DE102004025437B4

DE102004025437B4 - Self-oscillating D-class amplifier with frequency divider

Info

Publication number: DE102004025437B4
Application number: DE200410025437
Authority: DE
Inventors: Ordin Wladimir
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2024-05-25
Also published as: DE102004025437A1

Abstract

Selbstschwingender Klasse-D Verstärker mit Frequenzteiler bestehend aus einem Verstimmungsverstärker (1), einem Null-Detektor (2), einem Frequenzteiler (3), einem Schaltnetzteil (4), einer Endstufe (5), einem Ausgangsfilter (6), einer Last (7) und einem Normalisator des Signals (8),
wobei am ersten Eingang des Verstimmungsverstärkers (1) das Eingangsignal (U1) des Klasse-D Verstärker anliegt, und
der Ausgang des Verstimmungsverstärkers (1) mit dem Eingang des Null-Detektors (2), der Ausgang des Null-Detektors (2) mit dem Eingang des Frequenzteilers (3), der den Umrechnungsfaktor 2^N aufweist, der Ausgang des Frequenzteilers (3) mit dem Eingang des Schaltnetzteils (4), der Ausgang des Schaltnetzteils (4) mit dem Eingang der Endstufe (5), der Ausgang der Endstufe (5) mit dem Eingang des Ausgangsfilters (6), der Ausgang des Ausgangsfilters (6) mit dem Eingang des Normalisators des Signals (8) und der Last (7), und der Ausgang des Normalisators des Signals (8) mit zweiten Eingang des Verstimmungsverstärkers (1) zur Bildung einer Rückkopplung verbunden sind.Self-oscillating Class D amplifier with frequency divider consisting of a detuning amplifier (1), a zero detector (2), a frequency divider (3), a switching power supply (4), an output stage (5), an output filter (6), a load ( 7) and a normalizer of the signal (8),
wherein at the first input of the detuning amplifier (1) the input signal (U1) of the class-D amplifier is applied, and
the output of the detuning amplifier (1) with the input of the zero detector (2), the output of the zero detector (2) with the input of the frequency divider (3) having the conversion factor 2 ^N , the output of the frequency divider (3) with the input of the switching power supply (4), the output of the switching power supply (4) with the input of the output stage (5), the output of the output stage (5) with the input of the output filter (6), the output of the output filter (6) with the Input of the normalizer of the signal (8) and the load (7), and the output of the normalizer of the signal (8) to the second input of the detuning amplifier (1) are connected to form a feedback.

Description

Die Erfindung betrifft selbstschwingende Klasse-D Verstärker, wie sie aus der Druckschriften US 2002/0033734 A1 und US 2002/0171480 A1 bekannt sind, sowie deren Verwendung.The The invention relates to self-oscillating Class D amplifiers, such as from the publications US 2002/0033734 A1 and US 2002/0171480 A1 are known, as well as their use.

Ausgehend von dem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung einen verbesserten selbstschwingenden Klasse-D Verstärker mit Frequenzteiler sowie dessen Verwendung anzugeben.outgoing From the prior art, it is an object of the invention to provide an improved self-oscillating class-D amplifier with frequency divider as well indicate its use.

Diese Aufgabe wird durch einen selbstschwingenden Klasse-D Verstärker mit Frequenzteiler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Verwendung des selbstschwingenden Klasse-D Verstärkers ist in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.These Task is with a self-oscillating class-D amplifier with Frequency divider solved with the features of claim 1. The usage of the self-oscillating class-D amplifier is in the claims 2 and 3 indicated.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Anwendungsbeispielen genauer erläutert. Es zeigenin the The invention will be explained below with reference to drawings Application examples explained in more detail. Show it

