WO1995010881A1 - Chopper amplifier - Google Patents

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WO1995010881A1
WO1995010881A1 PCT/CH1994/000199 CH9400199W WO9510881A1 WO 1995010881 A1 WO1995010881 A1 WO 1995010881A1 CH 9400199 W CH9400199 W CH 9400199W WO 9510881 A1 WO9510881 A1 WO 9510881A1
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switching
voltage
stages
outputs
amplifier according
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PCT/CH1994/000199
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Inventor
Nenad Tomljenovic
Original Assignee
Thomcast Ag
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/217Class D power amplifiers; Switching amplifiers
    • H03F3/2178Class D power amplifiers; Switching amplifiers using more than one switch or switching amplifier in parallel or in series

Definitions

  • the invention relates to the field of switching amplifiers.
  • Such a switching amplifier is e.g. known from the European patent EP-B1-0 066 904 or the German Offenlegungsschrift DE-Al-30 44 956.
  • the known amplifier consists of a number of switching stages, each of which has a DC voltage source, formed by a secondary winding of a transformer and a rectifier circuit, and a switch connected downstream.
  • the outputs of the switching stages are connected in series, and the output voltages of the switching stages can optionally be added using a diode network.
  • Such a digitally operating amplifier is used where high voltage and power are required, for example as a modulator in radio transmitters, where the amplified signal in the transmitter tube modulates the carrier oscillation, so that an amplitude-modulated oscillation arises. whose amplitude changes in accordance with a low-frequency input signal. Only as many switching stages are switched on as are required for the most accurate approximation of the input signal curve at a higher level.
  • the output voltage of the amplifier used as a modulator is of constant polarity because the amplified input signal is superimposed with a high DC voltage, which is required as an anode DC voltage for the transmitter tube. Accordingly, the switches in the individual switching stages are exclusively connected to one pole of the DC voltage source. Since the voltage generated at the load can only assume values between zero and a maximum voltage of a (e.g. positive) polarity, only signals can be amplified which only take positive values. For many applications, however, high-performance amplifiers are required, which emit both positive and negative load voltages. Examples of this are tube-less radio transmitters, high-performance function generators, network couplings, transmitters for wired communication, etc.
  • the essence of the invention therefore consists in the fact that, by suitable selection of the switching means in the switching stages and corresponding activation of these switching means at the output of the individual Neither switching stages either a positive or a negative voltage is delivered. By summing the output voltages of the switching stages, the input signal curve can then be approximated in the positive as well as in the negative value range in a step-like manner.
  • the amplifier according to the invention unlike the known amplifier - to have all switching stages switched on continuously, intermediate values between the maximum positive and negative load voltage being achieved in that some of the stages are positive and some of the stages outputs negative output voltages that subtract completely or partially from one another when the output voltages are summed.
  • the switching stages are designed such that, in addition to supplying a positive or negative voltage, they can also be without voltage, the outputs being bridged. In this way, intermediate values can be achieved in that individual stages are removed from the series circuit.
  • each switching stage comprises a bridge circuit as the switching means, the outputs of which form the outputs of the switching stage, and b) the control unit controls the bridge circuit in such a way that it activates either the positive or negative DC voltage or no voltage occurs at the outputs of the bridge circuits.
  • each switching stage manages with only one DC voltage source, which can be switched to the stage outputs by means of the bridge circuit with alternating polarity, or can be switched off entirely in the case of bridged outputs.
  • the bridge circuit preferably comprises two half bridges, which in turn each comprise two switches connected in series.
  • the common node of the switches forms a middle connection, which is assigned to the output of the bridge circuit.
  • the center connections of the half bridges are connected in series with one another and with the load. If a positive or negative voltage is to be applied to the output of the bridge circuit, diagonally opposite switches of the half bridges are closed. If no voltage is to be emitted, a pair of switches located directly opposite one another is closed.
  • the DC voltages of the DC voltage sources of all switching stages are the same. According to a first development, an improved approximation accuracy of the input signal is achieved in that the DC voltages of the DC voltage sources of a plurality of the switching stages are the same and that the DC voltage sources of some of the switching stages emit a voltage which is a fraction of the DC voltage of the other DC voltage sources.
  • a second development is characterized in that the control unit controls a part of the switching stages in such a way that they emit an output voltage that is modulated by pulse duration.
  • the two further developments namely the (preferably binary-weighted) voltage division and the additional pulse duration modulation, can substantially improve the approximation of the input signal curve with a constant or even reduced number of stages.
  • the step-shaped output signal superimposed with a pulse duration modulated signal can also be achieved by performing the pulse duration modulation with all the available stages.
  • the control unit controls the stages so that the desired signal results overall. Short pulses are achieved by switching on one stage and switching off another one a little later. If there is no remainder in the rough approximation, the pulse duration modulation has either a duty cycle of 0% or 100%.
  • a further advantage of this exemplary embodiment just explained is that the effective switching frequency of the stages is somewhat lower than the frequency of the pulse duration modulation.
  • the overall advantage of the construction according to the invention is that the switching stages can give both the positive and the negative voltage value of the DC voltage sources to their outputs. As a result, the voltage at the load can assume both positive and negative values. As a result the switching amplifier according to the invention has a substantially expanded area of application and can in particular also be used for the applications mentioned at the beginning. In addition, the switching amplifier according to the invention is characterized by a simple, modular structure, which does not even require a transformer for summing the output voltages of the switching stages.
  • FIG. 1 shows the circuit diagram of a first exemplary embodiment of the switching amplifier according to the invention, in which all stages are the same;
  • FIG. 2 shows the circuit diagram of a second exemplary embodiment of the switching amplifier according to the invention, in which, in order to improve the approximation, some of the switching stages have output voltages graded in fractions;
  • FIG. 3 shows the circuit diagram of a further exemplary embodiment of the switching amplifier according to the invention, in which a part of the switching stages is operated with pulse duration modulation to improve the approximation;
  • FIG. 7 shows a variant of the PDM fine approximation according to FIG. 5b.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a first preferred exemplary embodiment of the switching amplifier according to the invention.
  • the switching amplifier 1, to which a load 5 is connected comprises N, N> 2, switching stages 2.1 - 2.N.
  • Each switching stage contains a DC voltage source 3, which outputs a DC voltage U 0 , and a bridge circuit 6.
  • the bridge circuits 6 are composed of two half bridges 7.1 and 7.2, which are connected in parallel to the DC voltage source 3.
  • the half bridges 7.1 and 7.2 in turn each consist of a series connection of two switches, a first and third switch 8.1 and 8.3, and a second and fourth switch 8.2 and 8.4.
  • the switches 8.1 to 8.4 are preferably power semiconductors which can be switched off, for example turn-off thyristors or IGBTs, and each form a center connection 9.1 or 9.2 with the common node.
  • Parallel to the switches 8.1-8.4, freewheeling diodes 10 are arranged in a manner that is conventional per se.
  • the switching amplifier 1 also includes a control unit 4, to which one to be amplified Input signal S-j_ n can be connected and which controls the switches 8.1 - 8.4 of the bridge circuit 6.
