IT9047854A1 - Amplificatore a commutazione. - Google Patents
Amplificatore a commutazione.Info
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Description
DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo:
"Amplificatore a commutazione"
RIASSUNTO
Un circuito amplificatore di alta efficienza comprende un primo ed un secondo circuito modulatore. La forma d'onda di uscita dal primo modulatore viene modulata dal segnale elettrico di ingresso da amplificare. La forma d'onda di uscita dal secondo modulatore viene simultaneamente modulata con una rappresentaz ione invertita del segnale elettrico di ingresso. Le uscite dai due circuiti modulatori vengono accoppiate ad un punto di uscita in controfase (push-pull). Il carico è accoppiato attraverso un primo ed un secondo terminale di uscita del ponte per cui ad esso viene applicata una rappresentazione a tre livelli di uscita del segnale di ingresso applicato.
DESCRI Z I ONE
Campo de l l ' i nvenz i one
La presente invenzione si riferisce a procedimenti ed apparecchi per elaborare segnali audio.
Più particolarmente, la presente invenzione si riferisce ad un amplificatore di commutazione ad alta efficienza utile in un dispositivo portatile con alimentazione a pila.
Fondamento dell'invenzione
Sono noti amplificatori di commutazione ad alta efficienza utilizzabili per amplificare segnali di frequenza audio. Un sistema amplificatore tale è descritto nel brevetto statunitense No. 3185 768 di Cudahy intitolato Circuito Amplificatore.
I sistemi ad amplificatore di commutazione noti generano un segnale di commutazione modulato in larghezza di impulso in risposta al segnale audio di ingresso applicato. Il segnale modulato comprende componenti che ripetono il segnale audio di ingresso. Inoltre, esso comprende componenti di alta frequenza associate alla frequenza del segnale di commutazione e alle sue armoniche.
II segnale di commutazione modulato può essere usato per fornire segnali di ingresso a commutatori a stato solido. I commutatori a stato solido forniscono un segnale di uscita ad un carico.
Laddove il carico ha un componente induttivo, oppure c'è un filtro induttivo in serie con il carico, le componenti di frequenza più alta della corrente nel carico verranno attenuate.
A causa delle limitazioni sul valore massimo e sulla qualità dei componenti induttivi può esserci ancora un apprezzabile flusso di corrente associato alle componenti di frequenza più alta del segnale di uscita. Questo flusso di corrente è particolarmente evidente per piccole ampiezze del segnale audio di ingresso.
L'uso di un filtro induttivo è indesiderabile poiché esso aumenta le dimensioni e il peso dell 'amplificatore. Esso inoltre aumenta il costo del-L'amplificatone.
Inoltre, in assenza di un segnale audio di ingresso di modulazione, il segnale di commutazione sovente appare al carico come onda quadra. Questa onda quadra ha un'ampiezza corrispondente alla capacità di uscita picco-picco dell'amplificatore alla frequenza della forma d'onda di commutazione.
Tali unità tendono ad essere usate in ambienti portatili, con alimentazione a pila. Come risultato, è particolarmente desiderabile di minimizzare dimensioni e peso e le perdite di energia dalla batteria in particolare quando il segnale audio di ingresso ha un' ampiezza sostanzialmente zero.
Riassunto dell'invenzione
Secondo la presente invenzione, un amplificatore di commutazione ad alta efficienza fornisce una rappresentazione amplificata di un segnale di ingresso ad un carico. L'amplificatore comprende circuiteria per generare una prescelta forma d'onda di temporizzazione di alta frequenza. La forma d'onda di temporizzazione di alta frequenza è accoppiata la primo ed al secondo modulatore di larghezza di impulso. Il segnale di ingresso da amplificare è anche accoppiato ai due modulatori. Un ingresso ad uno dei due modulatori è invertito. Ogni modulatore genera una forma d'onda di commutazione modulata in larghezza di impulso in risposta a valori istantanei del segnale di ingresso.
Un circuito di commutazione di uscita a ponte in controfase (push-pull) è accoppiato alla uscita di ognuno dei circuiti di modulazione. Il carico è accoppiato attraverso un primo ed un secondo terminale del ponte di uscita.
