DE102008057234A1

DE102008057234A1 - Device for amplifying audio signal by digital circuit amplifier and reproduction by one or multiple loudspeaker elements, has digital circuit amplifier whose regulating notch is provided with rectified unstabilized supply voltage

Info

Publication number: DE102008057234A1
Application number: DE200810057234
Authority: DE
Inventors: Jens Kurrat
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2009-06-25

Abstract

The device has a digital circuit amplifier whose circuit stage (6) is provided with a rectified unstabilized supply voltage (9). A pulse modulator (5) is inserted in the circuit amplifier, which integrates a differential input. The differential input is obtained from the unamplified audio signal and a reference signal. A control signal (15) is produced by a hysteresis element for controlling the circuit stage. The reference signal is derived from an amplified switch signal.

Description

1) Hintergrund der Erfindung1) Background of the invention

Die Erfindung betrifft einen Aktivlautsprecher. Aktivlautsprecher sind insbesondere geeignet für Anwendungen, welche hohe Ausgangsleistung erfordern wie Subwoofer oder Lautsprecher mit mehreren Schallwandlern. Viele Geräte besitzten integrierte Aktivlautsprecher wie Fernsehgeräte, Radios und CD-Player.The The invention relates to an active loudspeaker. Active speakers are especially suitable for applications with high output power require such as subwoofer or speakers with multiple transducers. Many devices have integrated active speakers such as TVs, radios and CD players.

Die Audioverstärker in Geräten mit mittlerer und hoher Audioausgangsleistung werden in der Regel von einem Schaltnetzteil mit Strom versorgt. Derartige Schaltnetzteile verfügen über eine galvanische Trennung zur Netzspannung, welche eine Voraussetzung zur Erfüllung der Sicherheitsstandards in vielen Ländern ist. Je nach Audioausgangsleistung stellt das Schaltnetzteil einen wesentlichen Faktor hinsichtlich Kosten und Gewicht dar. Aus diesem Grund ist ein Kernziel der Entwicklung von derartigen Audiogeräten die Minimierung der Größe und Kosten sowie Maximierung des Wirkungsgrades des Schaltnetzteiles. Schaltnetzteile besitzen einen höheren Wirkungsgrad sowie geringeres Gewicht als lineare Netzteile. Je nach Ausgangsleistung ensteht jedoch weiterhin eine beträchtliche Verlustleistung, welche den Wirkungsgrad des Gesamtsystems reduziert und die Verwendung von Kühlkörpern erfordert.The Audio amplifiers in devices with medium and high Audio output power is usually provided by a switched mode power supply powered. Such switching power supplies have a galvanic isolation to the mains voltage, which is a prerequisite to meet safety standards in many countries is. Depending on the audio output power, the switching power supply provides a essential factor in terms of cost and weight. For this Reason is a core objective of the development of such audio equipment minimizing size and cost as well as maximizing the efficiency of the switching power supply. Own switching power supplies a higher efficiency and lower weight than linear power supplies. Depending on the output power, however, it still develops a considerable power dissipation, which reduces the efficiency the overall system reduces and the use of heat sinks requires.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Audioverstärkers verwenden viele Geräte einen Pulsmodulator-(Digital-)Schaltverstärker auch bekannt als Class-D-Verstärker. Im Vergleich mit konventionellen linearen Class-A-, Class-AB- und Class-B-Verstärkern bieten digitale Verstärker einen hohen Wirkungsgrad sowie relativ hohe Audioqualität. Für die Erzielung hoher Ausgangsleistung werden derartige Verstärker in der Regel in Vollbrückenkonfiguration betrieben, wobei beide Anschlussklemmen des Verstärkerausgangs von einer separaten Schaltstufe angesteuert werden. Dadurch sind die Systemkosten höher als bei Verstärkern, welche in Halbbrückenkonfiguration betrieben werden und nur eine Schaltstufe benötigen.to Increase the efficiency of the audio amplifier Many devices use a pulse modulator (digital) switching amplifier also known as class D amplifier. In comparison with conventional linear Class A, Class AB and Class B amplifiers digital amplifier high efficiency as well as relative high audio quality. For achieving high output power such amplifiers are usually operated in full-bridge configuration, where both terminals of the amplifier output of be controlled a separate switching stage. Thereby are the System costs higher than amplifiers, which operated in half bridge configuration and only one Need switching stage.

2) Stand der Technik2) State of the art

Es existiert eine grundlegender Notwendigkeit, die Kosten, welche durch das Schaltnetzteil verursacht werden, zu minimieren bzw. zu eliminieren. Es ist viel Entwicklungs arbeit zur Reduzierung der Größe sowie zur Maximierung des Wirkungsgrades von Schaltnetzteilen geleistet worden. Es wurden in der Vergangenheit auch einige Ansätze zur vollständigen Eliminierung des Schaltnetzteiles in Audioverstärkern vorgeschlagen. Der einfachste Weg zur Eliminierung des Schaltnetzteiles ist die Gleichrichtung der unregulierten Netzspannung durch einen Brückengleichrichter. Die gleichgerichtete Netzspannung besitzt jedoch Brummen, Rauschen und Spannungsschwankungen und ist damit in der Regel ungeeignet für die direkte Stromversorgung eines Audioverstärkers. Es wurden daher Ansätze vorgeschlagen zur Reduzierung des Einflusses der Spannungs-Schwankungen auf das Audiosignal. Diese Ansätze filtern in der Regel die ungeregelte Spannung zur Reduzierung des Rauschens und Brummens oder erzeugen ein Referenzsignal aus der Gleichrichtspannung, welches dem Audioverstärker zugeführt wird zwecks Kompensierung der Schwankungen. Derartige Ansätze sind jedoch nicht in der Lage, das Rauschen und Brummen vollständig zu eliminieren und erfordern ferner zusätzliche Komponenten und erhöhen damit die Kosten. US-Patentschriften 2006/0244522 und 4,605,910 beschreiben weitere Ansätze zur Eliminierung des Einflusses der Schwankungen auf das Audiosignal. Dabei werden Multiplikatoren eingesetzt, welche nichtlinear sind und daher von Natur aus Audioverzerrungen verursachen.There is a fundamental need to minimize or eliminate the costs caused by the switching power supply. Much development work has been done to reduce size and maximize the efficiency of switching power supplies. In the past, there have also been proposed some approaches to complete elimination of the switched-mode power supply in audio amplifiers. The simplest way to eliminate the switching power supply is the rectification of the unregulated mains voltage through a bridge rectifier. The rectified mains voltage, however, has hum, noise and voltage fluctuations and is therefore usually unsuitable for the direct power supply of an audio amplifier. Therefore, approaches have been proposed to reduce the influence of voltage fluctuations on the audio signal. These approaches typically filter the unregulated voltage to reduce noise and humming, or generate a reference signal from the rectifying voltage which is supplied to the audio amplifier to compensate for the variations. However, such approaches are incapable of completely eliminating noise and buzz, and also require additional components, thereby increasing costs. US Patents 2006/0244522 and 4,605,910 describe further approaches for eliminating the influence of the fluctuations on the audio signal. This uses multipliers that are non-linear and therefore inherently cause audio distortion.