  • the half bridges 7.1 and 7.2 of the switching stages 2.1 - 2.N are connected to one another in such a way that, apart from the first switching stage 2.1 and the Nth switching stage 2.N, the middle connection 9.2 of the second half bridge 7.2 with the middle connection 9.1 of the first half bridge 7.1 of the preceding switching stage is connected.
  • the first middle connection 9.1 of the N-th switching stage 2.N is connected to the load 5. With this type of interconnection, the output voltages U out of all bridge circuits are added across the load 5.
  • the control unit 4 now controls the switches 8.1-8.4 of the switching stages in accordance with the input signal S_ n such that a signal S out occurs at the load 5 which corresponds to the amplified input signal Si n .
  • the input signal level is divided into a number of voltage levels corresponding to the number of stages.
  • the number of voltage levels covered by the input signal is now determined and the switching stages are controlled such that an output signal S ou t is applied to the load, which approximates the input signal curve at an amplified level.
  • the remaining switching stages are controlled in such a way that there is no voltage at their outputs, but that their outputs are bridged, ie that a load current can still flow through them in both directions.
  • switches 8.1 and 8.2 or 8.3 and 8.4 are closed.
  • the switching stages controlled in this way do not contribute to the output signal, but a load current can still be used in both directions. prevents them from eating.
  • switches 8.1 and 8.4 the positive DC voltage + U 0 is given to the output; when switches 8.2 and 8.3 are closed, the negative DC voltage -U 0 occurs at the output of the bridge circuit.
  • FIG. 2 therefore shows a preferred exemplary embodiment in which, in addition to the switching stages 2.1 to 2.N, a number of switching stages 11.1 to 11.M are provided which have a DC voltage whose value is only is a fraction of the DC voltage U 0 remaining switching stages.
  • This so-called fine stages (11.1, ..., 11.) Can in particular binary gradated voltage values U 0/2 to have U 0 / (2) M.
  • the corresponding FIG. 5a shows that the approximation of the input signal curve is significantly improved by switching on these additional fine stages.
  • FIG. 5b shows the approximation in a further embodiment according to FIG. 3, in which instead of fine stages with binary stepped DC voltages, a number of additional switching stages 12.1 to 12.K are controlled in a pulse-duration modulated manner. This also results in a considerably improved approximation of the input signal curve.
  • FIG. 6 now shows a possibility of how the load on the individual stages can be compensated for as far as possible.
  • the assignment of the switching stages to the voltage stages is thus no longer fixed, and the load on the individual stages is balanced.
  • the switching sequence of the stages can be determined according to a predetermined scheme (see US Pat. No. 5,099,203). However, it can also be determined on the basis of its operating state (for example temperature) or in some other way (see EP-Bl-124 765). In addition, positive and negative output voltages can also be switched on simultaneously for a specific output signal value.
  • FIG. 7 finally shows a further variant of the approximation of the signal curve.
  • the step-shaped output signal s out, superimposed with a pulse duration modulated signal is achieved in that the pulse duration modulation is carried out with all available stages.
  • the possibly very short pulse peaks of the pulse duration modulated signal are not achieved by briefly switching on and off only one stage, but rather by switching on a specific stage and switching off another stage a short time later. Together with the load distribution principle explained above, this results in an extremely uniform loading of the individual stages. If there is no remainder in the rough approximation, the pulse duration modulation has either a duty cycle of 0% or 100%.
  • the great advantage of this embodiment, which has just been explained is that the effective switching frequency of the stages is somewhat smaller than the frequency of the pulse duration modulation.
  • the switching amplifier according to the invention thus has a structure with which both positive and negative signals can be amplified.
  • the switching amplifier according to the invention can thus be used for numerous applications.
  • it has a simple and robust construction, which in particular does not require a large space-consuming summation transformer. Label list

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Abstract

A chopper amplifier may supply both positive and negative output voltages. For that purpose, the chopper amplifier (1) has a number of switching stages (2.1-2.N). These switching stages (2.1-2.N) are interconnected by their outputs and connected in series to the load (5). They comprise each at least one direct voltage source (3) and switching means (8.1 - 8.4). The switching means are driven by a driving unit (4) in such a way that they switch through a positive or negative direct voltage (+/- Uo), or no voltage, to the outputs. In the latter case, the outputs are simultaneously bridged.

Description

B E S C H R E I B U N G DESCRIPTION
Scha1tverstärkerSwitch amplifier
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Schaltverstär¬ ker.The invention relates to the field of switching amplifiers.
Sie geht aus von einem Schaltverstärker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Schaltverstärker ist z.B. aus der Europäischen Patentschrift EP-B1-0 066 904 oder der Deut¬ schen Offenlegungsschrift DE-Al-30 44 956 bekannt.It is based on a switching amplifier according to the preamble of claim 1. Such a switching amplifier is e.g. known from the European patent EP-B1-0 066 904 or the German Offenlegungsschrift DE-Al-30 44 956.
Stand der TechnikState of the art
Der bekannte Verstärker besteht aus einer Anzahl von Schalt- stufen, welche je eine Gleichspannungsguelle, gebildet durch eine Sekundärwicklung eines Transformators und eine Gleich¬ richterschaltung, sowie einen nachgeschalteten Schalter auf¬ weisen. Die Schaltstufen sind mit ihren Ausgängen in Serie geschaltet, wobei die Ausgangsspannungen der Schaltstufen mittels eines Diodennetzwerkes wahlweise addiert werden kön¬ nen. Ein solcher digital arbeitender Verstärker kommt dort zum Einsatz, wo eine hohe Spannung und Leistung gefordert ist, wie z.B. als Modulator in Rundfunksendern, wo das ver¬ stärkte Signal in der Senderöhre die Trägerschwingung modu¬ liert, so dass eine amplitudenmodulierte Schwingung entsteht, deren Amplitude sich nach Massgabe eines niederfrequenten Eingangssignals ändert. Es werden dabei jeweils nur soviele Schaltstufen eingeschaltet, wie für eine möglichst genaue Approximation des Eingangssignalverlaufs auf höherem Pegel benötigt werden.The known amplifier consists of a number of switching stages, each of which has a DC voltage source, formed by a secondary winding of a transformer and a rectifier circuit, and a switch connected downstream. The outputs of the switching stages are connected in series, and the output voltages of the switching stages can optionally be added using a diode network. Such a digitally operating amplifier is used where high voltage and power are required, for example as a modulator in radio transmitters, where the amplified signal in the transmitter tube modulates the carrier oscillation, so that an amplitude-modulated oscillation arises. whose amplitude changes in accordance with a low-frequency input signal. Only as many switching stages are switched on as are required for the most accurate approximation of the input signal curve at a higher level.
