DE2920079A1 - Class=D LF amplifying circuit - has P-channel FET controlled by negative voltage pulses and N-channel FET in series controlled by positive ones - Google Patents

Abstract

The amplifying circuit is for rectangular wave signals pulse-width modulated at a low frequency. The signal applied at the put controls two f.e.ts working in pulse opposition and connected in series between the positive and negative poles of the voltage supply. The junction of the f.e.ts serves as the output of the circuit. The f.e.ts (Tp, Tn) are of complementary enhancement type. The source electrode (S) of the P-channel f.e.t. (Tp) lies on the positive pole (+UB) of the voltage supply, while the source electrode (S) of the N-channel f.e.t (Tn) lies on the minus (-) pole. The gate of each f.e.t. is connected capacitatively with the input (E) of the circuit and with the source electrode (S) via respective clamping diodes (D1, D2) with resistors (R3, R4) in parallel.

Description

Schaltungsanordnung zum Verstärken eines mit Nieder-Circuit arrangement for amplifying a low

frequenz pulsbreitenmodulierten Rechtecksignals Die Erfindung beschäftigt sich mit einem sogenannten Verstärker der Klasse D, wie er auch als PDM- oder als Ps-Verstärker bekannt ist. In diesem Zusar1mlenhang wird verwiesen auf "Elektor", (Dezember 1978) Seiten 36 bis 39.frequency pulse-width-modulated square-wave signal The invention is concerned with a so-called class D amplifier, as it is also known as a PDM or as a Ps amplifier is known. In this context reference is made to "Elektor", (December 1978) pages 36 to 39.

An den Eingang eines solchen Verstärkers wird ein mit Niederfrequenz (Tonfrequenz) pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal angelegt. Am Ausgang wird das verstärkte niederfrequente Signal über ein integrierendes Tiefpaßfilter gewonnen, so daß an das Tiefpaßfilter anschließend unmittelbar ein Lautsprecher angeschlossen werden kann.At the input of such an amplifier is a low frequency (Audio frequency) pulse width modulated square wave signal applied. At the exit it will amplified low-frequency signal obtained via an integrating low-pass filter, so that a loudspeaker is then directly connected to the low-pass filter can be.

Unterschiedlich zu üblichen NF-Endstufen, die auch bei sogenannten Schaltverstärkern als modifizierte, komplementäre Emitterfolger ausgebildet sind, besteht diese Schaltungsanordnung aus zwei Schaltern, die den Verbraucher abwechselnd an den Minuspol oder den Pluspol der Betriebsspannung schalten. Obwohl das Prinzip des PDM-Verstärkers schon längere Zeit bekannt ist, scheitert seine Realisierung bisher an den relativ qroßen Schaltzeiten der zur Verfügung stehenden llalbleiterbauelementen. Durch das Erscheinen von VMOS- und DMOS-Feldeffe]cttralrstoren mit Schaltzeiten von weniger als 5 ns sind jedoch PDM-Verstärker mit Taktfrequenzen von 100 bis 50Q kllz möglich.This differs from the usual NF amplifiers, which are also used with so-called Switching amplifiers are designed as modified, complementary emitter followers, This circuit arrangement consists of two switches that switch the consumer alternately Switch to the negative pole or the positive pole of the operating voltage. Although the principle of the PDM amplifier has been known for a long time, its implementation fails up to now on the relatively large switching times of the semiconductor components available. With the appearance of VMOS and DMOS field blinds with switching times however, PDM amplifiers with clock frequencies of 100 to 50Ω are less than 5 ns kllz possible.

Vorzugsweise werden deshalb bei der Realisierung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung VMOS- und DMOS-Feldeffekttransitoren verwendet, obwoh] bei ähnlich günstigen Schaltzeiten auch andere Feldeffekttransistoren brauchbar sind.Preferably, therefore, when realizing the circuit arrangement used according to the invention VMOS and DMOS field effect transistors, although] with similar cheap Switching times other field effect transistors can also be used.

