleingangsanschluss und dem isolierten Signalanschluss bereitzustellen, und dazu ausgebildet ist, am isolierten Signalanschluss ein Signal bereitzustellen, das dem Eingangssignal entspricht; (f) Signalverstärkereinheit (130) mit einem ersten und einem zweiten Spannungseingangsanschluss und einem Steuerungsanschluss (134), wobei der Steuerungsanschluss an den isolierten Signalanschluss gekoppelt ist; (g) eine Hochfahr-Einheit (180), die dazu ausgebildet ist, automatisch ein Hochfahrsignal zu erzeugen, wenn die Energiezufuhr zum Verstärker beginnt, und die an die Verstärker-Leistungssteuerungsschaltung gekoppelt ist, wobei die Verstärker-Leistungssteuerungsschaltung auf das Hochfahrsignal anspricht, um die Verstärker-Spannungsversorgungseinheit so zu steuern, dass die Verstärker-Spannungsversorgungseinheit für einen gewählten Zeitraum am ersten und am zweiten Spannungseingangsanschluss eine fixe erdunabhängige Gleichspannung erzeugt; (h) eine Elektronik-Spannungsversorgungsschaltung (160) mit einem ersten und einem zweiten fixen Gleichspannungsausgangsanschluss (173 und 174), wobei die Elektronik-Spannungsversorgung an den ersten und den zweiten Spannungseingangsanschluss gekoppelt ist, um die zeitabhängige erdunabhängige Gleichspannung zu empfangen und um aus der zeitabhängigen erdunabhängigen Gleichspannung am ersten und am zweiten Gleichspannungsausgangsanschluss eine fixe Gleichspannung zu erzeugen.
Verstärker nach Anspruch 1, worin die Elektronik-Spannungsversorgungsschaltung weiters umfasst: (a) einen Reglerblock (202), der an den ersten und den zweiten Spannungseingangsanschluss sowie an den ersten und den zweiten Gleichspannungsausgangsanschluss gekoppelt ist und der eine Ausgangsspannungsfixierungseinheit und eine Spannungsabfalleinheit aufweist; sowie (b) eine Mittenabgleichseinheit (200), um unsymmetrische Gleichspannungen am ersten und am zweiten Spannungseingangsanschluss zu beseitigen, wobei die Mittenabgleichseinheit an den ersten und den zweiten Spannungseingangsanschluss gekoppelt ist und eine Arbeitspunkteinheit zum Erzeugen einer Vorspannung sowie eine Stromkompensationseinheit umfasst, der an die Arbeitspunkteinheit gekoppelt ist und auf die Vorspannung anspricht, um Ströme bereitzustellen, um die Spannungen am ersten und am zweiten Spannungseingangsanschluss abzugleichen.
Verstärker nach Anspruch 2, worin die Mittenabgleichseinheit eine Schaltung zum Vergleich der Vorspannung mit Erde umfasst.
Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, worin die Ausgangsspannungsfixierungseinheit und die Spannungsabfalleinheit eine Schaltung zur Fixierung der Spannung. am ersten und am zweiten Gleichspannungsausgangsanschluss umfassen.
Verstärker nach Anspruch 2, worin die Ausgangsspannungsfixierungseinheit eine erste und eine zweite Zenerdiode umfasst und die Spannungsabfalleinheit einen ersten und einen zweiten Spannungsabfallwiderstand umfasst, wobei der erste Spannungsabfallwiderstand zwischen den ersten Spannungseingangsanschluss und die Kathode der ersten Zenerdiode gekoppelt ist, die Anode der ersten Zenerdiode an die Kathode der zweiten Zenerdiode und an Erde gekoppelt ist, der zweite Spannungsabfallwiderstand zwischen die Anode der zweiten Zenerdiode und den zweiten Spannungseingangsanschluss gekoppelt ist und die Kathode der ersten Zenerdiode an den ersten Gleichspannungsausgangsanschluss gekoppelt ist und die Anode der zweiten Zenerdiode an den zweiten Gleichspannungsausgangsanschluss gekoppelt ist.
Verstärker nach Anspruch 5, worin die Ausgangsspannungsabfalleinheit weiters einen Spannungsabfalltransistor vom N-Typ und einen Spannungsabfalltransistor vom P-Typ umfasst, wobei jeder aus dem Spannungsabfallstransistor vom N- und vom P-Typ einen Basis-Eingang, einen Emitter-Ausgang und einen Kollektor-Ausgang aufweist, der Basis-Eingang des Spannungsabfalltransistors vom N-Typ an die Kathode der ersten Zenerdiode gekoppelt ist, der Kollektor-Ausgang des Spannungsabsfalltransistors vom N-Typ an den ersten Spannungseingangsanschluss gekoppelt ist und der Emitter-Ausgang des Spannungsabfalltransistors vom N-Typ an den ersten Gleichspannungsausgangsanschluss gekoppelt ist und der Basis-Eingang des Spannungsabfalltransistors vom P-Typ an die Anode der zweiten Zenerdiode gekoppelt ist, der Kollektor-Ausgang des Spannungsabfalltransistors vom P-Typ an den zweiten Spannungseingangsanschluss gekoppelt ist und der Emitter-Ausgang des Spannungsabfalltransistors vom P-Typ an den zweiten Gleichspannungsausgangsanschluss gekoppelt ist.