Die AusgangsSpannung des als Modulator eingesetzten Verstär¬ kers ist dabei von gleichbleibender Polarität, weil dem ver¬ stärkten Eingangssignal eine hohe Gleichspannung überlagert ist, die als Anodengleichspannung für die Senderöhre benötigt wird. Entsprechend sind in den einzelnen Schaltstufen die Schalter ausschliesslich mit einem Pol der Gleichspannungs¬ guelle verbunden sind. Da die an der Last erzeugte Spannung nur Werte zwischen Null und einer maximalen Spannung einer (z.B. positiven) Polarität annehmen kann, können nur Signale verstärkt werden, welche ausschliesslich positive Werte an¬ nehmen. Für viele Anwendungen sind jedoch Hochleistungsver¬ stärker gefordert, welche sowohl positive als auch negative LastSpannungen abgeben. Beispiele dafür sind röhrenlose Rund¬ funksender, Hochleistungsfunktionsgeneratoren, Netzkupplun¬ gen, Sender für drahtgebundene Kommunikation etc.The output voltage of the amplifier used as a modulator is of constant polarity because the amplified input signal is superimposed with a high DC voltage, which is required as an anode DC voltage for the transmitter tube. Accordingly, the switches in the individual switching stages are exclusively connected to one pole of the DC voltage source. Since the voltage generated at the load can only assume values between zero and a maximum voltage of a (e.g. positive) polarity, only signals can be amplified which only take positive values. For many applications, however, high-performance amplifiers are required, which emit both positive and negative load voltages. Examples of this are tube-less radio transmitters, high-performance function generators, network couplings, transmitters for wired communication, etc.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Schaltverstärker anzugeben, bei welchem das Ausgangssignal sowohl positive wie auch negative Werte annehmen kann, wel¬ cher aber dennoch möglichst einfach aufgebaut ist und zuver¬ lässig arbeitet.It is therefore an object of the present invention to provide a switching amplifier in which the output signal can have both positive and negative values, but which is nevertheless constructed as simply as possible and works reliably.
Diese Aufgabe wird bei einem Schaltverstärker der eingangs genannten Art durch die Merkmale aus dem Kennzeichen des An¬ spruchs l gelöst.This object is achieved in a switching amplifier of the type mentioned at the outset by the features from the characterizing part of claim 1.
Der Kern der Erfindung besteht also darin, dass durch geeig¬ nete Wahl der Schaltmittel in den Schaltstufen und entspre¬ chende Ansteuerung dieser Schaltmittel am Ausgang der einzel- nen Schaltstufen wahlweise entweder eine positive oder eine negative Spannung abgegeben wird. Durch Summation der Aus¬ gangsSpannungen der Schaltstufen kann dann der Eingangssi¬ gnalverlauf sowohl im positiven wie im negativen Wertebereich treppenstufenartig approximiert werden.The essence of the invention therefore consists in the fact that, by suitable selection of the switching means in the switching stages and corresponding activation of these switching means at the output of the individual Neither switching stages either a positive or a negative voltage is delivered. By summing the output voltages of the switching stages, the input signal curve can then be approximated in the positive as well as in the negative value range in a step-like manner.
Grundsätzlich ist es denkbar, beim erfindungsgemässen Ver¬ stärker - anders als beim bekannten Verstärker - alle Schalt- stufen ständig eingeschaltet zu haben, wobei Zwischenwerte zwischen der maximalen positiven und negativen Lastspannung dadurch erreicht werden, dass ein Teil der Stufen positive und ein Teil der Stufen negative AusgangsSpannungen abgibt, die sich bei der Summation der Ausgangsspannungen voneinander ganz oder teilweise subtrahieren.In principle, it is conceivable for the amplifier according to the invention - unlike the known amplifier - to have all switching stages switched on continuously, intermediate values between the maximum positive and negative load voltage being achieved in that some of the stages are positive and some of the stages outputs negative output voltages that subtract completely or partially from one another when the output voltages are summed.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltstufen jedoch so ausgelegt, dass sie neben der Abgabe einer positiven oder negativen Spannung auch spannungslos sein können, wobei die Ausgänge überbrückt werden. Auf diese Weise können Zwischenwerte dadurch erreicht werden, dass ein¬ zelnen Stufen aus der Serieschaltung herausgenommen werden.According to a first preferred embodiment, however, the switching stages are designed such that, in addition to supplying a positive or negative voltage, they can also be without voltage, the outputs being bridged. In this way, intermediate values can be achieved in that individual stages are removed from the series circuit.
Grundsätzlich ist es weiterhin denkbar, beim erfindungsgemäs¬ sen Verstärker pro Schaltstufe zwei gleichartige Gleichspan- nungsguellen mit entgegengesetzter Polarität vorzusehen, die wahlweise durch die Schaltmittel mit dem Ausgang der Schalt- stufe verbindbar sind.In principle, it is also conceivable to provide two identical DC voltage sources with opposite polarity for each switching stage in the amplifier according to the invention, which can optionally be connected to the output of the switching stage by the switching means.
Besonders einfach wird der Schaltungsaufbau jedoch, wenn ge¬ mäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin- dungsgemässen Verstärkers a) jede Schaltstufe als Schaltmittel eine Brückenschaltung umfasst, deren Ausgänge die Ausgänge der Schaltstufe bilden, und b) die Ansteuereinheit die Brückenschaltung so ansteuert, dass an den Ausgängen der Brückenschaltungen entweder die positive oder negative Gleichspannung oder gar keine Spannung auftritt. Hier kommt jede Schaltstufe mit nur einer Gleichspannungs¬ guelle aus, die mittels der Brückenschaltung mit wechselnder Polung auf die Stufenausgänge geschaltet oder bei überbrück¬ ten Ausgängen ganz ausgeschaltet werden kann.However, the circuit structure becomes particularly simple if, according to a further preferred embodiment of the amplifier according to the invention, a) each switching stage comprises a bridge circuit as the switching means, the outputs of which form the outputs of the switching stage, and b) the control unit controls the bridge circuit in such a way that it activates either the positive or negative DC voltage or no voltage occurs at the outputs of the bridge circuits. Here, each switching stage manages with only one DC voltage source, which can be switched to the stage outputs by means of the bridge circuit with alternating polarity, or can be switched off entirely in the case of bridged outputs.
Vorzugsweise umfasst die Brückenschaltung zwei Halbbrücken, welche ihrerseits je zwei in Serie geschaltete Schalter um¬ fassen. Der gemeinsame Knotenpunkt der Schalter bildet je ei¬ nen Mittelanschluss, welche dem Ausgang der Brückenschaltung zugeordnet sind. Die Mittelanschlüsse der Halbbrücken sind untereinander und mit der Last in Serie geschaltet. Soll eine positive oder negative Spannung an den Ausgang der Brücken¬ schaltung gegeben werden, so werden diagonal gegenüberlie¬ gende Schalter der Halbbrücken geschlossen. Soll keine Span¬ nung abgegeben werden, so wird ein direkt gegenüberliegendes Schalterpaar geschlossen.The bridge circuit preferably comprises two half bridges, which in turn each comprise two switches connected in series. The common node of the switches forms a middle connection, which is assigned to the output of the bridge circuit. The center connections of the half bridges are connected in series with one another and with the load. If a positive or negative voltage is to be applied to the output of the bridge circuit, diagonally opposite switches of the half bridges are closed. If no voltage is to be emitted, a pair of switches located directly opposite one another is closed.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform sind die Gleichspannun¬ gen der Gleichspannungsguellen aller Schaltstufen gleich. Eine verbesserte Approximationsgenauigkeit des Eingangssi¬ gnals erreicht man gemäss einer ersten Weiterbildung dadurch, dass die Gleichspannungen der Gleichspannungsguellen einer Mehrzahl der Schaltstufen gleich sind, und dass die Gleichspannungsguellen eines Teils der Schaltstufen eine Spannung abgeben, welche einen Bruchteil der Gleichspannung der übrigen Gleichspannungsguellen beträgt.According to a further embodiment, the DC voltages of the DC voltage sources of all switching stages are the same. According to a first development, an improved approximation accuracy of the input signal is achieved in that the DC voltages of the DC voltage sources of a plurality of the switching stages are the same and that the DC voltage sources of some of the switching stages emit a voltage which is a fraction of the DC voltage of the other DC voltage sources.
