SE0950670A1 - Effektförstärkare - Google Patents

Abstract

Effektförstärkare för förstärkning av en elektrisk insignal i ett frekvens-arbetsområde och åstadkommande av en utsignal, innefattande ett omkopp-lingsorgan (22), filterorgan (14, 16) för alstring av en effektutsignal genomlågpassfiltrering av fyrkantsignalen, insignalorgan för mottagning av denelektriska signalen och överföring av den till en första ingång hos omkopp-lingsorganet, varvid effektförstärkaren också innefattar en återkopplingskrets(24) för återkoppling av utsignalen till den första ingången hos omkopplings-organet. Effektförstärkaren innefattar en servoförstärkare (32) förbunden föratt motta en felsignal som uppträder på den första ingången hos omkopp-lingsorganet och för att leda en korrigerande utsignal till en andra ingång hosomkopplingsorganet (22) för att neutralisera påverkan av felsignalen på ut-signalen. Uppfinningen avser en metod förstärkning av en elektrisk insignal i ettarbetsfrekvensområde. Metoden innefattar åtgärderna upptagning av en påden första ingången hos omkopplingsorganet uppträdande felsignal, för-stärkning av felsignalen i arbetsfrekvensområdet, invertering av felsignalensamt överföring av den förstärkta och inverterade felsignalen till en andra ingång hos omkopplingsorganet. AH p4293se00 ps se 11-01-03 ver. 14

Description

15 20 25 30 2 bandet. Vanligtvis innefattar en klass D-förstärkare ett andra ordningens låg- passfilter med ett förhållandevis högt Q-värde för demodulering av PWM- pulserna. Detta filter skiftar fasen asymptotiskt mot -180° och ju högre Q- värdet är desto tidigare når den -180°. När filtret belastas, minskar Q-värdet.

Själva pulsbreddsmoduleringen kan åstadkommas på olika sätt. Det mest uppenbara sättet är att använda en referenssignal, till exempel en tri- angelvågsignal och sedan jämföra insignalen eller inställningsvärdet med denna referenssignal. Varje gång dessa signaler skär varandra byter ut- gångssteget tillstånd. En nackdel med denna referenssignalteknik är att me- delvärdet hos pulståget motsvarar inställningsvärdet endast så länge som matningsspänningarna är konstanta och tillståndsbytet är oändligt snabbt.

Därtill måste naturligtvis triangelvågen vara ideal.

Referenssignaltekniken saknar helt och hållet återkoppling, vilket med- för avsaknad av styrning av demoduleringsfiltret. Det finns i själva verket två signalvägar, en från ingången till utgången och en från matningen till ut- gängen. Kanalseparationen och matningsspänningssundertryckningen blir mycket dålig. En enskild fördel är att omkopplingsfrekvensen är konstant.

Framåtkopplad matning kan användas för att minska beroendet av mat- ningsspänningen.

Användning av en digital anordning som till exempel en DSP för be- räkning av pulsbredden i stället för att jämföra inställningsvärdet med entri- angelvåg ger i grunden samma resultat. Det finns emellertid flera möjligheter att kompensera för ickeideala särdrag hos komponenter. En DSP-lösning är också mer komplicerad och dyrare.

Ett mycket effektivt sätt att åstadkomma pulsbreddsmodulering är ge- nom självsvängning. En jämförare används för att jämföra medelvärdet hos pulståget med inställningsvärdet och om felet är negativt kopplas den positi- va omkopplaren in och vice versa om det är positivt. Arbetsfrekvensen ligger nära den frekvens där återkopplingen har -180° fasvridning. Vissa lösningar använder demoduleringsfiltret för att åstadkomma medelvärdesbildningen och detta ger förstärkaren möjlighet justera fel som uppkommer i och efter demoduleringsfiltret.

AH p4293se00 ps se 11-01-03 ver. 14 10 15 20 25 30 3 Utan ytterligare kretsar skulle omkopplingsfrekvensen vara lika med fil- trets resonansfrekvens, vilken vanligen är omkring 50kHz och detta är inte acceptabelt. En nolla och nollundertrycksresistorförs in i avkänningskretsen för att pressa upp frekvensen ungefär en dekad. Denna nolla ökar modula- tionssignalens amplitud och minskar slingförstärkningen och ökar därmed olinjäriteterna. Resultatet av denna självsvängningstopologi med efterfilter är därför att den linjära distorsionen (den distorsion som inte tillför något nytt frekvensinnehåll som amplitud och fas) är mycket låg för att vara en klass D- förstärkare, men den icke-linjära distorsionen är sämre. En tidig beskrivning av självsvängande klass D förstärkare gjordes av Clayton Sturgeon i Texas, som lämnade in en patentansökan 1976 med numret US 4,041,411.