Verstärker nach Anspruch 2, worin die Arbeitspunkt-Einheit einen ersten und einen zweiten Widerstand umfasst, wobei der erste Widerstand zwischen den ersten Eingangsspannungsanschluss und einen Vorspannungsanschluss gekoppelt ist und der zweite Widerstand zwischen den Vorspannungsanschluss und den zweiten Eingangsspannungsanschluss gekoppelt ist, und worin die Stromkompensationseinheit einen Kompensationstransistor vom N-Typ und einen Kompensationstransistor vom P-Typ umfasst, wobei jeder der Kompensationstransistoren einen Basis-Eingang, einen Emitter-Ausgang und einen Kollektor-Ausgang aufweist, die Basis-Eingänge der Kompensationstransistoren vom N- und vom P-Typ aneinander sowie an den Vorspannungsanschluss gekoppelt sind, der Kollektor-Ausgang des Kompensationstransistors vom N-Typ an den ersten Spannungseingangsanschluss gekoppelt ist, der Kollektorausgang des Kompensationstransistors vom P-Typ an den zweiten Spannungseingangsanschluss gekoppelt ist und die Emitter-Ausgänge der Kompensationstransistoren vom N- und vom P-Typ aneinander sowie an Erde gekoppelt sind.
Verstärker nach Anspruch 7, worin die Stromkompensationseinheit weiters einen Verstärker umfasst, der zwischen die Vorspannungseinheit und die Basiseingänge der Kompensationstransistoren vom N- und vom P-Typ gekoppelt ist.
Verstärker nach Anspruch 1, worin die Sicherheitstrennschaltung weiters umfasst: (a) eine Eingangseinheit (262 oder 320), die einen Eingangsverstärker mit einem Eingangsverstärker-Eingangs- und einem Eingangsverstärker-Ausgangsanschluss sowie einen Kopplungskondensator umfasst, der zwischen den Ausgangsanschluss des Eingangsverstärkers und den isolierten Signalanschluss gekoppelt ist; sowie (b) eine Trenneinheit (260 oder 322), der einen Trenntransformator umfasst, der eine Primärwicklung mit einem Primärstartanschluss und einem Primärendanschluss sowie eine Sekundärwicklung mit einem Sekundärstartanschluss und einem Sekundärendanschluss aufweist, wobei eine parasitäre Kapazität zwischen den Wicklungen vorhanden ist, die als Startanschlusskapazität zwischen den Primäranschlüssen und als Endanschlusskapazität zwischen den Endanschlüssen darstellbar ist, wobei die Primärwicklung an den Signaleingangsanschluss gekoppelt ist, die Sekundärwicklung durch den ersten und den zweiten Widerstand an den Eingangsverstärker-Eingangsanschluss gekoppelt ist, der Eingangsverstärker als Differenzverstärker angeschlossen ist und der Trenntransformator so gewählt ist, dass die Startanschlusskapazität und die Endanschlusskapazität jeweils unter 10 pF liegen und so, dass die Differenz zwischen der Startanschlusskapazität und der Endanschlusskapazität unter 0,4 pF liegt, und worin die Quellenimpedanz der Eingangsvorrichtung unter 1 kΩ liegt.
Sicherheitstrennschaltung nach Anspruch 9, worin die Differenz zwischen der Startanschlusskapazität und der Endanschlusskapazität unter 0,1 pF liegt.
Verstärker nach Anspruch 1, worin die Sicherheitstrennschaltung weiters umfasst: (a) eine Eingangseinheit, die einen Eingangsverstärker mit Eingangsverstärkereingang und Ausgangsanschlüssen sowie einen Kopplungskondensator umfasst, der zwischen den Ausgangsanschluss des Eingangsverstärkers und den isolierten Signalanschluss gekoppelt ist; sowie (b) eine Trenneinheit, die einen Trenntransformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung umfasst, wobei die Primärwicklung einen Primärstartanschluss und einen Primärendanschluss aufweist, die Sekundärwicklung einen Sekundärstartanschluss und einen Sekundärendanschluss aufweist, wobei zwischen den Wicklungen eine parasitäre Kapazität vorhanden ist, die als Startanschlusskapazität zwischen den Startanschlüssen und als Endanschlusskapazität zwischen den Endanschlüssen darstellbar ist, wobei der Primärstartanschluss durch einen Widerstand an den Signaleingangsanschluss gekoppelt ist, der Primärendanschluss an den Signaleingangsanschluss angeschlossen ist, der Sekundärstartanschluss an den Verstärkereingangsanschluss angeschlossen ist, der Sekundärendanschluss an den Eingangsverstärkeranschluss und an Erde angeschlossen ist, der Trenntransformator so konfiguriert ist, dass Ströme, die die Startanschlusskapazität und die Endanschlusskapazität mit Gleichtakt-Rauschspannung laden, dazu neigen, einen Rauschstrom in der Sekundärwicklung aufzuheben.
Verstärker nach Anspruch 11, worin die ersten Anschlüsse der Primär- und der Sekundärwicklung die gleiche Polarität aufweisen und der Trennverstärker so gewählt ist, dass das Verhältnis zwischen der Startanschlusskapazität und der Endanschlusskapazität nicht 10 : 1 übersteigt und nicht unter 1 : 10 liegt, und der Trennverstärker so gewählt ist, dass die Startanschlusskapazität und die Endanschlusskapazität jeweils unter 6 pF liegen.
Sicherheitstrennschaltung nach Anspruch 11, worin der Trennverstärker so gewählt ist, dass die Startanschlusskapazität und die Endanschlusskapazität jeweils unter 3 pF liegen.
Verstärker nach Anspruch 9, 10, 11, 12 oder 13, worin die Sicherheitstrennschaltung weiters eine Servokompensationsschaltung (264) zur Beseitigung von Gleichstromkomponenten aus dem isolierten Signal umfasst, die ein Tiefpassfilter und einen Servoverstärker mit Servoverstärker-Eingangs- und Ausgangsanschlüssen umfasst, wobei das Tiefpassfilter zwischen den Kopplungskondensator und den Servoverstärkereingangsanschluss gekoppelt ist und der Servoverstärkerausgangsanschluss an den Eingangsverstärker gekoppelt ist.