Eine zweite Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit einen Teil der Schaltstufen so ansteuert, dass sie eine pulsdauermodulierte Ausgangsspannung abgeben. Durch beide Weiterbildungen, nämlich die (vorzugsweise binär gewichtete) Spannungsunterteilung und die zusätzliche Puls- dauermodulation, lässt sich die Approximation des Eingangssi¬ gnalverlaufs bei gleichbleibender oder sogar reduzierter Stu¬ fenzahl wesentlich verbessern. Das stufenförmige, mit einem pulsdauermodulierten Signal überlagerte Ausgangssignal kann auch dadurch erreicht werden, dass die Pulsdauermodulation mit allen zur Verfügung stehen¬ den Stufen ausgeführt wird. Die Ansteuereinheit steuert in diesem Fall die Stufen so an, dass insgesamt das gewünschte Signal resultiert. Kurze Pulse erreicht man dadurch, dass ei¬ ne Stufe zugeschaltet wird und wenig später eine andere weg¬ geschaltet wird. Falls bei der Grobapproximation kein Rest übrigbleibt, weist die Pulsdauermodulation entweder einen Duty Cycle von 0% oder 100% auf. Ein weiterer Vorteil dieses eben erläuterten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die effektive Schaltfreguenz der Stufen um einiges kleiner ist als die Frequenz der Pulsdauermodulation.A second development is characterized in that the control unit controls a part of the switching stages in such a way that they emit an output voltage that is modulated by pulse duration. The two further developments, namely the (preferably binary-weighted) voltage division and the additional pulse duration modulation, can substantially improve the approximation of the input signal curve with a constant or even reduced number of stages. The step-shaped output signal superimposed with a pulse duration modulated signal can also be achieved by performing the pulse duration modulation with all the available stages. In this case, the control unit controls the stages so that the desired signal results overall. Short pulses are achieved by switching on one stage and switching off another one a little later. If there is no remainder in the rough approximation, the pulse duration modulation has either a duty cycle of 0% or 100%. A further advantage of this exemplary embodiment just explained is that the effective switching frequency of the stages is somewhat lower than the frequency of the pulse duration modulation.
Besonders günstig ist es, wenn die Steuerung - wie dies für einen herkömmlichen Verstärker bereits in der EP-B1-0 124 765 beschrieben ist - so erfolgt, dass, falls eine Schaltstufe weggeschaltet werden muss, diejenige weggeschaltet wird, welche am längsten eingeschaltet war. Ebenso wird beim Zu¬ schalten diejenige Schaltstufe zugeschaltet, welche am läng¬ sten ausgeschaltet war. Dadurch erhält man eine wesentlich verbesserte Verteilung der leistungsmässigen und thermischen Belastung auf die einzelnen Stufen, was sich direkt in einer wesentlich verbesserten Lebensdauer der Schaltstufen wider¬ spiegelt. Aus demselben Grund kann die Kühlung der Stufen auch kleiner ausgelegt werden. Selbstverständlich kann in diesem Zusammenhang auch vorgesehen werden, die einzelnen Stufen zu überwachen und diejenigen Stufen aus der Ansteue¬ rung herauszunehmen, die defekt sind.It is particularly favorable if the control - as already described for a conventional amplifier in EP-B1-0 124 765 - is carried out in such a way that if a switching stage has to be switched off, the one that has been switched on longest is switched off. Likewise, when switching on, the switching stage that was switched off longest is switched on. This results in a significantly improved distribution of the performance and thermal load on the individual stages, which is directly reflected in a significantly improved service life of the switching stages. For the same reason, the cooling of the stages can also be made smaller. Of course, it can also be provided in this connection to monitor the individual stages and to remove from the control those stages which are defective.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen.Further exemplary embodiments result from the subclaims.
Der Vorteil des erfindungsgemässen Aufbaus besteht insgesamt darin, dass die Schaltstufen sowohl den positiven wie auch den negativen Spannungswert der Gleichspannungsguelle an ihre Ausgänge geben können. Dadurch kann die Spannung an der Last sowohl positive wie negative Werte annehmen. Demzufolge hat der erfindungsgemässe Schaltverstärker einen wesentlich er¬ weiterten Einsatzbereich und kann insbesondere auch für die eingangs genannten Anwendungen eingesetzt werden. Zudem zeichnet sich der erfindungsgemässe Schaltverstärker durch einen einfachen, modularen Aufbau aus, der nicht einmal einen Transformator zur Summation der AusgangsSpannungen der Schaltstufen benötigt.The overall advantage of the construction according to the invention is that the switching stages can give both the positive and the negative voltage value of the DC voltage sources to their outputs. As a result, the voltage at the load can assume both positive and negative values. As a result the switching amplifier according to the invention has a substantially expanded area of application and can in particular also be used for the applications mentioned at the beginning. In addition, the switching amplifier according to the invention is characterized by a simple, modular structure, which does not even require a transformer for summing the output voltages of the switching stages.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie¬ len im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Schaltverstärkers, bei dem alle Stufen gleich sind;1 shows the circuit diagram of a first exemplary embodiment of the switching amplifier according to the invention, in which all stages are the same;
Fig. 2 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Schaltverstärkers, bei dem zur Verbesserung der Approximation ein Teil der Schaltstufen bruchteilsmässig abgestufte Ausgangs- Spannungen aufweisen;2 shows the circuit diagram of a second exemplary embodiment of the switching amplifier according to the invention, in which, in order to improve the approximation, some of the switching stages have output voltages graded in fractions;
Fig. 3 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Schaltverstärkers, bei dem zur Verbesserung der Approximation ein Teil der Schaltstufen pulsdauermoduliert betrieben wird;3 shows the circuit diagram of a further exemplary embodiment of the switching amplifier according to the invention, in which a part of the switching stages is operated with pulse duration modulation to improve the approximation;
Fig. 4 Das Prinzip der Approximation eines verstärktenFig. 4 The principle of approximation of an amplified
