WO2009150056A1 - Verstärkeranordnung und verfahren zur signalverstärkung - Google Patents

Verstärkeranordnung und verfahren zur signalverstärkung Download PDF

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WO2009150056A1
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input
output
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pulse
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PCT/EP2009/056473
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Bernhard Greimel-Rechling
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Austriamicrosystems Ag
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Definitions

  • the invention relates to an amplifier arrangement and a method for signal amplification, which are based on the principle of switched amplification.
  • Electronic amplifiers are often based on a Class A or Class AB principle in which an analog signal is continuously amplified in single-ended or push-pull operation via gain elements such as transistors.
  • Today, however, electronic amplifiers are increasingly used which operate according to the class D principle.
  • Such amplifiers may also be referred to as switching amplifiers, English switching amplifiers.
  • an analog signal is converted, for example, by comparison with a triangular wave in a pulse width modulated, PWM signal.
  • the pulse width modulated signal drives an active element that couples supply connections to an output. The switching operation improves the efficiency of such an amplifier over continuously amplifying amplifiers.
  • the signal processing within the switching amplifier also depends on an available supply voltage.
  • the signal from which the pulse-width modulated signal is derived can assume a level at which a DC signal is produced at the output of a PWM modulator used therefor, which leads to distortions at the amplifier output.
  • a speaker connected to the amplifier output may be damaged or destroyed by this DC signal.
  • this can result in an unfavorable overall harmonic distortion, English total harmonic distortion, THD of the amplifier.
  • additional pulses may be inserted in the PWM signal, thereby but the actually amplifying signal is falsified.
  • An embodiment of an amplifier arrangement comprises an amplifier input, an amplifier output, a signal processing element, a pulse modulator, an output stage and a level control unit.
  • the signal processing element has a first input, which is coupled to supply an input signal to the amplifier input, and a second input for supplying a sudyaksig- signal.
  • the signal processing element further comprises a
  • Control input for supplying a control signal and an integrator element, which is the input side coupled to the first and second input and the output side to an output of the signal processing element.
  • the signal processing element is configured to set a respective level of the input signal or the feedback signal or the input signal and the feedback signal in response to the control signal.
  • the pulse modulator is set up to generate a pulse signal at a pulse output as a function of a signal present at the output of the signal processing element.
  • the output stage comprises a switching element that is set up to supply supply voltage. To connect terminals with an output terminal which is coupled to the amplifier output and the second input.
  • the output stage further comprises a control unit for controlling the switching element, which is coupled to the pulse output.
  • the level control unit is set up to generate the control signal in such a way that the respective level in the signal processing element is reduced as a function of exceeding a predetermined duty ratio of the pulse signal at the pulse output.
  • the pulse modulator has a comparison element and a signal generator which is set up to generate a periodic oscillation, for example a triangular oscillation or a sawtooth oscillation, at a generator output.
  • the predicate is coupled on the input side to the output of the signal processing element and the generator output and the output side to the pulse output.
  • the pulse signal exceeds the preset duty cycle, theoretically, longer phases may occur without switching in the output stage.
  • the duty cycle is determined from the time relationship between high and low levels of the pulse signal, for example, reference is made to a period of the periodic oscillation.
  • the input signal and the feedback signal which is tapped at the output terminal of the output stage, are fed to the integrator element at an adjustable level. If in the level control unit exceeding the predetermined
  • the control signal for the signal processing element is changed so that a level of the input signal or the feedback signal or both is reduced.
  • the reduced input level at the integrator element consequently also leads to a reduced level of the integrated signal at the output of the integrator element.
  • This in turn results in a changed tactile ratio of the pulse signal at the output of the pulse modulator. Since unwanted DC components in the pulse signal or in the output signal at the output terminal of the output stage are thus avoided, the signal quality of the output signal is improved, in particular with respect to harmonic distortions. In addition, the improved signal quality can be achieved over a whole available supply voltage range, even at maximum output power.
  • the level control unit is coupled to the pulse output and configured to determine a duty cycle of the pulse signal and compare it to the predetermined duty cycle. For example, a level change in the pulse signal is evaluated during a predetermined period. If there is no level change, for example, the level of the integrated signal at each time of the period is greater than a maximum value of a periodic oscillation or less than a minimum value of the periodic oscillation and thus outside of a meaningful or permissible range. In this case, therefore, the presence of a duty ratio of 100% is detected in the pulse signal, which is higher than a predetermined duty ratio, which should be less than 100%. Accordingly, the control signal for the signal processing element is adjusted with respect to a smaller input level at the integrator element until, for example, pulses or edge changes occur again in the pulse signal.
  • the level control unit has a level input coupled to the output of the signal processing element and a level output coupled to the control input of the signal processing element.
  • the level control unit is set up to generate the control signal in such a way that, depending on a comparison of a signal at the level input with a first threshold value, the respective level in the signal processing element is reduced.
  • the integrated signal on the output signal of the signal processing element is compared with a first threshold which is a predetermined value below the maximum value of a triangular wave. This first threshold corresponds to a certain duty cycle in
  • this first threshold value is exceeded, a predetermined duty cycle is also exceeded, this duty cycle corresponding to a value less than 100%.
  • this duty cycle corresponding to a value less than 100%.
  • the comparison of the integrated signal can also be carried out additionally or alternatively with a threshold value which lies above a minimum value of the triangular oscillation by a predetermined value. In this case, it is thus checked whether this threshold value is undershot by the integrated signal, in order then to effect a corresponding reduction of the level at the integrator input.
  • the level control unit determines whether the integrated signal at the output of the integrator element is at a boundary between a threshold value and a maximum value or minimum value of the triangular wave, to trigger a reduction of the input level.
  • the level control unit may be further configured to generate the control signal such that the reduction of the respective level in the signal processing element is withdrawn in response to a comparison of the signal at the level input with a second threshold value. For example, it is determined by a comparison of the integrated signal with the second threshold value, whether a reduction of the level in the signal processing element falls below a second threshold value, which lies below the maximum value of the three-cornered oscillation and below the first threshold value. In this case, the reduction of the level in the signal processing element can be withdrawn to allow a desired, higher level in the signal processing element. Alternatively or additionally, it can also be checked whether the integrated signal is greater than a further threshold, which is above the minimum value of the triangular oscillation and above the lower threshold value from the aforementioned embodiment. Also in this case the reduction of the level in the signal processing element can be withdrawn.
  • the reduction of the reduction may also be time-dependent in the various embodiments.
  • the level control unit is adapted to generate the control signal such that the reduction of the respective level in the
  • Signal processing element is withdrawn after a predetermined time after the reduction.
  • a counter can be triggered or reset, which then measures a time since the last reduction process. If the predetermined time has passed without further reduction, the reduction can be withdrawn. The redemption can be done at once or step by step.
  • the signal processing element has a preamplifier which is connected between the first input and the integrator element.
  • the preamplifier is set up to adjust the level of the input signal as a function of the control signal.
  • the input signal at the amplifier input is amplified by the preamplifier with a certain amplification factor.
  • This amplification factor can be reduced by the control signal under the conditions mentioned above in order to reduce the level of the input signal at the integrator element.
  • the signal processing element may comprise a digital-to-analog converter which is connected between the first input and the integrator element.
  • the digital-to-analog converter is set to adjust the level of the input signal in response to the control signal.
  • the amplifier arrangement is arranged to supply a digital input signal at the amplifier input. This is converted by the digital-to-analog converter in the signal processing element into a corresponding analog signal which has a level that can be adjusted by the control signal in the digital-to-analog converter.
  • Converter can be fed directly to the integrator element or alternatively via a preamplifier described above.
  • the adjustment of the level of the input signal can be done both in the digital-to-analog converter and in the pre-amplifier.
  • the signal processing element has an impedance-based feedback network, which is connected between the second input and the integrator element and is set up to adjust the level of the feedback signal as a function of the control signal.
  • the feedback network can be used, for example, as a be carried out state-based voltage divider, wherein corresponding resistance values are adjustable in dependence of the control signal.
  • reactive elements such as capacitors or coils can also be provided in the feedback network, which at the same time enable filtering of the feedback signal. In this case, at least one of the reactive elements is adjustable by the control signal in its impedance value.
  • the switching element in the output stage may comprise, for example, a transistor-based half-bridge or a transistor-based full bridge.
  • a transistor-based half bridge usually a positive or a negative supply voltage is switched through to the output terminal, in each case depending on the pulse signal.
  • the reference voltage for the voltage at the output terminal is usually a ground potential or another potential that lies between two supply voltages.
  • a full bridge generates a differential output signal by switching a supply voltage to a differential output terminal.
  • the output terminal may be directly connected to the amplifier output or coupled via a low-pass filter.
  • an input signal is supplied and combined with a feedback signal.
  • the combined signal is integrated.
  • a pulse signal is generated.
  • An output signal is generated in which a supply voltage is switched controlled in dependence on the pulse signal. From the output signal, the feedback signal is generated.