Der bisherige Stand der Technik hat keine Ansätze vorgeschlagen, welche bei Eliminierung des Schaltnetzteiles das Problem der Erfüllung von Sicherheitsstandards lösen. Solche Sicherheitsstandards schreiben die Isolation sämtlicher elektrisch leitender von außen zugänglicher Elemente von der Netzspannung vor. Derartige Isolation wird in der Regel durch die Isolation der Primär- und Sekundärwicklung des Schaltnetzteil-Transformators hergestellt.Of the Previous prior art has not suggested any approaches which with elimination of the switching power supply, the problem of fulfillment solve safety standards. Such security standards write the isolation of all electrically conductive externally accessible elements of the mains voltage in front. Such isolation is usually due to the isolation of the Primary and secondary winding of the switched-mode power supply transformer produced.

3) Aufgaben der Erfindung3) Objects of the invention

Die Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für den Bau von Aktivlautsprechern mit mittlerer und hoher Audio-Ausgangsleistung anzugeben, welche das Schaltnetzteil eliminiert und damit zur Reduzierung der Kosten und des Gewichtes beiträgt.The The main object of the invention is to provide a solution for the construction of active loudspeakers with medium and high audio output power specify which eliminates the switching power supply and thus to reduce the cost and weight contributes.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für Aktivlautsprecher hoher Ausgangsleistung anzugeben, welche die Anzahl der Schaltstufen des Audioverstärkers zwecks Kostenreduktion minimiert.A Another object of the invention is to provide a solution for Active loudspeakers high output power specify the number the switching stages of the audio amplifier for the purpose of cost reduction minimized.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ansatz zur Eliminierung des Schaltnetzteiles anzugeben, welcher die galvanische Isolation zur Netzspannung zwecks Erfüllung der Sicherheitsstandards bietet.A Another object of the invention is to provide an approach to elimination of the switching power supply specify which the galvanic isolation to the mains voltage for the purpose of meeting the safety standards.

4) Kurzbeschreibung4) Short description

Diese Aufgaben werden erfüllt durch Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15. In der bevorzugten Ausführung wird ein selbstoszillierender Pulsmodulations-Verstärker eingesetzt, welcher mit einer gleichgerichteten unstabilisierten Netzspannung versorgt wird. Das Schaltsignal des Verstärkers wird spannungsgeteilt und zum Verstärkereingang rückgeführt, wodurch der Verstärker Rauschen und Schwankungen der Versorgungsspannung kompensiert. Das Schaltsignal wird tiefpassgefiltert und steuert einen Schallwandler in Halbbrückenkonfiguration. Das Eingangsaudiosignal ist vom Eingang des Audioverstärkers galvanisch getrennt zur Erfüllung der Sicherheitsstandards. Der Audioverstärker wird mit einer Niederspannung versorgt, die von einem Gleichrichtung geliefert wird, welcher mit der Netzspannung kapazitiv gekoppelt ist.These objects are achieved by using a device according to one or more of claims 1 to 15. In the preferred Aus a self-oscillating pulse modulation amplifier is used, which is supplied with a rectified unstabilized mains voltage. The switching signal of the amplifier is voltage divided and fed back to the amplifier input, whereby the amplifier compensates for noise and fluctuations of the supply voltage. The switching signal is low-pass filtered and controls a transducer in half-bridge configuration. The input audio signal is galvanically isolated from the input of the audio amplifier to meet safety standards. The audio amplifier is supplied with a low voltage supplied by a rectifier which is capacitively coupled to the mains voltage.

5) Kurzbeschreibung der Abbildungen5) Brief description of the pictures

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:in the The following is the invention with reference to several embodiments further explained with the aid of the accompanying drawings. Show it:

1: das Prinzip eines Aktivlautsprechers nach bisherigem Stand der Technik; 1 : the principle of an active loudspeaker according to the prior art;

2: ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; 2 : a block diagram of an embodiment of the invention;

3: ein Blockdiagramm des Verstärker-Pulsmodulators; 3 a block diagram of the amplifier pulse modulator;

4: die Signale des Pulsmodulators; 4 : the signals of the pulse modulator;

5: die Eingangskoppelstufe des Audioverstärkers; 5 : the input coupling stage of the audio amplifier;

6: die Niederspannungsversorgung des Verstärkers; 6 : the low voltage supply of the amplifier;

7: die Spannungen der Niederspannungsversorgung; 7 : the voltages of the low voltage supply;

8: ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches zwei Schallwandler verwendet, die jeweils mit separaten Verstärkerzweigen angesteuert werden; 8th a further embodiment of the invention, which uses two sound transducers, which are each driven by separate amplifier branches;

9: ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches einen Hochfrequenz-Empfänger verwendet zum drahtlosen Empfang des Audiosignals; 9 : another embodiment of the invention, which uses a high-frequency receiver for wireless reception of the audio signal;

10: ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches einen Powerline-Empfänger verwendet zum Empfang des Audiosignals über die Netzleitung. 10 A further embodiment of the invention, which uses a powerline receiver for receiving the audio signal via the power line.

