IT8922306A1 - Circuito di rilevazione della distorsione d'uscita, in particolare di stadi finali di dispositivi audio. - Google Patents

Description

"CIRCUITO DI RILEVAZIONE DELLA DISTORSIONE D'USCITA, IN PARTICOLARE DI STADI FINALI DI DISPOSITIVI AUDIO"

RIASSUNTO

Viene descritto un circuito di rilevazione della distorsione d'uscita di stadi amplificatori del tipo presentante un primo ingresso ricevente un segnale in tensione da amplificare, un secondo ingresso collegato ad una rete di retroazione ed un'uscita generante un segnale di uscita amplificato. Il circuito comprende almeno un comparatore ricevente in ingresso un primo segnale correlato al segnale in tensione e un secondo segnale correlato al segnale di uscita dello stadio amplificatore, ed ? abilitato in modo da generare in uscita un segnale di distorsione quando il secondo segnale supera il primo segnale in valore assoluto, cio? in presenza di distorsione.

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un circuito di rilevazione della distorsione d'uscita, in particolare di stadi finali di dispositivi audio.

Come ? noto, un dispositivo audio pu? essere paragonato ad un amplificatore operazionale reazionato con uno stadio finale come quello rappresentato schematicamente in fig. 1. Come si nota, lo stadio finale 3 pu? essere rappresentato da un amplificatore audio 1 pilotante una coppia di transistori Q1, Q2 collegati fra le due linee di alimentazione a VCC e -VCC e definenti fra di loro l'uscita OUT del dispositivo audio, cui ? collegato il carico, qui rappresentato da un altoparlante 2. Il circuito di retroazione ? costituito da una coppia di resistori , R2', e precisamente il resistore R-j, ? collegato tra l'ingresso invertente dell'amplificatore 1 e la massa, e il resistore R2 ? collegato fra lo stesso ingresso invertente e l'uscita OUT; il segnale di ingresso ? applicato all'ingresso non invertente dell'amplificatore.

Nello stadio finale mostrato in fig. 1, la massima escursione dell'uscita, che teoricamente ? limitata dalla differenza fra la tensione di alimentazione positiva e quella negativa (2VCC), in realt? ? data da

Quando il segnale di ingresso VIN supera una certa dinamica pari a

l'uscita non riesce pi? seguire linearmente la dinamica del segnale di ingresso e si ha distorsione (fenomeno di "clipping"). Poich? questo segnale di uscita pilota una cassa acustica, per essere udito con una fedelt? ancora accettabile, occorre che la sua distorsione durante i picchi del segnale di ingresso non superi una certa percentuale, ad es. il 10%; oltre tale valore infatti il suono diventa fastidioso.

Per risolvere tale problema, ? possibile rilevare la distorsione esistente e pilotare un opportuno circuito attenuatore collegato a monte dello stadio finale in modo da limitare il segnale di ingresso di quest'ultimo.

Un soluzione per la rilevazione della distorsione ? nota ad esempio dalla domanda di brevetto 20950A/87 depositata il 18.6.87 a nome della stessa richiedente, nella quale sono previsti dei sensori che controllano lo stato di saturazione dei transistori finali. Tale soluzione, bench? risolva adeguatamente il problema in alcuni casi, non ? comunque esente da svantaggi, legati al fatto che l'informazione relativa ad una distorsione del 5-10%, ottenuta integrando il segnale di uscita dal rilevatore di clipping, non ? immediata a causa della costante di tempo dell?integrazione? la soluzione ? applicabile solo in amplificatori con un particolare stadio di uscita ed ? sufficientemente precisa solo se la forma d'onda d'uscita dell?amplificatore ? distorta simmetricamente.

Altre soluzione note prendono in considerazione il segnale in tensione di ingresso o di uscita e lo confrontano con una tensione di riferimento. Una soluzione nella quale viene controllato il segnale in ingresso ? ad es. mostrata in fig. 2, nella quale lo stadio finale 3, dotato di rete di retroazione R1 , pilota un carico RL. La tensione di ingresso VIN viene alimentata anche all'ingresso positivo di un comparatore 4, sul cui ingresso negativo viene posta una tensione di riferimento fissa e generante una tensione di errore VO che viene quindi utilizzata per pilotare un attenuatore. Tali soluzioni note non sono tuttavia soddisfacenti, in quanto non tengono conto della tensione di alimentazione e/o della massima escursione del segnale in uscita dall'amplificatore audio, che dipende anche dal tipo di carico cui quest'ultimo ? collegato.