  • a level value is determined as a function of a pulse duty factor of the pulse signal. In the described method, a respective level of the
  • Input signal and / or the feedback signal before the grain Combine reduced when a duty cycle corresponding to the level value exceeds a predetermined duty cycle.
  • a duty ratio of the pulse signal is kept within an allowable frame, undesirable DC components in the pulse signal and the output signal generated therefrom can be avoided. This leads to an improved signal quality of the output signal, in particular because harmonic distortions in the output signal are reduced or avoided.
  • An amplifier arrangement and a method for signal amplification according to one of the embodiments described above are preferably suitable for use in portable audio systems which are intended to provide the greatest possible output power over a large supply voltage range. Particularly in the case of audio signals, the low harmonic distortions of the exemplary embodiments described have a positive effect.
  • portable audio systems in which an amplifier arrangement according to one of the described embodiments can be used are MP3 players, mobile telephones, mobile radio systems, toys with audio functions, health products with audio functions or other similar products.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an amplifier arrangement
  • FIG. 2 shows a signal-time diagram of a triangular oscillation
  • FIG. 3 shows a signal-time diagram of a sawtooth oscillation
  • Figure 5 shows a third embodiment of an amplifier arrangement.
  • Figure 1 shows an embodiment of an amplifier arrangement with a signal processing element SVE, which has a first input II which is coupled to an amplifier input AIN, and a second input 12 which is coupled to an amplifier output AOT or an output terminal OOT an output stage OST.
  • An output SOT of the signal processing element SVE is coupled to a pulse modulator PM whose pulse output POT is connected to a control unit CU of the output stage OST.
  • the control unit CU is coupled to control terminals of transistors Tl, T2 whose controlled paths are connected in series and together form a switching element SW.
  • the series connection of the transistors T1, T2 is connected between supply voltage terminals V1, V2.
  • a connection node of the transistors T1, T2 forms the output terminal OOT of the output stage OST, which is coupled to the amplifier output AOT.
  • the signal processing element SVE has a first and a second level matching element Sl0, S20, which are coupled on the input side to the first and the second input II, 12, respectively. Outputs of the level matching elements S10, S20 are connected to a combining element S30, which is coupled on the output side to an integrator element INT. An output of the integrator element INT is connected to the output SOT of the signal processing element SVE.
  • the level adjusting elements Sl0, S20 are for setting a respective level of them continuous signals connected to a control input CIN for supplying a control signal.
  • the pulse modulator PM has a signal generator SIG, which is set up to generate a triangular oscillation at a generator output GO.
  • a comparison element PC in the pulse modulator PM is coupled to the output SOT and the generator output GO, and connected on the output side to the pulse output POT.
  • a level control unit PSE has a level input Pl, which is coupled to the output SOT, and an evaluation input P2, which is coupled to the pulse output POT.
  • a level output COT of the level control unit PSE is coupled to the control input CIN of the signal processing element SVE.
  • an input signal is fed via the amplifier input AIN which, together with a feedback signal which is tapped from the output terminal OOT, is fed via the level matching elements S10, S20 to the combination element S30.
  • the input signal or the feedback signal or both in response to a control signal, which is supplied via the control input CIN, be adjusted in level.
  • the input signal and the feedback signal are combined via a weighted or unweighted combination to form a combined signal. For example, a summation of the input signal and the feedback signal takes place in the combining element S30.
  • the combined signal at the output of the combining element S30 is integrated in the integrator element INT, the integrated signal being output at the output SOT of the signal processing element SVE.
  • the integrator element INT can be implemented as a first-order or higher-order integrator.
  • the integrated signal is compared with a triangular wave generated by the signal generator SIG is produced.
  • the comparison is made in the comparison element PC, for example, such that at the output of theprayedselements PC a logical high signal is emitted when the instantaneous value of the integrated signal is greater than the instantaneous value of the triangular wave, and a logic low signal, in the event that Instantaneous value of the integrated signal is less than the instantaneous value of the triangular oscillation. Accordingly arises at the pulse output POT a pulse-shaped pulse signal which is supplied to the control unit CU in the output stage OST.
  • the switching element SW is designed as a half-bridge, which is based on the transistors Tl, T2.
  • the control unit CU By appropriate control of the transistors Tl, T2 by the control unit CU as a function of the pulse signal, either a voltage at the first potential terminal V1 or a voltage at the second potential terminal V2 is switched through to the output terminal OOT. Since the transistors Tl, T2 apart from usually short switching times are either completely blocked or highly conductive, low power losses occur during operation of the switching element SW.
  • a duty cycle of the pulse signal ie a ratio between high and low levels of the pulse signal with respect to a predetermined by the triangular wave period, depends on the level of the integrated signal. For example, the higher the level of the integrated signal, the larger the duty cycle becomes. However, if the integrated signal were to reach a level which is higher than a maximum value of the triangular oscillation or lower than a minimum value of the triangular oscillation, the comparison result at the output of the prediction element PC would each remain unchanged, so that there are no longer any pulses in the pulse signal would. In other words, in this case, a predefined or permissible duty ratio would be exceeded.
  • the integrated signal which is supplied via the level input P1 is compared with a first threshold value which, for example, corresponds to the predetermined duty cycle. If a comparison of the integrated signal with the first threshold results in the predetermined duty cycle being exceeded, ie if there is the possibility of an undesired DC signal at the pulse output POT, the control signal which is output at the level output COT is adjusted such that the respective level is reduced in the first and / or in the second level adjusting element Sl0, S20. Thus, the level of the combined signal at the input of the integrator element INT is reduced, resulting in a reduced level of the integrated signal.
  • the level of the integrated signal is changed so that a comparison with the first threshold results in the specified duty cycle being met. Otherwise, the control signal can be adjusted with respect to a further reduction of the levels of the input signal or of the feedback signal, until finally the first threshold value is no longer reached.
  • the pulse signal applied to the evaluation input P2 can also be evaluated in the level control unit PSE.
  • the duty cycle of the pulse signal is determined and compared with the predetermined duty cycle to trigger the above-described reduction of the respective level in the signal processing element SVE when exceeding the predetermined duty cycle.
  • level changes or pulse edges of the pulse signal in the level control unit PSE are evaluated or detected. If no level changes occur in the pulse signal, it is therefore assumed by the level control unit PSE that a pulse duty cycle of the pulse signal of at least 100% is reached and therefore unwanted DC signal components occur in the pulse signal or in the output signal. In this case will in turn made the control signal with respect to the reduction of the levels in the signal processing element SVE.
  • a level of the integrated signal may be compared with a second threshold corresponding to a duty ratio smaller than the predetermined duty ratio for the reduction. Thus, if the duty cycle of the pulse signal has fallen below this further duty cycle, the reduction in the levels in the signal processing element can be withdrawn.
  • the check whether the duty cycle has fallen below the further duty cycle can also be made time dependent on a time of reduction.
  • the control signal is adjusted after a predetermined time so that the reduction is withdrawn.
  • the reduction of the reduction after the predetermined time can take place both as a function of the comparison with the second threshold value and independently of such a comparison.
  • the timing of the reduction should be made dependent on a date of the last necessary reduction.
  • the reduction of the reduction can take place in one or more steps.
  • Figure 2 shows a signal-time diagram of a triangular wave TRI.
  • a voltage V of the triangular wave TRI increases uniformly over time or decreases uniformly, a value TH being reached as the maximum value and a value TL as the minimum value.
  • first threshold values AH, AL are plotted in the diagram, which are at a predetermined value below the maximum value TH or above the minimum value TL.
  • second threshold values DH, DL are drawn, which in turn are below the first threshold value AH or above the first threshold value AL.
  • the level in the signal processing element is reduced if the integrated signal exceeds the threshold value AH or falls below the threshold value AL. If, as a result of the reduction, the level of the integrated signal falls below the threshold value DH or rises above the threshold value DL, the reduction of the levels in the signal processing element can be withdrawn.
  • the integrated signal is compared with signal ranges determined by the values AH and TH, AL and TL, and DH and DL, to trigger a corresponding reduction.
  • FIG. 3 shows a signal-time diagram of a further triangular wave TRI which has a sawtooth-shaped profile.
  • This triangular oscillation can therefore also be referred to as sawtooth oscillation.
  • the triangular oscillation rises evenly from a minimum value TL to the maximum value. mal value TH and falls on reaching the maximum value TH directly back to the minimum value TL.
  • the sawtooth wave TRI could also include a steady fall of the instantaneous rise signal upon reaching the minimum value TL.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of an amplifier arrangement which is based essentially on the amplifier arrangement illustrated in FIG.
  • the signal processing element SVE comprises a preamplifier PRE, which is connected on the input side to the amplifier input AIN and couples the first input II to the integrator element INT.
  • the signal processing element further comprises feedback networks S21, S22, which couple the output terminal OOT with the combination element S30 or the integrator element INT.
  • the preamplifier PRE comprises a differential amplifier connected to impedances Z1, Z2, Z3, Z4, whose inverting input is coupled to the first input Il.
  • a non-inverting input of the amplifier is connected via the impedance element Z3 to a reference potential terminal GND.