Ett senare dokument med känd teknik är WOO3/090343, som visar och beskriver en effektförstärkare för förstärkning av en elektrisk signal i ett frekvensarbetsområde, innefattande omkopplingsorgan för alstring av en fyrkantsignal genom att omväxlande koppla fyrkantsignalen till en första mat- ningsspänning och en andra matningsspänning, filterorgan för alstring av en effektutsignal genom lågpassfiltrering av fyrkantsignalen, insignalorgan för mottagning av den elektriska signalen och drivning av omkopplingsorganet och en styrkrets förbunden med effektsignalutgången och insignalorganet för styrning av effektförstärkaren.

Ytterligare en möjlighet är att lägga till en andra ordningens aktiv inte- grator som demodulerar pulståget och ger en mycket hög slingförstärkning vid låga frekvenser. Omkopplingsfrekvensen är därmed helt styrd av denna integrator och inte alls av utgångsfiltrets Q-värde. Funktionen hos denna självsvängningstopologi med förfilter är därför mycket robust och enkel, och den ger mycket låg icke-linjär distorsion, särskilt vid låga frekvenser.

I en självsvängningstopologi med förfilter blir emellertid den linjära dis- torsionen hög, dvs. frekvenssvaret och fasen är helt lastberoende och en önskad svarskurva kan endast nås med specifik lastlmpedans. Omkopplings- frekvensen hos alla självsvängningstopologier varierar med moduleringsdju- pet (pulsbredden). Detta är fördelaktigt beträffande effektiviteten, eftersom omkopplingsförlusterna blir lägre när ledningsförlusterna ökar, men om ytter- AH p4293se00 ps se 11-01-03 ver. 14 10 15 20 25 30 4 ligare en slinga läggs till för att öka slingförstärkningen finns en risk att denna slinga fångar upp omkopplingsfrekvensen, varigenom förstärkaren skulle hamna i ett destruktivt undertonssvängningsläge.

Det finns ett behov av att öka slingförstärkningen för att minska den icke-linjära och den linjära distorsionen hos självsvängande klass D- förstärkare. Vanligtvis görs detta genom att inkludera en integrator som inte- grerar skillnaden mellan utsignalen och insignalen, och därmed skapar en felsignal, för att ytterligare öka slingförstärkningen i audiobandet. Här upp- kommer åtminstone ett problem. Vid start, innan klass D-steget är i funktion, eller vid klippning av utsignalen, kommer integratorn att matas med en stor felsignal, vilken kommer att integreras tills integratorn blir mättad, varefter felet kommer att fortsätta ladda en integrerande kondensator. Detta medför att integratorn hänger sig.

Det finns följaktligen ett behov av att undanröja detta hängningsbete- ende för att kunna använda en integrator i kombination med ett klass D-steg.

UPPFINNINGEN l SAMMANFATTNING I enlighet med uppfinningen undanröjs nackdelar och problem hos för- stärkare i den kända tekniken genom åstadkommande av en självsvängande klass D-förstärkare med lägre distorsion, utan att dess frekvenssvar påver- kas. Detta åstadkoms genom tillägg av en krets som mäter felet på den ne- gativa ingången hos ett modulerande/omkopplande effektssteg hos klass D- förstärkaren och som sedan påverkar en positiv ingång (en referens till det modulerande steget) för att minimera felet. Denna typ av förstärkare kommer att ha en mycket låg linjär distorsion jämfört med andra klass D-förstärkare.

Ytterligare en fördel är att frekvenssvaret hos klass D-steget inte påverkas av felförstärka ren.

Frekvenssvaret uppvisar stor brandbredd och utgångsimpedansen är låg. Genom att lägga till en felservoförstärkare kan den icke-linjära distorsio- nen minskas avsevärt. I vissa utföranden innefattar servoförstärkaren en in- tegrator som mäter felet på den negativa ingången hos modulatorn, förstär- AH p4293se00 ps se 11-01-03 ver. 14 10 15 20 25 30 5 ker det i audioområdet, inverterar det och för det till den positiva ingången hos modulatorn (modulatorns referensingàng).