Data questa situazione, il compito alla base del presente trovato consiste nel mettere a disposizione un circuito di rilevazione della distorsione d'uscita, in particolare di stadi finali di dispositivi audio, in grado di risolvere gli svantaggi presentati dai circuiti di rilevazione noti.

Nell'ambito di tale compito, scopo particolare del presente trovato consiste nel realizzare un circuito di rilevazione della distorsione di uscita ad elevata precisione, ed in particolare indipendente dal valore della tensione di alimentazione, dalla frequenza (nel campo di funzionamento di amplificatori audio) e dalla massima escursione ("swing'') del segnale di uscita.

Uno scopo importante del presente trovato consiste nel mettere a disposizione un circuito del tipo indicato applicabile ad amplificatori audio aventi stadio di uscita di qualunque tipo.

Ancora uno scopo del presente trovato consiste nel mettere a disposizione un circuito del tipo indicato che sia in grado di fornire immediatamente l'informazione sulla distorsione, senza introdurre ritardi.

Un altro scopo del presente trovato consiste nel mettere a disposizione un circuito del tipo indicato che consenta una rilevazione selettiva della distorsione delle due semionde, ed in particolare sia in grado di rilevare distorsioni non simmetriche del segnale di uscita.

Uno scopo ancora del presente trovato consiste nel realizzare un circuito del tipo indicato altamente flessibile, ed in particolare presentante soglie di rilevazione regolabili a seconda delle esigenze.

Non ultimo scopo del presente trovato consiste nel mettere a disposizione un circuito di rilevazione della distorsione presentante grande affidabilit?, di struttura semplice e facilmente integrabile.

Il compito indicato, gli scopi accennati, ed altri ancora che meglio appariranno in seguito vengono raggiunti da un circuito di rilevazione della distorsione d'uscita, in particolare di stadi finali di dispositivi audio, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Le caratteristiche ed i vantaggi del]'invenzione appariranno maggiormente dalla descrizione di due forme di realizzazione preferite, illustrate a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

la figura 1 mostra uno schema circuitale di massima di uno stadio finale per applicazioni ?udio, di tipo noto:

la figura 2 mostra uno schema circuitale di massima di un rilevatore di distorsione di tipo noto;

la figura 3 mostra uno schema a blocchi di una possibile forma di realizzazione del circuito secondo il trovato;

le figure 4a-4g mostrano alcune forme d'onda di opportuni segnali prelevati sullo schema di fig. 3 in presenza di clipping;

la figura 5 mostra l'andamento del segnale di ingresso, del segnale di uscita riportato in ingresso tramite la rete di retroazione dell'amplificatore audio e del segnale di riferimento correlato al segnale di ingresso per lo schema di fig. 3 in presenza di clipping di valore pari alla distorsione impostata; e

le figure 6 e 7 mostrano due schemi circuitali relativi a due differenti forme di realizzazione pratiche dello schema a blocchi di fig. 3.

In seguito non vengono descritte le fig. 1 e 2, per le quali si rimanda alla descrizione precedente.

Con riferimento alla fig. 3, in questa ? mostrato uno schema generale di una possibile forma di realizzazione di un circuito di rilevazione della distorsione di uscita secondo l'invenzione, con possibilit? di regolazione della percentuale di distorsione alla quale si desidera l'intervento del circuito e con rilevamento selettivo della distorsione sulle due semionde.

In tale figura lo stadio di uscita ? stato ancora rappresentato da un generico amplificatore operazionale 3 ricevente sull'ingresso non invertente il segnale di ingresso VIN e retroazionato tra l'uscita e l'ingresso invertente dai resistori R1, R2 in modo da generare in uscita il segnale VOUT destinato a pilotare un carico non illustrato.

Secondo l'invenzione, segnali correlati sia all'ingresso sia all'uscita dello stadio 3 vengono forniti ad almeno un comparatore che li confronta il modo da rilevare lo sbilanciamento dello stadio e quindi la presenza di clipping e pilotare opportunamente un circuito attenuatore posto a monte dello stadio di uscita 3, in modo da attenuare opportunamente il segnale di ingresso fornito a quest'ultimo e mantenere la distorsione entro valori prefissati. In particolare, il circuito interviene ad una percentuale della distorsione prefissata che pu? essere vantaggiosamente regolata in base alle esigenze. Inoltre, il circuito mostrato in fig. 3 pu? rilevare anche distorsioni non simmetriche del segnale, essendo sensibile alla distorsione sia della semionda positiva sia di quella negativa.