  • the impedance elements Z1 to Z4 are adjustable in their impedance value and in this connection coupled to the control input CIN or to a level output COT1 of the level control unit PSE.
  • the preamplifier PRE converts the input signal at the amplifier input AIN into a differential signal.
  • the preamplifier PRE could also be supplied with a differential signal directly on the input side.
  • the feedback networks S21, S22 are based on the impedance elements Z5, Z6, Z7, Z8. They each comprise impedance-based voltage dividers, wherein a level of the signal fed back to the combination element S30 via the feedback networks S21, S22 depends on an impedance ratio of the impedance elements Z5, Z6 and Z7, Z8.
  • the impedance value The impedance elements Z6, Z8 can be adjusted by a control signal which is output at the level output C0T2 of the level control unit. Thus, the level of the feedback signal can be adjusted in response to the control signal.
  • the impedance elements Z1 to Z8 of the preamplifier PRE and of the feedback networks S21, S22 can be purely resistance-based as well as comprise capacitive and / or inductive elements. When using inductive and / or capacitive elements, a filtering effect can thus be achieved at the same time.
  • the adjustable impedance elements are designed, for example, as an impedance chain or as a resistance chain with a controlled switched tap, in each case depending on the control signal. Alternatively, the adjustable impedance elements can also be realized via transistors controlled in their resistance value. However, other known switchable resistors or impedance elements can be used.
  • the differential input signal and the differential feedback signal are combined via resistors Rl, R2, R3, R4.
  • the resistance values of the resistors R1 to R4 may be the same or different for a corresponding weighting.
  • the integrator element INT comprises a differential integration amplifier IC, which is fed back via capacitive elements C1, C2.
  • the differential integrated signal is fed to comparison elements PC1, PC2 in the pulse modulator PM, which perform a comparison with that of the signal generator SIG triangular oscillation for each of the differential signal branches.
  • the output stage OST comprises a transistor-based full bridge with transistors T1, T2, T3, T4, which are controlled by the control input CU as a function of the pulse signal at the pulse output POT.
  • the full bridge thus forms a switching element SW.
  • either one of the supply connection Vl or a voltage applied to the reference potential terminal GND is switched through to the output terminal OOT, which is formed by connection nodes of the transistors Tl, T2 and of the transistors T3, T4.
  • a loudspeaker LS is connected in this embodiment, which is for example comprised of a loudspeaker system or a headphone.
  • the coupling of the loudspeaker LS to the amplifier output AOT can take place via a low-pass element.
  • the low-pass effect of the loudspeaker LS can also be sufficient to suppress unwanted switching noises.
  • a differential level input Pl of the level control unit PSE is in turn connected to the output SOT of the signal processing element SVE.
  • the level control unit PSE comprises further comparison elements CMP1, CMP2, to which the integrated differential signal and threshold value signals AH, AL, DH, DL are supplied. Comparison results of the comparison elements CMP1, CMP2 are fed to an evaluation unit LEV, which adjusts the control signal at the level output COT1, C0T2 as a function of the comparison results.
  • a reduction of the levels in the signal processing element SVE or a withdrawal of the respective reduction takes place analogously to the exemplary embodiment described for FIG.
  • a reference voltage generator REF is additionally provided, which depends on
  • Voltage terminals V3, V4 of supplied voltages generates signal levels for the maximum and minimum values TH, TL and the threshold values AH, AL, DH, DL which can be used in the level control unit PSE and in the signal generator SIG.
  • the reference voltage generator REF may, for example, also comprise a bandgap circuit, not shown here, which one or more of the required voltages.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of an amplifier arrangement in which the signal processing element SVE, unlike the exemplary embodiment in FIG. 4, has a digital-to-analog converter DAC which couples the first input II to the integrator element INT.
  • the digital-to-analog converter DAC can be adjusted in terms of its output level via a control signal at the control input CIN.
  • the input signal is supplied as a digital signal at the amplifier input AIN and converted via the digital-to-analog converter DAC into a differential, analog input signal with a corresponding input level.
  • a preamplifier PRE as shown in FIG. 4, could also be provided in this exemplary embodiment, for example between the digital / analogue converter DAC and the combination element S30.
  • the amplifier output AOT is in this embodiment coupled to the output terminal OOT via a low-pass filter TP to filter out the high-frequency signal components of the pulsed output signal of the output stage OST.
  • the level control unit PSE has the evaluation input P2, which is coupled to the pulse output POT. Accordingly, as explained in detail above for FIG. 1, the duty cycle of the pulse signal is evaluated directly in order to adapt the levels in the signal processing element SVE. In this case, either the level of the input signal or the level of the feedback signal or both levels can be adjusted.
  • a level of the signals in the signal processing element SVE only when the predetermined Tastver conception- can be reduced and this reduction is preferably reversed as soon as possible, it is possible to achieve a maximum output power with low harmonic distortions. This is also possible for fluctuating supply voltages. Due to the indirect adjustment of the level of the integrated signal, furthermore, a voltage range determined by the maximum value and the minimum value of the triangular oscillation can be almost completely utilized. Furthermore, an amplifier arrangement according to one of the described exemplary embodiments can be easily integrated into a system in which a large input dynamic for the input signal of the amplifier is required.
  • the generation of the pulse signal can also be carried out in other ways than in the exemplary embodiments described by comparison with a periodic signal.

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Abstract

Eine Verstärkeranordnung umfasst ein Signalverarbeitungselement (SVE) mit einem Integratorelement (INT), das eingangsseitig mit einem ersten Eingang (E1) zur Zuführung des Eingangssignals und einem zweiten Eingang (E2) zur Zuführung eines Rückführungssignals gekoppelt ist. Das Signalverarbeitungselement (SVE) ist dazu eingerichtet, einen jeweiligen Pegel des Eingangssignals und/oder des Rückführungssignals in Abhängigkeit eines Steuersignals einzustellen. Die Verstärkeranordnung umfasst ferner einen Pulsmodulator (PM), der eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines am Ausgang (SOT) des Signalverarbeitungselements (SVE) anliegenden Signals ein Pulssignal an einem Pulsausgang (POT) zu erzeugen. Eine Ausgangsstufe (OST) umfasst ein Schaltelement (SW), das eingerichtet ist, Versorgungsspannungsanschlüsse (V1, V2, GND) mit einem Ausgangsanschluss (OOT) zu verbinden, der mit einem Verstärkerausgang (AOT) und dem zweiten Eingang (E2) gekoppelt ist, und eine Steuereinheit (CU) zur Ansteuerung des Schaltelements (SW), die mit dem Pulsausgang (POT) gekoppelt ist. Eine Pegelsteuereinheit (PSE) ist eingerichtet, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass in Abhängigkeit eines Überschreitens eines vorgegebenen Tastverhältnisses des Pulssignals der jeweilige Pegel im Signalverarbeitungselement (SVE) reduziert wird.

Description

Beschreibung
Verstärkeranordnung und Verfahren zur Signalverstärkung
Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung und ein Verfahren zur Signalverstärkung, die auf dem Prinzip einer geschalteten Verstärkung basieren.
Elektronische Verstärker basieren häufig auf einem Klasse A- oder einem Klasse AB-Prinzip, bei denen ein analoges Signal kontinuierlich im Eintakt- oder Gegentaktbetrieb über Verstärkungselemente wie Transistoren verstärkt wird. Heutzutage werden jedoch vermehrt elektronische Verstärker eingesetzt, die nach dem Klasse D-Prinzip arbeiten. Derartige Verstärker können auch als schaltende Verstärker, Englisch switching amplifiers bezeichnet werden. Bei einem solchen Verstärker wird ein analoges Signal beispielsweise durch Vergleich mit einer Dreiecksschwingung in ein pulsweitenmoduliertes, PWM Signal umgesetzt. Über das pulsweitenmodulierte Signal wird ein aktives Element, das Versorgungsanschlüsse mit einem Ausgang koppelt, angesteuert. Durch den Schaltbetrieb ist der Wirkungsgrad eines derartigen Verstärkers gegenüber kontinuierlich verstärkenden Verstärkern verbessert.
