NO313479B1 - Forsterker klasse D - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en forsterker klasse D som beskrevet i innledningen til krav 1.

Når det gjelder en lang rekke bærbare produkter innen tele-kommunikasjon, video og audiometrikk, så vel som høreapparat-er og annen' mikroelektronikk, spiller utstyrets vekt og fysiske dimensjoner en viktig rolle for utstyrets anvendelsesområde og markedsførbarhet.

Strømforbruket hører typisk til de viktige faktorer som er bestemmende nettopp for vekten og de fysiske dimensjoner til det bærbare utstyr. Derfor er det i mange forbindelser avgjø-rende at det gjøres forsøk på å redusere strømforbruket så mye som mulig.

Funksjonen til en forsterker klasse D innebærer pulsbreddemo-dulasjon av et konstant, høyfrekvent signal via et egentlig signal, f.eks. et audiosignal. Det modulerte signal spres over en belastning, slik som en høyttaler, og siden det høy-frekvente signal er av betydelig høyere frekvens enn overfø-ringsområdet for det lavpassfilter som utgjør belastningen, blir de høyfrekvente modulasjonskomponenter filtrert bort.

Forsterkere klasse D karakteriseres ved at de er bygd opp av ét lite antall komponenter, og ved at de bruker meget lite strøm sammenlignet med, for eksempel, forsterkere klasse AB.

Et typisk problem med kjente forsterkere klasse D er imidlertid at relativt høy likestrøm-hvilestrøm går gjennom belastningen når det ikke finnes noe signal.

I patentpublikasjon nr. US-A-5 352 986 er det beskrevet og vist en forsterker klasse D hvor hvilestrømmen er minimert ved tilbakekopling av et signal som er utledet fra de gjen-nomsnittlige respektive pulstider for to høyfrekvente pulser av motsatt polaritet, hvilke er pulsbreddemodulert og brukt til å drive effekttrinnet for en tilkoplet belastning. Det er derved kompensert for de forskyvningsfeil (offset-feil) som kan oppstå i forbindelse med de analoge komponenter i pulsbreddemodulatoren, og som ved ikke-signal fører til uønsket likestrøm gjennom belastningen.

Dette dokument danner grunnlaget for den innledende del i patentkrav 1.

Kretsen ifølge US-A-5 352 986 ansees imidlertid ikke å være i stand til å tilveiebringe en tilstrekkelig nøyaktig kompense-ring for strømmer av likestrøm som går gjennom belastningen.

Det er et primært formål med ovennevnte oppfinnelse ytterligere å redusere likestrømsfeilen i en forsterker klasse D med likestrømstilbakekopling.

Det er et ytterligere formål ved oppfinnelsen å minisere bru-ken av analoge kretselementer så mye som mulig og derved redusere produksjonskostnadene for koplingen, f.eks. ved å gjø-re bruk av ASIC-utforming i en stor del av kretsen, og i stor utstrekning redusere eller helt unngå justering og kalibre-ring av koplingen.

Disse mål er nådd med oppfinnelsen som beskrevet i patentkrav 1.

Den hermed oppnådde forsterker klasse D er én med særlig høy effektivitet og lave produksjonskostnader.

Med den herværende kopling oppnås en likestrøm-feilstrøm som typisk er mindre enn 0,1 % av toppnivået.

Koplingen krever ikke noen justering og er ytterst tempera-turstabil.

Dessuten oppviser koplingen en meget liten grad av overslags-forvrengning, hvilken vanligvis merkes best ved lave signal-nivåer .

For kjente forsterkere klasse D foregår driften typisk med en viss tidsoverlapping for å redusere overslagsforvrengningen. Hvis inngangssignalet er under en viss grense, blir det frem-deles generert signaler som er korte, og som er samtidig på begge utganger. Ellers ville det være et dødt bånd hvor en signalendring fra ikke-signal til et visst lavere signalnivå vil forårsake en trinnvis endring i utgangssignalet. Den herværende kopling gjør det mulig å redusere tidsoverlappingen flere tierpotenser, slik at effektforbruket ved ikke-signal blir redusert tilsvarende.

Videre er det også oppnådd en viss besparelse i strøm ved at kompleksiteten av feiljusteringskretsen er sterkt redusert. Fig. 1 viser en forsterker klasse D ifølge oppfinnelsen, og Fig. 2 viser signalsekvensene for forsterkeren klasse D iføl-ge oppfinnelsen.