Eingangssignalverlaufs mit einem Schaltverstärker gemäss Fig. 1;Input signal curve with a switching amplifier according to FIG. 1;
Fig. 5a,b Das Prinzip der verbesserten Approximation mit bi¬ när gewichteten bzw. pulsdauermodulierten Feinstu- fen mittels eines Schaltverstärkers gemäss Fig. 2 bzw. Fig. 3;5a, b The principle of improved approximation with binary weighted or pulse duration modulated fine tuning. fen by means of a switching amplifier according to FIG. 2 or FIG. 3;
Fig. 6 Das Prinzip der gleichmässigen Lastverteilung auf alle Stufen; sowieFig. 6 The principle of uniform load distribution on all levels; such as
Fig. 7 Eine Variante der PDM-Feinapproximation nach Fig. 5b.7 shows a variant of the PDM fine approximation according to FIG. 5b.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammengefasst auf¬ gelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der Uebersicht- lichkeit sind nicht alle Schaltstufen mit allen Bezugszeichen versehen.The reference symbols used in the drawings and their meaning are summarized in the list of names. In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the figures. For reasons of clarity, not all switching stages are provided with all reference symbols.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Figur 1 zeigt ein Schaltbild eines ersten bevorzugten Ausfüh¬ rungsbeispiels des erfindungsgemässen Schaltverstärkers. Der Schaltverstärker 1, an den eine Last 5 angeschlossen ist, um- fasst N, N>2, Schaltstufen 2.1 - 2.N. Jede Schaltstufe ent¬ hält eine Gleichspannungsquelle 3, die eine Gleichspannung U0 abgibt, und eine Brückenschaltung 6. Die Brückenschaltungen 6 sind aus zwei Halbbrücken 7.1 bzw. 7.2 zusammengesetzt, wel¬ che parallel zur Gleichspannungsquelle 3 geschaltet sind. Die Halbbrücken 7.1 und 7.2 bestehen ihrerseits jeweils aus einer Serieschaltung von zwei Schaltern, einem ersten und dritten Schalter 8.1 bzw. 8.3, und einem zweiten und vierten Schalter 8.2 bzw. 8.4. Die Schalter 8.1 bis 8.4 sind vorzugsweise abschaltbare Leistungshalbleiter, z.B. -Abschaltthyristoren oder IGBTs, und bilden mit dem gemeinsamen Knotenpunkt je ei¬ nen Mittelanschluss 9.1 bzw. 9.2. Parallel zu den Schaltern 8.1 - 8.4 sind jeweils in an sich üblicher Weise Freilaufdioden 10 angeordnet. Der Schaltverstärker 1 umfasst zudem eine Ansteuereinheit 4, an welche ein zu verstärkendes Eingangssignal S-j_n angeschlossen werden kann und welche die Schalter 8.1 - 8.4 der Brückenschaltung 6 ansteuert.FIG. 1 shows a circuit diagram of a first preferred exemplary embodiment of the switching amplifier according to the invention. The switching amplifier 1, to which a load 5 is connected, comprises N, N> 2, switching stages 2.1 - 2.N. Each switching stage contains a DC voltage source 3, which outputs a DC voltage U 0 , and a bridge circuit 6. The bridge circuits 6 are composed of two half bridges 7.1 and 7.2, which are connected in parallel to the DC voltage source 3. The half bridges 7.1 and 7.2 in turn each consist of a series connection of two switches, a first and third switch 8.1 and 8.3, and a second and fourth switch 8.2 and 8.4. The switches 8.1 to 8.4 are preferably power semiconductors which can be switched off, for example turn-off thyristors or IGBTs, and each form a center connection 9.1 or 9.2 with the common node. Parallel to the switches 8.1-8.4, freewheeling diodes 10 are arranged in a manner that is conventional per se. The switching amplifier 1 also includes a control unit 4, to which one to be amplified Input signal S-j_ n can be connected and which controls the switches 8.1 - 8.4 of the bridge circuit 6.
Die Halbbrücken 7.1 und 7.2 der Schaltstufen 2.1 - 2.N sind untereinander derart verbunden, dass ausser bei der ersten Schaltstufe 2.1 und der N-ten Schaltstufe 2.N jeweils der Mittelanschluss 9.2 der zweiten Halbbrücke 7.2 mit dem Mit¬ telanschluss 9.1 der ersten Halbbrücke 7.1 der vorangehenden Schaltstufe verbunden ist. Der erste Mittelanschluss 9.1 der N-ten Schaltstufe 2.N ist hingegen mit der Last 5 verbunden. Durch diese Art der Zusammenschaltung werden die Ausgangs- Spannungen Uout aller Brückenschaltungen über der Last 5 ad¬ diert.The half bridges 7.1 and 7.2 of the switching stages 2.1 - 2.N are connected to one another in such a way that, apart from the first switching stage 2.1 and the Nth switching stage 2.N, the middle connection 9.2 of the second half bridge 7.2 with the middle connection 9.1 of the first half bridge 7.1 of the preceding switching stage is connected. The first middle connection 9.1 of the N-th switching stage 2.N, however, is connected to the load 5. With this type of interconnection, the output voltages U out of all bridge circuits are added across the load 5.
Die AnSteuereinheit 4 steuert nun die Schalter 8.1 - 8.4 der Schaltstufen nach Massgabe des Eingangssignals S_n so an, dass an der Last 5 ein Signal Sout auftritt, welches dem ver¬ stärkten Eingangssignal Sin entspricht. Mit anderen Worten, der Eingangssignalpegel wird in eine der Anzahl Stufen ent¬ sprechende Anzahl von Spannungsniveaus unterteilt. Es wird nun jeweils die Anzahl der durch das Eingangssignal abge¬ deckten Spannungsniveaus bestimmt und die Schaltstufen so an¬ gesteuert, dass an der Last ein Ausgangssignal Sout anliegt, welches den Eingangssignalverlauf auf verstärktem Pegel ap¬ proximiert. Das heisst, bei einer der Anzahl abgedeckter Spannungsniveaus entsprechenden Anzahl Schaltstufen wird je nach Vorzeichen des Eingangssignals entweder die positive oder negative Gleichspannung +U0 bzw. -U0 an den Ausgang ge¬ schaltet. Die übrigen Schaltstufen werden so angesteuert, dass an ihren Ausgängen zwar keine Spannung auftritt, dass ihre Ausgänge jedoch überbrückt sind, d.h., dass sie dennoch von einem Laststrom in beiden Richtungen durchflössen werden können.The control unit 4 now controls the switches 8.1-8.4 of the switching stages in accordance with the input signal S_ n such that a signal S out occurs at the load 5 which corresponds to the amplified input signal Si n . In other words, the input signal level is divided into a number of voltage levels corresponding to the number of stages. The number of voltage levels covered by the input signal is now determined and the switching stages are controlled such that an output signal S ou t is applied to the load, which approximates the input signal curve at an amplified level. This means that with a number of switching stages corresponding to the number of covered voltage levels, depending on the sign of the input signal, either the positive or negative direct voltage + U 0 or -U 0 is switched to the output. The remaining switching stages are controlled in such a way that there is no voltage at their outputs, but that their outputs are bridged, ie that a load current can still flow through them in both directions.