Die Signalverarbeitung innerhalb des schaltenden Verstärkers hängt hierbei jedoch auch von einer zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung ab. Beispielsweise kann das Signal, aus dem das pulsweitenmodulierte Signal abgeleitet wird, einen Pegel annehmen, bei dem am Ausgang eines dafür verwendeten PWM-Modulators ein Gleichsignal entsteht, welches zu Verzerrungen am Verstärkerausgang führt. Zudem kann ein Lautsprecher, der etwa an den Verstärkerausgang angeschlossen ist, durch dieses Gleichsignal beschädigt oder zerstört werden. Ferner kann dadurch eine ungünstige gesamte harmonische Ver- zerrung, Englisch total harmonic distorsion, THD des Verstärkers resultieren. Als Gegenmaßnahme können beispielsweise zusätzliche Pulse in das PWM-Signal eingefügt werden, wodurch aber das eigentlich zu verstärkende Signal verfälscht wird. Alternativ kann auch ein Eingangspegel des PWM-Modulators in Abhängigkeit einer minimal zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung begrenzt werden. Jedoch wird auch durch diese Maßnahme regelmäßig das zu verstärkende Eingangssignal reduziert, was zu einer geringeren Ausgangsleistung über den gesamten Versorgungsspannungsbereich führt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verstärkeranordnung und ein Verfahren zur Signalverstärkung anzugeben, die bei einer Verstärkung im gepulsten Betrieb eine verbesserte Signalqualität auch bei höheren Leistungen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Pa- tentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung umfasst einen Verstärkereingang, einen Verstärkerausgang, ein Signal- Verarbeitungselement, einen Pulsmodulator, eine Ausgangsstufe und eine Pegelsteuereinheit. Das Signalverarbeitungselement weist einen ersten Eingang auf, der zur Zuführung eines Eingangssignals mit dem Verstärkereingang gekoppelt ist, sowie einen zweiten Eingang zur Zuführung eines Rückführungssig- nals. Das Signalverarbeitungselement umfasst ferner einen
Steuereingang zur Zuführung eines Steuersignals und ein Integratorelement, das eingangsseitig mit dem ersten und zweiten Eingang und ausgangsseitig mit einem Ausgang des Signalverarbeitungselements gekoppelt ist. Das Signalverarbeitungs- element ist dazu eingerichtet, einen jeweiligen Pegel des Eingangssignals oder des Rückführungssignals oder des Eingangssignals und des Rückführungssignals in Abhängigkeit des Steuersignals einzustellen. Der Pulsmodulator ist eingerichtet, in Abhängigkeit eines am Ausgang des Signalverarbei- tungselements anliegenden Signals ein Pulssignal an einem Pulsausgang zu erzeugen. Die Ausgangsstufe umfasst ein Schaltelement, das eingerichtet ist, Versorgungsspannungsan- Schlüsse mit einem Ausgangsanschluss zu verbinden, der mit dem Verstärkerausgang und dem zweiten Eingang gekoppelt ist. Die Ausgangsstufe umfasst ferner eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Schaltelements, die mit dem Pulsausgang gekop- pelt ist. Die Pegelsteuereinheit ist eingerichtet, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass in Abhängigkeit eines Überschreitens eines vorgegebenen Tastverhältnisses des Pulssignals am Pulsausgang der jeweilige Pegel im Signalverarbeitungselement reduziert wird.
In einer Ausführungsform weist der Pulsmodulator ein Vergleichselement sowie einen Signalgenerator auf, der zur Erzeugung einer periodischen Schwingung, beispielsweise einer Dreiecksschwingung oder einer Sägezahnschwingung an einem Ge- neratorausgang eingerichtet ist. Das Vergleichselement ist eingangsseitig mit dem Ausgang des Signalverarbeitungselements und dem Generatorausgang und ausgangsseitig mit dem Pulsausgang gekoppelt.
Wenn das Pulssignal das vorgegebene Tastverhältnis überschreitet, kann es theoretisch zu längeren Phasen ohne Schaltvorgänge in der Ausgangsstufe kommen. Das Tastverhältnis ist dabei bestimmt aus dem zeitlichen Verhältnis zwischen High- und Low-Pegeln des Pulssignals, wobei beispielsweise Bezug auf eine Periodendauer der periodischen Schwingung genommen wird. In dem Signalverarbeitungselement werden das Eingangssignal und das Rückführungssignal, welche am Ausgangsanschluss der Ausgangsstufe abgegriffen wird, mit einem einstellbaren Pegel an das Integratorelement geführt. Wenn in der Pegelsteuereinheit das Überschreiten des vorgegebenen
Tastverhältnisses detektiert wird, wird das Steuersignal für das Signalverarbeitungselement derart verändert, dass ein Pegel des Eingangssignals oder des Rückführungssignals oder von beiden reduziert wird. Der reduzierte Eingangspegel am In- tegratorelement führt folglich auch zu einem reduzierten Pegel des integrierten Signals am Ausgang des Integratorelements. Dies wiederum resultiert in einem veränderten Tastver- hältnis des Pulssignals am Ausgang des Pulsmodulators. Da also ungewünschte Gleichsignalanteile im Pulssignal beziehungsweise im Ausgangssignal am Ausgangsanschluss der Ausgangsstufe vermieden werden, ist die Signalqualität des Ausgangssig- nals verbessert, insbesondere in Bezug auf harmonische Verzerrungen. Zudem kann die verbesserte Signalqualität über einen gesamten zur Verfügung stehenden Versorgungsspannungsbe- reich auch bei maximaler Ausgangsleistung erreicht werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Pegelsteuereinheit mit dem Pulsausgang gekoppelt und eingerichtet, ein Tastverhältnis des Pulssignals zu bestimmen und mit dem vorgegebenen Tastverhältnis zu vergleichen. Beispielsweise wird ein Pegelwechsel im Pulssignal während einer vorgegebenen Periodendau- er ausgewertet. Wenn es zu keinem Pegelwechsel kommt, ist beispielsweise der Pegel des integrierten Signals zu jedem Zeitpunkt der Periodendauer größer als ein Maximalwert einer periodischen Schwingung beziehungsweise kleiner als ein Minimalwert der periodischen Schwingung und somit außerhalb eines sinnvollen beziehungsweise zulässigen Bereichs. In diesem Fall wird somit das Vorliegen eines Tastverhältnisses von 100% im Pulssignal detektiert, welches höher als ein vorgegebenes Tastverhältnis ist, welches kleiner als 100% sein sollte. Dementsprechend wird das Steuersignal für das Signalver- arbeitungselement bezüglich eines kleineren Eingangspegels am Integratorelement angepasst, bis beispielsweise wieder Pulse beziehungsweise Flankenwechsel im Pulssignal auftreten.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Pegelsteuer- einheit einen Pegeleingang auf, der mit dem Ausgang des Signalverarbeitungselements gekoppelt ist, sowie einen Pegelausgang, der mit dem Steuereingang des Signalverarbeitungselements gekoppelt ist. Die Pegelsteuereinheit ist dabei eingerichtet, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass in Abhän- gigkeit eines Vergleichs eines Signals am Pegeleingang mit einem ersten Schwellwert der jeweilige Pegel im Signalverarbeitungselement reduziert wird. Beispielsweise wird das integrierte Signal am Ausgangssignal des Signalverarbeitungselements mit einem ersten Schwellwert verglichen, der um einen vorbestimmten Wert unterhalb des Maximalwerts einer Dreiecksschwingung liegt. Dieser erste Schwellwert entspricht einem bestimmten Tastverhältnis im
Pulssignal. Wenn demnach dieser erste Schwellwert überschritten wird, wird auch ein vorgegebenes Tastverhältnis überschritten, wobei dieses Tastverhältnis einem Wert kleiner als 100% entspricht. Somit ist beim Erreichen beziehungsweise Überschreiten des ersten Schwellwerts noch kein unerwünschtes Gleichsignal im Pulssignal zu erwarten. Um aber zu verhindern, dass der Pegel des integrierten Signals weiter ansteigt und den Maximalwert der Dreiecksschwingung übersteigt, wird der Eingangspegel am Integratorelement entsprechend redu- ziert.
Der Vergleich des integrierten Signals kann aber auch zusätzlich oder alternativ mit einem Schwellwert erfolgen, der um einen vorbestimmten Wert überhalb eines Minimalwerts der Dreiecksschwingung liegt. In diesem Fall wird also überprüft, ob dieser Schwellwert durch das integrierte Signal unterschritten wird, um dann eine entsprechende Reduzierung des Pegels am Integratoreingang zu bewirken.
Anders ausgedrückt wird von der Pegelsteuereinheit festgestellt, ob das integrierte Signal am Ausgang des Integratorelements einem Grenzbereich zwischen einem Schwellwert und einem Maximalwert beziehungsweise Minimalwert der Dreiecksschwingung befindet, um eine Reduzierung des Eingangspegels auszulösen.
Die Pegelsteuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass in Abhängigkeit eines Vergleichs des Signals am Pegeleingang mit einem zweiten Schwellwert die Reduzierung des jeweiligen Pegels im Signalverarbeitungselement zurückgenommen wird. Beispielsweise wird durch einen Vergleich des integrierten Signals mit dem zweiten Schwellwert ermittelt, ob durch die Reduzierung des Pegels im Signalverarbeitungselement ein zweiter Schwellwert, der unterhalb des Maximalwerts der Drei- ecksschwingung und unterhalb des ersten Schwellwerts liegt, unterschritten wird. In diesem Fall kann die Reduzierung des Pegels im Signalverarbeitungselement zurückgenommen werden, um einen gewünschten, höheren Pegel im Signalverarbeitungselement zuzulassen. Alternativ oder zusätzlich kann auch überprüft werden, ob das integrierte Signal größer als ein weiterer Schwellwert ist, der oberhalb des Minimalwerts der Dreiecksschwingung und oberhalb des unteren Schwellwerts aus dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel liegt. Auch in diesem Fall kann die Reduzierung des Pegels im Signalverarbeitungs- element zurückgenommen werden.
