DE69616290T2 - Audioverstärker - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Audioverstärker mit einer Anordnung zum Beeinflussen eines Audiosignals. Ein derartiger Verstärker wird bei Tonwiedergabesystemen, wie Audio-Anlagen und Fernsehgeräten verwendet. Die Anordnung zum Beeinflussen des Audiosignals umfasst einen Vorverstärker, der beispielsweise durch eine integrierte Schaltung von dem Typ TEA6330T, hergestellt von Philips Semiconductors, gebildet wird. Dieser bekannte Vorverstärker hat eine einstellbare Transfercharakteristik. Ein Benutzer des Audioverstärkers kann die Lautstärke, den Tiefen- und den Höhenbereich nach eigenem Belieben durch Anpassung dieser Transfercharakteristik regeln. Bei diesem bekannten Audioverstärker werden Einstellungen, die durch den Benutzer gemacht worden sind, nicht angepasst in Reaktion auf das dem Eingang des Audioverstärkers zugeführten Audiosignal.
• In US-A 4.467.287 ist ein Signalkonditionierungssystem beschrieben zum Ändern des dynamischen Bereichs eines elektrischen Eingangssignals. Das System umfasst Verstärkungsregelmittel zur Regelung der Verstärkung des Eingangssignals als eine Funktion eines Verstärkungsregelsignals, und Regelsignalerzeugungsmittel zum Erzeugen des Verstärkungsregelsignals. Die Regelsignalerzeugungsmittel umfassen Mittel zum Erzeugen eines ersten Signals als eine Funktion der Amplitude des Eingangssignals und Mittel, die auf das erste Signal reagieren zum Erzeugendes Verstärkungsregelsignals als eine Funktion nur dieser Teile nur einer Polarität der Zeitableitung des ersten Signals. Das Signalaufbereitungssystem ist als Mehrfachbandsystem mit drei Bändern, mit je einer vorbestimmten Bandbreite.
• Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Audioverstärker zu schaffen, durch den das Audiosignal derart beeinflusst wird, dass ein neuartiger psycho-akustischer Effekt erhalten wird.
• Dazu schafft die vorliegende Erfindung einen Audioverstärker, ein Tonwiedergabesystem und ein Verfahren zum Beeinflussen eines Audiosignals, wie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
• Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein HF- Bereich des Audiosignals gegenüber einem restlichen Bereich des Audiosignals für höchstens eine bestimmte Periode zusätzlich verstärkt, wenn ein aktueller Wert des Audiosignals einen bestimmten Grenzwert übersteigt. Diese Maßnahmen verursachen, dass während einer kurzen Zeitperiode in dem zusätzlich zu verstärkenden Audiosignal HF-Spitzen in dem Audiosignal auftreten. Dies führt dazu, dass die Anstiegs- und die Abfallflanken dieser Spitzen kurz vergrößert werden. Dadurch erfährt der Benutzer diesen psycho-akustischen Effekt, dass das Audiosignal einen großen Stoß verursacht. Insbesondere für Pop-Musik wird dies als einen besonders interessanten Effekt erfahren.
• Audioverstärker mit sog. dynamischen Expandern sind an sich bekannt. Diese dynamischen Expander verstärken das Audiosignal zusätzlich wenn es einen großen Wert hat. Sie verstärken aber zusätzlich das ganze Frequenzspektrum des Audiosignals indem sie dies kontinuierlich tun, also nicht nur während einer kurzen Periode.
• Bei einer Ausführungsform des Audioverstärkers nach der vorliegenden Erfindung umfasst der HF-Bereich Anteile des Audiosignals, die eine Frequenz von 2 kHz und mehr haben.
• Bei einer weiteren Ausführungsform des Audioverstärkers nach der vorliegenden Erfindung sind die Verstärkermittel zur zusätzlichen Verstärkung des HF-Bereichs um 6 dB gegenüber dem restlichen Bereich vorgesehen.
• Bei einer anderen Ausführungsform des Audioverstärkers nach der vorliegenden Erfindung ist die Zeit, in der die Verstärkermittel den HF-Bereich zusätzlich verstärken, gleich 5 ms.
• Der beabsichtigte psycho-akustische Effekt wird durch die Ausführungsformen optimiert.
• Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Tonwiedergabesystem mit einem Audioverstärker,
• Fig. 2 eine detaillierte Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Beeinflussen eines Audiosignals, wobei diese Schaltungsanordnung in dem Audioverstärker vorgesehen ist, und
• Fig. 3 eine Darstellung der Form eines Audiosignals, das durch eine derartige Schaltungsanordnung beeinflusst worden ist, aufgetragen gegenüber der Zeit.
• Gleiche Elemente in den Figuren der Zeichnung sind mit demselben Bezugszeichen angegeben.
