DE19907530A1 - D-Verstärker und Verfahren zum Erzeugen eines Bezugssignals, das repräsentativ für das Ausgangssignal eines D-Verstärkers ist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft D-Verstärker und insbesondere eine Ausgangssignal- Wiedergabeschaltung ohne Phasenverzögerung.

Bei einem D-Verstärker wird ein Toneingangssignal in ein Ausgangssignal umgewandelt, das an einer externen Last, üblicherweise einem Lautsprecher, als das ursprüngliche Signal wie­ dergegeben werden kann. Der Grundbetrieb eines D-Verstärkers ist in Fig. 1 gezeigt. Ein ein­ gehendes analoges Signal AUDIO_IN wird von einem Pulsbreitenmodulator PWM 101 in eine hochfrequente Rechteckwelle DIG_OUT umgewandelt, deren Mittelwert dem ursprüng­ lichen Signal folgt. Die Rechteckwelle DIG_OUT wird in eine Ausgangsstufe 102 gespeist, die eine Pegelverschiebung vorsieht und das Signal in ein Ansteuersignal HI_OUT und ein Ansteuersignal LO_OUT aufteilt. Das Signal HI_OUT und das Signal LO_OUT werden durch Ausgangsfilter 103 bzw. 104 geschickt, um Schaltrauschen zu entfernen und ein ge­ mitteltes Ausgangssignal zum Ansteuern eines Lautsprechers 105 vorzusehen. Die Ausgangs­ filter 103 und 104 sind üblicherweise als LC-Filter realisiert, wie in Fig. 3a gezeigt. Ein Aus­ gangsfilter 301 enthält eine Induktivität 302 und eine Kapazität 303 und dient als ein Tiefpaß­ filter für das Signal, das von der Ausgangsstufe 102 zum Lautsprecher 105 geht.

Um die Genauigkeit des Ausgangssignals eines üblichen D-Verstärkers zu verbessern, wird eine Rückführschleife verwendet, um das Ausgangssignal zu überwachen und nach Bedarf Feineinstellungen vorzunehmen. Wie in Fig. 2a gezeigt, umfaßt ein Beispiel dieser Rückführ­ schleife eine Rückführverstärkerschaltung 206 und eine Fehlerverstärkerschaltung 207. Die Rückführverstärkerschaltung 206 verknüpft die Ausgangssignale der Filter 103 und 104 er­ neut in ein einziges Bezugssignal REF_SIGNAL. Das Signal REF_SIGNAL wird dann mit dem ursprünglichen Signal AUDIO_IN von der Fehlerverstärkerschaltung 207 verglichen, die dann ein eingestelltes Signal ADJ_OUT erzeugt, das Abweichungen korrigiert. Das einge­ stellte Signal ADJ_OUT wird dann von dem PWM 101 normal verarbeitet, und der Zyklus setzt sich fort. Ein anderes Beispiel der Rückführschleife ist in Fig. 2b gezeigt. Zwei externe Rückführfilter 203 und 204 lesen die Signale HI_OUT bzw. LO_OUT direkt von der Aus­ gangsstufe 102. Die Filter 203 und 204 enthalten üblicherweise eine LC- oder RC-Schaltung, wie in Fig. 3b gezeigt. In Fig. 3b umfaßt ein Rückführfilter 304 einen Widerstand 305 und einen Kondensator 306, die als Tiefpaßfilter angeordnet sind. Wie die Filter 103 und 104 ent­ fernen die Filter 203 und 204 Schaltrauschen und mitteln die digitalen Signale, und die Rück­ führverstärkerschaltung 206 kombiniert ihre Ausgangssignale zum Erzeugen des Signals REF_SIGNAL für die Fehlerverstärkerschaltung 207.