6) Detaillierte Beschreibung der Abbildungen und Ausführungsbeispiele6) Detailed description of the pictures and embodiments

1 zeigt einen Aktivlautsprecher mittlerer bis hoher Ausgangsleistung nach bisherigem Stand der Technik. Die Netzspannung 9 wird vom Netzfilter 1 gefiltert zur Reduzierung des Rauschens und der Spannungsspitzen sowie zur Reduzierung der Übertragung von Schaltkomponenten der Eingangsspannung 10 des Schaltnetzteiles 2 auf die Netzspannung zwecks Erfüllung von EMV-Standards hinsichtlich der Übertragung von Störsignalen auf die Netzleitung. Das Schaltnetzteil stellt eine Niederspannung 12 für den Pulsmodulator 5 des Verstärkers sowie die Spannung 11 für die Verstärker-Schaltstufen 6a und 6b zur Verfügung. Der Pulsmodulator wandelt das analoge Audioeingangssignal 13 in pulsweitenmodulierte Steuersignale 15a und 15b um, welche die Schaltstufen steuern. Die Schaltsignale 16a und 16b werden mittels Filter 7a und 7b tiefpassgefiltert. Die tiefpassgefilterten Signale 17a und 17b steuern einen Schallwandler 8. Der Verstärker wird in Vollbrückenkonfiguration betrieben, um ausreichend hohe Ausgangsleistung an den Schallwandler zu liefern. 1 shows an active speaker medium to high output power according to the prior art. The mains voltage 9 is from the mains filter 1 Filtered to reduce noise and voltage spikes and to reduce the transmission of switching components of the input voltage 10 of the switching power supply 2 to the mains voltage in order to comply with EMC standards with regard to the transmission of interference signals to the power line. The switching power supply provides a low voltage 12 for the pulse modulator 5 of the amplifier as well as the voltage 11 for the amplifier switching stages 6a and 6b to disposal. The pulse modulator converts the analog audio input signal 13 in pulse width modulated control signals 15a and 15b which control the switching stages. The switching signals 16a and 16b become by means of filters 7a and 7b low-pass filtered. The low-pass filtered signals 17a and 17b control a sound transducer 8th , The amplifier operates in full-bridge configuration to provide sufficient output power to the transducer.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Netzspannung 9 wird durch ein Netzfilter 1 gefiltert. Die gefilterte Spannung 10 wird vom Brückengleichrichter 2 gleichgerichtet und durch den Kondensator C1 geglättet. Die Gleichrichtspannung 11 versorgt die Schaltstufe 6 des Verstärkers. Die Niederspannungsversorgung 3 erzeugt eine Niederspannung 12 zur Versorgung des Pulsmodulators 5. Das analoge Audioeingangssignal 13 ist mit der Pulsmodulator-Eingangssignal 14 durch die Eingangsstufe 4 gekoppelt. Das pulsmodulierte Steuersignal 15 steuert die Schaltstufe 6. Das Schaltsignal 16 wird durch das Filter 7 tiefpassgefiltert und steuert ein hochohmigen Schallwandler 8 mittels Koppelkondensator C2. Das Schaltsignal wird auf einen zweiten Eingang des Pulsmodulators zurückgekoppelt. 2 shows an embodiment of the invention. The mains voltage 9 is through a net filter 1 filtered. The filtered voltage 10 is from the bridge rectifier 2 rectified and smoothed by the capacitor C1. The rectification voltage 11 supplies the switching stage 6 of the amplifier. The low voltage supply 3 generates a low voltage 12 to supply the pulse modulator 5 , The analog audio input signal 13 is with the pulse modulator input signal 14 through the entrance level 4 coupled. The pulse modulated control signal 15 controls the switching stage 6 , The switching signal 16 is through the filter 7 low-pass filtered and controls a high-impedance transducer 8th by means of coupling capacitor C2. The switching signal is fed back to a second input of the pulse modulator.

Durch die Rückkopplung des Schaltsignals ist der Pulsmodulator in der Lage, sicherzustellen, dass Schwankungen und Rauschen der Versorgungsspannung keinen Einfluss auf das verstärkte Audiosignal haben. Das Wirkprinzip eines derartigen Modulators sowie die Fähigkeit, Schwankungen der Versorgungsspannung auszugleichen, ist in der Literatur hinreichend beschrieben, siehe u. a. US-Patentschriften 4,021,745 und 5,160,896 oder UK-Patentschrift 2,021,889 . Der Modulator arbeitet dabei als Bestandteil einer Regelschleife und korrigiert Schwankungen der Versorgungsspannung. Bisherige Class-D- Verstärker haben hohe Anforderungen hinsichtlich der Stabilität der Versorgungsspannung sowie der Auswahl der Schaltelemente der Schaltstufe zur Reduzierung der „Dead-Time" für die Erzielung geringer harmonischer Verzerrung des Audiosignals. Die „Dead-Time" ist hierbei die Zeitverzögerung zwischen dem Schalten des positiven und negativen Schaltelements zwecks Vermeidung von „Shoot-Through"-Strömen und damit zur Erhöhung des Wirkungsgrades. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Anforderungen an die Schaltelemente weniger kritisch und es kann eine ausreichende „Dead-Time" gewählt werden ohne größere Einbußen hinsichtlich der Audioqualität.By feedback of the switching signal, the pulse modulator is able to ensure that fluctuations and noise of the supply voltage have no influence on the amplified audio signal. The mode of action of such a modulator and the ability to compensate for fluctuations in the supply voltage is adequately described in the literature, see, inter alia U.S. Patents 4,021,745 and 5,160,896 or UK Patent 2,021,889 , The modulator works as part of a control loop and corrects fluctuations in the supply voltage. Previous Class D amplifiers have high demands on the stability of the supply voltage and the selection of the switching elements of the switching stage to reduce the "dead time" for achieving low harmonic distortion of the audio signal.The "dead time" is the time delays tion between the switching of the positive and negative switching element in order to avoid "shoot-through" currents and thus to increase the efficiency In the present exemplary embodiment, the requirements for the switching elements are less critical and a sufficient dead time can be selected without major losses in terms of audio quality.