Una rappresentazione amplificata del segnale di ingresso di frequenza audio appare attraverso il primo ed il secondo terminale di uscita dello stadio di uscita a ponte in controfase ed è erogata al carico. Se il carico è induttivo, la corrente dovuta alle componenti di alta frequenza dei segnali di commutazione modulati in larghezza di impulso verrà ottenuta fornendo una alta efficienza.
Un vantaggio particolare del presente amplificatore consiste nel fatto che se il segnale di ingresso ha un valore sostanzialmente uguale a zero, la rappresentazione amplificata erogata al carico ha pure un valore sostazialmente uguale a zero. In questa condizione al carico non viene fornito alcun segnale ad impulsi o di commutazione.
I modulatori di larghezza di impulso in una realizzazione comprendono ciascuno un comparatore per confrontare la ampiezza del segnale di ingresso con l'ampiezza della forma d'onda di temporizzazione di alta frequenza. L'ingresso ad un modulatore è una rappresentazione invertita del segnale elettrico di ingresso.
La forma d'onda di temporizzazione può essere una forma d'onda formata in modo triangolare. Alternativamente, la forma d'onda di temporizzazione può essere un dente di sega. In una realizzazione alternativa della presente invenzione, l'ingresso di temporizzazione di alta frequenza ad uno dei comparatori potrebbe essere invertita invece di invertire il segnale elettrico di ingresso.
Lo stadio di uscita a ponte, in controfase dell'amplificatore comprende quattro elementi di commutazione, come per esempio transistori ad effetto di campo. il carico è accoppiato attraverso il primo ed il secondo terminale di uscita del ponte. Come risultato delia commutazione alternativa di varie coppie degli elementi di commutazione nel ponte, al carico può essere applicato un segnale di uscita a livello triplo anche se per alimentare l'amplificatore viene usato soltanto una singola sorgente di energia elettrica.
Ancora in un'altra realizzazione, i modulatori possono comprendere ciascuno un generatore a larghezza di impulso comandato in tensione o in corrente. Il segnale di temporizzazione di alta frequenza può essere accoppiato ad un ingresso di temporizzazione ad ogni generatore. Il segnale di ingresso può essere accoppiato all'ingresso di larghezza di impulso di un generatore. Un segnale di ingresso invertito può essere accoppiato all'ingresso di larghezza di impulso del secondo generatore. La sequenza di uscita modulata i larghezza di impulsi da ognuno dei due generatori può essere accoppiata ad un corrispondente ingresso dello stadio di uscita a ponte.
In ancora un'altra realizzazione della presente invenzione, un sistema per elaborare un segnale acustico comprende circuiteria per rivelare il segnale acustico e per generare un segnale elettrico in risposta ad esso. Il segnale elettrico viene amplificato in un amplificatore di commutazione avente un primo ed un secondo circuito modulatore intercol legati come descritto sopra. L'uscita dall'amplificatore di commutazione è accoppiata ad un trasduttore per convertire i segnali elettrici amplificati in un segnale acustico di uscita.
Numerosi altri vantaggi e caratteristiche della presente invenzione diventeranno facilmente evidenti in base alla seguente descrizione particolareggiata della presente invenzione e di sue realiz zazioni, in base alle rivendicazioni ed in base ai disegni allegati nei quali vengono pienamente e comletamente descritti i particolari della presente invenzione come parte della presente descrizione. Breve descrizione dei disegni
La figura 1 è un diagramma schematico a blocchi che illustra un amplificatore di commutazione secondo la presente invenzione;
le figure 2A-2C sono un insieme di grafici che illustrano forme d'onda presenti nell'amalificatore di commutazione della figura 1 in funzione del tempo ;
la figura 3 è uno schema particolareggiato di amplificatore di commutazione secondo la presente invenzione;
la figura 4 è uno schema a blocchi di una unità di ausilio all'udito e di elaborazione audio secondo la presente invenzione;
la figura 5 è un diagramma a blocchi parziale di una alternativa configurazione del modulatore utilizzabile in un amplificatore di commutazione secondo la presente invenzione;
la figura 6 è un diagramma a blocchi parziale di ancora un altro sistema di modulazione utilizzabile in un amplificatore di commutazione secondo la presente invenzione; e
la figura 7 è uno stadio di uscita alternativo utilizzabile con uno qualsiasi dei precedentemente citati modulatori.