Et inngangssignal, i dette tilfelle et lydsignal, passerer kondensatoren C8 og føres til en forforsterker som inneholder en operasjonsforsterker IC8B, hvis forsterkning reguleres av det regulerbare motstandsnett Rf, og hvis forskyvningsnivå

(of f set-nivå) kan stilles inn ved hjelp av spenningen Vbias som påføres operasjonsforsterkerens positive inngang. Det analoge signal F forsterket i operasjonsforsterkeren IC8B fø-res til en tradisjonell pulsbreddemodulator som hovedsakelig er sammensatt av følgende kretselementer: konstantstrømsgene-rator II/kondensator C5, som danner en rampegenerator, komparator IC7B og OR-krets IC5A.

En systemklokke-krets er oppbygd på vanlig måte om en kvarts-krystall til generering av en klokkefrekvens som er relativt høy i forhold til inngangssignalet, for eksempel 32 kHz. Denne krets genererer et systemklokke-signal A som inverteres i et bufferledd, NAND-krets IC3A.

Systemklokke-signalet A konverteres til rampetilbakestillingssignalet D av kretselementene IC3B, rampetilbakestil-ling-tidsinnstillingskrets R8/Cll/0R-krets IC2A, hvorved leddet R8/C11 bestemmer varigheten av rampetilbakestillingspulsen D. Rampetilbakestillingssignalet D stiller rampegene-ratoren I1/C5 på null via den elektriske bryter IC6A, slik at et sagtannformet referansesignal E med relativt høy frekvens blir generert. Dette sagtannede referansesignal E sammenlig-nes med det akustisk avledede signal F i komparatoren IC7B, hvis utgangssignal danner det pulsmodulerte utgangssignal G. Det pulsbreddemodulerte signal H blir generert fra signalet G av OR-kretsen IC5A, hvis driftssyklus tilsvarer det analoge inngangssignals amplitude på et gitt tidspunkt.

En differansegenerator som består av OR-kretsen IC2C og NAND-kretsen IC3C, konverterer det pulsbreddemodulerte pulstog H til to bipolare pulstog I og J. Disse pulserte drivsignaler må nå forsterkes direkte og anvendes på en belastning slik som en høyttaler.

Et signal, referanseklokke eller ref-klokke C, er på lignende måte utledet fra systemklokke-signalet A og forsinkes i forhold til dette gjennom et bufferledd, IC2B og IC2D, på en slik måte at ref-klokke C er tidsmessig forskjøvet fra, men ellers forløper synkront med, rampetilbakestillingssignalet

D.

Ref-klokke-signalet C styrer ved hjelp av OR-kretsen IC2C at den bakre flanke av de enkelte pulser i pulstoget I praktisk er nesten sammenfallende med en positiv endring C0 i ref-klokke-signalet C. På lignende måte styrer ref-klokke-signalet C ved hjelp av NAND-kretsen IC3C at de ledende kan-ter av enkeltpulsene i pulstoget J er praktisk nesten sammenfallende med en positiv endring C0 i ref-klokke-signalet C. Et effekttrinn IC1B forsterker signalene I og•J og er koplet direkte til terminalene for en belastning som i dette tilfel-let er en høyttaler. Dette effekttrinn er tilveiebrakt med stigetidsbegrensende utganger for å redusere høyfrekvent ut-stråling fra effekttrinnet.

De respektive pulsdrivsignaler I og J driver over respektive invertorer IC6A og IC6B hver sin elektriske bryter, hvis ut-tak er knyttet sammen i koplingen K. Signalet I driver bryteren IC4B som genererer pulser med en positiv referansespen-ning, mens signalet J driver bryteren IC4C som genererer pulser med spenningen 0. Informasjon angående likestrømsfeil kan utledes direkte fra signalene I og J når det ikke blir påført noe signal på forsterkerens inngang, siden pulslengden til ett av signalene I eller J direkte vil uttrykke en fase-feil som representerer likestrømsfeilen, og som lett oppstår avhengig av toleransene for de analoge komponenter, blant an-net på grunn av forskyvningsfeil og forsinkelser i pulsbred-demodulasj onskretsen.