Da die Versorgungs-Gleichspannung der Schaltstufe zwischen 150 Volt und 300 Volt liegt und somit wesentlich höher ist als die Versorgungsspannung von Verstärkern nach bisherigem Stand der Technik, kann selbst zur Erzielung hoher Ausgangsleistung die Halbbrückenkonfiguration gewählt werden. Dadurch kann gegenüber Verstärkern nach bisherigem Stand der Technik eine Einsparung von Kosten durch Verwendung von lediglich einer Schalt- und einer Tiefpassfilterstufe erzielt werden. Während bisherige Aktivlautsprecher in der Regel Schallwandler mit einer Impedanz zwischen 4 und 8 Ohm verwenden, beträgt die Impedanz des Schallwandlers des Ausführungsbeispiels der Erfindung 10 bis 200 Ohm in Abhängigkeit von der Netzspannung sowie der benötigten Ausgangsleistung. Durch Verwendung eines hochohmigen Schallwandlers können im Gegensatz zu bisherigen Aktivlautsprechern relativ dünne und preisgünstige Lautsprecherkabel zur Verbindung des Schallwandlers mit dem Verstärker eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Vermeidung von Intermodulationsrauschen, welches bei Verstärkern mit mehreren Schaltstufen als Resultat der unterschiedlichen Modulationsfrequenzen der Schaltstufen auftritt. Derartige Intermodulations-Rauschkomponenten sind bei herkömmlichen Aktivlautsprechern nur schwer zu unterdrücken und verschlechtern den Signal-Rauschabstand des Verstärkers. Dadurch kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein hoher Signal-Rauschabstand des Verstärkers ohne aufwendige Maßnahmen zur gegenseitigen Entkopplung mehrerer Schaltstufen erzielt werden.There the DC supply voltage of the switching stage between 150 volts and 300 volts and thus is much higher than that Supply voltage of amplifiers according to the prior art the technology, even to achieve high output the Half bridge configuration can be selected. Thereby can be compared to amplifiers according to the prior art The technique saves costs by using only a switching and a low-pass filter stage can be achieved. While previous active speakers usually sound transducer with a Impedance between 4 and 8 ohms, the impedance is the sound transducer of the embodiment of the invention 10 to 200 ohms depending on the mains voltage as well the required output power. By using a high-impedance Schallwandlers can in contrast to previous active speakers relatively thin and inexpensive speaker cables used to connect the transducer to the amplifier become. Another advantage is the avoidance of intermodulation noise, which in amplifiers with several switching stages as a result the different modulation frequencies of the switching stages occurs. Such intermodulation noise components are conventional Active speakers difficult to suppress and worsen the signal-to-noise ratio of the amplifier. This can be done in the present embodiment, a high signal-to-noise ratio the amplifier without costly measures for mutual decoupling of several switching stages can be achieved.

3 zeigt den Pulsmodulator des Verstärkers. Das Prinzip dieses Modulators ist aus der Literatur hinreichend bekannt und wird nachfolgend nur kurz beschrieben. Das Audioeingangssignal 14 wird mit dem Referenzsignal 16 verglichen, welches durch Rückkopplung des Schaltsignals und Teilung mittels der Widerstände R1 und R2 gewonnen wird. Das Differenzsignal wird vom Operationsverstärker OP1 und Kondensator C3 integriert. Das Integrationssignal 24 ist mit einem Hysteresekomparator verbunden, wel cher durch den nichtinvertierenden Logikpuffer BU sowie den Widerständen R3 und R4 gebildet wird. Das Puffer-Ausgangssignal 15 steuert die Schaltstufe. 3 shows the pulse modulator of the amplifier. The principle of this modulator is well known in the literature and will be described only briefly. The audio input signal 14 is with the reference signal 16 which is obtained by feedback of the switching signal and division by means of the resistors R1 and R2. The difference signal is integrated by the operational amplifier OP1 and capacitor C3. The integration signal 24 is connected to a hysteresis comparator, which is formed by the non-inverting logic buffer BU and the resistors R3 and R4. The buffer output signal 15 controls the switching stage.

4 zeigt die einzelnen Signale des Pulsmodulators. Die Signalnummern stimmen mit den Nummern in 3 überein. 4 shows the individual signals of the pulse modulator. The signal numbers agree with the numbers in 3 match.