Bei den nicht benötigten Schaltstufen werden die Schalter 8.1 und 8.2 oder 8.3 und 8.4 geschlossen. Die so angesteuerten Schaltstufen tragen keinen Anteil zu dem Ausgangssignal bei, ein Laststrom kann aber dennoch in beiden Richtungen unge- hindert durch sie fHessen. Durch Schliessen der Schalter 8.1 und 8.4 wird die positive Gleichspannung +U0 an den Ausgang gegeben, bei geschlossenen Schaltern 8.2 und 8.3 tritt am Ausgang der Brückenschaltung die negative Gleichspannung -U0 auf.For the switching stages that are not required, switches 8.1 and 8.2 or 8.3 and 8.4 are closed. The switching stages controlled in this way do not contribute to the output signal, but a load current can still be used in both directions. prevents them from eating. By closing switches 8.1 and 8.4, the positive DC voltage + U 0 is given to the output; when switches 8.2 and 8.3 are closed, the negative DC voltage -U 0 occurs at the output of the bridge circuit.
Dadurch erhält man an der Last 5 einen Ausgangssignalverlauf, welcher einer stufenförmigen Approximation des Eingangssi¬ gnalverlaufs auf einem höheren Pegel entspricht (siehe Figur 4) . Wie aus Figur 4 auch hervorgeht, ist die Approximation relativ grob, falls wie beim oben erläuterten Schaltverstär¬ ker alle Gleichspannungsquellen denselben Wert aufweisen. In Figur 2 ist deshalb in Weiterbildung des Verstärkers nach Figur 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem zusätzlich zu den Schaltstufen 2.1 bis 2.N eine An¬ zahl von Schaltstufen 11.1 bis 11.M vorgesehen sind, die eine Gleichspannung aufweisen, deren Wert nur einen Bruchteil der Gleichspannung U0 übrigen Schaltstufen beträgt. Diese soge¬ nannten Feinstufen (11.1, ... ,11. ) können insbesondere binär abgestufte Spannungswerte U0/2 bis U0/(2)M aufweisen. Die entsprechende Figur 5a zeigt, dass die Approximation des Ein¬ gangssignalverlaufs durch Zuschalten dieser zusätzlichen Feinstufen wesentlich verbessert wird.This gives an output signal curve at the load 5, which corresponds to a step-like approximation of the input signal curve at a higher level (see FIG. 4). As can also be seen from FIG. 4, the approximation is relatively coarse, if, as in the switching amplifier explained above, all DC voltage sources have the same value. In a further development of the amplifier according to FIG. 1, FIG. 2 therefore shows a preferred exemplary embodiment in which, in addition to the switching stages 2.1 to 2.N, a number of switching stages 11.1 to 11.M are provided which have a DC voltage whose value is only is a fraction of the DC voltage U 0 remaining switching stages. This so-called fine stages (11.1, ..., 11.) Can in particular binary gradated voltage values U 0/2 to have U 0 / (2) M. The corresponding FIG. 5a shows that the approximation of the input signal curve is significantly improved by switching on these additional fine stages.
Figur 5b zeigt die Approximation bei einer weiterer Ausfüh¬ rungsform gemäss Figur 3, bei welcher anstelle von Feinstufen mit binär abgestuften Gleichspannungen eine Anzahl von zusätzlichen Schaltstufen 12.1 bis 12.K pulsdauermoduliert angesteuert werden. Auch dadurch erhält man eine erheblich verbesserte Approximation des Eingangssignalverlaufs.FIG. 5b shows the approximation in a further embodiment according to FIG. 3, in which instead of fine stages with binary stepped DC voltages, a number of additional switching stages 12.1 to 12.K are controlled in a pulse-duration modulated manner. This also results in a considerably improved approximation of the input signal curve.
Falls die Zuordnung der Schaltstufen zu den Spannungsniveaus fest ist, werden natürlich die den tiefsten Spannungsniveaus zugeordneten weit mehr belastet als diejenigen, welche den oberen Niveaus zugeordnet sind. Figur 6 zeigt nun eine Mög¬ lichkeit, wie die Belastung der einzelnen Stufen möglichst ausgeglichen werden kann. Dabei wird jeweils diejenige Stufe zugeschaltet, welche am längsten weggeschaltet war bzw. die- jenige weggeschaltet, welche am längsten zugeschaltet war. Die Zuordnung der Schaltstufen zu den Spannungsstufen ist da¬ mit nicht mehr fest, und die Belastung der einzelnen Stufen wird ausgeglichen. Die Festlegung der Schaltreihenfolge der Stufen kann dabei nach einem vorgegebenen Schema erfolgen (siehe dazu die US-A-5,099,203) . Sie kann aber auch anhand ihres Betriebszustandes (z.B. Temperatur) oder anderweitig bestimmt werden (siehe dazu die EP-Bl-124 765) . Darüberhinaus können bei einem bestimmten Ausgangssignalwert auch positive und negative Ausgangsspannungen gleichzeitig zugeschaltet werden.If the assignment of the switching stages to the voltage levels is fixed, of course the loads assigned to the lowest voltage levels are stressed far more than those assigned to the upper levels. FIG. 6 now shows a possibility of how the load on the individual stages can be compensated for as far as possible. The stage that was switched off the longest or the switched off the one that was switched on the longest. The assignment of the switching stages to the voltage stages is thus no longer fixed, and the load on the individual stages is balanced. The switching sequence of the stages can be determined according to a predetermined scheme (see US Pat. No. 5,099,203). However, it can also be determined on the basis of its operating state (for example temperature) or in some other way (see EP-Bl-124 765). In addition, positive and negative output voltages can also be switched on simultaneously for a specific output signal value.
Figur 7 zeigt schliesslich eine weitere Variante der Approxi¬ mation des Signalverlaufs. Hier wird das stufenförmige, mit einem pulsdauermodulierten Signal überlagerte Ausgangssignal sout dadurch erreicht, dass die Pulsdauermodulation mit allen zur Verfügung stehenden Stufen ausgeführt wird. Die unter Umständen sehr kurzen Pulsspitzen des pulsdauermodulierten Signals werden nicht durch kurzzeitiges Ein- und Ausschalten nur einer Stufe erreicht, sondern durch Zuschalten einer be¬ stimmten Stufe und Wegschalten einer anderen Stufe eine kurze Zeit später. Zusammen mit dem oben erläuterten Lastvertei¬ lungsprinzip resultiert dadurch eine überaus gleichmässige Belastung der einzelnen Stufen. Falls bei der Grobapproxima¬ tion kein Rest übrigbleibt, weist die Pulsdauermodulation entweder einen Duty Cycle von 0% oder 100% auf. Der grosse Vorteil dieses ebben erläuterten Ausführungsbeispiels besteht darin, das die effektive Schaltfrequenz der Stufen um einiges kleiner ist als die Frequenz der Pulsdauermodulation.FIG. 7 finally shows a further variant of the approximation of the signal curve. Here the step-shaped output signal s out, superimposed with a pulse duration modulated signal, is achieved in that the pulse duration modulation is carried out with all available stages. The possibly very short pulse peaks of the pulse duration modulated signal are not achieved by briefly switching on and off only one stage, but rather by switching on a specific stage and switching off another stage a short time later. Together with the load distribution principle explained above, this results in an extremely uniform loading of the individual stages. If there is no remainder in the rough approximation, the pulse duration modulation has either a duty cycle of 0% or 100%. The great advantage of this embodiment, which has just been explained, is that the effective switching frequency of the stages is somewhat smaller than the frequency of the pulse duration modulation.