Die Rücknahme der Reduzierung kann in den verschiedenen Ausführungsformen auch zeitabhängig sein. Beispielsweise ist die Pegelsteuereinheit dazu eingerichtet, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass die Reduzierung des jeweiligen Pegels im
Signalverarbeitungselement nach einer vorbestimmten Zeit nach der Reduzierung zurückgenommen wird.
Beispielsweise kann also mit jeder Reduzierung des Pegels im Signalverarbeitungselement ein Zähler ausgelöst beziehungsweise zurückgesetzt werden, der dann eine Zeit seit dem letzten Reduzierungsvorgang misst. Wenn die vorbestimmte Zeit vergangen ist, ohne dass es zu einer weiteren Reduzierung gekommen ist, kann die Reduzierung zurückgenommen werden. Die Rücknahme kann auf einmal oder schrittweise erfolgen. Des
Weiteren ist es möglich, dass die Rücknahme der Reduzierung ohne weitere Bedingung erfolgt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Rücknahme der Reduzierung beispielsweise von dem zuvor beschriebenen Vergleich mit dem zweiten Schwellwert abhängig gemacht wird. In einer Ausführungsform der Verstärkeranordnung weist das Signalverarbeitungselement einen Vorverstärker auf, der zwischen den ersten Eingang und das Integratorelement geschaltet ist. Der Vorverstärker ist eingerichtet, den Pegel des Ein- gangssignals in Abhängigkeit des Steuersignals einzustellen.
Beispielsweise wird das Eingangssignal am Verstärkereingang durch den Vorverstärker mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor verstärkt. Dieser Verstärkungsfaktor kann durch das Steu- ersignal unter den zuvor genannten Bedingungen reduziert werden, um den Pegel des Eingangssignals am Integratorelement zu verringern .
Alternativ oder zusätzlich kann das Signalverarbeitungsele- ment einen Digital-Analog-Wandler aufweisen, der zwischen den ersten Eingang und das Integratorelement geschaltet ist. In diesem Fall ist der Digital-Analog-Wandler eingerichtet, den Pegel des Eingangssignals in Abhängigkeit des Steuersignals einzustellen. In dieser Ausführungsform ist die Verstärkeran- Ordnung zur Zuführung eines digitalen Eingangssignals am Verstärkereingang eingerichtet. Dieses wird von dem Digital- Analog-Wandler im Signalverarbeitungselement in ein entsprechendes analoges Signal umgesetzt, welches einen Pegel aufweist, der durch das Steuersignal im Digital-Analog-Wandler einstellbar ist. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-
Wandlers kann direkt an das Integratorelement zugeführt werden oder alternativ über einen zuvor beschriebenen Vorverstärker. Die Einstellung des Pegels des Eingangssignals kann dabei sowohl im Digital-Analog-Wandler als auch im Vorver- stärker erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Signalverarbeitungselement ein Impedanz-basiertes Rückkopplungsnetzwerk auf, das zwischen den zweiten Eingang und das Integratorele- ment geschaltet ist und eingerichtet ist, den Pegel des Rückführungssignals in Abhängigkeit des Steuersignals einzustellen. Das Rückkopplungsnetzwerk kann beispielsweise als wider- standsbasierter Spannungsteiler ausgeführt sein, wobei entsprechende Widerstandswerte in Abhängigkeit des Steuersignals einstellbar sind. Alternativ können aber auch reaktive Elemente wie Kondensatoren oder Spulen in dem Rückkopplungsnetz- werk vorgesehen sein, die zugleich eine Filterung des Rückführungssignals ermöglichen. Hierbei ist wenigstens eines der reaktiven Elemente durch das Steuersignal in seinem Impedanzwert einstellbar.
Das Schaltelement in der Ausgangsstufe kann beispielsweise eine transistorbasierte Halbbrücke oder eine transistorbasierte Vollbrücke umfassen. Mit einer transistorbasierten Halbbrücke wird üblicherweise eine positive oder eine negative Versorgungsspannung auf den Ausgangsanschluss durchge- schalten, jeweils in Abhängigkeit des Pulssignals. Als Bezugsspannung für die Spannung am Ausgangsanschluss wird üblicherweise ein Massepotenzial oder ein anderes Potenzial, das zwischen zwei Versorgungsspannungen liegt, verwendet. Mit einer Vollbrücke wird durch Durchschalten einer Versorgungs- Spannung auf einen differenziellen Ausgangsanschluss ein dif- ferenzielles Ausgangssignal erzeugt.
Der Ausgangsanschluss kann mit dem Verstärkerausgang direkt verbunden oder über ein Tiefpassfilter gekoppelt sein.
In einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Signalverstärkung wird ein Eingangssignal zugeführt und mit einem Rückführungssignal kombiniert. Das kombinierte Signal wird integriert. In Abhängigkeit des integrierten Signals wird ein Pulssignal erzeugt. Es wird ein Ausgangssignal erzeugt, in dem eine Versorgungsspannung in Abhängigkeit des Pulssignals gesteuert geschalten wird. Aus dem Ausgangssignal wird das Rückführungssignal erzeugt. Ein Pegelwert wird in Abhängigkeit eines Tastverhältnisses des Pulssignals ermittelt. Bei dem beschriebenen Verfahren wird ein jeweiliger Pegel des
Eingangssignals und/oder des Rückführungssignals vor dem Korn- binieren reduziert, wenn ein dem Pegelwert entsprechendes Tastverhältnis ein vorgegebenes Tastverhältnis überschreitet. Da bei dem Verfahren durch die Reduzierung des Pegels des Eingangssignals oder des Rückführungssignals oder von beiden ein Tastverhältnis des Pulssignals innerhalb eines zulässigen Rahmens gehalten wird, können unerwünschte Gleichsignalanteile im Pulssignal beziehungsweise im daraus erzeugten Ausgangssignal vermieden werden. Dies führt zu einer verbesserten Signalqualität des Ausgangssignals, weil insbesondere harmonische Verzerrungen im Ausgangssignal verringert beziehungsweise vermieden werden.
Eine Verstärkeranordnung und ein Verfahren zur Signalverstärkung gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele sind vorzugsweise zur Verwendung in portablen Audiosystemen geeignet, die eine möglichst große Ausgangsleistung über einen großen Versorgungsspannungsbereich liefern sollen. Insbesondere bei Audiosignalen wirken sich die niedrigen harmonischen Verzerrungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele po- sitiv aus. Beispiele für portable Audiosysteme, in denen eine Verstärkeranordnung gemäß einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden können, sind MP3-Player, Mobiltelefone, mobile Funkanlagen, Spielzeuge mit Audiofunktionen, Gesundheitsprodukte mit Audiofunktionen oder andere ähn- liehe Produkte.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen gleiche Bezugszei- chen. Insoweit sich Bauelemente in ihrer Funktion entsprechend, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung, Figur 2 ein Signal-Zeit-Diagramm einer Dreiecksschwingung,
Figur 3 ein Signal-Zeit-Diagramm einer Sägezahnschwingung,
Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung, und
Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung mit einem Signalverarbeitungselement SVE, das einen ersten Eingang II, der mit einem Verstärkereingang AIN gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang 12 aufweist, der mit einem Verstärkerausgang AOT beziehungsweise einem Ausgangsanschluss OOT einer Ausgangsstufe OST gekoppelt ist. Ein Ausgang SOT des Signalverarbeitungselements SVE ist mit einem Pulsmodulator PM gekoppelt, dessen Pulsausgang POT an eine Steuereinheit CU der Ausgangsstufe OST angeschlossen ist. Die Steuer- einheit CU ist mit Steueranschlüssen von Transistoren Tl, T2 gekoppelt, deren gesteuerte Strecken in Reihe geschaltet sind und die zusammen ein Schaltelement SW bilden. Die Reihenschaltung der Transistoren Tl, T2 ist dabei zwischen Versor- gungsspannungsanschlüsse Vl, V2 geschaltet. Ein Verbindungs- knoten der Transistoren Tl, T2 bildet den Ausgangsanschluss 0OT der Ausgangsstufe OST, der mit dem Verstärkerausgang AOT gekoppelt ist.
Das Signalverarbeitungselement SVE weist ein erstes und ein zweites Pegelanpasselement SlO, S20 auf, die eingangsseitig mit dem ersten beziehungsweise dem zweiten Eingang II, 12 gekoppelt sind. Ausgänge der Pegelanpasselemente SlO, S20 sind an ein Kombinierelement S30 angeschlossen, das ausgangsseitig mit einem Integratorelement INT gekoppelt ist. Ein Ausgang des Integratorelements INT ist an Ausgang SOT des Signalverarbeitungselements SVE angeschlossen. Die Pegelanpasselemente SlO, S20 sind zur Einstellung eines jeweiligen Pegels der sie durchlaufenden Signale mit einem Steuereingang CIN zur Zuführung eines Steuersignals verbunden.