5 zeigt die Eingangskoppelstufe des Aktivlautsprechers. Durch Sicherheitstandards ist in der Regel vorgeschrieben, dass sämtliche elektrisch leitenden Elemente galvanisch von der Netzspannung isoliert sein müssen. Magnetische Kopplung mittels Transformatoren sowie kapazitive Kopplung mittels Kondensatoren ist zulässig, solange die Kapazität der Koppelkondensatoren klein genug ist, um den maximal möglichen Leck-Wechselstrom auf den durch Sicherheitsstandards vorgeschriebenen Maximalwert zu begrenzen und ferner die Transformator-Isolation bzw. die Koppelkondensatoren eine von den Sicherheitsstandards vorgeschriebene Hochspannung standhalten können. Diese Hochspannung beträgt in der Regel 1500 Volt oder 3000 Volt. Aktivlautsprecher nach bisherigem Stand der Technik erzielen diese vorgeschriebene galvanische Isolation mit Hilfe des Netzteil-Transformators, welcher galvanisch isolierte Primär- und Sekundärwicklungen aufweist. Die Eingangskoppelstufe in 5 erfüllt die Sicherheitsstandards ohne Verwendung eines Netzteils. Das Audioeingangssignal 13 wird von der Eingangsbuchse CON1 empfangen. Vom Widerstand R5 wird am Eingang die gewünschte Eingangsimpedanz erzeugt, in der Regel in der Größenordnung von 10 kOhm. Das Audioeingangssignal 13 und die Audiosignal-Masse 26 sind mittels Kondensatoren C4 und C5 mit der nachfolgenden Stufe gekoppelt. C4 und C5 sind Hochspannungskondensatoren. Durch Vorsehen eines Operationsverstärkers OP2, welcher eingangsseitig eine hohe Impedanz bietet, ist es möglich, preisgünstige Koppelkondensatoren mit relativ geringer Kapazität für die Erzielung einer hinreichend niedrigen unteren Audio-Grenzfrequenz einzusetzen, da sich der Kondensator-Blindwiderstand wenig bemerkbar macht. Das Ausgangssignal 14 des Operationsverstärkers 14 steht nachfolgenden Komponenten des Audioverstärkers zur Verfügung. OP2 sollte für die Erzielung eines ausreichend hohen Signal-Rauschabstands ein geringes Flicker-Rauschen besitzen. 5 shows the input coupling stage of the active loudspeaker. By safety standards is usually prescribed that all electrically conductive elements must be galvanically isolated from the mains voltage. Magnetic coupling by means of transformers and capacitive capacitive coupling is permissible as long as the capacitance of the coupling capacitors is small enough to limit the maximum possible leakage AC current to the maximum value prescribed by safety standards and furthermore the transformer insulation or coupling capacitors is one of the safety standards can withstand prescribed high voltage. This high voltage is usually 1500 volts or 3000 volts. Active loudspeakers according to the prior art achieve this prescribed galvanic isolation with the aid of the power supply transformer, which has galvanically isolated primary and secondary windings. The input coupling stage in 5 Meets security standards without using a power supply. The audio input signal 13 is received by the input jack CON1. Resistor R5 generates the desired input impedance at the input, typically of the order of 10 kohms. The audio input signal 13 and the audio signal ground 26 are coupled by means of capacitors C4 and C5 to the subsequent stage. C4 and C5 are high voltage capacitors. By providing an operational amplifier OP2, which offers a high impedance on the input side, it is possible to use inexpensive coupling capacitors with a relatively small capacitance for achieving a sufficiently low lower audio cutoff frequency, since the capacitor reactance makes little sense. The output signal 14 of the operational amplifier 14 is available to subsequent components of the audio amplifier. OP2 should have low flicker noise to achieve a sufficiently high signal-to-noise ratio.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist das Signal 27 direkt mit dem Eingang des Pulsmodulators verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Operationsverstärker OP2 eliminiert werden, da der Pulsmodulator aus 3 selbst eine hohe Eingangsimpedanz bietet, so dass die Eingangskoppelstufe in diesem Fall lediglich aus Widerstand R5 und den Koppelkondensatoren C4 und C5 besteht und somit eine kosten günstige Lösung erlaubt. Da die maximale Kapazität der Koppelkondensatoren durch die in den relevanten Sicherheitsstandards vorgeschriebenen maximalen Leck-Wechselströme begrenzt ist, wird vorgeschlagen, für die Begrenzung der Leckströme jeweils Widerstände mit den Koppelkondensatoren in Serie zu schalten. Dadurch können Koppelkondensatoren mit höheren Werten gewählt werden, welches eine Verbesserung der unteren Audio-Grenzfrequenz bewirkt und den Signal-Rauschabstand des Aktivlautsprechers verbessert.In a further embodiment of the invention, the signal 27 directly connected to the input of the pulse modulator. In this embodiment, the operational amplifier OP2 can be eliminated because the pulse modulator is off 3 itself provides a high input impedance, so that the input coupling stage in this case consists only of resistor R5 and the coupling capacitors C4 and C5 and thus allows a cost-effective solution. Since the maximum capacitance of the coupling capacitors is limited by the maximum leakage alternating currents prescribed in the relevant safety standards, it is proposed to connect resistors with the coupling capacitors in series for limiting the leakage currents. As a result, coupling capacitors can be selected with higher values, which causes an improvement of the lower audio cutoff frequency and the Signal-to-noise ratio of the active speaker improved.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung verfügt der Aktivlautsprecher über einen symmetrischen Audioeingang. In diesem Fall verbinden Koppelkondensatoren C4 und C5 beide Pole der Audioeingangsbuchse jeweils mit den beiden Polen des symmetrischen Audioverstärker-Eingangs.In a further embodiment of the invention the active speaker via a balanced audio input. In this case, coupling capacitors C4 and C5 connect both poles the audio input jack with the two poles of the balanced Audio amplifier input.