För att få förstärkaren att uppföra sig väl vid klippning och under start kan integratorn vara försedd med en låskrets för att begränsa den integre- rande signalen. Låskretsen kan vara ansluten över en i integratorn ingående kondensator. I vissa utföranden innefattar låskretsen två zenerdioder som konverterar integratorn till en spänningsföljare, om spänningen över den in- tegrerande kondensatorn överstiger zenerspänningen plus 0,7 V åt något håll. Det finns också andra sätt att realisera låskretsen.

Ett praktiskt utförande av uppfinningen jämfördes med ett standard- mässigt globalt modulerat klass D-steg med avseende på frekvenssvar och fasändring. l ett standardmässigt klass D-steg ligger punkten för förstärkning på -3dB vid 235 kHz och den absoluta fasändringen vid 20 kHz är -8 grader.

Ett utförande i enlighet med uppfinningen med en felservoförstärkare tillagd uppvisar punkten för -3dB vid 230 kHz och -10 graders fasändring vid 20 kHz. Frekvenssvaret är följaktligen i princip oförändratjämfört med ett klass D-steg i sig självt. Detta resultat kan åstadkommas med en servoförstärkare, eller felförstärkare, vilken mäter ett fel i en modulationsnod och korrigerar det genom att tillföra det till en referensingång hos modulatorn.

KORT BESKRIVNING AV RlTNlNGARNA För att tydliggöra hur det som anges ovan och andra fördelar och syf- ten med uppfinningen uppnås kommer en mera specifik beskrivning av den ovan angivna uppfinningen att framställas genom hänvisning till vissa ut- föranden av den, vilka framgår av bifogade ritningar.

Det bör noteras att dessa ritningar endast visar typiska utföranden av uppfinningen och därför inte ska betraktas som begränsande för dess om- fattning. Uppfinningen beskrivs och förklaras med ytterligare specificering och detaljer med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. 1 är ett översiktligt blockschema över en tidigare känd klass D- förstärkare, AH p4293se0O ps se 11-01-03 ver. 14 10 15 20 25 30 6 Fig. 2 är ett översiktligt blockschema över ett grundläggande utförande av en förstärkare i enlighet med uppfinningen, Fig. 3 är ett översiktligt kretsschema över ett utförande av en förstärkare i enlighet med uppfinningen, och Fig. 4 är ett översiktligt blockschema över ett alternativt utförande av en begränsningskrets.

UPPFINNINGEN I den tidigare kända förstärkare som visas i Fig. 1 mottar en icke- inverterande ingång hos en integratorkrets 10 en elektrisk insignal. En ut- gång hos integratorkretsen 10 är förbunden med ett omkopplingsorgan 12.

En effektutgång från omkopplingsorganet 10 är förbunden med ett Iågpassfil- ter, innefattande en induktans 14 och en kondensator 16. Från induktansen 14 är en lokal återkopplingsslinga 18 förbunden med en inverterande ingång hos omkopplingsorganet 13. En icke-inverterande ingång hos omkopplings- organet 13 är förbunden med en utgång hos integratorkretsen 10. En yttre återkopplingsslinga 20 förbinder induktansen 14 med en inverterande andra ingång hos integratorkretsen 10. Under förhållanden med klippning kommer integratorn att hänga sig, vilket leder till en hög andel hörbara artefakter. En möjlig förbättring vore att hålla matningsspänningen vid en lägre nivå för att begränsa hur mycket integratorn hänger sig, men detta löser inte problemen under start eller vid strömbegränsningssituationer.

I det utförande av en förstärkare i enlighet med uppfinningen som vi- sas i Fig. 2 är en utgång hos en som ett omkopplingsorgan arbetande jämfö- rare 22 förbunden med en signalutgång OUT via en induktor 14 på konven- tionellt sätt. En signalingång IN ärförbunden med en inverterande ingång hos jämföraren via en resistor R6 och genom ytterligare en resistor R3. Den inverterande ingången hos jämföraren är en modulationsnod hos förstärka- ren. En återkopplingsslinga 24 är anordnad mellan signalutgången och den inverterande ingången hos jämföraren. Den signal som uppträder på den inverterande ingången hos jämföraren kan definieras som en felsignal. I det visade utförandet innefattar återkopplingsslingan återkopplingskondensator 26 i serie med en återkopplingsresistor 28. En parallellkopplad resistor 30 AH p4293se0O ps se 11-01-03 ver. 14 10 15 20 25 30 7 ingår också i återkopplingsslingan 24. I det visade utförandet år en induktor 14 anordnad mellan jämförarens 22 utgång och signalutgången OUT.