Descrizione particolareggiata delle realizzazioni preferite
Benché la presente invenzione sia suscettibile di essere realizzata in molte forme diverse, nel disegno viene mostrata e nella presente domanda verrà descritta nei particolari una sua realizzazione specifica con l’intendimento che la presente descrizione deve essere considerata come una esemplificazione dei principi della presente invenzione e che non si intende che essa limiti la presente invenzione alla realizzazione specifica illustrata.
La figura 1 illustra una schema a blocchi di un sistema amplificatore di commutazione 10 di alta efficienza secondo la presente invenzione. 11 sistema 10 comprende una sorgente 12 di segnali di temporizzazione o confronto di alta frequenza.
La sorgente 12 comprende un oscillatore 14 che fornisce un treno di impulsi di segnali elettrici ad un generatore di forme d'onda triangolari 16. Il generatore 16, in combinazione con l'oscillatore di temporizzazione 14, genera una forma d'onda formata in modo triangolare di frequenza dell'ordine dei 100 kHz.
Il sistema 10 comprende un primo ed un secondo comparatore 20 e 22. L'uscita dal generatore di forme d'onda triangolari 16 su una linea 24 è alimentata ad un ingresso positivo di ognuno dei comparatori 20 e 22.
Il sistema 10 comprende anche un circuito invertitore 28. Il circuito invertitore 28 può essere realizzato come amplificatore operazionale configurato in modo da avere un guadagno uguale a meno uno.
Un segnale elettrico di ingresso da amplificare viene accoppiato al sistema 10 ad una porta di ingresso 30. La porta di ingresso 30 è a sua volta accoppiata all'ingresso negativo del comparatore 20 e all'ingresso dell 'invertitore 28. L'uscita dall'invertitore 28 è accoppiata all'ingresso negativo del comparatore 22.
Come è evidente dal diagramma schematico della figura 1, i comparatori 20 e 22 ricevono la stessa forma d'onda di confronto dal generatore 16. Tuttavia, come risultato dell'invertitore 28, i segnali di modulazione applicati ai comparatori 20 e 22, rispettivamente, sono fuori fase.
L'uscita dal comparatore 20, un treno SI di impulsi modulati in larghezza di impulso, su una linea 34, è a sua volta accoppiata ad un primo elemento di commutazione 36. L'uscita dal comparatore 22, un treno S2 di impulsi modulati in larghezza di impulso, su una linea 38, è accoppiata ad un secondo elemento i commutazione 40.
Gli elementi 36, 40 formano un ponte di uscita in controfase a quattro elemnti. Poiché uno stadio di uscita a ponte è incorporato nell'ampiificatore 10, è necessaria soltanto una sorgente singola di energia elettrica (B+) per produrre un segnale di uscita a livello triplo.
L'elemento di commutazione 36 comprende un invertitore 42 con una linea di uscita accoppiata ad un primo commutatore a transistore 44. L'uscita dal comparatore 34 è accoppiata ad un secondo commutatore a transistore 46 nell'elemento di commutazione 36. L'elemento di commutazione 40 è identico all'elemento di commutazione 36.
Gli elementi conduttori di uscita 50 e 52 sono ciascuno accoppiato ai commutatori a transistore di uno corrispondente degli elementi di commutazione 36 e 40. Per esempio, l'elemento di conduzione 50 è accoppiato ai commutatori a semiconduttore 44 e 46. La medesima sorgente di tensione elettrica, la quale potrebbe essere una batteria al mercurio di bassa tensione, dell'ordine di 1,3 V, o una batteria di più alta tensione di 3 V, è accoppiata a ciascuno degli elementi di commutazione 36 e 40.
Attraverso gli elementi conduttori 50 e 52 viene generato un segnale di uscita. Un carico L può essere collegato tra di loro. Come è descritto successivamente, tra gli elementi conduttori 50, 52 appare una rappresentazione amplificata del segnale elettrico applicato alla porta di ingresso 30, la quale è quindi applicata al carico L,
Il sistema amplificatore di commutazione 10 della figura 1 è partieoiarmente vantaggioso per 11 fatto che la sua circuiteria riduce sostanzia1men· te l'ampiezza delle componenti di commutazione di alta frequenza nel segnale di uscita che appare tra gli elementi conduttori 50, 52. Come risultato, non è necessario nessun filtro induttivo separato se il carico L ha intrinsecamente una impedenza induttiva. Questo è usualmente il caso per i ricevitoridi ausilio per l'udito destinati a fornire una risposta di frequenza acustica nel normale campo di udibilità dell'ordine tra i 100 Hz e i 10.000 Hz.
