SE536297C2 - Effektförstärkare - Google Patents

Abstract

13 SAM MAN DRAG Effektförstärkare för förstärkning av en elektrisk insignal i ett frekvens-arbetsområdet och åstadkommande av en utsignal, innefattande omkopp-lingsorgan (12) för alstring av en fyrkantsignal genom omväxlande inkopplingav fyrkantsignalen till en första spänningsmatning och en andra spännings-matning, insignalorgan för mottagning av den elektriska signalen och fördrivning av omkopplingsorganet, varvid insignalorganet innefattar en integra-torkrets (10) integrerande en felsignal bildad av en skillnad mellan utsignalenoch den elektriska insignalen och åstadkommande av en integratorförstärk-ning i frekvensarbetsområdet, varvid effektförstärkaren också innefattar enlokal återkopplingskrets (18) och en yttre återkopplingskrets (20), där en ut-gång hos integratorkretsen är förbunden med ingången hos omkopplingsor-ganet En begränsningskrets (22) är anordnad för mottagning av den elekt-riska insignalen och en utsignal hos integratorkretsen och är förbunden medintegratorkretsen för att begränsa integratorkretsens förstärkning, när enskillnad som detekteras mellan den elektriska insignalen och utsignalen från integratorkretsen överstiger ett förutbestämt värde.

Description

536 39? 2 Omkopplingen mellan till och från görs vid en frekvens som vanligtvis är omkring 400kHz eller högre, vilket ger tillräckligt hög upplösning i audio- 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- gången. 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 en tri- 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 posi- tiva omkopplaren in och vice versa om det är positivt. Arbetsfrekvensen lig- ger nära den frekvens där återkopplingen har -180° fasvridning. Vissa lös- ningar använder demoduleringsfiltret för att åstadkomma medelvärdesbild- 10 15 20 25 30 536 297 3 ningen och detta ger förstärkaren möjlighet justera fel som uppkommer i och efter demoduleringsfiltret.

Utan ytterligare kretsar skulle omkopplingsfrekvensen vara lika med filtrets resonansfrekvens, vilken vanligen är omkring 50kHz och detta är inte acceptabelt. En nolla och nollundertrycksresistor förs in i avkänningskretsen för att pressa upp frekvensen ungefär en dekad. Denna nolla ökar modulat- ionssignalens 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 ,41 1.

Ett senare dokument med känd teknik är WO03/090343, 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 integ- rator som demodulerar pulståget och ger en mycket hög slingförstärkning vid låga frekvenser. Omkopplingsfrekvensen är därmed helt styrd av denna in- tegrator och inte alls av utgångsfiltrets Q-värde. Funktionen hos denna själv- svängningstopologi 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 Iastberoende och en önskad svarskurva kan endast nås med specifik Iastimpedans. Omkopplings- frekvensen hos alla självsvängningstopologier varierar med mod uleringsdju- 10 15 20 25 30 536 297 4 pet (pulsbredden). Detta är fördelaktigt beträffande effektiviteten, eftersom omkopplingsförlusterna blir lägre när ledningsförlusterna ökar, men om ytter- 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 I SAMMANFATTNING l enlighet med uppfinningen undanröjs nackdelar och problem hos för- stärkare i den kända tekniken genom åstadkommande av en självsvängande klass D-förstärkare med ett effektsteg med en lokal återkopplingsslinga som ger lokal förstärkning, och genom åstadkommande av en yttre återkopplings- slinga som ger en yttre förstärkning, varvid den lokala förstärkningen är vä- sentligen lika med den yttre förstärkningen. Genom att bibehålla den lokala förstärkningen lika med eller väsentligen lika med den yttre förstärkningen kommer resultatet att bli att utsignalen från integratorn har samma amplitud som insignalen till integratorn plus en felsignal.