Hos den tidigare kända i Fig. 1 visade förstärkaren används den yttre återkopplingsslingan för attjämföra utsignalen med insignalen. I enlighet med uppfinningen är en servoförstärkare 32, eller en felförstärkare, inkopp- lad för att mäta den felsignal som uppträder på modulationsnoden hos jäm- föraren. Felsignalen förstärks sedan i audioområdet och inverteras för att skapa en korrigerande utsignal. Den korrigerande utsignalen leds till en icke- inverterande ingång hos jåmföraren, vilken vanligen utgör modulatorreferen- sen. Detta leder till att felsignalen neutraliseras.

Som framgår av Fig. 2 är modulationsnoden förbunden med servoför- stärkaren 32 och närmare bestämt med en inverterande ingång hos en inte- grator 34, vilken utgör del av en integrerande krets 10. Den integrerande kretsen 10 innefattar en mellan en utgång hos integratorn 34 och den inver- terande ingången hos integratorn 34 förbunden integrerande kondensator 36. Utgången hos integratorn 34 är förbunden med den icke-inverterande ingången hos jämföraren 22 via en ledningsresistor R50. Den icke- inverterande ingången hos jämföraren är också förbunden med jord via en resistor R45.

Det i Fig. 2 visade utförandet innefattar också en Iåskrets 40 som för- bättrar förstärkarens egenskaper vid klippning och under startförhållanden.

Låskretsen innefattar en första zenerdiod 37 och en andra zenerdiod 38 vilka är kopplade i serie och i motsatta riktningar över den integrerande kondensa- torn 36. De två zenerdioderna 37, 38 gör integratorkretsen till en spännings- följare, om spänningen över den integrerande kondensatorn överstiger ze- nerspänningen plus 0,7 V i endera riktningen. Det finns också andra sätt att realisera låskretsen.

En simuleringsmodell av ett med efterföljande filter försett självsväng- ande klass D-förstårkarsteg med en felservoförstärkare för ökning av sling- förstärkningen i audioområdet visas i Fig. 3. Nedan anges endast de kompo- nenter som har väsentliga egenskaper.

AH p4293se0O ps se 11-01-03 ver. 14 10 15 20 8 En första omkopplare S1 kopplar på vid 0,001V och kopplar ur vid OV.

En andra omkopplare S2 har omvända på- och urkopplingsvärden. Omkopp- larna S1 och S2 är förbundna med en första spänningskälla 42 respektive en andra spänningskälla 44. Spänningskällorna 42 och 44 tillhandahåller erfor- derlig eller tillgänglig spänning, som i det visade utförandet är 5OV. S1 och S2 bildartillsammans omkopplingsorganet 22 baserat på en komparator och ett effektsteg. En resistor R44 och en kondensator C19 motsvarar ungefär gångtiden i komparator-omkopplingssteget (som i verkligheten finns där).

Utsignalen från omkopplingsorganet 22 leds genom induktansen 14 och upp- tas i en last RL.

Förstärkarkretsen AR1 bildar integratorkretsen 10, hos vilken en kon- densator C21 fungerar som en pol. I det visade utförandet har AR1 +/-15V som matningsspänning. En kondensator C14 och en resistor R35 pressar bort omkopplingsfrekvensen från filterresonansfrekvensen och upp till en önskad mycket högre frekvens.

De komponenter som används i det i Fig. 3 visade utförandet framgår av tabellen nedan.

Komp. Värde Komp. Värde R3 2 kOhm R50 2 kOhm R6 2 kOhm C1 1 pF R10 8,2 kOhm C14 130 pF R35 1,1 kOhm C19 20 nF R44 10 Ohm C21 1,2 nF R45 6 kOhm L1 8 pH R46 2 kOhm En mera ideal begränsare eller làskrets 40 visas i Fig. 4. En första transistor Q1 kommer att aktiveras eller leda, när en utgång hos integratorn 34 faller under 0,7V. Därigenom kommer integratorns utsignal att återkopp- las till integratorns 34 inverterande ingång genom den första transistorn Q1 och en första diod D1. På motsvarande sätt kommer den andra transistorn AH p4293se00 ps se 11-01-03 ver. 14 10 15 9 Q2 att aktiveras eller leda, när en utgång hos integratorn 34 stiger till ett vär- de över 0,7V.

Transistorerna Q1 och Q2 är konventionella transistorer och dioderna D1 och D2 är konventionella dioder. Resistorerna R8 och R9 används för att backspänna dioderna, när transistorerna Q1 och Q2 inte leder. Utsignalen från integratorn leds till jämföraren 22, som beskrivits ovan.