Die Erfindung betrifft somit eine Schaltungsanordnung zum Verstärken eines mit Niederfrequenz pulsbreitenmodulierten Rechtecksignals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der obengenannten Literaturstelle "vektor" (Dezember 1978) bekannt war.The invention thus relates to a circuit arrangement for amplification a low-frequency pulse-width-modulated square-wave signal according to the preamble of claim 1, as it is from the above-mentioned reference "Vektor" (December 1978) was known.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer einfachen und weniger aufwendigen Schaltungsanordnung, deren Funktion weitgehend unabhänyig von der Spannung der Spannungsversorgung ist. Außerdem soll die Ausgangsleistung der Schaltungsanordnung bei gleichem Eingangssignal im wesentlichen von dem Widerstandswert des Lastwiderstandes,d.h.The object of the invention is to provide a simple and less complex Circuit arrangement, the function of which is largely independent of the voltage of the power supply is. In addition, the output power of the circuit arrangement should be given the same input signal essentially on the resistance value of the load resistor, i.e.

des Lautsprechers und der Betriebsspannung bestimmt werden.of the loudspeaker and the operating voltage.

Diese Aufgabe wird erfindungsgema durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Schaltungsmaßnahmen gelöst.This object is achieved according to the invention by the in the characterizing part of claim 1 specified circuit measures solved.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung und ihre orteile werden im folgenden anhand der in der Figuren der Zeichnung dargesellten Schaltungen erläutert.The circuit arrangement according to the invention and its advantages are explained below with reference to the circuits shown in the figures of the drawing.

Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden die Source-Drain-Strecken eines - P-Kanal-Feldeffekttransistors Tp und eines N-Kanal-Feldeffekttransistors Tn in Serie geschaltet, wobei die Drain-Elektroden D verbunden werden und der Verbindungspunkt der beiden Feldeffekttransistoren als Ausgang der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zu betrachten ist. An diesen Ausgang wird in bekannter Weise ein integrierendes Tiefpaßfilter, bestehend aus der Spule I. und dem Kondensator C4, vor den Lautsprecher Sp geschaltet. Nach der Figur 1 liegt in Serie zu dieser Anordnung ein Trennkondensator C3.In the circuit arrangement according to the invention, the source-drain paths a - P-channel field effect transistor Tp and an N-channel field effect transistor Tn connected in series, connecting the drain electrodes D and the connection point of the two field effect transistors as the output of the circuit arrangement according to the invention is to be considered. An integrating output is connected to this output in a known manner Low-pass filter, consisting of the coil I. and the capacitor C4, in front of the speaker Sp switched. According to FIG. 1, a separating capacitor is connected in series with this arrangement C3.

Die Source-Elektrode S des P-Kanal--Feldeffekttransis-tor Tp liegt am Pluspol +UB und die Source-Flektrode S des N-Kanal-Feldeffek-t:transistors am Minuspol (-). Der Minuspol kann beispielsweise an Masse gelegt werden, wie in der Figur angedeutet ist. Während die Cate-Elektrode des P-Kanal-Feldeffekttransistor Tp mit seiner Source-Elektrode über eine Parallelschaltung eines Entladewiderstandes R4 mit einer Klemmdiode D2verbunden ist, wird in gleicher Weise die Gate-Source-Strecke des N-Kanal-Feldeffekttransistors Dn mittels der Parallelschaltung eines weiteren Entladewiderstandes R3 mit einer weiteren Klemmdiode D1 überbrückt. Die beiden Klemmdioden 1 und D2 sind derart gepolt, daß beim P-Kanal-FeldeffektLransist:or Tp die Klemndiode D2 in Flußrichtung von der Gate-Elektrode zur Source-Elektrode S und die J<lemmdiode D1 beim N-Kanal-Feldeffekttransistor Tn in Richtung Source-Elektrode S zur Gate-Elektrode in Flußrichtung liegen. Dadurch wird der P-Kanal-Feldeffekttransisto.r Tp mit negati.ver und der N-Kanal-Feldeffekttransis-tor Tn mit positiven Spannungsimpulsen angesteuert. Diese Ansteuerung erfolgt gleichphasig kapazitiv über die beiden Koppelkapazitäten C1 und C2 am Eingang E an die Ga-te-Elektroden der Feldeffekttransistoren über die beiden Schutzwiderstände R1 und R2, die bei einem Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung einen Widerstandswert von 33 Ohm auf wiesen, während die Koppelkapazitä-ten C1 und C2 0,1 ytF betrugen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung erhielten die Entladewiderstände R3 und R4 Widerstandswerte von 100 k.Ohm.The source electrode S of the P-channel field effect transistor Tp is located at the positive pole + UB and the source flectrode S of the N-channel field effect: transistor at the Negative pole (-). The negative pole can, for example, be connected to ground, as in the Figure is indicated. While the cate electrode of the P-channel field effect transistor Tp with its source electrode via a parallel connection of a discharge resistor R4 is connected to a clamping diode D2, becomes the gate-source path in the same way of the N-channel field effect transistor Dn by means of the parallel connection of another Discharge resistor R3 bridged with another clamping diode D1. The two clamping diodes 1 and D2 are polarized in such a way that in the case of the P-channel field effect transistor: or Tp is the clamping diode D2 in the flow direction from the gate electrode to the source electrode S and the J <inhibiting diode D1 in the case of the N-channel field effect transistor Tn in the direction of the source electrode S to the gate electrode lie in the direction of flow. As a result, the P-channel field effect transistor is Tp with negati.ver and the N-channel field effect transistor Tn controlled with positive voltage pulses. This activation takes place capacitively in phase via the two coupling capacitors C1 and C2 at input E to the gate electrodes of the field effect transistors via the two protective resistors R1 and R2, which in one embodiment of the circuit arrangement according to the invention had a resistance of 33 ohms, while the coupling capacities C1 and C2 were 0.1 ytF. In the exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention, the discharge resistors R3 and R4 received resistance values of 100 kOhm.