Insgesamt weist der erfindungsgemässe Schaltverstärker also einen Aufbau auf, mit welchem sowohl positive wie negative Signale verstärkt werden können. Damit kann der erfindungsge¬ mässe Schaltverstärker für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden. Zudem weist er einen einfachen und robusten Aufbau auf, welcher insbesondere ohne viel Platz beanspruchenden Summationstransformator auskommt. BezeichnungslisteOverall, the switching amplifier according to the invention thus has a structure with which both positive and negative signals can be amplified. The switching amplifier according to the invention can thus be used for numerous applications. In addition, it has a simple and robust construction, which in particular does not require a large space-consuming summation transformer. Label list
1 Schaltverstärker1 switching amplifier
2.1-2.N Schaltstufen2.1-2.N switching stages
3 Gleichspannungsquelle3 DC voltage source
4 Ansteuereinheit4 control unit
5 Last5 load
6 Brückenschaltung6 bridge circuit
7.1/7.2 Halbbruckenschaltung7.1 / 7.2 half-bridge circuit
8.1-8.4 Schalter8.1-8.4 switch
9.1/9.2 Mittelanschluss9.1 / 9.2 center connection
10 Freilaufdiode10 freewheeling diode
11.1-11. M Feinstufe11.1-11. M fine level
12.1-12. K pulsdauermodulierte Stufe12.1-12. K pulse duration modulated stage
U0, Ul GleichspannungU 0 , Ul DC voltage
UOUt AusgangsSpannung sin Eingangssignal sout Ausgangssignal U OUt output voltage s in input signal s out output signal

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H EP A T E N T A N S P R Ü C H E
Schaltverstärker (1) , umfassend a) eine Mehrzahl von N, N > 2, Schaltstufen (2.1-2.N), welche jeweils Ausgänge aufweisen, an denen als Aus- gangsspannung (Uout) eine Gleichspannung anliegt, und welche mit ihren Ausgängen derart in Serie geschaltet sind, dass die AusgangsSpannungen (Uout) der einzel¬ nen Schaltstufen (2.1-2.N) aufsummiert werden-, b) innerhalb jeder der Schaltstufen (2.1-2.N) wenigstens eine Gleichspannnungsquelle (3) , welche zwischen ei¬ nem Plus- und einem Minuspol eine Gleichspannung (U0) abgibt, c) innerhalb jeder der Schaltstufen (2.1-2.N) steuerbare Schaltmittel, welche wahlweise die wenigstens eine Gleichspannungsguelle (3) mit den Ausgängen der Schaltstufe verbinden, und d) eine Ansteuereinheit (4) , welche mit den Schaltmit¬ teln in den Schaltstufen (2.1-2.N) in Verbindung steht und diese nach Massgabe eines an die Ansteuer¬ einheit (4) anschliessbaren EingangsSignals (Sj_n) so ansteuert, dass an einer Last (5) , welche an die Schaltstufen (2.1-2.N) anschliessbar ist, ein Aus¬ gangssignal (Sout) auftritt, welches dem verstärkten Eingangssignal (Sin) entspricht und aus einer Summe der AusgangsSpannungen (Uout) der angesteuerten Schaltstufen (2.1-2.N) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass e) die Schaltmittel so ausgebildet sind, dass durch An¬ steuerung mittels der Ansteuereinheit (4) an den Aus¬ gängen jeder Schaltstufe wahlweise die positive oder negative Gleichspannung (+U0 bzw. -U0) der Gleich¬ spannungsguelle (3) als AusgangsSpannung (Uout) an¬ steht. Switching amplifier (1), comprising a) a plurality of N, N> 2, switching stages (2.1-2.N), each of which has outputs to which a DC voltage is applied as the output voltage (U ou t), and which with their Outputs are connected in series such that the output voltages (U ou t) of the individual switching stages (2.1-2.N) are summed up, b) at least one DC voltage source (3) within each of the switching stages (2.1-2.N) , which outputs a DC voltage (U 0 ) between a positive and a negative pole, c) switching means controllable within each of the switching stages (2.1-2.N), which optionally connect the at least one DC voltage source (3) to the outputs of the switching stage , and d) a control unit (4) which is connected to the switching means in the switching stages (2.1-2.N) and which controls them in accordance with an input signal (Sj_ n ) which can be connected to the control unit (4) that on a load (5) which is connected to the switching stages (2. 1-2.N) can be connected, an output signal (S out ) occurs which corresponds to the amplified input signal (Si n ) and is composed of a sum of the output voltages (U ou t) of the controlled switching stages (2.1-2.N) , characterized in that e) the switching means are designed such that, by means of control by means of the control unit (4), the positive or negative direct voltage (+ U 0 or -U 0 ) of the direct is optionally selected at the outputs of each switching stage ¬ voltage source (3) is available as output voltage (U out ).
2. Schaltverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel so ausgebildet sind, dass durch An¬ steuerung mittels der Ansteuereinheit (4) an den Ausgän¬ gen jeder Schaltstufe wahlweise die positive oder negati¬ ve Gleichspannung (+U0 bzw. -U0) als AusgangsSpannung (Uout) ansteht, oder keine Spannung ansteht und die Aus¬ gänge überbrückt werden.2. Switching amplifier according to claim 1, characterized in that the switching means are designed such that, by means of control by means of the control unit (4), either the positive or negative DC voltage (+ U 0 or - U 0 ) is present as the output voltage (U out ), or no voltage is present and the outputs are bridged.
3. Schaltverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) jede Schaltstufe (2.1-2.N) als Schaltmittel eine Brückenschaltung (6) umfasst, deren Ausgänge die Aus¬ gänge der Schaltstufe bilden, und b) die Ansteuereinheit (4) die Brückenschaltung (6) so ansteuert, dass an den Ausgängen der Brückenschaltun¬ gen (6) entweder die positive oder negative Gleich¬ spannung (+U0 bzw. -Uσ) oder gar keine Spannung auf¬ tritt.3. Switching amplifier according to claim 2, characterized in that a) each switching stage (2.1-2.N) comprises as switching means a bridge circuit (6), the outputs of which form the outputs of the switching stage, and b) the control unit (4) Controls the bridge circuit (6) in such a way that either the positive or negative DC voltage (+ U 0 or -U σ ) or no voltage at all occurs at the outputs of the bridge circuits (6).