1: Block-Schema des Verstärkers, 1 : Block scheme of the amplifier,

2: Fall des Kurzschluss, 2 : Case of short circuit,

3: Fall der Überlastung, 3 : Case of overload,

4: Funktionsschema des Verstärkers 4 : Functional diagram of the amplifier

Zu diesem Zweck ist Taktsignalgeber gegen eines Frequenzteilers 3 (1) dessen Eingang am Ausgang des Null-Detektors, sein Ausgang am Eingang des Schaltnetzteiles angeschlossen ist, mit Umrechnungsfaktor 2^N ersetzt und in der Rückkopplungskette des Verstärkers ist ein Normalisator des Signals 8, bestehend aus einem Dämpfungsglied 8.2, einem Spannungsverschieber 8.1 eingeschaltet, wobei Eingang des Normalisators am Last und sein Ausgang am zweiten Eingang des Verstimmungsverstärker 1 angeschlossen sind. Wie ist bekannt, kommt im Falle der selbstschwingenden Verstärker D-Klasse die invertierte und eine sägezahnförmige PWM-Komponente enthaltende Kopie des Eingangssignals an den zweiten Eingang des Verstimmungsverstärkers an. Nehmen wir an, dass diese Bedienung erfüllt ist, und betrachten den Arbeitsverlauf des ganzen Verstärker.For this purpose, clock signal generator is against a frequency divider 3 ( 1 ) whose input is connected to the output of the zero detector, whose output is connected to the input of the switching power supply, with conversion factor 2 ^N and in the feedback chain of the amplifier is a normalizer of the signal 8th consisting of an attenuator 8.2 , a voltage shifter 8.1 switched on, with input of the normalizer at the load and its output at the second input of the detuning amplifier 1 are connected. As is known, in the case of the self-oscillating D-class amplifier, the inverted copy of the input signal containing a sawtooth PWM component arrives at the second input of the detuning amplifier. Suppose that this operation is met, and consider the work process of the whole amplifier.

Die von dem Verstimmungsverstärker 1 selektierte sägenförmige PWM-Komponente mit dem Mittelwert von 0,5 V_C 8 wird vom Null-Detektor 2 in das rechteckige PWM-Signal 9 umgewandelt. Seine Frequenz wird vom Frequenzteiler 3 mit dem Umrechnungsfaktor 2^N geteilt. Dieses Signal wird vom Gegentaktverstärker 4.1 in Strom und Spannung verstärkt und vom Spannungswandler 4.2 in die Speisespannungen V_CC und V_EE umgewandelt. Endstufe 5 verstärkt das rechteckige PWM-Signal vom Ausgang des Null-Detektors 2 bis zum V_CC und V_EE Spannungsniveau. Tiefpassfilter 6 umwandelt das verstärkte PWM-Signal in die verstärkte, invertierte und sägenförmige PWM-Komponente enthaltende Kopie des Eingangsignals U₂. Die verstärkte Kopie des Eingangssignals mit dem Null-Mittelwert kommt den Last 7 und Normalisator des Signals 8 an. Dabei schwächt das Dämpfungsglied 8.2 das Signal mit dem notwendigen Dämpfungsgrad m ab und Spannungsverschieber 8.1 macht den Mittelwert des Normalisators gleich 0.5V_C. In diesem Fall kann der Verstärkungsfaktor K des ganzen Verstärker nach folgender Formel berechnet werden: K = 1/m·R9/R10 The of the detuning amplifier 1 selected saw-shaped PWM component with the mean value of 0.5 V _C 8 is from the zero detector 2 in the rectangular PWM signal 9 transformed. Its frequency is from the frequency divider 3 divided by the conversion factor ^N 2. This signal is from the push-pull amplifier 4.1 amplified in current and voltage and by the voltage converter 4.2 converted into the supply voltages V _CC and V _EE . final stage 5 amplifies the rectangular PWM signal from the output of the zero detector 2 up to V _CC and V _EE voltage level. Low Pass Filter 6 converts the amplified PWM signal into the amplified, inverted and saw-shaped PWM component containing copy of the input signal U ₂ . The amplified copy of the zero mean input signal comes to the load 7 and normalizer of the signal 8th at. At the same time, the attenuator weakens 8.2 the signal with the necessary degree of damping m and voltage shifter 8.1 makes the mean value of the normalizer equal to 0.5V _C In this case the amplification factor K of the whole amplifier can be calculated according to the following formula: K = 1 / m.R9 / R10

Dabei muss allerdings der von der Gegentaktstufe 5 abgegebene Strommittelwert J_M nach folgender Ungleichung bestimmt werden: JM ≥ ∫U2 2/RL However, this must be from the push-pull stage 5 determined average current J _{M be determined} according to the following inequality: J M ≥ ∫U 2 2 / R L

Der Dämpfungsgrad m des Dämpfungsgliedes 8.2 ist nach folgender Formel zu bestimmen: m ≈ R1·R3·R8/R2·R7·R12 The degree of damping m of the attenuator 8.2 shall be determined by the following formula: m ≈ R1 × R3 × R8 / R2 × R7 × R12

In dem als Beispiel für 100 Watt RMS Ausgangsleistung bei 12 V Spannungswert der Spannungsquelle V_C entwickelten und simulierten Verstärker sind folgende Verhältnisse beachtet:
R12 = 15R3, R2 = 20R1, R8 = 10R7 und R9 = R10.In the example of 100 watts RMS output power at 12 V voltage value of the voltage source V _C developed and simulated amplifier following conditions are observed:
R12 = 15R3, R2 = 20R1, R8 = 10R7 and R9 = R10.