Der Trennkondensator C3 kann entfallen (überbrückt werden) wenn zwei gleiche, in Reihe yeschaltete Betriebspannungsquellen (+,, -UB) verwendet werden, zwischen deren Verbindungspunkt und dem Tiefpaß der Lautsprecher geschaltet wird, wie die Fig. 2 veranschaulicht.The separating capacitor C3 can be omitted (bridged) if two the same operating voltage sources (+ ,, -UB) connected in series are used, the loudspeaker is switched between the connection point and the low-pass filter, as FIG. 2 illustrates.

Als Feldeffekttransistoren wurden BD 512 (P-Kanal-VMOS-Feldeffekttransistor) für Tp und BD 522 (N-Kanal-VMOS-Feldeffekttransistor) für Tn verwendet, Die Rinschaltwiderstände Ron der beiden Schaltzweige sollten möglichst gleich sein. Da aber die Ron-Widerstände von P-Kanal-VMOS-Transistoren viel größer, (ca. doppelt so groß) wie die von N-Kanal gleicher Leistung sind, werden entsprechend mehr P-Eanal-VMOS-Felderfekttransistoren parallelgeschaltet. Dementsprechend erstreckt sich die Schaltungsanordnung nach der Erfindung auch auf die Verwendung von mindestens je einem weiteren Feldeffekttransistor gleichen Leitungstyps, der mindestens einem der Feldeffekttransistoren Tn bzw. Tp parallelgeschaltet.The field effect transistors were BD 512 (P-channel VMOS field effect transistor) for Tp and BD 522 (N-channel VMOS field effect transistor) used for Tn, the switching resistors Ron of the two switching branches should be the same as possible. But there the Ron resistors of P-channel VMOS transistors are much larger (approx. twice as large) as those of N-channel are of the same power, there are correspondingly more P-Eanal VMOS field effect transistors connected in parallel. The circuit arrangement extends accordingly to of the invention also to the use of at least one further field effect transistor each the same conductivity type, the at least one of the field effect transistors Tn or Tp connected in parallel.

wird, Von den N-bzw. P-Kanal-FeldeffekttransistoreIu müsse jeweils soviel parallelgeschaltet werden, daß ein Schaltwiderstand Ron vorzugsweise weniger als ein Zehntel des Ausgangswiderstandes bzw. des Lautsprecher-Widerstandes ist.is, of the N or. P-channel field effect transistorIu must each so much are connected in parallel that a switching resistor Ron is preferably less than one tenth of the output resistance or the loudspeaker resistance.

Dann lassen sich nämLich Wirkungsgrade von mehr als 90% erreichen. Die maximale Ausgangsleistung berechnet sich nach der Gleichung wobei der Einschaltwiderstand Ron der Feldcffekttransistoren nicht berücksichtigt ist.Then efficiencies of more than 90% can be achieved. The maximum output power is calculated according to the equation whereby the on-resistance Ron of the field-effect transistors is not taken into account.

Ein Vorteil der Schaltungsanordnung nach der Erfindung besteht darin, daß das pulsbreitenmodulierte Signal nur mit einer Amplitude von 12 bis 15 V einphasig benötigt wird.An advantage of the circuit arrangement according to the invention is that the pulse-width modulated signal is only single-phase with an amplitude of 12 to 15 V. is needed.