Il circuito comprende quindi un primo ed un secondo comparatore 5, 6 riceventi in ingresso i segnali VREF e y-, prelevati rispettivamente su un partitore di tensione formato da resistori R3, R4, collegati in serie fra l'ingresso dello stadio e la massa, e sul punto intermedio fra R1 e R2? In dettaglio, il segnale in tensione VREF, correlato linearmente al segnale di ingresso VIN e definente un'opportuna frazione di questo, ? fornito al morsetto non invertente del comparatore 5 e al morsetto invertente del comparatore 6, mentre il segnale in tensione V- ? fornito al morsetto invertente del comparatore 5 e al morsetto non invertente del comparatore 6. La tensione di ingresso VIN ? fornita anche all'ingresso non invertente di un ulteriore comparatore 8, avente il morsetto invertente collegato a massa. L'uscita del comparatore 8, generante la tensione , viene fornita direttamente in ingresso ad una prima porta di prodotto logico (porta AND) 10 e, opportunamente invertita tramite un invertitore 12, ad una seconda porta di prodotto logico (porta AND) 11. Le porte 10 e 11 ricevono inoltre rispettivamente i segnali di uscita V2 e V3 generati dai comparatori 5 e 6. Le uscite delle porte 10 e 11 vengono fornite ad una porta di somma logica negata (porta NOR) 13, che fornisce in uscita un segnale VO che viene alimentato ad un attenuatore non illustrato in grado di attenuare corrispondentemente il segnale fornito in ingresso allo stadio di uscita 3.

Il circuito di fig. 3 opera come segue (si vedano anche le fig. 4a-4g e 5). In assenza di distorsione, il segnale di uscita V0UT, che viene riportato attenuato sull'ingresso invertente dello stadio 3 tramite l? retroazione R1, R2, ? uguale al segnale di ingresso VIN presente sull'ingresso non invertente di questo stadio 3.

Quando la tensione di ingresso VIN diventa troppo grande, l'uscita, raggiunta la sua massima dinamica, non segue pi? linearmente la variazione dell'ingresso e inizia a distoreere. Tale distorsione viene riportata anche sull'ingresso invertente dello stadio 3 per cui i due ingressi di quest?ultimo non saranno pi? uguali, ma l'ingresso non invertente sar? maggiore di quello invertente. Questa situazione ? mostrata chiaramente in fig. 5, nella quale sono rappresentate le tensioni VIN, V- e VREF. Come si nota, ad un certo punto la V- non segue pi? il segnale di ingresso VIN, e corrispondenza del picco di tensione si avr? una differenza di tensione pari a ?V. Tale differenza di tensione ? funzione della percentuale di distorsione, cio? pi? la THD (Total Armonie Distorsion) aumenta, e pi? ?V diventa grande.

Il partitore variabile di fig. 3 consente di fissare la distorsione e il relativo AV ai quali si desidera l'intervento del dispositivo. In dettaglio, agendo sul partitore resistivo R3, , ? possibile regolare l'ampiezza del segnale <V>REF' che rappresenta la soglia di intervento del circuito rilevatore. Infatti, fintanto che la tensione V-rimane superiore (in valore assoluto) a VREF , il circuito non interviene, mentre quando?l'uscita VQUT raggiunge la distorsione impostata, VREF e V- sono uguali in ampiezza. Di conseguenza il confronto fra questi due segnali fornisce l'informazione relativa alla distorsione esistente.