Dementsprechend ist der Verstärkungsfaktor K des ganzen Verstärker gleich ca. 30. Der Spannungsverschieber 8.1 ist aufgrund eines Differenzverstärkers auf der von der Stromquelle J₀ gespeisten Transistoren VT1, VT2 und Operationsverstärker OA1 aufgebaut. Potentiometer R5 dient zur Nulleinstellung am Ausgang des ganzen Verstärkers. Der Summator 1.1 ist aus Widerstände R9 und R10 ausgebildet und der Verstimmungsverstärker 1.2 ist aufgrund des Operationsverstärkers OA2 aufgebaut. Der Verstärkungsfaktor des Verstimmungsverstärker bestimmt die Amplitude der PWM-Komponente im Ausgangssignal und, beschränkt, die Eigenfrequenz des ganzen Verstärker. Im Beispiel-Verstärker ist der Verstärkungsfaktor des Verstimmungsverstärkers gleich 10, die Amplitude der PWM-Komponente und die Eigenfrequenz des ganzen Verstärker lassen sich ca. von 200 bis 300 mV, b. z. w. ca. von 1.5 bis 1.6 MHz ändern. Die so hohe Frequenz ermöglicht einen guten THD-Faktor: weniger, als 5 × 10^–2 % auf der Signalfrequenz von 20 kHz und Vollausgangsleistung. Als Null-Detektor 2 ist ein Komparator K verwendet. Der Komparator K hat Bezugspegel von 0,5 V_C und ist mit positiver Rückkopplung durch Widerstand R14 gekoppelt. Der Frequenzteiler 3 ist aufgrund des Binärzählers PC mit Umrechnungsfaktor 2^N aufgebaut. Beim Umrechnungsfaktor gleich 64 ist die Frequenz am Ausgang des Binärzählers ca. 23kHz. Der Gegentaktverstärker 4.1 ist aufgrund zwei Leistungstransistoren VT3 und VT4 und Spannungswandler 4.2 aufgrund des Impulstransformatoren T mit Übertragungsfaktor n = 4 und Stromrichtungsbrücke U aufgebaut. Gegentaktendstufe 5 ist von Transistoren verschiedener Leitfähigkeit ausgebildet. Als Tiefpassfilter 6 dient LC-Filter zweiter Ordnung, dessen Eigenzeitkonstante neben dem Rückkopplungsgrad des Komparators 2 eigene Frequenz des ganzen Verstärker bestimmt.Accordingly, the gain K of the whole amplifier is about 30. The voltage shifter 8.1 is based on a differential amplifier on the powered by the current source J ₀ transistors VT1, VT2 and operational amplifier OA1. Potentiometer R5 is used to zero the output of the whole amplifier. The summer 1.1 is formed of resistors R9 and R10 and the detuning amplifier 1.2 is constructed on the basis of the operational amplifier OA2. The gain of the detuning amplifier determines the amplitude of the PWM component in the output signal and, limited, the natural frequency of the whole amplifier. In the example amplifier, the amplification factor of the detuning amplifier is equal to 10, the amplitude of the PWM component and the natural frequency of the entire amplifier can be changed from approximately 200 to 300 mV, or approximately from 1.5 to 1.6 MHz. The high frequency enables a good THD factor: less than 5 × 10 ^-2 % on the signal frequency of 20 kHz and full output power. As a zero detector 2 is a comparator K used. The comparator K has reference levels of 0.5 V _C and is coupled to positive feedback through resistor R14. The frequency divider 3 is based on the binary counter PC with conversion factor 2 ^N constructed. At the conversion factor equal to 64, the frequency at the output of the binary counter is approx. 23kHz. The Ge gentaktverstärker 4.1 is due to two power transistors VT3 and VT4 and voltage transformers 4.2 due to the pulse transformer T with transmission factor n = 4 and current direction bridge U constructed. Push-pull 5 is formed by transistors of different conductivity. As a low pass filter 6 serves LC filter of second order, whose own time constant in addition to the feedback level of the comparator 2 own frequency of the whole amplifier determined.