Es wird vorgeschlagen, die Widerstände R1 und R2 des Pulsmodulators in 3 variabel zu gestalten, um eine Lautstärkeregelung zu ermöglichen. Die Änderung der Widerstände R1 und R2 kann durch Verwendung eines Potentiometers erreicht werden. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Pulsmodulator ausreichend ist, genügt für diesen Zweck ein Mono-Potentiometer. Während Aktivlautsprecher nach bisherigem Stand der Technik die Lautstärkeregelung vor dem Pulsmodulator regeln, bietet die Regelung der Lautstärke durch Änderung der Rückkopplung des Pulsmodulators den Vorteil, dass selbst bei kleinen Audioeingangspegeln ein hoher Signal-Rauschabstand erreicht wird. Aktivlautsprecher nach bisherigem Stand der Technik erzielen bei geringen Audiopegeln einen schlechten Signal-Rauschabstand.It is proposed that the resistors R1 and R2 of the pulse modulator in 3 variable to allow for volume control. The change of the resistors R1 and R2 can be achieved by using a potentiometer. Since a pulse modulator is sufficient in the present embodiment, a mono-potentiometer is sufficient for this purpose. While active loudspeakers according to the prior art regulate the volume control in front of the pulse modulator, the regulation of the volume by changing the feedback of the pulse modulator offers the advantage that a high signal-to-noise ratio is achieved even with small audio input levels. Active loudspeakers according to the prior art achieve a low signal-to-noise ratio at low audio levels.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle der Eingangskoppelstufe aus 5 ein Audiotransformator eingesetzt. Audiotransformatoren werden dort eingesetzt, wo eine galvanische Isolation zwischen Audioeingang und übrigen Komponenten notwendig ist. In diesem Ausführungsbeispiel muss die Isolation zwischen den Wicklungen des Audiotransformators in der Lage sein, Spannungsspitzen von über 1000 Volt zu tolerieren zwecks Erfüllung der Sicherheitstandards.In another embodiment, instead of the input coupling stage 5 used an audio transformer. Audio transformers are used where galvanic isolation between audio input and other components is required. In this embodiment, the insulation between the windings of the audio transformer must be able to tolerate voltage spikes in excess of 1000 volts to meet safety standards.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Niederspannungsversorgung welche zur Versorgung der Eingangskoppelstufe sowie des Pulsmodulators benötigt wird. Die Netzspannung 10 am Eingang ist mittels Koppelkondensator C6 mit den Gleichrichtdioden D1 und D2 gekoppelt. Die gleichgerichtete Spannung 28 wird durch Kondensator C7 geglättet und von der Zener-Diode D3 begrenzt. Der Festspannungsregler U1 erzeugt die stabilisierte Spannung 12, welche durch Kondensator C8 geglättet wird. Die Masse der Niederspannungsversorgung ist verbunden mit der Systemmasse, welche am Brückengleichrichter 2 in 2 verfügbar ist. 6 shows an embodiment of the low-voltage supply which is needed to supply the input switching stage and the pulse modulator. The mains voltage 10 at the input is coupled by means of coupling capacitor C6 with the rectifying diodes D1 and D2. The rectified voltage 28 is smoothed by capacitor C7 and limited by the zener diode D3. The fixed voltage regulator U1 generates the stabilized voltage 12 , which is smoothed by capacitor C8. The ground of the low voltage supply is connected to the system ground which is connected to the bridge rectifier 2 in 2 is available.

Die Niederspannungsversorgung in diesem Ausführungsbeispiel bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zu einem linearen Netzteil kein Transformator und im Gegensatz zu einem DC-DC-Schaltregler keine Induktivität, kein Hochspannungsschalttransistor sowie kein Schaltregulator notwendig sind. Trotzdem bietet die Niederspannungsversorgung ähnlich einem DC-DC-Schaltregler eine hohe Effizienz. Es ist wichtig, den Koppelkondensator C6 in Abhängigkeit vom Strombedarf des Verstärkers geeignet zu wählen. Koppelkondensator C6 lässt während jedem Zyklus der Netzwechselspannung über die Gleichrichtdioden D1 und D2 eine definierte Ladung in den Kondensator C7, welche ausreichend sein muss, um während der Zeitspanne eines Zyklus den Verstärker mit Strom zu versorgen.The Low-voltage supply in this embodiment offers the advantage that unlike a linear power supply no transformer and unlike a DC-DC switching regulator none Inductance, no high voltage switching transistor as well no switching regulator are necessary. Nevertheless, the low-voltage supply offers a similar DC-DC switching regulator high efficiency. It is important to use the coupling capacitor C6 depending on the power requirement of the amplifier suitable to choose. Coupling capacitor C6 leaves during each cycle of AC line voltage over the rectifying diodes D1 and D2 a defined charge in the capacitor C7, which must be sufficient to during the period one cycle to power the amplifier.

7 illustriert die Wirkungsweise der Niederspannungsversorgung. Während der steigenden Flanke der Netzspannung steigt die gleichgerichtete Spannung 28 auf die maximale Spannung Vz. Der Wert von Vz wird von der Zener-Diode D3 bestimmt. Während der fallenden Flanke der Netzspannung fällt die gleichgerichtete Spannung, da Energie verbraucht wird. Kondensatoren C6, C7 und C8 sind so zu wählen, dass die gleichgerichtete Spannung während des Zyklus der Netzspannung stets oberhalb der minimalen Spannung bleibt, welche vom Spannungsregulator U1 benötigt wird. Diode D3 begrenzt die gleichgerichtete Spannung zum Schutz des Spannungsreglers U1. Da der Kondensator C6 eine reine Blindlast darstellt, werden die einzigen Verluste von den Gleichrichtdioden D1, D2 und dem Spannungsregler U1 erzeugt. Somit bietet die Niederspannungsversorgung dieses Ausführungsbeispiels eine hohe Effizienz und benötigt mit Ausnahme von Koppelkondensator C1 keine Hochspannungsbauelemente, welche bei einem DC-DC-Regulator notwendig sind. 7 illustrates the operation of the low-voltage supply. During the rising edge of the mains voltage, the rectified voltage increases 28 to the maximum voltage Vz. The value of Vz is determined by the zener diode D3. During the falling edge of the mains voltage, the rectified voltage drops as energy is consumed. Capacitors C6, C7 and C8 are to be selected so that the rectified voltage during the cycle of the mains voltage always remains above the minimum voltage required by the voltage regulator U1. Diode D3 limits the rectified voltage to protect the voltage regulator U1. Since the capacitor C6 represents a pure dummy load, the only losses are generated by the rectifying diodes D1, D2 and the voltage regulator U1. Thus, the low-voltage power supply of this embodiment offers high efficiency and, with the exception of coupling capacitor C1, does not require high-voltage components necessary in a DC-DC regulator.