Bei den Ausführungsformen der Rückführschleife, die in den Fig. 2a und 2b gezeigt sind, ist die Genauigkeit des Signals REF_SIGNAL entscheidend für die gesamte Verstärkergenauig­ keit. Wenn das Signal REF_SIGNAL eine große Verzerrung oder Phasenverzögerung auf­ weist, kann es von der Fehlerverstärkerschaltung 207 nicht sinnvoll mit dem eingehenden Signal AUDIO-IN verglichen werden, wodurch die Fehlerkompensation unbrauchbar oder sogar nachteilig wird. Die Verzerrung des Signals REF_SIGNAL wird üblicherweise durch Schaltrauschen von der Ausgangsstufe 102 und Gegen-EMK von dem Lautsprecher 105 ver­ ursacht. Das Schaltrauschen ist ein Nebeneffekt des normalen Betriebs der Leistungs-FET's in der Ausgangsstufe 102, die abhängig vom Ausgangssignal des PWM 101 andauernd einen Ein/Auszyklus durchlaufen. Dies erzeugt scharfe Stromspitzen und hochfrequentes Rauschen, die sich mit dem Grundausgangssignal verbinden können. Die Filter 103 und 104 und 203 und 204 sind so konzipiert, daß sie Schaltrauschen entfernen, indem sie als Tiefpaßfilter ar­ beiten, und sie enthalten häufig mehrere Filterstufen, um die Hochfrequenzunterdrückung zu verbessern. Die von der Fehlerverstärkerstufe 207 benötigte Signalreinheit kann jedoch Filter­ stufen notwendig machen, die über das hinausgehen, was für eine präzise Tonwiedergabe bei dem Lautsprecher 105 notwendig ist. Die zusätzlichen Filterstufen erhöhen die Komplexität und Kosten der Verstärkerschaltung, insbesondere bei der Ausführungsform mit externem Filter gemäß Fig. 2b. Der Grund, der hinter den externen Filtern 203 und 204 steht, liegt je­ doch darin, die andere mögliche Quelle für die Signalverzerrung, die Gegen-EMK von dem Lautsprecher 105, zu berücksichtigen. Große Verschiebungen des Konus in dem Lautsprecher 105 können eine Gegen-EMK in dessen Sprechspule verursachen, wodurch die Ansteuerwel­ lenform verzerrt wird. Durch Entkoppeln der externen Filter 203 und 204 von dem Lautspre­ cher 105 werden die Effekte der Gegen-EMK minimiert, jedoch auf Kosten einer größeren Anzahl Teile.

Der andere kritische Faktor für die Verstärkergenauigkeit ist die Phasenverzögerung des Si­ gnals REF_SIGNAL. Wenn zwischen den Signalen REF_SIGNAL und AUDIO_IN eine Dif­ ferenz besteht, unterscheiden sich die momentanen Größen der Signale selbst dann, wenn die Wellenformen in jeder anderen Hinsicht identisch sind. Diese Differenz zeigt sich als ein Fehler der Fehlerverstärkerschaltung 207 und kann zu unerwünschten Schwingungen und Verzerrungen des Ausgangssignals führen, wenn die Fehlerverstärkerschaltung 207 versucht, ein Signal zu "korrigieren", das bereits mit dem ursprünglichen Signal übereinstimmt. Auf­ grund der diskreten Komponenten in den Filtern, welche die Ausgangssignale erzeugen, die von der Rückführschleife verwendet werden, ist bei herkömmlichen D-Verstärkern eine Pha­ senverschiebung unvermeidbar. Die Kapazitäten in den Filtern 103, 104, 203 und 204 garan­ tieren eine gewisse Phasenverschiebung in dem Signal REF_SIGNAL. Diese Größe kann reduziert werden, indem die Filterkondensatoren größer gemacht werden, diese Vergrößerung senkt jedoch auch die Dämpfungsfrequenz (cut-off Frequenz) des Filters und kann nachteilige Effekte auf die Frequenzantwort des Verstärkers haben.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Rückführverstärkerschaltung vorzusehen, die eine präzise Wiedergabe des Verstärkerausgangssignals liefern kann und dabei eine minimale Phasenverschiebung einführt.

Diese Aufgabe wird durch eine Bezugssignal-Verstärkerschaltung in einem D-Verstärker mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Bezugssignals, das repräsentativ für das Ausgangssignal eines D-Verstärkers ist, mit den Verfahrensschritten von Anspruch 4 gelöst.