Betrachten wir nähe den Arbeitsverlauf des Verstärkers im Kurzschlussfall am Ausgang (2). Der Kurzschluss des Lastwiderstandes auf die Erdleitung zum Zeitpunkt t₁ macht Änderungen der Ausgangsspannung U₂ unmöglich. Dabei fängt der Verstimmungsverstärker 1.2 an, das Eingangssignal zu verstärken. Wenn ein Audiosignal als Eingangssignal verwendet wird, übersteigt die Signalfrequenz am seinen Ausgang den Wert von 0,1 der oberen Spektrumgrenze des Signals nicht. In diesem Fall wird die Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers 3 gleich ca. 30Hz. Dabei werden exponentielle Impulse, die durch RC-Glieder R₁₅C₁ und R₁₆C₂ durchkommen und über das Impuls-Pause Verhältnis von 3 × 10² bis 10³ besitzen, vom Verstärker 4.1 verstärkt. Dies führt zur Senkung der Spannungswerten V_CC und V_EE und des Laststromes J₂ praktisch bis zum Nullwert. Nach dem Absetzen des Kurzschlusses zum Zeitpunkt t₂ startet der ordnungsmäßige Arbeitsverlauf des Verstärkers automatisch neu.Let's take a close look at the work process of the amplifier in the event of a short circuit at the output ( 2 ). The short circuit of the load resistor to the ground line at time t ₁ makes changes in the output voltage U ₂ impossible. This starts the detuning amplifier 1.2 to amplify the input signal. When an audio signal is used as the input signal, the signal frequency at its output does not exceed the value of 0.1 of the upper spectrum limit of the signal. In this case, the output frequency of the frequency divider 3 equal to about 30Hz. In this case, exponential pulses, which pass through RC elements R ₁₅ C ₁ and R ₁₆ C ₂ and have the pulse-pause ratio of 3 × 10 ² to 10 ³ , from the amplifier 4.1 strengthened. This leads to the lowering of the voltage values V _CC and V _EE and the load current J ₂ practically to the zero value. After settling the short circuit at time t ₂ , the proper working process of the amplifier restarts automatically.

Betrachten wir auch den Betrieb des Verstärkers im Überlastungsfall am Eingang (klipping) (3). Beim Übersteigung zum Zeitpunkt t₁ mit Eingangssignal der maximalen Niveaugrenze U_1m U1m = VCC/K Let's also consider the operation of the amplifier in the overload case at the input (klipping) ( 3 ). When exceeding the time t ₁ with input signal of the maximum level limit U _1m U 1m = V CC / K

kann die auf den zweiten Eingang des Summators 1.1 aufgetretene Spannung das Eingangssignalsniveau nicht erreichen. Als Folge wird die Erzeugung des Verstimmungssignals am Ausgang des Summators aufgehört. Ebengleich, wie im Falle des Kurzschlusses, sinken die Spannungswerte V_CC und V_EE und Laststromwert J₂ praktisch bis zum Nullwert. Aber zum Unterschied wird sich in diesem Fall Schaltnetzteil 4 in der Zeitspanne von t₂ bis t₃, wann das Eingangssignals unter dem Wert U_1m sinkt, periodisch einschalten.can be applied to the second input of the summer 1.1 occurred voltage does not reach the input signal level. As a result, the generation of the detuning signal at the output of the summer is stopped. Likewise, as in the case of a short circuit, the voltage values V _CC and V _EE and load current value J ₂ practically decrease to zero value. But the difference is in this case switching power supply 4 in the period from t ₂ to t ₃ , when the input signal drops below the value U _1m , periodically turn on.

Claims

Self-oscillating Class D amplifier with frequency divider consisting of a detuning amplifier ( 1 ), a zero detector ( 2 ), a frequency divider ( 3 ), a switching power supply ( 4 ), an amplifier ( 5 ), an output filter ( 6 ), a load ( 7 ) and a normalizer of the signal ( 8th ), wherein at the first input of the detuning amplifier ( 1 ) the input signal (U1) of the class D amplifier is applied, and the output of the detuning amplifier ( 1 ) with the input of the zero detector ( 2 ), the output of the zero detector ( 2 ) with the input of the frequency divider ( 3 ), which has the conversion factor 2 ^N , the output of the frequency divider ( 3 ) with the input of the switching power supply ( 4 ), the output of the switching power supply ( 4 ) with the input of the power amplifier ( 5 ), the output of the power amplifier ( 5 ) with the input of the output filter ( 6 ), the output of the output filter ( 6 ) with the input of the normalizer of the signal ( 8th ) and the load ( 7 ), and the output of the normalizer of the signal ( 8th ) with the second input of the detuning amplifier ( 1 ) are connected to form a feedback.

Using the self-oscillating Class D amplifier after Claim 1, characterized in that the self-oscillating class-D amplifier as a car amplifier Serves by adding an audio signal as input to the amplifier, a Car battery as a voltage source (VC) and a car speaker as a load be used.

Using the self-oscillating Class D amplifier after Claim 1, characterized in that the self-oscillating class-D amplifier as a DC-DC converter serves by using a DC signal as input to the amplifier.