Det torde förstås att även om beskrivande utföranden av uppfinningen särskilt har medtagits är olika modifieringar uppenbara för en fackman, utan att skyddsomfånget och uppfinningstanken lämnas. Följaktligen är inte avsik- ten att skyddsomfånget för efterföljande patentkrav ska vara begränsat till den här förekommande beskrivningen, utan patentkraven ska tolkas så att de omfattar även sådana ekvivalenta lösningar som är uppenbara för en fackman inom det område som uppfinningen hänför sig till.

AH p4293se0O ps se 11-01-03 ver. 14

Claims (10)

10 15 20 25 30 10 PATENTKRAV

1. Effektförstärkare för förstärkning av en elektrisk insignal i ett frekvenser- betsomràde och åstadkommande av en utsignal, innefattande ett omkopp- lingsorgan (22) för alstring av en fyrkantsignal genom att omväxlande leda fyrkantsignalen till en första matningsspänning och en andra matningsspän- ning, filterorgan (14, 16) för alstring av en effektutsignal genom lågpassfiltre- ring av fyrkantsignalen, insignalorgan för mottagning av den elektriska signa- len och överföring av den till en första ingång hos omkopplingsorganet, var- vid effektförstärkaren också innefattar en återkopplingskrets (24) för åter- koppling av utsignalen till den första ingången hos omkopplingsorganet, kännetecknad av en servoförstärkare (32) förbunden för att motta en felsignal som uppträder på den första ingången hos omkopplingsorganet och för att leda en korrige- rande utsignal till en andra ingång hos omkopplingsorganet (22) för att neut- ralisera påverkan av felsignalen på utsignalen.

2. Effektförstärkare i enlighet med krav 1, varvid servoförstärkaren (32) har en förstärkande första ingång förbunden med den första ingången hos om- kopplingsorganet (22) och en utgång förbunden med en andra ingång hos omkopplingsorganet (22) och varvid servoförstärkaren (32) är utförd att för- stärka felsignalen och invertera den, innan den leds till omkopplingsorganets (22) andra ingång.

3. Effektförstärkare i enlighet med krav 1, varvid servoförstärkaren (32) inne- fattar en integrator (34, AR1) med en icke-inverterande ingång, en inverte- rande ingång och en integratorutgång, och en mellan integratorutgången och den inverterande ingången förbunden integrerande kondensator (36).

4. Effektförstärkare i enlighet med krav 3, varvid en låskrets (40) är anord- nad att begränsa en på den integrerande utgången hos integratorn (34; AR1). AH p4293se00 ps se 11-01-03 ver. 14 10 15 20 25 30 11

5. Effektförstärkare i enlighet med krav 4, varvid låskretsen (40) innefattar en första zenerdiod (37) och en andra zenerdiod (38), varvid zenerdioderna är seriekopplade i motstående riktningar över den integrerande kondensa- torn (36).

6. Effektförstärkare i enlighet med krav 3, varvid integratorns (34; AR1) inte- gratorutgång ärförbunden med den andra ingången hos omkopplingsorga- net (22) via en ledningsresistor (R50), varvid den andra ingången är en icke- inverterande ingång.

7. Effektförstärkare i enlighet med krav 1, varvid den första ingången hos omkopplingsorganet är en inverterande ingång.

8. Effektförstärkare l enlighet med krav 1, varvid dess arbetsfrekvensområde är ett audiofrekvensband.

9. Effektförstärkare l enlighet med krav 1, varvid omkopplingsorganet (12) innefattar en första omkopplare (S1) och en andra omkopplare (S2), varvid den första omkopplaren (S1) kopplar in en första spänningskälla (42) och den andra omkopplaren (S2) kopplar in en andra spänningskälla (44) för bil- dande av en utsignal.

10. Metod för att förstärka en elektrisk insignal i ett arbetsfrekvensområde och åstadkomma en utsignal genom alstring av en fyrkantsignal genom om- växlande koppla fyrkantsignalen till en första spänningskälla och till en andra spänningskälla, lågpassfiltrera fyrkantsignalen och utföra en inre återkopp- ling av utsignalen till en första ingång hos ett omkopplingsorgan, känn e teckn a d avåtgärderna upptagning av en på den första ingången hos omkopplingsorganet uppträ- dande felsignal, förstärkning av felsignalen i arbetsfrekvensområdet, invertering av felsignalen samt AH p4293se00 ps se 11-01-03 ver. 14 12 överföring av den förstärkta och inverterade felsignalen till en andra ingång hos ømkopplingsorganet. AH p4293se00 ps se 11-01-03 ver. 14