Vidare har åstadkommits en begränsningskrets för mätning av skillna- den mellan insignal till och utsignal från integratorn, och om denna skillnad överstiger ett förutbestämt tröskelvärde aktiveras begränsningskretsen för att 10 15 20 25 30 536 23? 5 kraftigt minska integratorns förstärkning och slutligen sätta integratorns för- stärkning till nära ett eller ett. Detta innebär att när klass D-steget inte längre kan följa insignalen, som under start och vid klippning, kommer integratorn endast att ha förstärkningen ett.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA 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 utfö- randen 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, Fig. 2 är ett översiktligt blockschema över ett grundläggande utförande av en förstärkare i enlighet med uppfinningen, Fig. 3 är ett grundläggande kretsschema över ett utförande av en i ett ut- förande av uppfinningen ingående begränsningskrets, Fig. 4 är ett översiktligt kretsschema över ett utförande av en förstärkare i enlighet med uppfinningen, Fig. 5 är ett mera detaljerat blockschema över utförandet i Fig. 2, F ig. 6 är ett blockschema över ett inverterande utförande av en förstär- kare i enlighet med uppfinningen, Fig. 7 är ett översiktligt kretsschema över ett inverterande utförande av en förstärkare i enlighet med uppfinningen och Fig. 8 är ett översiktligt kretsschema över ett alternativt utförande av en förstärkare i enlighet med uppfinningen. 10 15 20 25 30 535 297 6 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 strömbegränsningssituaticner.

I det utförande av en förstärkare i enlighet med uppfinningen som vi- sas i Fig. 2 och Fig. 5 är i stället en begränsningskrets 22 inkopplad för att mäta skillnaden mellan utsignalen från integratorkretsen och den elektriska insignalen. I det i Fig. 2 visade utförandet är en icke-inverterande ingång hos begränsningskretsen förbunden med utgången hos integratorkretsen, och en inverterande ingång hos begränsningskretsen är ansluten för mottagning av den elektriska insignalen, En utgång hos begränsningskretsen är förbunden med den inverterande andra ingången hos integratorkretsen.

Den lokala återkopplingsslingan resulterar i en lokal förstärkning på 1IK+1 och integratorkretsen 10 försöker också upprätthålla en yttre förstärk- ning på 1/K+1. Härigenom får utsignalen från integratorn samma amplitud som insignalen till integratorn plus en felsignal. Begränsningskretsen mäter skillnaden mellan ingången och utgången hos integratorn och om denna skillnad överstiger ett förutbestämt tröskelvärde aktiveras begränsningskret- sen för att ställa in integratorns förstärkning till nära ett. Detta innebär att när klass D-steget inte kan följa insignalen, till exempel vid start och när klipp- ning uppstår, har integratorn endast förstärkningen ett. 10 15 20 25 30 535 297 7 I det utförande av en begränsningskrets som visas i Fig. 3 bestämmer och kan en första resistor R1 och en andra resistor R2 användas för att an- passa storleken på den skillnad som accepteras mellan integratorkretsens 10 ingång och utgång. En första transistor Q1 börjar leda och minskar utsig- nalen, när bas-emitterspänningen är ungefär 600 mV. Genom att välja R1 och R2 med resistansen 1 kohm kommer den högsta tillåtna felspänningen att vara 1,2V.

En simuleringsmodell av ett självsvängande klass D-steg med efterfil- ter och med en integrator på ingången för att öka slingförstärkningen i audiobandet visas i Fig. 4. Nedan beskrivs särskilt endast de komponenter som har tekniskt väsentliga egenskaper.

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 24 respektive en andra spänningskälla 26. Spänningskällorna 24 och 26 tillhandahåller erfor- derlig eller tillgänglig spänning, som i det visade utförandet är 60V. S1 och S2 bildar tillsammans omkopplingsorganet 12 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).

Den lokala förstärkningen i klass D-steget bestäms av resistor R10 och resis- tor R8 och är låst till att vara lika med den yttre förstärkningen, som bestäms av resistor R43 och resistor R42. Utsignalen från omkopplingsorganet 12 leds genom induktansen 14 och upptas i en last RL.

Förstärkarkretsen AR1 bildar integratorkretsen 10, hos vilken en kon- densator C18 fungerar som en pol och en resistor R41 begränsar DC- förstärkningen. I det visade utförandet har AR1 +/-15V som matningsspän- ning. En kondensator C14 och en resistor R35 pressar bort omkopplingsfre- kvensen från filterresonansfrekvensen och upp till en önskad mycket högre frekvens.