Tale confronto viene esegiaito mediante i comparatori 5, 6, ciascuno operante su una diversa semionda. In particolare, quando la distorsione della semionda positiva supera il valore impostato tramite la VREF, quest'ultima diventa maggiore di V- (fig. 4b) e l'uscita del comparatore 5 diventa alta (fig. 4d). La distorsione sulla semionda negativa viene invece rilevata dal comparatore 6, la cui uscita diventa alta non appena la VREF diventa minore della V-(fig. 4e). Il comparatore 8 ha la funzione di consentire un prelievo corretto dell?informazione della distorsione del segnale di uscita dai comparatori 5, 6 nella relativa semionda. Infatti il comparatore 8, avendo l'ingresso invertente collegato a massa, genera in uscita il segnale rettangolare mostrato in fig. 4c, positivo nella semonda positiva, che viene utilizzato per abilitare alternativamente l'una o l'altra delle porte 10, 11, mentre la porta 13 consente di riunire le due informazioni relative alla distorsione nelle due singole semionde in un unico segnale, presentante impulsi negativi quando la distorsione supera il valore impostato.

Le figure 6 e 7 mostrano due schemi circuitali relativi a forme di realizzazione pratiche dello schema di fig. 3. Nelle parti comuni, i due schemi di fig. 6 e 7 sono stati dotati degli stessi numeri di riferimento, e sono stati evidenziati i blocchi rappresentati in fig. 3. Come si nota, il comparatore 8 ? realizzato in entrambe le soluzioni da una coppia di transistori Q3, Q4 , ad emettitori accoppiati, le cui basi sono collegate rispettivamente alla massa e all'ingresso non invertente dello stadio 3, ricevente la tensione VIN. I comparatori 5 e 6 sono formati, in fig. 6, dai transistori Q5-Q8 e, rispettivamente, Q9-Q12 in fig? 7, dai transistori Q5, Q6, Q16, Q17 e, rispettivamente, Q9 , Q10 , Q18, Q19 (che conglobano anche le funzioni delle porte 10-12 con la differenza di funzionamento spiegata pi? sotto<) >, mentre i transistori Q13-Q15 definiscono la porta NOR 13.

I circuiti delle fig. 6 e 7 funzionano sostanzialmente come gi? spiegato con riferimento alia fig. 3 anche se con la seguente differenza: i comparatori 5 e 6 di fig. 3 sono sempre funzionanti e il comparatore 8 ha la funzione di abilitare il passaggio delle loro informazioni in uscita corrispondentemente alla semionda del segnale di ingresso, invece nelle fig. 6 e 7 i comparatori funzionano solo se abilitati dal comparatore 8.

In dettaglio, il funzionamento del circuito di fig. 6 ? il seguente: durante la semionda positiva il comparatore 8 (Q3, Q4) ? sbilanciato su Q3 , quindi Q4 non conduce e la sua corrente di collettore ? nulla. Fintanto che l'uscita VOUT non supera la distorsione impostata, V- ? maggiore di il differenziale Q9, Q10 ? sbilanciato su Q9 che quindi ? in conduzione. Di conseguenza Q^ e Q^ sono accesi (con Q12 saturo a corrente nulla) e Q13 ? spento. Durante tale semionda, i transistori Q7 , Q8 sono mantenuti accesi tramite Q3, per cui Q14 ? spento, come pure Q15. L'uscita VO ? quindi alta. Quando invece, durante la semionda positiva, il segnale in uscita VOUT raggiunge un po' pi? della distorsione impostata, V- ? minore di VREF, per cui il differenziale Q9, Q10 ? sbilanciato su Q10 che ? attraversato dalla corrente del generatore 20. Di conseguenza Q11 ? spento e la sua corrente di collettore ? nulla, come pure quindi quella Q12 , grazie al collegamento a specchio fra questi due transistori. Quindi il collettore di Q10 va alto, commutando in accensione Q13 e Q14 e portando quindi l'uscita VO nello stato basso. Durante la semionda negativa il funzionamento ? analogo, con il comparatore 8 che disabilita il comparatore 5 e il comparatore 6 che pilota il transistore Q14 e quindi nello stato acceso o spento a seconda della presenza o meno di distorsione di valore impostato.

Il circuito di fig. 7 opera in modo analogo a quanto descritto per la fig. 6, con la differenza che il circuito di fig. 6 non ? compatibile a -VCC, per cui se ingressi dei comparatori vengono connessi a -VCC, , i circuito non funziona correttamente, mentre il circuito di fig. 7 ? compatibile a e quindi funziona anche nella condizione con ingressi a -VCC, il circuito di fig. 7 ? dunque pi? funzionale, anche se pi? complesso.