• Fig. 1 zeigt ein Tonwiedergabesystem 100. Das Tonwiedergabesystem 100 ist beispielsweise eine Heim-Audio-Anlage oder eine Audio-Anlage für das Auto, oder aber eine tragbare Audio-Anlage oder ein Fernsehgerät. Das Tonwiedergabesystem umfasst einen Audioverstärker 20, wenigstens eine Audioquelle 70, die dem Audioverstärker 20 ein Audiosignal liefert, sowie einen oder mehrere Lautsprecher 90 zur akustischen Wiedergabe des von dem Audioverstärker verstärkten Audiosignals. Die Audioquelle 70 ist beispielsweise ein Empfänger für ein Rundfunk- oder ein Fernsehsignal, einen Kassettenspieler, einen CD-Spieler oder einen DCC-Spieler. Der Audioverstärker 20 umfasst eine Anordnung 30 zum Beeinflussen des Audiosignals, wobei diese Anordnung eine Schaltungsanordnung 300 umfasst zur kurzzeitigen zusätzlichen Verstärkung eines HF-Bereichs des Audiosignals, wenn der aktuelle Wert des Audiosignals einen bestimmten Grenzwert übersteigt, sowie eine Vorverstärkerstufe 40. Der Audioverstärker 20 umfasst weiterhin eine Ausgangsverstärkerstufe 50. Die Ausgangsverstärkerstufe 50 hat einen festen Verstärkungsfaktor. Die Ausgangsverstärkerstufe 50 kann beispielsweise eine integrierte Schaltung vom Typ TDA1555Q, hergestellt von Philips Semiconductors, enthalten. Die Vorverstärkerstufe 40 kann eine integrierte Schaltung vom Typ TEA6330T, hergestellt von Philips Semiconductors, enthalten. Diese integrierte Schaltung hat eine Transfercharakteristik, die durch Anpassung von drei Parametern eingestellt werden kann. Diese Parameter sind die Lautstärkeregelung, mit deren Hilfe der Verstärkungsfaktor für den gesamten Frequenzbereich schrittweise mit Schritten einer bestimmten Anzahl dBs angepasst werden kann, die Tiefenregelung, mit deren Hilfe der Verstärkungsfaktor für die tiefen Töne in dem Frequenzspektrum auf eine relative Art und Weise in Schritten einer bestimmten Anzahl dBs verstärkt bzw. gedämpft werden können, und eine Höhenregelung, mit deren Hilfe der Verstärkungsfaktor der hohen Töne in dem Frequenzspektrum auf relative Art und Weise in Schritten einer bestimmten Anzahl dBs verstärkt bzw. gedämpft werden können. Das Tonwiedergabesystem umfasst weiterhin eine Regelschaltung 110, beispielsweise von einem programmgesteuerten Typ, die mit der Vorverstärkerstufe 40 gekoppelt ist, beispielsweise mit Hilfe eines sog. I²C-Busses zum Einstellen der Lautstärken-, Tiefen- und Höhenregler entsprechend Arbeitsinstruktionen, die von dem Benutzer über ein Steuerpult 130 eingegeben werden können. Die Einstellungen der Schaltungsanordnung 300 können ebenfalls von dem Steuerpult 130 aus eingestellt werden.
• Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Schaltungsanordnung 300 zur zusätzlichen Verstärkung des HF-Bereichs des Audiosignals während einer kurzen Zeitperiode, wenn der aktuelle Wert des Audiosignals einen bestimmten Grenzwert übersteigt. Die Schaltungsanordnung ist für nur einen einzigen Audiokanal dargestellt. Die Schaltungsanordnung hat einen Signaleingang 301 zum Empfangen des Audiosignals, das von einer Audioquelle 70 herrührt. Dieser Signaleingang ist mit einer ersten Klemme eines Widerstandes R1 verbunden. Die andere Klemme des Widerstandes R1 ist mit einer ersten Klemme eines Widerstandes R2 verbunden, dessen andere Klemme nach Erde verbunden ist. Weiterhin ist der Widerstand R1 mit einer ersten Klemme eines Kondensators C1 verbunden. Eine zweite Klemme des Kondensators C1 ist einerseits mit einem Widerstand R3 verbunden, der weiterhin nach Erde verbunden ist, und andererseits mit einem Eingang eines Pufferverstärkers A1 verbunden. Ein Ausgang des Pufferverstärkers A1 ist mit einer ersten Klemme eines Kondensators C2 verbunden, dessen zweite Klemme mit einem Stift einer integrierten Schaltung IC verbunden ist. Diese integrierte Schaltung ist NE572, hergestellt von Philips Semiconductors. Die betreffenden Stifte 9, 10, 11, 12, 13, 14 der integrierten Schaltung IC sind in der Zeichnung dargestellt. Der Kondensator C2 ist mit dem Stift 9 der integrierten Schaltung IC verbunden. Der Ausgang des Pufferverstärkers A1 ist weiterhin mit einer ersten Klemme eines Widerstandes R4 verbunden. Eine zweite Klemme des Widerstandes R4 ist mit einer ersten Klemme eines Kondensators C3 verbunden. Eine zweite Klemmen des Kondensators C3 ist mit dem Stift 13 der integrierten Schaltung IC