Signalet K blir integrert over leddet R3/C4 som således danner en gjennomsnittsverdi av de respektive pulstog I og J og dermed representerer likestrømsfeilen som har oppstått i pulsbreddemodulatoren. Signalet som også blir filtrert for høyfrekvente bestanddeler av R2/C6, f.eks. uventede feil (glitches), blir tilbakekoplet til komparatorens IC8B positive inngang, hvorved forskyvning (offset) blir justert for å kompensere for den likestrømsfeil som har oppstått.

Signalsekvensene ifølge oppfinnelsen vil nå bli beskrevet nærmere under henvisning til fig. 2.

Det sees av fig. 2 at signalene A, B og C, som alle er utledet fra systemklokken, er forskjøvet i forhold til hverandre. Dette gjøres for å motvirke de negative effekter av uventede feil fra sagtannsgeneratoren. Det sees at ref-klokke-signalet C er litt forsinket i forhold til rampetilbakestillingspulsen D, og siden denne puls D bestemmer sagtannspulsen E, er en periode i referanseklokkesignalet C av nøyaktig samme varig-het som, men noe forskjøvet for, en periode i sagtannspulsen

E.

Signalene er vist svarende til en periode av signalet A på omtrent 32 um, som motsvarer et systemklokke-signal på 32 kHz.

Det sees av den stigende flanke C0 at ref-klokke C ligger ved midtpunktet mellom flankene på en sagtannspuls. Dette punkt representerer et referansepunkt på hver sagtannspuls. Punktet utgjør ikke nødvendigvis det nøyaktige geometriske midtpunkt mellom flankene på sagtannspulsen, men definerer et punkt som har samme posisjon på hver sagtannspuls.

På fig. 2 er det vist et antall signalverdier for det forsterkede og forskyvningsjusterte (offset-justerte), analoge inngangssignal F hvor de er lagt oppå sagtannspulsen E. Fh representerer et høyt signalnivå, F± representerer et signalnivå nær hvilespenning, og Fi representerer et lavt signalnivå.

Signalet A er vist for en periode tilsvarende systemklokke-signalet på 32 kHz.

Signalsekvensene innbefattende dannelsen av signaldrivpulsene G, H, I og J for disse tre inngangsnivåer er vist med tegnene h, i og 1 nedenfor sagtannspulsen E på fig. 2.

I det høye signalnivås Fh tilfelle, vil komparatoren IC7B skifte fra høy til lav når sagtannspulsen E overskrider Fh. Denne endring definerer den bakre flanke av det bipolare pulsdrivsignal In. Den ledende flanke av pulsdrivsignalet Ih er definert ved den stigende flanke C0 på ref-klokke C.

I det lave signalnivås Fi tilfelle, gjelder det på analogt vis at komparatoren IC7B skifter fra høy til lav når sagtannspulsen E overstiger Fx. Dette skift definerer den ledende flanke på det bipolare pulsdrivsignal li. Den bakre flanke på pulsdrivsignalet Ih er definert ved den stigende flanke C0 på ref-klokke C.

Som forklart ovenfor, representerer signalet K et såkalt fa-sefeilsignal og er integrert for spenningen Vbias som tilbake-koples til komparatoren som en forskyvningsspenning for å kompensere for likestrømsfeil.

I hvilesignalets Fi tilfelle sees det at komparatoren IC8B gir opphav til en endring i Hi fra høy til lav med en viss forsinkelse i forhold til klokkesignalet ref-klokke C. Dette betyr at. Ji går ned kortvarig, og at et pulstog derved blir overført fra denne utgang, mens den andre utgang I er konstant. Dette feilsignal vil gi opphav til en likestrøm-feilstrøm gjennom belastningen.

Disse korte feilpulser vil imidlertid bli integrert over in-tegratorleddet R3/C4, hvor resultatet blir at spenningen over C4, Vbias, vil regulere forskyvningen i vekselstrøm-inngangssignalet via komparatoren IC8B, slik at ovennevnte feilpulser vil bli justert ned til en forsvinnende liten ver-di.

Det følger umiddelbart av ovennevnte eksempel at amplituden på Vbias-korrigeringssignalet vil avhenge av lengden på pulsen Ji eller, med andre ord, lengden på den tid som pulsen Ji blir forsinket i forhold til referansepunktet definert ved den positive flanke C0 på signalet ref-klokke C.