Come si nota dalla precedente descrizione, il trovato raggiunge pienamente gli scopi proposti. Infatti ? stato realizzato un circuito rilevatore che, grazie al rilevamento dello sbilanciamento tra l'ingresso e l'uscita, fornisce in uscita un?informazione che non dipende dalla tensione di alimentazione VCC - dalla frequenza di lavoro (nel campo di funzionamento di dispositivi audio) e dalla massima escursione del segnale di uscita..

Il circuito fornisce l'informazione di distorsione richiesta immediatemente , senza integrare il segnale di uscita ed inoltre non richiede che lo stadio di uscita sia realizzato in un modo particolare, ma ? applicabile a stadi di uscita aventi differenti strutture.

La presenza del partitore di tensione R3, R4, consente di prefissare la percentuale d? distorsione alla quale deve intervenire il circuito, percentuale che pu? essere regolata a seconda delle esigenze tramite opportuna scelta del valore delle resistenze. A tale proposito, si sottolinea il fatto che nel caso che il circuito secondo il trovato venga realizzato in modo discreto, il resistere R4 pu? essere effettivamente realizzato mediante un elemento variabile (potenziometro) mentre nel caso che il circuito venga integrato, il valore di tale resistore, scelto opportunamente a seconda delle esigenze prima della realizzazione pratica del circuito, rimane poi fissato.

La realizzazione di comparatori operanti ciascuno su una diversa semionda consente una rilevazione di distorsione separata sulle due semionde e quindi una buona precisione di rilevazione anche quando si ha distorsione non simmetrica del segnale di uscita dello stadio.

Il trovato risulta inoltre circuitalmente semplice e pu? essere integrato facilmente per cui presenta costi di fabbricazione compatibili con l'applicazione prevista.

Il trovato cos? concepito ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

Inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri tecnicamente equivalenti.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1- Circuito di rilevazione della distorsione d'uscita di stadi amplificatori, in particolare di stadi finali di dispositivi audio, detto stadio amplificatore presentando un primo ingresso ricevente un segnale in tensione da amplificare, un secondo ingresso collegato ad una rete di retroazione ed un'uscita generante un segnale di uscita amplificato, caratterizzato dal fatto di comprendere un partitore di tensione disposto fra detto primo ingresso ed una linea a potenziale di riferimento, detto partitore di tensione presentando un morsetto intermedio generante un primo segnale correlato a detto segnale in tensione, e mezzi a comparatore riceventi in ingresso detto primo segnale e un secondo segnale correlato a detto segnale in tensione e un secondo segnale correlato a detto segnale di uscita, ed atti a generare un segnale di distorsione quando detto secondo segnale supera, in valore assoluto, detto primo segnale.
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto partitore di tensione comprende almeno un resistore variabile.
3. 3. Circuito secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi a comparatore comprendono almeno un primo comparatore collegato in ingresso a detto primo ingresso di.detto stadio amplificatore e a detta linea a potenziale di riferimento ed atto a generare un segnale di abilitazione in fase con detto segnale in tensione, ed un secondo comparatore collegato in ingresso a detto morsetto intermedio di detto partitore e alla rete di'retroazione di detto stadio amplificatore ed atto a generare in uscita detto segnale di distorsione, detto secondo comparatore essendo abilitato da detto segnale di abilitazione.
4. 4. Circuito secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto secondo comparatore ? collegato a detto morsetto intermedio con il suo ingresso non invertente e a detta rete di retroazione con il suo morsetto invertente e detto primo comparatore abilita detto secondo comparatore durante la semionda positiva di detto segnale in tensione.
5. 5. Circuito secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi a comparatore comprendono un terzo comparatore collegato con il suo ingresso invertente a detto morsetto intermedio e con il suo ingresso non invertente a detta rete di retroazione, detto terzo comparatore essendo abilitato da detto primo comparatore durante la semionda negativa di detto segnale in tensione.
6. 6. Circuito secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti comparatori comprendono ciascuno un circuito differenziale, i circuiti differenziali definenti detti secondo e terzo comparatore essendo collegati ciascuno in uscita ad un rispettivo circuito a specchio di corrente abilitato dal circuito differenziale definente detto primo comparatore, ogni detto circuito a specchio di corrente pilotando un rispettivo transistore di un circuito di somma logica,
7. 7. Circuito di rilevazione della distorsione d'uscita, in particolare di stadi finali di dispositivi audio, caratterizzato dal fatto di comprendere una o pi? delle caratteristiche descritte e/o illustrate.