verbunden. Ein vierter Kondensator C4 liegt zwischen dem Stift 12 der integrierten Schaltung IC und Erde. Ein fünfter Kondensator C5 liegt zwischen dem Stift 14 der integrierten Schaltung IC und Erde. Die Schaltungsanordnung 300 umfasst weiterhin einen Widerstand R5, von dem eine erste Klemme mit dem Stift 11 der integrierten Schaltung IC und eine zweite Klemme mit der positiven Speisespannung Vcc verbunden ist. Eine erste Klemme des Widerstandes R5 ist weiterhin mit einem negativen Eingang eines Verstärkers A2 sowie mit einer ersten Klemme eines Widerstandes R6 verbunden. Eine zweite Klemme des Widerstandes R6 ist mit einem Ausgang des Verstärkers A2 verbunden. Eine erste Klemme eines Widerstandes R7 ist mit dem Stift 10 der integrierten Schaltung IC verbunden. Eine zweite Klemme des Widerstandes R7 ist mit einem positiven Eingang des Verstärkers A2, sowie mit einer ersten Klemme eines Kondensators C6 verbunden. Eine zweite Klemme des Kondensators C6 ist nach Erde verbunden.
• Der Ausgang des Verstärkers A1 ist mit einer Anode einer Diode D1 verbunden. Die Kathode der Diode ist mit einer ersten Klemme eines Kondensators C8 verbunden. Eine zweite Klemme des Kondensators C8 ist nach Erde verbunden. Die Kathode der ersten Diode D1 ist weiterhin mit einem positiven Eingang einer Vergleichsstufe A3 verbunden. Ein negativer Eingang der Vergleichsstufe ist mit einem regelbaren Widerstand R9 verbunden, der zwischen der positiven Speisespannung Vcc und der negativen Speisespannung -Vcc liegt. Ein Ausgang der Vergleichsstufe A3 ist mit einer Anode einer Diode D2 verbunden. Die Kathode dieser Diode ist mit einer ersten Klemme eines Widerstandes R10 verbunden. Eine zweite Klemme des Widerstandes R10 ist mit einer ersten Klemme eines Kondensators C9 verbunden. Eine zweite Klemme des Kondensators C9 ist nach Erde verbunden. Weiterhin ist die zweite Klemme des Widerstandes R10 mit einer Basis eines Transistors T1 verbunden. Ein Emitter des Transistors ist nach Erde verbunden, ein Kollektor ist mit dem Stift 14 der integrierten Schaltung IC verbunden.
• Der Ausgang des Verstärkers A2 ist weiterhin mit einer ersten Klemme eines Schalters S1 verbunden. Eine zweite Klemme S1 ist mit einer ersten Klemme eines Widerstandes R11 verbunden. Eine zweite Klemme des Widerstandes R11 ist mit einem negativen Eingang eines Verstärkers A4 verbunden. Ein positiver Eingang des Verstärkers A4 ist nach Erde verbunden. Der negative Eingang des Verstärkers 4 ist weiterhin mit einer ersten Klemme eines Widerstandes R12 verbunden. Eine zweite Klemme des Widerstandes R12 ist mit einem Ausgang des Verstärkers A4 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers A4 ist weiterhin mit einer ersten Klemme eines Widerstandes R13 verbunden. Eine zweite Klemme des Widerstandes R13 ist mit einem Signalausgang 302 verbunden. Über diesen Ausgang wird das durch die Schaltungsanordnung 300 beeinflusste Signal der Vorverstärkerstufe 40 zugeführt. Der Signalausgang ist weiterhin mit einer ersten Klemme eines Widerstandes R14 verbunden. Eine zweite Klemme des Widerstandes R14 ist mit dem Signaleingang 301 verbunden.
• Die integrierte Schaltung IC, die Kondensatoren C1 bis C6, die Widerstände R3 bis R7 und die Verstärker A1 und A2 bilden zusammen einen dynamischen Bereichsexpander 320. Der dynamische Bereichsexpander ist, wie in Fig. 4 auf Seite 152 des Daten-Handbuchs IC01a "Semiconductors for Radio and Audio Systems, BB112 to TDA1554Q", Philips Semiconductors 1992 dargestellt, verbunden. Der dynamische Bereichsexpander 320 ist eine Schaltungsanordnung, die das Audiosignal zusätzlich verstärkt, wenn es eine große Amplitude hat und das Audiosignal weniger verstärkt, wenn es eine kleine Amplitude hat. Die Werte von C3 und R3 sind derart gewählt worden, dass sie zusammen ein Hochpassfilter bilden mit einer Grenzfrequenz von etwa 2 kHz. Die Werte von C4 und C5 sind 15 nF bzw. 150 nE. Dies macht, dass die Anschlagzeit und Ausklingzeit des dynamischen Bereichsexpanders 320 0,15 ms bzw. 1,5 ms betragen. Der Wert von R6 beträgt 35 kOhm. Dies macht, dass Spitzen in dem Signal durch den dynamischen Bereichsexpander um etwa 6 dB verstärkt werden. Der Rest der Werte der Schaltungselemente des dynamischen Bereihsexpanders 320 sind, wie in Fig. 4 auf Seite 152 des genannten Handbuchs angegeben.