La figura 2 illustra alcune delle forme d'onda associate al sistema 10 sulle linee 50, 52 per differenti condizioni di modulazione. Gli elementi di commutazione 36 e 40 come configurati nella figura 1 e pilotati dai comparatori 20 e 22 combinano i segnali elettrici sulla linea 34 e sulla linea 38 sottraendo l'uno dall'altro agli elementi di conduzione 50 e 52.
La figura 2A illustra le uscite sulle linee 50, 52 in cui il segnale elettrico di ingresso sulla porta di ingresso 30 produce una condizione di modulazione positiva al 603⁄4. 11 grafico di uscita sulle linee 50-52 è il segnale di uscita in controfase applicato al carico L. Esso corrispode alla differenza dei segnali delle linee 50, 52.
La figura 2B illustra le uscite sulle linee 50, 52 in cui il segnale elettrico di ingresso sulla porta di ingresso 30 ha un valore istantaneo zero producendo così una condizione non-modu1ata al carico L. Come si può vedere dalla figura 2B, le uscite sulle linee 50 e 52 sono identiche.
Pertanto, la differenza tra le linee 50 e 52 da' come risultato un segnale di ampiezza di valore essenzialmente zero erogato dal carico L. Questo segnale di ampiezza zero è particolarmente vantaggioso per il fatto che non è applicato alcun segnale di commutazione al carico quando la tensione elettrica di ingresso ha un valore di zero V.
Le forme d'onda della figura 2C illustrano le uscite sulle linee 50, 52 in cui il segnale elettrico di ingresso produce una condizione di modulazione negativa al 60%. Il grafico di uscita delle linee 50-52 è il segnale di uscita in controfase applicato al carico L.
La figura 3 è un diagramma schematico di un circuito secondo il sistema 10 della figura 1. Agli elementi del sistema amplificatore 10 della figura 3 che corrispondono agli elementi della figura 1 sono stati assegnati gli stessi numeri di identificazione. Nel diagramma schematico della figura 3, l'ossidatore di temporizzazione 14 è stato realizzato con una coppia di invertitori accoppiati in serie. Il generatore di forme d'onda triangolari 16 è stato realizzato con un bistabile di tipo D in combinazione ad un resistere e ad un condensatore.
Il ponte di uscita, composto degli elementi di commutazione 36 e 40 è stato illustrato nella figura 3 come realizzato con un elemento CMOS di tipo 74HCU04 commercialmente disponibile. Gli elementi comparatori 20, 22 illustrati nella figura 3 sono dispositivi di uscita a collettore aperto i quali richiedono i resistori di carico di uscita 21 e 23. Alternativamente, potrebbero essere usati comparatori aventi uscite di sollevamento (pull-up) e di abbassamento (pulì-down) per una minore dissipazione di potenza.
La figura 4 è un diagramma a blocchi globale di un ausilio per l'udito o sistema di elaborazione acustica 60. Il sistema di elaborazione acustica 60 comprende un microfono di ingresso 62. Il microfono di ingresso 62 converte un ingresso acustico Pin in un corrispondente segnale elettrico.
Il segnale elettrico dal microfono 62 può essere amplificato in un preamplificatore 64. L'uscita dal preamplificatore 64 sulla linea 30 corrisponde all ' ingresso all 'amplificatore di commutazione 10.