4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Brückenschaltungen (6) aus einer ersten und zwei¬ ten Halbbrücke (7.1, 7.2) bestehen, welche parallel zur Gleichspannungsguelle (3) angeordnet sind, b) die erste Halbbrücke (7.1) aus einem ersten und drit¬ ten Schalter (8.1, 8.3) und die zweite Halbbrücke (7.2) aus einem zweiten und vierten Schalter (8.2, 8.4) bestehen , welche jeweils in Serie geschaltet sind, und deren gemeinsamer Knotenpunkt je einen Mit¬ telanschluss (9.1, 9.2) bildet, wobei jeder Mitte¬ lanschluss einen Ausgang der Brückenschaltung (6) bildet, c) der Mittelanschluss (9.2) der zweiten Halbbrücke (7.2) der ersten Spannungsstufe (2.1) und der Mittel¬ anschluss (9.1) der ersten Halbbrücke (7.1) der N-ten Spannungsstufe (2.N) mit der Last verbunden sind, d) die Mittelanschlüsse (9.1) der ersten Halbbrücken der übrigen Schaltstufen mit den Mittelanschlüssen (9.2) der zweiten Halbbrücke (7.2) der nächstfolgenden Schaltstufe verbunden sind bzw. dass die Mittelan¬ schlüsse (9.2) der zweiten Halbbrücken (7.2) der üb¬ rigen Schaltstufen mit den Mittelanschlüssen (9.1) der ersten Halbbrücke (7.1) der vorangehenden Schalt- stufe verbunden sind.4. Amplifier according to claim 3, characterized in that a) the bridge circuits (6) consist of a first and two half bridge (7.1, 7.2) which are arranged parallel to the DC voltage source (3), b) the first half bridge (7.1 ) consist of a first and third switch (8.1, 8.3) and the second half-bridge (7.2) consist of a second and fourth switch (8.2, 8.4), each of which is connected in series, and their common node each has a central connection (9.1, 9.2), with each center connection forming an output of the bridge circuit (6), c) the center connection (9.2) of the second half bridge (7.2) of the first voltage stage (2.1) and the center connection (9.1) of the first Half-bridge (7.1) of the N-th voltage stage (2.N) are connected to the load, d) the middle connections (9.1) of the first half-bridges of the other switching stages with the middle connections (9.2) of the second half-bridge (7.2) of the next one Switching stage are connected or that the middle connections (9.2) of the second half bridges (7.2) of the other switching stages are connected to the middle connections (9.1) of the first half bridge (7.1) of the preceding switching stage.
5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Ansteuereinheit (4) den ersten und vierten Schal¬ ter (8.1 und 8.4) schliesst, falls eine positive Spannung (+ U0) an den Ausgang einer Brückenschaltung (6) gegeben werden soll; b) die Ansteuereinheit (4) den zweiten und dritten Schalter (8.2 und 8.3) schliesst, falls eine negative Spannung (- U0) an den Ausgang einer Brückenschaltung (6) gegeben werden soll; und c) die Ansteuereinheit (4) entweder den ersten und zwei¬ ten Schalter (8.1 und 8.2) oder den dritten und vier¬ ten Schalter (8.3 und 8.4) schliesst, falls gar keine Spannung an den Ausgang einer Brückenschaltung (6) gegeben werden soll.5. Amplifier according to claim 4, characterized in that a) the control unit (4) closes the first and fourth switches (8.1 and 8.4) if a positive voltage (+ U 0 ) is given to the output of a bridge circuit (6) shall be; b) the control unit (4) closes the second and third switches (8.2 and 8.3) if a negative voltage (- U 0 ) is to be given to the output of a bridge circuit (6); and c) the control unit (4) either closes the first and second switches (8.1 and 8.2) or the third and fourth switches (8.3 and 8.4) if no voltage is given to the output of a bridge circuit (6) should.
6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Gleichspannungen (U0) der Gleich¬ spannungsguellen (3) aller Schaltstufen (2.1-2.N) gleich sind.6. Amplifier according to one of claims 1 to 5, characterized ge indicates that the DC voltages (U 0 ) of the DC voltage sources (3) of all switching stages (2.1-2.N) are the same.
7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Gleichspannungen (U0) der Gleich¬ spannungsguellen (3) einer Mehrzahl der Schaltstufen (2.1-2.N) gleich sind, und dass die Gleichspannungsguel¬ len (3) eines Teils (11.1-11.N) der Schaltstufen eine Spannung (Ul) abgeben, welche einen Bruchteil der Gleichspannung (U0) der übrigen Gleichspannungsguellen (3) beträgt.7. Amplifier according to one of claims 1 to 5, characterized ge indicates that the DC voltages (U 0 ) of the DC voltage sources (3) of a plurality of switching stages (2.1-2.N) are the same, and that the DC voltage sources (3) of a part (11.1-11.N) of the switching stages emit a voltage (Ul) which is a fraction of the DC voltage (U 0 ) of the other DC voltage sources (3).
8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (4) einen Teil (12.1-12.K) der Schaltstufen so ansteuert, dass sie eine pulsdauermodulierte Ausgangsspannung (Uout) abgeben.8. Amplifier according to one of claims 1 to 5, characterized in that the control unit (4) has a part (12.1-12.K) controls the switching stages so that they emit a pulse duration modulated output voltage (U ou t).
9. Verstärker nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Ansteuereinheit (4) die Schaltstufen (2.1-2.N bzw. 11.1-11.M bzw. 12.1-12.K) so nach Massgabe des EingangsSignals (Sj_n) ansteuert, dass eine Zuordnung der weg- bzw. zuzuschaltenden Stufen anhand ihres Be¬ triebszustandes erfolgt.9. Amplifier according to one of claims 1-8, characterized gekenn¬ characterized in that the control unit (4), the switching stages (2.1-2.N or 11.1-11.M or 12.1-12.K) in accordance with the input signal (Sj_ n ) controls that the stages to be switched on or off are assigned on the basis of their operating state.
10. Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass a) falls eine Schaltstufe weggeschaltet werden muss, diejenige Schaltstufe weggeschaltet wird, welche am längsten eingeschaltet war, und b) falls eine Schaltstufe zugeschaltet werden muss, die¬ jenige Schaltstufe zugeschaltet wird, welche am läng¬ sten ausgeschaltet war.10. Amplifier according to claim 9, characterized in that a) if a switching stage has to be switched off, that switching stage is switched off which has been switched on for the longest, and b) if a switching stage has to be switched on, that switching stage is switched on which longest was turned off.
11. Verstärker nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Ansteuereinheit (4) alle Stufen (2.1- 2.N) so ansteuert, dass ein Ausgangssignal (Sout) resul¬ tiert, welches einer Ueberlagerung einer stufenförmigen Grobapproximation und einer pulsdauermodulierten Feinap¬ proximation entspricht.11. Amplifier according to one of claims 1-10, characterized gekenn¬ characterized in that the control unit (4) controls all stages (2.1-2.N) so that an output signal (S ou t) results, which is a superimposition of a corresponds to step-like rough approximation and a pulse duration modulated fine approximation.
12. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (8.1-8.4) Abschaltthyristoren oder IGBTs umfassen und parallel zu den Schaltern Freilaufdioden12. Amplifier according to claim 4, characterized in that the switches (8.1-8.4) comprise turn-off thyristors or IGBTs and freewheeling diodes in parallel with the switches
(10) vorgesehen sind. (10) are provided.
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