• Die Kondensatoren C8 und C9, die Widerstände R9 und R10, die Dioden D1 und D2, der Transistor T1 und die Vergleichsstufe A3 bilden zusammen eine Detektionsschaltung 340. Die Diode D1 bildet zusammen mit dem Kondensator C8 einen Gleichrichter. Der Widerstand R9 ist gemeint, dem negativen Eingang der Vergleichsschaltung A3 eine einstellbare Spannung zuzuführen. Die Diode D2 ist ein Gleichrichter. Der Kondensator C9 ist ein Ladekondensator, dessen Ladezeit ebenfalls durch den Widerstand R10 bestimmt wird. Der Transistor T1 ist dazu vorgesehen, den Stift 14 der integrierten Schaltung IC nach Erde kurz zu schließen.
• Die Widerstände R11 und R12 und der Verstärker A4 bilden eine Inverterschaltung 360 zum Ausgleichen des Verstärkers A2, der als Inverter vorgesehen ist. Die Widerstände R13 und R14 haben untereinander den gleichen Wert und die Kopplungswiderstände sind erforderlich zum Mischen der Signale, die von dem Signaleingang 301 herrühren und der Signale, die von dem Inverter 360 herrühren. Die Widerstände R1 und R2 sind dazu vorgesehen, den Signalpegel an die Eingangsempfindlichkeit der NE572 anzupassen.
• Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung 300 ist nun wie folgt. Wenn der Benutzer die HF-Spitzen des während einer kurzen Zeit zusätzlich zu verstärkenden Audiosignals nicht wünscht, öffnet er den Schalter S1 (dargestellte Position). Das Audiosignal an dem Signaleingang 301 wird dann unverstärkt dem Signalausgang 302 zugeführt. Wenn der Benutzer den Schalter S1 schließt, wird das von dem dynamischen Bereichsexpander 320 zusätzlich verstärkte HF-Signal von dem Inverter 360 zu dem Signal hinzu addiert, das unmittelbar von dem Signaleingang 301 herrührt und wird dem Signalausgang 302 zugeführt.
• Das Hochpassfilter C1, R3 sorgt dafür, dass nur Frequenzanteile von 2 kHz und mehr dem dynamischen Bereichsexpander 320 zugeführt werden. Wenn der Wert dieser Frequenzanteile groß ist, werden sie von der integrierten Schaltung IC zusätzlich verstärkt. Diese Frequenzanteile werden der Detektorschaltung 340 zugeführt. Wenn der Wert dieser Anteile eine Spannung übersteigt, die mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes R9 eingestellt werden kann, wird die Vergleichsschaltung A3 eine positive Spannung erzeugen. Dadurch wird der Kondensator mit einer bestimmten Zeitkonstanten geladen. Dies bedeutet, dass nach einer bestimmten Zeitperiode die Spannung an der Basis des Transistors T1 so groß geworden ist, dass dieser Transistor in den leiten Zustand gerät. Folglich wird der Stift 14 der integrierten Schaltung IC nach Erde kurzgeschlossen. Dies führt dazu, dass die integrierte Schaltung IC nicht länger die HF-Anteile zusätzlich verstärkt. Die Werte von C9 und R10 werden vorzugsweise derart selektiert, dass etwa 5 ms nachdem der Wert des Audiosignals die einstellbare Spannung überstiegen hat, der Transistor T1 leitend wird.
• Der dynamische Bereichsexpander 320 wird derart eingestellt, dass er HF-Signale mit einem geringen Wert nicht zusätzlich verstärkt.
• Es ist überflüssig zu bemerken, dass die Werte einer Anzahl Elemente bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform von dem Benutzer eingestellt werden können, so dass der Benutzer die Zeit der HF-Spitzen, den Verstärkungsfaktor, um den die HF-Spitzen zusätzlich verstärkt werden, sowie die Frequenz der Signale, die nach eigenem Belieben zusätzlich verstärkt werden, selber einstellen kann.
• Fig. 3 zeigt die Kurve eines sinusförmigen Signals, das durch die Schaltungsanordnung 300 beeinflusst worden ist, aufgetragen gegenüber der Zeit. Die obere Hälfte der Figur zeigt die Kurve eines sinusförmigen Signals mit einer Frequenz von etwa 4 kHz, aufgetragen gegenüber der Zeit. Während der ersten zwei Zyklen bleibt das sinusförmige Signal unterhalb des Grenzwertes Vth, wonach das sinusförmige Signal den Grenzwert vier Zyklen lang übersteigt, während das sinusförmige Signal während der letzten zwei dargestellten Zyklen wieder unterhalb des Grenzwertes Vth bleibt.
• In der unteren Hälfte der Figur ist das von der Schaltungsanordnung 300 verarbeitete Audiosignal gegenüber der Zeit aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass der Zeitpunkt, wo das Signal den Grenzwert Vth übersteigt, die Spitzen des Signals zusätzlich verstärkt werden. Nach 5 ms werden die Spitzen nicht länger zusätzlich verstärkt.