L'uscita dall ’amplificatore di commutazione 10 sulle linee 50, 52 può essere applicata ad un ricevitore 66. Il ricevitore 66 converte i segnali elettrici sulle linee 50, 52 in una uscita acustica p
our
Il sistema aplificatore 10 ha molti vantaggi significativi in confronto ad un amplificatore di commutazione standard di tipo della classe 0. Uno dei vantaggi del sistema 10 è che le componenti di alta frequenza del segnale di commutazione e le sue armoniche che sono presenti nella tensione di uscita sul carico sulle linee 50, 52 sono sostanzialmente meno rispetto al caso di un amplificatore di commutazione standard di tipo di classe D. Inoltre, quando la tensione di ingresso sul terminale di ingresso 30 al sistema 10 è dell 'ordine degli zero V sostanzialmente non c'è nessun segnale di commutazione applicato tra i conduttori di uscita 50, 52 come sarebbe il caso degli amplificatori di commutazione standard della classe D. Inoltre, per ingressi di basso livello, il sistema 10 preleverà meno corrente rispetto agli ampiificatori convenzionali di tipo della classe D.
Infine, con riferimento alla realizzazione particolareggiata del sistema 10 illustrata nella figura 3, variazione sulla tensione di riferimento accoppiata ad una linea 28a dell'invertitore 28 non causano un flusso netto di corrente continua attraverso il carico L. Variazioni nella tensione di riferimento VR appaiono soltanto come spostamento di modo comune nell'uscita su ognuna delle linee 50, 52. In un amplificatore standard di classe D, tali variazioni nel valore del punto quiescente di lavoro darebbero come risultato un flusso di corrente continua attraverso il carico L.
nella figura 5 è illustrato un alternativo sistema di modulazione 70 utilizzabile con l'amplificatore 10. Il sistema di modulzione 70 comprende i comparatori 20 e 22 i quali sono entrambi accoppiati alla porta di ingresso 30. Il sistema modulatore 70 comprende anche il generatore di forme d'onda tringolari 16 e l'amplificatore operazionale invertente 28. Tuttavia nel sistema modulatore 70, l'uscita del generatore di fomre d'onda triangolari 16 viene invertita prima di essere accoppiata al comparatore 22.
Le uscite dai comparatori 20, 22, i segnali S1, S2 sulle linee 34 e 38, possono essere accoppiate allo stadio di uscita 36, 40 a ponte in controfase illustrato nella figura 1.
La figura 6 illustra un altro sistema modulatore 74. II sistema modulatore 74 comprende una sorgente di impulsi di temporizzazione 76 di alta frequenza. Gli impulsi di uscita dalla sorgente 76 sono accoppiati ad ingressi di temporizzazione di circuiti 78 e 80 generatori di larghezza di impulso variabile. I circuiti 78 e 80 di larghezza di impulso variabile possono essere realizzati, per esempio, come multivibratori monostabili.
Come illustrato nella figura 6, l'ingresso di larghezza a ciascuno dei generatori 78 e 80 è accoppiato rispettivamente al segnale di ingresso ed al segnale di ingresso invertito. Le due forme d'onda SI, S2 modulta in larghezza di impulso generate sulle linee 82 e 84 possono a loro volta essere accoppiate allo stadio di uscita 36, 40 a ponte in controfase della figura 1 per pilotare il carico.
La figura 7 illustra uno stadio di uscita 90 alternativo, a terminale singolo. Lo stadio di uscita 90 utilizza una sorgente positiva e negativa in combinazione a tre elementi di commutazione a semiconduttore non-invertenti 92, 94 e 96.
Gli ingressi agli elementi di commutazione 92, 94 e 96 sono forniti tramite segnali di ingresso codificati sulle linee 92a, 94a, e 96a. Gli ingressi codificati sono derivati dalle forme d'onda dell'uscita S1 e S2 modulate in larghezza di impulso e possono essere generati usando uno qualsiasi dei sistemi di modulazione precedentemente discussi in combinazione a convenzionale logica numerica.
Le uscite dagli elementi di commutazione 92-96 sono accoppiate tra di loro ad un nodo di uscita 98 e a loro volta accoppiate al carico. Come era il caso con Io stadio di uscita in controfase 36,40 precedentemente discusso, lo stadio di uscita 90 fornisce un uscita di livello triplo al carico. Quando il valore istantaneo del segnale elettrico di ingresso è sostanzialmente di zero V, lo stadio di uscita 90 eroga sostanzialmente zero V al carico.