Det er ikke bare konstante hvilesignaler i nærheten av refe-ransemidtpunktet på sagtannssignalet ved amplitudeverdier tilsvarende C0 på ref-klokke som vil føre til at Vbias reguleres. Når et vekselstrømssignal påføres inngangen, vil en re-sulterende likestrøm-feilstrøm føre til at Vbias blir regulert svarende til likestrømsfeilen, siden vekselstrømsbidragene er av motsatt polaritet og av lik størrelse.

Claims (5)

1. Forsterker klasse D til forsterkning av et inngangssignal, f.eks. et lydsignal, omfattende en pulsbreddemodulator, i hvilken et høyfrekvent referansesignal (E) blir pulsbreddemodulert av inngangssignalet, en differansegenerator i hvilken det genereres et par bipolare pulsdrivsignaler (I, J) med driftssykluser tilsvarende størrelsen på inngangssignalet på et gitt tidspunkt, og en feilgenerator som ved de to pulsdrivsignaler danner et signal som tilsvarer den gjennomsnitt-lige likestrømskomponent i pulsdrivsignalene, og som blir tilbakekoplet til pulsbreddemodulatoren for justering av mo-dulatoren, slik at det forsterkede vekselstrømssignals gjen-nomsnittlige likestrømsdel beveger seg mot null, karakterisert ved at det høyfrekvente referansesignal genereres fra et første klokkesignal (A), og ved at enten den fremre flanke eller den bakre flanke på enkeltpulsene i de respektive pulsdrivsignaler (I, J) styres for å forløpe synkront med et andre klokkesignal (C) utledet fra det første klokkesignal (A).

2. Forsterker klasse D ifølge krav 1, karakterisert ved at pulsbreddegeneratoren omfatter en sag-tannsgenerator (II, C5, IC6A) som genererer et sagtannsformet høyfrekvent referansesignal (E), og en komparator (IC7B), i hvilken et forskyvningsjustert og forsterket signal (F) i inngangssignalet blir sammenlignet med sagtannssignalet (E), hvorved det første klokkesignal (A) definerer sagtannspulsen (E) innbefattende varigheten av nevnte sagtannspuls (E), og en referansetid (C0) definert ved det andre klokkesignal (C) som ligger mellom to nedadgående flanker for en sagtannspuls (E), og ved at enkeltpulsene i hvert respektivt pulstog av pulsdrivsignalene (I, J) har en flanke som er praktisk nesten sammenfallende med ovennevnte referansetid (C0) , hvor varigheten av de enkelte drivpulser er bestemt'i forhold til denne tid (Co) , slik at likestrømsfeilen i pulsdrivsignalene (I, J) gir opphav til reguleringen av forskyvningen for signalet (F) forsterket fra inngangssignalet ved sammenligning med sag-tannsreferansesignalet (E) i forhold til forsinkelsen på denne tid (C0) .

3. Forsterker klasse D ifølge krav 2, karakterisert ved at et tredje klokkesignal (D) som utledes fra det første klokkesignal (A), og som direkte genererer sagtannssignalet (E), er litt forskjøvet i forhold til referanseklokkesignalet (C), slik at uventede feil (glitches) som kan oppstå ved genereringen av sagtannssignalet (E), ikke har noen virkning på dannelsen av pulsdrivsignalene (I, J) styrt av det andre klokkesignal (C).

4. Forsterker klasse D ifølge ett av de foregående krav 2 - 3, karakterisert ved at et utgangssignal (G) fra komparatoren (IC7B), hvor det utledede inngangssignal blir sammenlignet med sagtannssignalet (E), blir ført videre til en første digital, grunnleggende, logisk operator (IC5A) som danner et signal (H), og ved at pulsdrivsignalene (I, J) dannes herfra via en andre og tredje grunnleggende, logisk operator (IC2C, IC3C) som fungerer som buffere, og som blir utløst av det andre klokkesignal (C) fra den første grunnleggende, logiske operators (IC5A) utgangssignal (H) på en slik måte at enkeltpulsene i pulsdrivsignalene (I, J) aldri er ak-tive samtidig, men ligger i tilstøting til hverandre på et tidspunkt som er praktisk nesten sammenfallende med C0.

5. Forsterker klasse D ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det første klokkesignal