Der Pulsmodulator PM weist einen Signalgenerator SIG auf, der zur Erzeugung einer Dreiecksschwingung an einem Generatorausgang GO eingerichtet ist. Ein Vergleichselement PC im Pulsmodulator PM ist mit dem Ausgang SOT und dem Generatorausgang GO gekoppelt, und ausgangsseitig mit dem Pulsausgang POT verbunden .
Eine Pegelsteuereinheit PSE weist einen Pegeleingang Pl, der mit dem Ausgang SOT gekoppelt ist, und einen Auswerteeingang P2 auf, der mit dem Pulsausgang POT gekoppelt ist. Ein Pegelausgang COT der Pegelsteuereinheit PSE ist mit dem Steuerein- gang CIN des Signalverarbeitungselements SVE gekoppelt.
Im Betrieb der Verstärkeranordnung wird über den Verstärkereingang AIN ein Eingangssignal zugeführt, das zusammen mit einem Rückführungssignal, welches vom Ausgangsanschluss 0OT abgegriffen wird, über die Pegelanpasselemente SlO, S20 auf das Kombinationselement S30 geführt werden. Dabei können das Eingangssignal oder das Rückführungssignal oder beide in Abhängigkeit eines Steuersignals, das über den Steuereingang CIN zugeführt wird, in ihrem Pegel angepasst werden. Im Kom- binationselement S30 werden das Eingangssignal und das Rückführungssignal über eine gewichtete oder ungewichtete Kombination zu einem kombinierten Signal zusammengeführt. Beispielsweise erfolgt im Kombinierelement S30 eine Summenbildung von Eingangssignal und Rückführungssignal. Das kombi- nierte Signal am Ausgang des Kombinierelements S30 wird im Integratorelement INT aufintegriert, wobei das integrierte Signal am Ausgang SOT des Signalverarbeitungselements SVE abgegeben wird. Das Integratorelement INT kann als Integrator erster Ordnung oder auch höherer Ordnung realisiert sein.
Im Pulsmodulator PM wird das integrierte Signal mit einer Dreiecksschwingung verglichen, die vom Signalgenerator SIG erzeugt wird. Der Vergleich erfolgt im Vergleichselement PC beispielsweise derart, dass am Ausgang des Vergleichselements PC ein logisches High-Signal abgegeben wird, wenn der Momentanwert des integrierten Signals größer als der Momentanwert der Dreiecksschwingung ist, und ein logisches Low-Signal, für den Fall, dass der Momentanwert des integrierten Signals kleiner als der Momentanwert der Dreiecksschwingung ist. Dem entsprechend entsteht am Pulsausgang POT ein pulsförmiges Pulssignal, welches der Steuereinheit CU in der Ausgangsstufe OST zugeführt wird.
In dem Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement SW als Halbbrücke ausgeführt, die auf den Transistoren Tl, T2 basiert. Durch entsprechende Ansteuerung der Transistoren Tl, T2 durch die Steuereinheit CU in Abhängigkeit des Pulssignals wird entweder eine Spannung am ersten Potenzialanschluss Vl oder eine Spannung am zweiten Potenzialanschluss V2 auf den Aus- gangsanschluss OOT durchgeschaltet. Da die Transistoren Tl, T2 abgesehen von üblicherweise kurzen Umschaltzeiten entweder völlig gesperrt oder stark leitend sind, entstehen geringe Verlustleistungen beim Betrieb des Schaltelements SW.
Ein Tastverhältnis des Pulssignals, also ein Verhältnis zwischen High- und Low-Pegeln des Pulssignals bezogen auf eine durch die Dreiecksschwingung vorgegebene Periodendauer, hängt vom Pegel des integrierten Signals ab. Beispielsweise wird das Tastverhältnis umso größer, je höher der Pegel des integrierten Signals ist. Wenn jedoch vom integrierten Signal ein Pegel erreicht würde, der höher als ein Maximalwert der Drei- ecksschwingung beziehungsweise niedriger als ein Minimalwert der Dreiecksschwingung ist, würde das Vergleichsergebnis am Ausgang des Vergleichselements PC jeweils unverändert bleiben, so dass es zu keinen Pulsen im Pulssignal mehr kommen würde. Anders ausgedrückt würde in diesem Fall ein vorgegebe- nes beziehungsweise zulässiges Tastverhältnis überschritten werden . In der Pulssteuereinheit PSE wird daher das integrierte Signal, das über den Pegeleingang Pl zugeführt wird, mit einem ersten Schwellwert verglichen, der beispielsweise dem vorgegebenen Tastverhältnis entspricht. Wenn ein Vergleich des in- tegrierten Signals mit dem ersten Schwellwert ergibt, dass das vorgegebene Tastverhältnis überschritten ist, also die Möglichkeit eines unerwünschten Gleichsignals am Pulsausgang POT besteht, wird das Steuersignal, das am Pegelausgang COT abgegeben wird, derart angepasst, dass der jeweilige Pegel im ersten und/oder im zweiten Pegelanpasselement SlO, S20 reduziert wird. Somit wird der Pegel des kombinierten Signals am Eingang des Integratorelements INT reduziert, was zu einem reduzierten Pegel des integrierten Signals führt. Wenn die Pegelreduzierung ausreichend war, ist der Pegel des integ- rierten Signals so verändert, dass ein Vergleich mit dem ersten Schwellwert ergibt, dass das vorgegebene Tastverhältnis eingehalten ist. Andernfalls kann das Steuersignal bezüglich einer weiteren Reduzierung der Pegel des Eingangssignals beziehungsweise des Rückführungssignals angepasst werden, bis schließlich der erste Schwellwert nicht mehr erreicht wird.
Alternativ oder zusätzlich kann in der Pegelsteuereinheit PSE auch das am Auswerteeingang P2 anliegende Pulssignal ausgewertet werden. Beispielsweise wird das Tastverhältnis des Pulssignals bestimmt und mit dem vorgegebenen Tastverhältnis verglichen, um bei einem Überschreiten des vorgegebenen Tastverhältnisses die zuvor beschriebene Reduzierung der jeweiligen Pegel im Signalverarbeitungselement SVE auszulösen.
In einer Ausführungsform werden beispielsweise Pegelwechsel beziehungsweise Pulsflanken des Pulssignals in der Pegelsteuereinheit PSE ausgewertet beziehungsweise detektiert. Wenn keine Pegelwechsel im Pulssignal auftreten, wird daher von der Pegelsteuereinheit PSE angenommen, dass ein Tastverhält- nis des Pulssignals von wenigstens 100% erreicht ist und daher unerwünschte Gleichsignalanteile im Pulssignal beziehungsweise im Ausgangssignal auftreten. In diesem Fall wird wiederum das Steuersignal bezüglich der Reduzierung der Pegel im Signalverarbeitungselement SVE vorgenommen.
Wenn eine Reduzierung der Pegel im Signalverarbeitungselement beispielsweise wegen eines hohen Eingangspegels des Eingangssignals notwendig geworden ist, sinkt bei reduziertem Eingangspegel erwartungsgemäß der Pegel des integrierten Signals ab. Eine Reduzierung der Pegel im Signalverarbeitungselement kann zu diesem Zeitpunkt nicht mehr zwingend notwendig sein. Daher kann in der Pegelsteuereinheit PSE ein Pegel des integrierten Signals mit einem zweiten Schwellwert verglichen werden, der einem geringeren Tastverhältnis entspricht als das vorgegebene Tastverhältnis für die Reduzierung. Wenn also das Tastverhältnis des Pulssignals unter dieses weitere Tastver- hältnis gefallen ist, kann die Reduzierung der Pegel im Signalverarbeitungselement zurückgenommen werden.
Die Überprüfung, ob das Tastverhältnis unter das weitere Tastverhältnis gefallen ist, kann auch zeitlich abhängig von einem Zeitpunkt der Reduzierung gemacht werden. Beispielsweise wird das Steuersignal erst nach einer vorbestimmten Zeit derart angepasst, dass die Reduzierung zurückgenommen wird. Die Rücknahme der Reduzierung nach der vorbestimmten Zeit kann sowohl in Abhängigkeit des Vergleichs mit dem zweiten Schwellwert als auch unabhängig von einem solchen Vergleich erfolgen .
In beiden Fällen sollte der Zeitpunkt der Rücknahme der Reduzierung von einem Zeitpunkt der letzten notwendigen Reduzie- rung abhängig gemacht werden. Die Rücknahme der Reduzierung kann dabei in einem oder in mehreren Schritten erfolgen.
Da in den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Pegel der
Signale im Signalverarbeitungselement SVE bei Überschreiten eines vorgegebenen Tastverhältnisses angepasst werden, wird das Auftreten von ungewünschten Gleichsignalanteilen im Pulssignal beziehungsweise im Ausgangssignal verringert bezie- hungsweise verhindert. Dadurch entstehen weniger harmonische Verzerrungen im Ausgangssignal, was sich insbesondere positiv auf die gesamte harmonische Verzerrung THD auswirkt. Die Signalqualität der Verstärkeranordnung ist somit verbessert.