8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches zwei separate Verstärkerzweige einsetzt, die zwei Schallwandler steuern. Dieses Ausführungsbeispiel wird typischerweise in Aktivlautsprechern mit mehreren Schallwandlern eingesetzt, welche für unterschiedliche Audiofrequenzbereiche konzipiert sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Audiosignal 18 von der Frequenzweiche 19 in die beiden Frequenzkomponenten 14a und 14b zerlegt und an die Pulsmodulatoren 5a und 5b geführt. Die Modulatorsteuersignale 15a und 15b steuern die Schaltstufen 6a und 6b. Die Schaltsi gnale 16a und 16b werden von den Filtern 7a und 7b tiefpassgefiltert und steuern die hochohmigen Schallwandler 8a und 8b mittels Koppelkondensatoren C2 und C9. 8th shows a further embodiment of the invention, which uses two separate amplifier branches, which control two sound transducers. This embodiment is typically used in powered loudspeakers with multiple transducers designed for different audio frequency ranges. In this embodiment, the audio signal becomes 18 from the crossover 19 into the two frequency components 14a and 14b decomposed and to the pulse modulators 5a and 5b guided. The modulator control signals 15a and 15b control the switching stages 6a and 6b , The Schaltsi gnale 16a and 16b be from the filters 7a and 7b low-pass filtered and control the high-impedance transducers 8a and 8b by means of coupling capacitors C2 and C9.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Grenzfrequenz der Tiefpassfilter 7a und 7b in Übereinstimmung mit dem Frequenzgang der Schallwandler 8a und 8b zu dimensionieren. Die Schaltfrequenz des Pulsmodulators des Verstärkerzweiges, welcher mit dem Tiefton-Schallwandler verbunden ist, sollte unter der Schaltfrequenz des Pulsmodulators des anderen Verstärkerzweiges liegen. Dies bietet folgende Vorteile: Unterschiedliche Schaltfrequenzen bewirken, dass Intermodulationsrausch-Komponenten, welche immer dann auftreten, wenn mehrere Schaltstufen mit der gleichen Versorgungsspannung arbeiten, eine relativ hohe Frequenz haben und somit in der Regel ausserhalb des hörbaren Frequenzbereiches liegen. Ferner werden durch Reduktion der Schaltfrequenz kapazitive Verluste minimiert. Weiterhin führen die „Dead-Time"-Verzögerungen bei geringerer Schaltfrequenz zu geringerer Audioverzerrung.In this embodiment, the cutoff frequency is the low-pass filter 7a and 7b in accordance with the frequency response of the sound transducer 8a and 8b to dimension. The switching frequency of the pulse modulator of the amplifier branch, which is connected to the woofer should be below the switching frequency of the pulse modulator of the other amplifier branch. This offers the following advantages: Different switching frequencies cause intermodulation noise components which always occur when several switching stages work with the same supply voltage, have a relatively high frequency and thus are usually outside the audible frequency range. Furthermore, by reducing the switching frequency, capacitive losses are minimized. Furthermore, the dead-time delays at lower switching frequency lead to less audio distortion.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dem Pulsmodulator ein Equalizer vorgeschaltet, welcher auf den Schallwandler optimiert ist, um den gewünschten Frequenzgang sicherzustellen, wodurch die Anforderungen an den Schallwandler und die Konstruktion des Aktivlautsprechers reduziert werden. Ein derartiger Equalizer kann mittels externer Regelelemente steuerbar gestaltet werden. Derartige Equalizer werden häufig in Aktivlautsprechern eingesetzt. Weitere Modifikationen dieses Ausführungsbeispiels liegen dem Fachmann an der Hand.In Another embodiment of the invention is the Pulse modulator preceded by an equalizer, which on the sound transducer is optimized to ensure the desired frequency response, thereby the requirements for the sound transducer and the construction of the Active speaker can be reduced. Such an equalizer can be designed controllable by external control elements. such Equalizers are often used in powered speakers. Further modifications of this embodiment are the expert at hand.

9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches ein drahtloses Audiosignal 20 empfängt. Aktivlautsprecher, welche das Audiosignal drahtlos empfangen, sind in der Literatur bereits beschrieben, siehe u. a. US-Patentschrift 2003/0210796 . 9 shows another embodiment of the invention, which is a wireless audio signal 20 receives. Active speakers, which receive the audio signal wirelessly, are already described in the literature, see, inter alia US Patent 2003/0210796 ,

Das Ausgangssignal 14 des Empfängers 21 wird auf den Eingang des Pulsmodulators geführt. Der Empfänger kann hierbei ein Hochfrequenzempfänger oder optischer Empfänger, z. B. Infrarotempfänger, sein. Sofern der Empfänger auf digitaler Basis arbeitet, so enthält dieser einen Digital-Analog-Wandler, welches das digitale Empfangssignal in ein analoges Signal wandelt, das an den Pulsmodulator geführt wird.The output signal 14 Recipient 21 is fed to the input of the pulse modulator. The receiver can be a high-frequency receiver or optical receiver, z. B. infrared receiver, his. If the receiver operates on a digital basis, then this includes a digital-to-analog converter, which converts the digital received signal into an analog signal which is fed to the pulse modulator.