Wirkungsgrade von 80 bis 97 bei Klirrfaktoren von weniger als 0,2% (ohne Gegenkopplung!)sind erreichbar.Efficiencies from 80 to 97 with distortion factors of less than 0.2% (without negative feedback!) are achievable.

Bei fehlendem Ansteuersignal sind beide Transistoren gesperrt, so daß die Schaltungsanordnung sich selbst schützt und bei fehlender Ansteuerung kein Strom fließen kann.If there is no control signal, both transistors are blocked, see above that the circuit arrangement protects itself and, in the absence of control, none Electricity can flow.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (3)

Patentansprüche U . Schaltungsanordnung zum Verstärkern eines mit Niederfrequenz pulsbreitenmodulierten Rechtecksignals, das an den Eingang der Schaltungsanordnung gelegt wird und zwei gegenphasig arbeitende in Reihe zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Spannungsversorgung leende Feldeffekttransistoren ansteuert, wobei der Verbindungspunkt der Feldeffekttransistoren als Ausgang der Schaltungsanordnung dient, dadurch genkennzeichnet, daß als Feldeffekttransistor komplementäre Feldeffekttransistoren (Tp, Tn) von Anreicherungstyp verwendet, daß die Source-Elektrode (S) des P-Kanal-fleldeffekttransistors (Tp) am Pluspol (+UB) und die Sourc-Elektrode (S) des N-Kanal-Feldeffekttransistors (Tn) am Minuspol (-) der Spannungsversorgung liegen, daß bei jedem der Feldeffekttransist:oren die Gate-Elektrode kapazitiv mit dem Eingang (E) der Schaltunsanordnung und über je eine Klemmdiode (D1, D2) und einem dazu parallelgeschalteten Widerstand (R3, R4) mi.t der Source-Elektrode (S) derart verbunden ist, daß beim P-Kanal-Feldeffekttransistor (Tp) die Klemmdiode (D2) in Flußrichtung zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode (S) und beim N-Kanal-Feldeffekttransistor XTn) die Klemmdiode (D1) in Flußrichtunq zwischen der Source-Elektrode (S) und der Gate-Elektrode lieqen, so daß der P-Kanal- Feldeffekttransistor (Tp) mit negativem und der N-Kanal-Feldeffekttransistor (Tn) mit positivem Spannungsimpuls angesteuert wird. Claims U. Circuit arrangement for amplifying a with Low-frequency pulse-width-modulated square-wave signal that is sent to the input of the circuit arrangement and two in phase opposition in series between the positive and drives field effect transistors at the negative pole of the power supply, wherein the connection point of the field effect transistors as the output of the circuit arrangement serves, characterized in that complementary field effect transistors as the field effect transistor (Tp, Tn) of enhancement type that uses the source electrode (S) of the P-channel field effect transistor (Tp) at the positive pole (+ UB) and the Sourc electrode (S) of the N-channel field effect transistor (Tn) are at the negative pole (-) of the voltage supply that in each of the field effect transistors: oren the gate electrode capacitive to the input (E) of the circuit arrangement and across one clamping diode each (D1, D2) and a resistor (R3, R4) is connected to the source electrode (S) in such a way that the P-channel field effect transistor (Tp) the clamping diode (D2) in the forward direction between the gate electrode and the source electrode (S) and the N-channel field effect transistor XTn) the clamping diode (D1) in Flußrichtunq lieqen between the source electrode (S) and the gate electrode, so that the P-channel Field effect transistor (Tp) with a negative voltage pulse and the N-channel field effect transistor (Tn) with a positive voltage pulse is controlled. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem der Feldeffekttransistoren (Tn, Tp) mindestens je ein weiterer Feldeffekttransistor gleichen Leitungstyps des Anreicherungstyps parallelgeschaltet ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that at least one of the field effect transistors (Tn, Tp) at least one further each Field effect transistor of the same conductivity type of the enhancement type connected in parallel is. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß soviele N-Kanal-Feldeffekttransistoren bzw. P-Kanal-Feldeffekttransistoren parallelgeschaltet sind. daß der Eingangswiderst:and Ron jeder der ParalleLschaltung der Feideffekttransistoren gleichen Leitungstyps weniger als 1/10 des Lastwiderstandes bzw. des Lautsprecher-Widerstandes ist.3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that as many N-channel field effect transistors or P-channel field effect transistors connected in parallel are. that the input resistance: and Ron each of the parallel connection of the field effect transistors same line type less than 1/10 of the load resistance or the loudspeaker resistance is.