Figur 2 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm einer Dreiecksschwingung TRI. Eine Spannung V der Dreiecksschwingung TRI steigt in diesem Signalbeispiel im zeitlichen Verlauf t gleichmäßig an beziehungsweise fällt gleichmäßig ab, wobei als Maximal- wert ein Wert TH und als Minimalwert ein Wert TL erreicht werden. In dem Diagramm sind zusätzlich erste Schwellwerte AH, AL eingezeichnet, die um einen vorbestimmten Wert unterhalb des Maximalwerts TH beziehungsweise überhalb des Minimalwerts TL liegen. Dem entsprechend sind auch zweite Schwellwerte DH, DL eingezeichnet, die wiederum unterhalb des ersten Schwellwerts AH beziehungsweise überhalb des ersten Schwellwerts AL liegen.
Mit Verweis auf die Ausführungen zur Figur 1 wird beispiels- weise der Pegel im Signalverarbeitungselement reduziert, wenn das integrierte Signal den Schwellwert AH überschreitet beziehungsweise den Schwellwert AL unterschreitet. Wenn infolge der Reduzierung der Pegel des integrierten Signals unter den Schwellwert DH fällt beziehungsweise über den Schwellwert DL ansteigt, kann die Reduzierung der Pegel im Signalverarbeitungselement zurückgenommen werden.
Anders ausgedrückt wird das integrierte Signal mit Signalbereichen verglichen, die durch die Werte AH und TH, AL und TL, sowie DH und DL bestimmt sind, um eine entsprechende Reduzierung auszulösen beziehungsweise zurückzunehmen.
Figur 3 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm einer weiteren Dreiecksschwingung TRI, welche einen sägezahnförmigen Verlauf aufweist. Diese Dreiecksschwingung kann daher auch als Sägezahnschwingung bezeichnet werden. Dabei steigt die Dreiecksschwingung gleichmäßig von einem Minimalwert TL auf den Maxi- malwert TH an und fällt bei Erreichen des Maximalwerts TH unmittelbar auf den Minimalwert TL zurück. Alternativ könnte die Sägezahnschwingung TRI auch ein gleichmäßiges Abfallen des Signals mit unmittelbarem Anstieg bei Erreichen des Mini- malwerts TL umfassen.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung, die im Wesentlichen auf der in Figur 1 dargestellten Verstärkeranordnung basiert. Das Signalverarbei- tungselement SVE umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Vorverstärker PRE, der eingangsseitig an den Verstärkereingang AIN angeschlossen ist und den ersten Eingang Il mit dem Integratorelement INT koppelt. Das Signalverarbeitungselement umfasst ferner Rückkopplungsnetzwerke S21, S22, welche den Ausgangsanschluss OOT mit dem Kombinationselement S30 beziehungsweise dem Integratorelement INT koppeln.
Der Vorverstärker PRE umfasst einen mit Impedanzen Zl, Z2, Z3, Z4 beschalteten differenziellen Verstärker, dessen inver- tierender Eingang mit dem ersten Eingang Il gekoppelt ist.
Ein nicht invertierender Eingang des Verstärkers ist über das Impedanzelement Z3 an einen Bezugspotentialanschluss GND angeschlossen. Die Impedanzelemente Zl bis Z4 sind in ihrem Impedanzwert einstellbar und diesbezüglich mit dem Steuerein- gang CIN beziehungsweise einem Pegelausgang COTl der Pegelsteuereinheit PSE gekoppelt. In der dargestellten Ausführungsform wandelt der Vorverstärker PRE das Eingangssignal am Verstärkereingang AIN in ein differenzielles Signal um. Alternativ könnte dem Vorverstärker PRE eingangsseitig auch di- rekt ein differenzielles Signal zugeführt werden.
Die Rückkopplungsnetzwerke S21, S22 basieren auf den Impedanzelementen Z5, Z6, Z7, Z8. Sie umfassen jeweils impedanzbasierte Spannungsteiler, wobei ein Pegel des über die Rück- kopplungsnetzwerke S21, S22 auf das Kombinationselement S30 rückgeführten Signals von einem Impedanzverhältnis der Impedanzelemente Z5, Z6 sowie Z7, Z8 abhängen. Der Impedanzwert der Impedanzelemente Z6, Z8 ist dabei durch ein Steuersignal einstellbar, das am Pegelausgang C0T2 der Pegelsteuereinheit abgegeben wird. Somit lässt sich der Pegel des Rückführungssignals in Abhängigkeit des Steuersignals einstellen.
Die Impedanzelemente Zl bis Z8 des Vorverstärkers PRE und der Rückkopplungsnetzwerke S21, S22 können sowohl rein widerstandsbasiert sein als auch kapazitive und/oder induktive Elemente umfassen. Beim Einsatz von induktiven und/oder kapa- zitiven Elementen kann somit zugleich eine Filterwirkung erreicht werden. Die einstellbaren Impedanzelemente sind beispielsweise als Impedanzkette oder als Widerstandskette mit gesteuert geschaltetem Abgriff ausgeführt, jeweils in Abhängigkeit des Steuersignals. Alternativ können die einstellba- ren Impedanzelemente auch über in ihrem Widerstandswert gesteuerte Transistoren realisiert werden. Jedoch können auch andere bekannte schaltbare Widerstände oder Impedanzelemente eingesetzt werden.
Im Kombinationselement S30 werden das differenzielle Eingangssignal und das differenzielle Rückkopplungssignal über Widerstände Rl, R2, R3, R4 zusammengeführt. Die Widerstandswerte der Widerstände Rl bis R4 können gleich oder für eine entsprechende Gewichtung unterschiedlich sein.
Das Integratorelement INT umfasst einen differenziellen Integrationsverstärker IC, der über kapazitive Elemente Cl, C2 rückgekoppelt ist. Das differenzielle integrierte Signal wird auf Vergleichselemente PCl, PC2 im Pulsmodulator PM geführt, die für jeden der differenziellen Signalzweige einen Vergleich mit der vom Signalgenerator SIG Dreiecksschwingung durchführen .
Die Ausgangsstufe OST umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine transistorbasierte Vollbrücke mit Transistoren Tl, T2, T3, T4, die von der Steuereingang CU in Abhängigkeit des Pulssignals am Pulsausgang POT angesteuert werden. Die Voll- brücke bildet somit ein Schaltelement SW. Durch entsprechende Ansteuerung wird entweder eine am Versorgungsanschluss Vl oder eine am Bezugspotentialanschluss GND anliegende Spannung auf den Ausgangsanschluss OOT durchgeschaltet, der durch Ver- bindungsknoten der Transistoren Tl, T2 sowie der Transistoren T3, T4 gebildet ist. An den Verstärkerausgang AOT, der mit dem Ausgangsanschluss 0OT gekoppelt ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Lautsprecher LS angeschlossen, der beispielsweise von einem Lautsprechersystem oder einem Kopfhörer umfasst ist. Die Kopplung des Lautsprechers LS an den Verstärkerausgang AOT kann über ein Tiefpasselement erfolgen. Jedoch kann auch die Tiefpasswirkung des Lautsprechers LS ausreichend sein, um unerwünschte Schaltgeräusche zu unterdrücken .
Ein differenzieller Pegeleingang Pl der Pegelsteuereinheit PSE ist wiederum an den Ausgang SOT des Signalverarbeitungselements SVE angeschlossen. Die Pegelsteuereinheit PSE umfasst weitere Vergleichselemente CMPl, CMP2, denen das integ- rierte differenzielle Signal sowie Schwellwertsignale AH, AL, DH, DL zugeführt werden. Vergleichsergebnisse der Vergleichselemente CMPl, CMP2 werden auf eine Auswerteeinheit LEV geführt, die in Abhängigkeit der Vergleichsergebnisse das Steuersignal am Pegelausgang COTl, C0T2 anpasst. Eine Reduzierung der Pegel im Signalverarbeitungselement SVE beziehungsweise eine Rücknahme der jeweiligen Reduzierung erfolgt analog zu dem für Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
In der Verstärkeranordnung ist zusätzlich ein Referenzspan- nungsgenerator REF vorgesehen, der in Abhängigkeit von über
Spannungsanschlüsse V3, V4 zugeführter Spannungen Signalpegel für die Maximal- und Minimalwerte TH, TL sowie die Schwellwerte AH, AL, DH, DL erzeugt, welche in der Pegelsteuereinheit PSE und im Signalgenerator SIG verwendet werden können. Der Referenzspannungsgenerator REF kann beispielsweise auch eine hier nicht dargestellte Bandgap-Schaltung umfassen, wel- che eine oder mehrere der benötigten Spannungen zur Verfügung stellt.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Verstär- keranordnung, bei der das Signalverarbeitungselement SVE abweichend von dem Ausführungsbeispiel in Figur 4 einen Digi- tal-Analog-Wandler DAC aufweist, der den ersten Eingang Il mit dem Integratorelement INT koppelt. Der Digital-Analog- Wandler DAC kann bezüglich seines Ausgangspegels über ein Steuersignal am Steuereingang CIN eingestellt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Eingangssignal als digitales Signal am Verstärkereingang AIN zugeführt und über den Digi- tal-Analog-Wandler DAC in ein differenzielles, analoges Eingangssignal mit entsprechendem Eingangspegel umgesetzt.