Verrà compreso che il presente sistema amplificatore può essere usato non soltanto per lo scopo di amplificare segnali di frequenza audio, ma anche per lo scopo i amplificare altri segnali. Altri esempi comprendono segnali di controllo come per esempio quelli che potrebbero essere usati per controllare la velocità di un albero ruotante di un motore. Inoltre, verrà compreso che il presente amplificatore è utile ogni qualvolta sia richiesto un funzionamento con alimentazione a pila, portatile, di alta efficienza.
In base a quanto precede, verrà osservato che numero variazioni e modificazioni possono essere modificate senza uscire dallo spirito e dall'ambito del concetto originale della presente invenzione. Si deve comprendere che non è intesa, nè dovrebbe essere arguita, nessuna limitazione riguardo al dispositivo specifico illustrato nella presente domanda. Si intende, ovviamente, di comprendere con le rivendicazioni allegate tutte tali modificazioni in quanto ricadenti nell'ambito delle rivendicazioni
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Amplificatore di commutazione di alta efficienza per amplificare un segnale elettrico di ingresso applicato comprendente: primi mezzi per generare una prima sequenza di impulsi avente impulsi modulati in larghezza in risposta al segnale di ingresso applicato; secondi mezzi per generare una seconda sequenza di impulsi avente impulsi modulati in larghezza in risposta ad una rappresentazione invertita del segnale di ingresso applicato; e mezzi per combinare detta prima e detta seconda frequenza di impulsi.
- 2. Amplificatore come nella rivendicazione 1 comprendente mezzi per invertire il segnale di ingresso applicato.
- 3.Ampiificatore come nella rivendicazione 1 comprendente mezzi, accoppiati a detti mezzi di generazione, per fornire una forma d'onda predeterminata di una frequenza prescelta.
- 4. Amplificatore come nella rivendicazione 3 per fornire una rappresentazione amplificata del segnale di ingresso applicato ad un carico in cui: detti primi mezzi di generazione comprendono un primo modulatore per modulare detta forma d'onda con il segnale di ingresso; detti secondi mezzi di generazione comprendono un secondo modulatore per modulare detta forma d'onda fuori fase con detto primo modulatore; e detti mezzi di combinazione comprendono uno stadio di commutazione di uscita, accoppiato a detto primo e a detto secondo modulatore, per fornire una rappresentazione amplificata del segnale di ingresso al carico.
- 5 Amplificatore come nella rivendicazione 4 comprendente un invertitore accoppiato tra il segnale di ingresso e detto secondo modulatore.
- 6. Amplificatore come nella rivendicazione 4 con detto stadio di uscita comprendente un ponte di commutazione a quattro elementi.
- 7. Ausilio all'udito incorporante un amplificatore di commutazione di alta efficienza come nella rivendicazione 1 comprendente inoltre, un alloggiamento; mezzi, portati da detto alloggiamento, per rovelare un segnale acustico di ingresso da amplificare e per generare un segnale elettrico corrispondente ad esso; detti mezzi di generazione detti mezzi di combinazione portati da detto alloggimanento con detto segnale elettrico accoppiato a detti mezzi di generazione per fornire una rappresentazione amplificata di detto segnale elettrico almeno ad un primo elemento conduttore di uscita comprendente mezzi per sopprimere i transitori di commutazione in assenza di detto segnale elettrico; e mezzi trasduttori di uscita, accoppiati a detto elemento conduttore di uscita per generare un segnale acustico corrispondente a detto segnale elettrico.
- 8. Ausilio per l'udito come nella rivendicazione 7 comprendente: mezzi per formare una forma d'onda periodica di prescelte ampiezza e frequenza.
- 9. Procedimento di elaborazione di una forma d'onda acustica impiegante un amplificatore di commutazione come nella rivendicazione 1 comprendente: il rivelare la forma d'onda acustica da elaborare; il generare un segnale elettrico di ingresso corrispondente alla forma d'onda rivelata; il generare un primo segnale modulato in larghezza di impulsi in risposta al segnale elettrico di ingresso; il generare un secondo segnale modulato in larghezza di impulsi in opposizione di fase rispetto alla modulazione del primo segnale; il sottrarre il secondo segnale di commutazione dal primo formando un segnale elettrico di uscita; e il convertire il segnale elettrico di uscita in una forma d'onda acustica di uscita.
- 10. Procedimento di elaborazione come nella rivendicazione 9 comprendente l'invertire il segnale elettrico di ingresso generato.
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