Begränsningskretsen 22 bildas av en resistor R45, en resistor R46, en transistor Q1, en transistor Q2, en diod D3 och en diod D4. En spännings- källa UIN representerar en elektrisk insignal. Hela utsignalen från integra- 10 15 20 25 30 535 25? 8 torkretsen 10 tas emot av begränsningskretsen, vilket resulterar i en erfor- derlig förstärkning på 1,0 hos integratorkretsen 10. Om en del av utsignalen från integratorkretsen 10 leds begränsningskretsen, kommer den erforderliga förstärkningen hos integratorkretsen att öka i motsvarande grad (se Fig. 8 och beskrivningen nedan). Genom att sätta R45 till 1kohm och R46 till 10kohm kommer det tillåtna felet att minska till omkring 600mV. Resistorer R42 och R43 bildar den yttre slingan 20. l det i F lg. 5 visade utförandet innefattar den lokala återkopplingss- lingan 18 en resistor R3 och en resistor R4. Den resulterande förstärkningen är R3/R4+1. På motsvarande sätt innefattar den yttre återkopplingsslingan 20 en resistor R5 och en resistor R6, vilket medför att den yttre förstärkning- en blir R6/R5+1.

Det alternativa utförande som visas i Fig. 6 har en inverterande integ- rator 10' och ett alternativt utförande av en begränsningskrets 22' (beskrivs ytterligare nedan med hänvisning till Fig. 7). En lokal återkopplingsslinga 18' används i en icke-inverterande förstärknings- och omkopplingsorgan 12 och innefattar en resistor R9 och en resistor R10. Den resulterande förstärkning- en blir R9/R10+1. En yttre återkopplingsslinga 20' innefattar en resistor R7 och en resistor R8, där R8 utgör en förbindelse mellan utgången OUT och en ingång hos den inverterande integratorn 10'. Den resulterande förstärk- ningen blir R8/R7.

Det i Fig. 7 visade översiktliga kretsschemat motsvarar blockschemat i Fig. 6. Omkopplingsorganet 12 bildar tillsammans med resistorerna R9 och R10 en lokal icke-inverterande förstärkare. En inverterande integrator utgörs av en förstärkningskrets 28, en resistor R11 och en kondensator C11. För- stärkningskretsen 28 bildar tillsammans med resistorerna R7 och R8 en in- verterande integrator 10' med en yttre återkopplingsslinga. Förstärknings- kretsen 28 har en utgång 29 som är förbunden med omkopplingsorganet 12.

Det i Fig. 7 visade alternativa utförandet av begränsningskretsen 22' baseras på en balanspunkt mellan en resistor R14 och en resistor R15. Så länge balanspunkten är kvar på ett nollvärde, är begränsningskretsen 22' inte aktiv. Om utgången 29 hos förstärkningskretsen 28 emellertid skulle 10 15 20 25 30 536 257 9 börja driva som ett resultat av klippning, kommer balanspunkten att driva bort från nollvärdet mot ett felvärde. När felvärdet når ett förutbestämt värde, i det visade utförandet omkring 600mV, aktiveras antingen en transistor Q5 eller en transistor Q7 och ström leds antingen genom en resistor R23 eller en re- sistor R24. Resultatet blir också att antingen transistor Q6 eller transistor Q8 kommer att leda och därigenom minska felvärdet och förhindra mättning.

I det i Fig. 7 visade utförandet är en integratorförstärkning hos integra- torkretsen 10' lika med R15/R14. lntegratorförstärkningen multiplicerad med förstärkningen hos den lokala återkopplingsslingan 18' ska vara lika med den yttre förstärkningsslinga som utgörs av en resistor R7 och en resistor R8.

Omkopplingsorganet 12 kan naturligtvis implementeras på det sätt som framgår av Fig. 4 respektive Fig. 8 (nedan).