Insbesondere sieht die Erfindung eine Bezugssignal-Verstärkerschaltung in einem D- Verstärker zum präzisen Wiedergeben des Ausgangssignals des Verstärkers innerhalb einer Fehlerkorrektur-Rückführschleifenschaltung vor. Erfindungsgemäß ist der Bezugssignalver­ stärker mit der Ausgangsstufe des D-Verstärkers direkt verbunden. Ein als Differentialver­ stärker-Schaltung konfigurierter Operationsverstärker in der Rückführschleifenschaltung kombiniert digitale Signale von der Ausgangsstufe des Verstärkers zu einem einzigen Be­ zugssignal. Durch Reduzieren der Bandbreite des Operationsverstärkers verhält sich die Dif­ ferential-Verstärkerschaltung wie ein Tiefpaßfilter, wodurch jedes Schaltrauschen effektiv unterdrückt wird. Zusätzlich wird durch direktes Koppeln der Ausgangsstufe des Verstärkers der Einfluß jeder potentiell störenden Gegen-EMK von einem externen Lautsprecher mini­ miert. Da zum Erzeugen des Bezugssignals keine diskreten RC- oder LC-Filter verwendet werden, wird schließlich keine Phasenverschiebung in das Bezugssignal eingebracht. Dadurch wird ein präzises Bezugssignal erzeugt, das mit dem ursprünglichen Eingangssignal des Ver­ stärkers zum Zwecke der Fehlerkorrektur richtig verglichen werden kann.

Die Erfindung ergibt sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungsformen mit Bezug auf die Zeichnung. In den Figuren zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm des grundlegenden D-Verstärkerbetriebs;

Fig. 2a ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Rückkopplungsschleife in einem D- Verstärker;

Fig. 2b ein Blockdiagramm einer anderen herkömmlichen Rückkopplungsschleife in einem D-Verstärker;

Fig. 3a eine Ausführungsform des Ausgangsfilters;

Fig. 3b eine Ausführungsform eines Rückkopplungsfilters;

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Rückkopplungsschleife in einem D-Verstärker, der die Erfindung verwendet; und

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild der Erfindung.

In den verschiedenen Figuren wurden für ähnliche oder gleiche Elemente dieselben Bezugs­ zeichen verwendet.

Die Erfindung sieht eine Rückkopplungsschleife für einen D-Verstärker vor, die eine präzise Wiedergabe des Ausgangssignals mit geringer Verzögerung erzeugt, um das Ausgangssignal mit dem ursprünglichen Eingangssignal zu vergleichen. Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Wie bei einem herkömmlichen D-Verstärker wird ein analoges Eingangs­ signal AUDIO_IN in eine Fehlerverstärkerschaltung 207 gespeist, die das Signal AUDIO_IN einstellt. Das resultierende Signal ADJ_OUT wird von einem Pulsbreitenmodulator oder PWM 101 in ein hochfrequentes digitales Signal DIG_OUT transformiert. Eine Ausgangsstu­ fe 102 sieht eine Pegelverschiebung vor und teilt das Ausgangssignal DIG_OUT in ein An­ steuersignal HI_OUT und ein Ansteuersignal LO_OUT. Ausgangsfilter 103 und 104 entfer­ nen das Schaltrauschen und Konvertieren die digitalen Signale HI_OUT bzw. LO_OUT zu­ rück in analoge Signale, die einen externen Lautsprecher 105 ansteuern können. Um sicherzu­ stellen, daß die Fehlerverstärkerschaltung 207 die Fehlerkorrektur richtig ausführt, sieht die Erfindung eine Bezugssignalverstärkerschaltung 406 vor. Die Schaltung 406 nimmt die Si­ gnale HI_OUT und LO_OUT direkt von der Ausgangsstufe 102 und kombiniert sie zu einem einzigen Bezugssignal REF_SIGNAL. Eine Ausführungsform der Bezugssignalverstärker­ schaltung 406 ist in Fig. 5 gezeigt. Ein Operationsverstärker 501 mit kleiner Bandbreite wird über die Widerstände 502, 503, 504 und 505 als Differentialverstärker konfiguriert. Durch Verringern der Bandbreite des Operationsverstärkers 501, so daß seine Dämpfung bei einer gewünschten Filterfrequenz einsetzt, bzw. seine Verstärkung dort ausklingt, kann das hoch­ frequente Schaltrauschen eliminiert werden. Solange die Dämpfungsfrequenz (roll-off Fre­ quenz) größer als die Frequenzen der Signale HI_OUT und LO_OUT ist kann gleichzeitig das Ausgangssignal ohne Phasenverschiebung durchgelassen werden. Dadurch wird ein Aus­ gangssignal REF_SIGNAL erzeugt, das mit dem ursprünglichen Eingangssignal AUDIO_IN in Phase ist. Das von der Schaltung 406 erzeugte Signal REF_SIGNAL und das Signal AUDIO_IN können somit von der Fehlerverstärkerschaltung 207 richtig verglichen werden, um präzise Ergebnisse für die Fehlerkorrektur zu erhalten. Zusätzlich vermeidet die Schaltung 406 die Verzerrungseffekte der Gegen-EMK von dem Lautsprecher 105, ohne daß die in Fig. 2b gezeigten zusätzlichen Filter 203 und 204 notwendig wären.