Da in diesem Ausführungsbeispiel keine elektrisch leitenden Teile von außen zugänglich sind, benötigt dieses Ausführungsbeispiel keine Eingangskoppelstufe zwecks Erfüllung der Sicherheitsstandards.There in this embodiment, no electrically conductive Parts accessible from the outside are needed this embodiment no input coupling stage in order Compliance with safety standards.

10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches das Audiosignal mittels eines Powerline-Empfängers 22 empfängt. Eine derartige Übertragung mittels Powerline ist u. a. in US-Patentschrift US 2003/0210796 beschrieben. 10 shows a further embodiment of the invention, which the audio signal by means of a powerline receiver 22 receives. Such a transmission via Powerline is, inter alia, in US Patent US 2003/0210796 described.

Der Powerline-Empfänger 22 in diesem Ausführungsbeispiel enthält ein Koppelelement zur Netzspannung sowie einen Demodulator zum Empfang und Demodulation der Audiodaten sowie einen Digital-Analog-Wandler zur Wandlung der Audiodaten in ein analoges Signal, welches an den Pulsmodulatoreingang geführt wird. Der Powerline-Empfänger ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vor dem Netzfilter 1 mit der Netzspannung verbunden.The powerline receiver 22 In this embodiment, a coupling element to the mains voltage and a demodulator for receiving and demodulating the audio data and a digital-to-analog converter for converting the audio data into an analog signal, which is fed to the Pulsmodulatoreingang. The powerline receiver is in the present embodiment in front of the line filter 1 connected to the mains voltage.

Es liegt dem Fachmann an der Hand, bestimmte Aspekte eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Aspekten eines anderen Ausführungsbeispiels zu kombinieren.It is obvious to those skilled in the art, certain aspects of an embodiment the invention with aspects of another embodiment to combine.

Diese Erfindung ist nicht beschränkt auf Aktivlautsprecher sondern kann angewendet werden für andere Audio- und Videogeräte mit integrierten Schallwandlern.These Invention is not limited to powered speakers but can be used for other audio and video devices with integrated sound transducers.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Aktivlautsprecher Bestandteil eines integrierten Radios mit CD-Player. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Größe des Netzteiles reduziert werden, da das Netzteil die Verstärker-Schaltstufen nicht zu versorgen hat. Hierdurch können die Kosten und das Gewicht reduziert werden.In Another embodiment of the invention is the Active speaker Component of an integrated radio with CD player. In this embodiment, the size of the power supply can be reduced because the power supply the amplifier switching stages not to provide. This can reduce the costs and the weight can be reduced.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Aktivlautsprecher Bestandteil eines Fernsehgerätes mit integriertem Lautsprecher.In Another embodiment of the invention is the Active speaker Component of a TV with integrated speaker.

Weitere Anwendungen und Abwandlungen der Erfindung können vom Fachmann nachvollzogen werden.Further Applications and modifications of the invention may be made by those skilled in the art be traced.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2006/0244522 [0004]
- US 4605910 [0004]
- US 4021745 [0023]
US 5160896 [0023]
- UK 2021889 [0023]
US 2003/0210796 [0038, 0041]

Claims

Device for amplifying an audio signal by means of a digital switching amplifier and playback by one or more loudspeaker elements, characterized in that the switching stage of the switching amplifier is supplied with a rectified unstabilized mains voltage and the switching amplifier uses a pulse modulator which integrates a difference signal which is obtained from the unamplified audio signal and a reference signal and generates a pulse-width-modulated control signal by means of a hysteresis element, which activates the switching stage wherein the reference signal is derived from the amplified switching signal.

Apparatus according to claim 1, characterized that the input of the audio amplifier from the external Audio input is isolated by an input coupling stage, which contains at least one high voltage capacitor, the can tolerate a peak voltage of at least 1000 volts.

Apparatus according to claim 1, characterized that the input of the audio amplifier from the external Audio input is isolated by an audio transformer, wherein the isolation between primary and secondary of the audio transformer a peak voltage of at least 1000 volts can tolerate

Apparatus according to claim 1, characterized that the reference signal obtained by means of a voltage divider which contains at least one variable resistor.

Apparatus according to claim 1, characterized that the speaker element has an impedance of at least 10 ohms Has.

Apparatus according to claim 1, characterized that the supply voltage of the pulse modulator by means of a low-voltage supply which contains the following components: (i) two diodes and a smoothing capacitor, which one Half-bridge rectifier, (ii) a high voltage capacitor, which tolerates a peak voltage of at least 100 volts and connected to the mains voltage and the connection of both diodes is, (iii) a Zener diode, which is the output of the half-bridge rectifier connects to ground and (iv) a voltage regulator whose input connected to the output of the half-bridge rectifier is.

Apparatus according to claim 1, characterized the following additional components are included: (i) Crossover, which the audio input signal in at least two Frequency components divides, with a frequency component on the Pulse modulator is performed, (ii) at least one further Amplifier branch, which as an input signal another Frequency component receives.

Apparatus according to claim 7, characterized that the switching frequency of the switching stages and the filter cutoff frequency the low-pass filter differ by at least 20 kHz each.

Apparatus according to claim 1, characterized that the audio input signal by means of an equalizer in the frequency response is modified. before it is passed to the pulse modulator becomes.

Apparatus according to claim 9, characterized that the frequency response of the equalizer controllable by means of control elements is.

Apparatus according to claim 1, characterized that in addition a receiver is included, which the audio signal is received wirelessly via radio frequency or light waves.

Apparatus according to claim 1, characterized that in addition a receiver is included, which receives the audio signal from the power line.

Apparatus according to claim 11 or 12, characterized characterized in that the receiver receives control signals, which control the behavior of the device.

Apparatus according to claim 1, characterized that the device is part of an audio device with integrated speaker is which components for generating of the audio signal.

Apparatus according to claim 1, characterized that the device is part of a video device with integrated speaker is which components for generating and representation of a video signal.