Claims (6)

1. Audioverstärker (20) mit einer Anordnung (300) zum Beeinflussen eines Audiosignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (300) die nachfolgenden Elemente umfasst:

- Mittel (340) um zu detektieren, ob ein aktueller Wert des genannten Audiosignals einen bestimmten Nicht-Null-Grenzwert übersteigt, und

- Verstärkermittel (320) zur zusätzlichen Verstärkung eines HF-Bereichs des Audiosignals gegenüber einem restlichen Bereich des Audiosignals für höchstens eine bestimmte Periode, wenn der aktuelle Wert des Audiosignals den bestimmten Grenzwert übersteigt.

2. Audioverstärker (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Bereich Anteile des Audiosignals mit einer Frequenz von 2 kHz und mehr umfasst.

3. Audioverstärker (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkermittel (320) zur zusätzlichen Verstärkung des HF-Bereichs um 6 dB gegenüber dem übrigen Bereich.

4. Audioverstärker (20) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit, in der die Verstärkermittel (320) den HF-Bereich zusätzlich verstärken, im Wesentlichen gleich 5 ms ist.

5. Tonwiedergabesystem (100) mit einem Audioverstärker (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche.

6. Verfahren zum Beeinflussen (300) eines Audiosignals, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:

- einen Detektionsschritt (340) um zu ermitteln, ob ein aktueller Wert des genannten Audiosignals einen bestimmten Nicht-Null-Grenzwert übersteigt; und

- einen zusätzlichen Verstärkungsschritt (320) für den HF-Bereich des genannten Audiosignals gegenüber einem restlichen Bereich des Audiosignals während wenigstens einer bestimmten Periode, wenn der aktuelle Wert des Audiosignals den genannten bestimmten Grenzwert übersteigt.