Claims (7)

1. Bezugssignal-Verstärkerschaltung in einem D-Verstärker, der folgende Merkmale aufweist:
einen Pulsbreitenmodulator zum Konvertieren eines Toneingangssignals in eine digi­ tale Wellenform;
eine Ausgangsstufe zum Durchführen einer Signalteilung und Pegelverschiebung der digitalen Wellenform, um hohe und niedrige digitale Ansteuersignale zu erzeugen; und
eine Fehlerverstärkerschaltung zum Vergleichen des Ausgangssignals des D- Verstärkers mit dem Toneingangssignal zum Zwecke der Fehlerkorrektur;
wobei die Bezugssignal-Verstärkerschaltung mit der Ausgangsstufe direkt gekoppelt ist, um Rauschen aus den hohen und niedrigen digitalen Ansteuersignalen zu filtern, und um die hohen und niedrigen digitalen Ansteuersignale zu einem einzigen analogen Bezugssignal zu kombinieren, das keine Phasenverzögerung hat und eine präzise Wie­ dergabe des Ausgangssignals des D-Verstärkers ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, mit einem Operationsverstärker kleiner Bandbreite, der als ein Differentialverstärker konfiguriert ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, bei der der Operationsverstärker eine Dämpfungsfrequenz hat, die deutlich kleiner ist als die Frequenz des Schaltrauschens, das von der Aus­ gangsstufe erzeugt wird.

4. Verfahren zum Erzeugen eines Bezugssignals in einem D-Verstärker, das repräsentativ für das Ausgangssignal des D-Verstärkers ist, zum Zwecke der Fehlerkorrektur, wobei der D-Verstärker einen Pulsbreitenmodulator zum Konvertieren eines eingehenden Tonsignals in eine digitale Wellenform und eine Ausgangsstufe zum Durchführen ei­ ner Signalteilung und Pegelverschiebung der digitalen Wellenform aufweist, um hohe und niedrige digitale Ansteuersignale zu erzeugen, mit folgenden Verfahrensschritten:
Lesen der hohen und niedrigen digitalen Ansteuersignale direkt von der Ausgangsstu­ fe;
Ausfiltern von Schaltrauschen aus den hohen und niedrigen digitalen Ansteuersigna­ len; und
Kombinieren der digitalen hohen und niedrigen Signale zu einem einzigen Bezugs­ signal, das keine Phasenverschiebung aufweist und eine präzise Wiedergabe des Aus­ gangssignals des D-Verstärkers ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Filtern und Kombinieren von einem Operati­ onsverstärker mit kleiner Bandbreite ausgeführt wird, der als ein Differentialverstärker konfiguriert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Operationsverstärker eine Dämpfungsfre­ quenz hat, die deutlich kleiner ist als die Frequenz des Schaltrauschens.

7. D-Verstärker umfassend:
einen Pulsbreitenmodulator zum Konvertieren eines Toneingangssignals in eine digi­ tale Wellenform;
eine Ausgangsstufe zum Durchführen einer Signalteilung und Pegelverschiebung der digitalen Wellenform, um hohe und niedrige digitale Ansteuersignale zu erzeugen; und
eine Fehlerverstärkerschaltung zum Vergleichen des Ausgangssignals des D- Verstärkers mit dem Toneingangssignal zum Zwecke der Fehlerkorrektur;
gekennzeichnet durch eine Bezugssignal-Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.