I det i F lg. 8 visade utförandet är begränsningskretsen 22 förbunden för att jämföra en insignal UIN med en del av utsignalen från integratorkret- sen 10. Delen bestäms av en resistor R25 och en resistor R26. Om resistorn R25 är lika med resistorn R26, är delen 1/2. I detta fall har den lokala åter- kopplingsslingan 18 en förstärkning på R8+R10/R8, som multiplicerat med en integratorförstärkning måste vara lika med, eller väsentligen lika med, den yttre förstärkning som bestäms av resistor R42 och resistor R43. Genom att välja resistorn R42 och resistorn R43 så att förstärkningen blir 9,0 och välja resistor R10 och resistor R8 så att förstärkningen blir 4,5, kommer integra- torns förstärkning att bli 2,0. l enlighet med uppfinningen har åstadkommits en klass D-förstärkare med förstärkningen 1lK+1 och en framtill anordnad integrerande felförstär- kare, som arbetar för att åstadkomma en yttre förstärkning på 1/K+1 och som är försedd med en begränsningskrets som jämför insignalen med utsig- nalen från felförstärkaren och genom att verka på den negativa ingången hos felförstärkaren begränsar felet till önskad nivå.

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 536 297 10 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.

Claims (7)

10 15 20 25 30 535 297 11 PATENTKRAV

1. Effektförstärkare för förstärkning av en elektrisk insignal i ett frekvensar- betsområde och åstadkommande av en utsignal, innefattande ett omkopp- lingsorgan (12) 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 drivning av omkopplingsorganet, varvid insignalorganet innefattar en integratorkrets (10) som alstrar en av en skillnad mellan utsignalen och den elektriska insignalen bildad felsignal och som åstadkommer en integratorför- stärkning i frekvensarbetsområdet, och varvid effektförstärkaren därtill inne- fattar en lokal àterkopplingskrets (18), som leder utsignalen till en ingång hos omkopplingsorganet, och en yttre återkopplingskrets (20), som leder utsigna- len till en första ingång hos integratorkretsen (10), där en utgång hos integra- torkretsen är förbunden med ingången hos omkopplingsorganet, kännetecknad av att en begränsningskrets (22) är ansluten för att ta emot den elektriska insignalen och en utsignal från integratorkretsen och ansluten till in- tegratorkretsen för att begränsa integratorkretsens förstärkning, när en skillnad mellan den elektriska insignalen och integratorkretsens utsig- nal överstiger ett förutbestämt värde.

2. Effektförstärkare i enlighet med krav 1, varvid en första ingång hos begränsningskretsen (22) är förbunden med en ingång hos insignalorganet, en andra ingång hos begränsningskretsen är förbunden med integra- torkretsens (10) utgång, och en utgång hos begränsningskretsen (22) är förbunden med en andra ingång hos integratorkretsen (10). 10 15 20 25 30 536 297 12

3. Effektförstärkare i enlighet med krav 2, varvid integratorkretsens (10) första ingång (10) är en inverterande ingång och integratorkretsens andra ingång är en icke-inverterande ingång.

4. Effektförstärkare i enlighet med krav 1, varvid frekvensarbetsområdet är ett ljudfrekvensband.

5. Effektförstärkare i enlighet med krav 1, varvid den yttre återkopplingskret- sen har en förstärkning som är väsentligen lika med en förstärkning hos den lokala återkopplingskretsen multiplicerad med integratorförstärknlngen.

6. Effektförstärkare i enlighet med krav 1, varvid omkopplingsorganet (12) innefattar en första omkopplare (S1) och andra omkopplare (S2), varvid den första omkopplaren (S1) kopplar in en första matningsspänning (24) och den andra omkopplaren (S2) kopplar in en andra matningsspänning (26) för att skapa utsignalen.

7. Metod för förstärkning av en elektrisk insignal i ett frekvensarbetsområde och àstadkommande av en utsignal genom alstring av en fyrkantsignal ge- nom omväxlande inkoppling av fyrkantsignalen till en första spänningsmat- ning och en andra spänningsmatning, Iågpassfiltrering av fyrkantsignalen, àstadkommande av en lokal återkoppling av utsignalen till en ingång hos ett omkopplingsorgan, àstadkommande av en yttre återkoppling av utsignalen till en första ingång hos en integratorkrets, integrering och förstärkning av en felsignal uppbyggd av en skillnad mellan insignalen och utsignalen, påför- ande av den integrerade och förstärkta felsignalen till omkopplingsorganet, känneteckna d avåtgärderna bestämning av en skillnad mellan den elektriska insignalen och den integre- rade och förstärka felsignalen och begränsning av förstärkningen av felsignalen, när skillnaden mellan den elektriska insignalen och den integrerade och förstärkta felsignalen översti- ger ett förutbestämt värde.