Ein Vorverstärker PRE, wie er in Figur 4 gezeigt ist, könnte auch in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen werden, beispielsweise zwischen dem Digital-Analog-Wandler DAC und dem Kombinationselement S30.
Der Verstärkerausgang AOT ist in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Ausgangsanschluss OOT über ein Tiefpassfilter TP gekoppelt, um die hochfrequenten Signalanteile des gepulsten Ausgangssignals der Ausgangsstufe OST wegzufiltern .
Die Pegelsteuereinheit PSE weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel den Auswerteeingang P2 auf, der mit dem Pulsausgang POT gekoppelt ist. Demnach wird, wie zuvor für Figur 1 ausführlich erläutert, direkt das Tastverhältnis des PuIs- Signals ausgewertet, um eine Anpassung der Pegel in dem Signalverarbeitungselement SVE vorzunehmen. Dabei können entweder der Pegel des Eingangssignals oder der Pegel des Rückführungssignals oder beide Pegel angepasst werden.
Da bei dem beschriebenen Ausführungsbeispielen der Verstärkeranordnung ein Pegel der Signale im Signalverarbeitungselement SVE nur bei Überschreiten des vorgegebenen Tastverhält- nisses reduziert werden und diese Reduzierung vorzugsweise sobald wie möglich wieder zurückgenommen wird, ist es möglich, eine maximale Ausgangsleistung bei geringen harmonischen Verzerrungen zu erreichen. Dies ist zudem auch für schwankende Versorgungsspannungen möglich. Durch die indirekte Anpassung des Pegels des integrierten Signals kann weiterhin ein durch Maximalwert und Minimalwert der Dreiecksschwingung bestimmter Spannungsbereich nahezu vollständig ausgenutzt werden. Eine Verstärkeranordnung nach einem der be- schriebenen Ausführungsbeispiele kann ferner einfach in ein System integriert werden, bei dem eine große Eingangsdynamik für das Eingangssignal des Verstärkers erforderlich ist.
Die Erzeugung des Pulssignals kann in den beschriebenen Aus- führungsbeispielen auch auf andere Weise als durch Vergleich mit einem periodischen Signal erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Verstärkeranordnung, umfassend einen Verstärkereingang (AIN) ; - einen Verstärkerausgang (AOT) ; ein Signalverarbeitungselement (SVE) mit einem ersten Eingang (II), der zur Zuführung eines Eingangssignals mit dem Verstärkereingang (AIN) gekoppelt ist, einem zweiten Eingang (12) zur Zuführung eines Rückführungssignals, einem Steuereingang (CIN) zur Zuführung eines Steuersignals und mit einem Integratorelement (INT), das eingangsseitig mit dem ersten und zweiten Eingang (II, 12) und ausgangsseitig mit einem Ausgang (SOT) des Signalverarbeitungselements (SVE) gekoppelt ist, wobei das Signalverarbeitungselement (SVE) dazu eingerichtet ist, einen jeweiligen Pegel des
Eingangssignals und/oder des Rückführungssignals in Abhängigkeit des Steuersignals einzustellen; einen Pulsmodulator (PM) , der eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines am Ausgang (SOT) des Signalverarbeitungsele- ments (SVE) anliegenden Signals ein Pulssignal an einem Pulsausgang (POT) zu erzeugen; eine Ausgangsstufe (OST) mit einem Schaltelement (SW) , das eingerichtet ist, Versorgungsspannungsanschlüsse (Vl, V2, GND) mit einem Ausgangsanschluss (00T) zu verbinden, der mit dem Verstärkerausgang (AOT) und dem zweiten Eingang (12) gekoppelt ist, und einer Steuereinheit (CU) zur Ansteuerung des Schaltelements (SW) , die mit dem Pulsausgang (POT) gekoppelt ist; und eine Pegelsteuereinheit (PSE) , die eingerichtet ist, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass in Abhängigkeit eines Überschreitens eines vorgegebenen Tastverhältnisses eines Pulssignals am Pulsausgang (POT) der jeweilige Pegel im Signalverarbeitungselement (SVE) reduziert wird.
2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, bei der die Pegelsteuereinheit (PSE) mit dem Pulsausgang (POT) gekoppelt ist und eingerichtet ist, ein Tastverhältnis des Pulssignals zu bestimmen und mit dem vorgegebenen Tast- Verhältnis zu vergleichen.
3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, bei der die Pegelsteuereinheit (PSE) einen Pegeleingang (Pl), der mit dem Ausgang (SOT) des Signalverarbeitungselements (SVE) gekoppelt ist, und einen Pegelausgang (COT, COTl, C0T2) aufweist, der mit dem Steuereingang (CIN) gekoppelt ist, und eingerichtet ist, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass in Abhängigkeit eines Vergleichs eines Signals am Pegeleingang (Pl) mit einem ersten Schwellwert (AH, AL) der jeweilige Pegel im Signalverarbeitungselement (SVE) reduziert wird.
4. Verstärkeranordnung nach Anspruch 3, bei der die Pegelsteuereinheit (PSE) eingerichtet ist, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass in Abhängigkeit eines Vergleichs des Signals am Pegeleingang (Pl) mit einem zweiten Schwellwert (DH, DL) die Reduzierung des jeweiligen Pegels im Signalverarbeitungselement (SVE) zurückgenommen wird.
5. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Pegelsteuereinheit (PSE) eingerichtet ist, das
Steuersignal derart zu erzeugen, dass die Reduzierung des jeweiligen Pegels im Signalverarbeitungselement (SVE) nach einer vorbestimmten Zeit nach der Reduzierung zurückgenommen wird.
6. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Signalverarbeitungselement (SVE) einen Vorverstärker (PRE) aufweist, der zwischen den ersten Eingang (II) und das Integratorelement (INT) geschaltet ist und eingerich- tet ist, den Pegel des Eingangssignals in Abhängigkeit des Steuersignals einzustellen.
7. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Signalverarbeitungselement (SVE) einen Digital- Analog-Wandler (DAC) aufweist, der zwischen den ersten Eingang (II) und das Integratorelement (INT) geschaltet ist und eingerichtet ist, den Pegel des Eingangssignals in Abhängigkeit des Steuersignals einzustellen.
8. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Signalverarbeitungselement (SVE) ein impedanzba- siertes Rückkopplungsnetzwerk (S21, S22) aufweist, das zwischen den zweiten Eingang (12) und das Integratorelement (INT) geschaltet ist und eingerichtet ist, den Pegel des Rückführungssignals in Abhängigkeit des Steuersignals einzustellen .
9. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Schaltelement (SW) eine transistorbasierte Halbbrücke oder eine transistorbasierte Vollbrücke umfasst.
10. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Pulsmodulator (PM) einen Signalgenerator (SIG) , der zur Erzeugung einer periodischen Schwingung an einem Generatorausgang (GO) eingerichtet ist, und ein Vergleichselement (PC) aufweist, das eingangsseitig mit dem Ausgang (SOT) des Signalverarbeitungselements (SVE) und dem Generatorausgang (GO) und ausgangseitig mit dem Pulsausgang (POT) gekoppelt ist, wobei die periodische Schwingung eine Dreiecksschwingung oder eine Sägezahnschwingung umfasst.
11. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Ausgangsanschluss (OOT) mit dem Verstärkerausgang (AOT) über ein Tiefpassfilter (TP) gekoppelt ist.
12. Verfahren zur Signalverstärkung, umfassend - Zuführen eines Eingangssignals;
Kombinieren des Eingangssignals mit einem Rückführungssignal; Integrieren des kombinierten Signals;
Erzeugen eines Pulssignals in Abhängigkeit des integrierten Signals;
Erzeugen eines Ausgangssignals durch gesteuertes Schalten einer Versorgungsspannung in Abhängigkeit des Pulssignals; Erzeugen des Rückführungssignals aus dem Ausgangssignal; Ermitteln eines Pegelwerts in Abhängigkeit eines Tastverhältnisses des Pulssignals; wobei ein jeweiliger Pegel des Eingangssignals und/oder des Rückführungssignals vor dem Kombinieren reduziert wird, wenn ein dem Pegelwert entsprechendes Tastverhältnis ein vorgegebenes Tastverhältnis überschreitet.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Ermitteln des Pegelwerts ein Vergleichen des integrierten Signals mit einem ersten Schwellwert (AH, AL) um- fasst .
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem in Abhängigkeit eines Vergleichs des integrierten
Signals mit einem zweiten Schwellwert (DH, DL) die Reduzierung des jeweiligen Pegels zurückgenommen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Reduzierung des jeweiligen Pegels nach einer vorbestimmten Zeit nach der Reduzierung zurückgenommen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem das Erzeugen des Pulssignals ein Vergleichen des in- tegrierten Signals mit einer Dreiecksschwingung oder einer Sägezahnschwingung umfasst.
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