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Dokumentenidentifikation DE19632067B4 06.07.2006
Titel Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung
Anmelder Rohm Co. Ltd., Kyoto, JP
Erfinder Kobayashi, Masato, Kyoto, JP;
Fujisawa, Masanori, Kyoto, JP;
Hoshino, Taichi, Kyoto, JP;
Yamamoto, Isao, Kyoto, JP
Vertreter Strehl, Schübel-Hopf & Partner, 80538 München
DE-Anmeldedatum 08.08.1996
DE-Aktenzeichen 19632067
Offenlegungstag 13.02.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 06.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.07.2006
IPC-Hauptklasse H03F 3/187(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03F 1/34(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung für ein Niederfrequenzsignal nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung in der Form eines ICs mit einem externen Kondensator für ein tragbares Tonwiedergabegerät wie ein Magnetband-Abspielgerät oder ein tragbares CD-Abspielgerät.

Die üblichen Stereo-Kopfhörer, tragbaren Tonband- bzw. Kassetten-Abspielgeräte für DCCs und DATs und die tragbaren Platten-Abspielgeräte für MDs und CDs werden meistens mit einer oder zwei Batterien (worunter im vorliegenden Fall auch wiederaufladbare Batterien, d.h. Akkus verstanden werden) betrieben. Die Versorgungsspannung für die Niederfrequenzschaltungen liegt daher in der Regel bei 1,2 V bis höchstens 2,4 V. Mit einer Batterie bzw. mit einem Batteriesatz sollte außerdem eine möglichst lange Laufzeit erhalten werden.

Die genannten Geräte sollen möglichst kompakt und dünn sein und doch eine hohe Tonqualität und eine große Leistung im Niederfrequenzband aufweisen. Die bekannten Schaltungen sind daher mit einem Niederfrequenz-Zwischen- oder Zusatzverstärker versehen, um das Niederfrequenzband anzuheben.

Die 6 der Zeichnung zeigt einen bekannten IC-Schaltkreis für eine Niederfrequenz-Ausgangsschaltung IC 1 mit einem Leistungsverstärker 4 mit einer unsymmetrischen Ausgangsstufe, an die ein externer Ausgangs-Koppelkondensator (Ausgangskondensator) Co angeschlossen ist. Bei Stereogeräten sind zwei solcher Schaltungen für die beiden Kanäle vorzusehen. In der 6 ist nur eine Schaltung, für den rechten oder linken Kanal, gezeigt.

In der Schaltung der 6 ist der Ausgangskondensator Co extern an den Ausgangsanschluß 6 der Schaltung IC 1 angeschlossen. Wenn die niedrigste wiederzugebende Tonsignalfrequenz fL bei zehn und einigen Hertz liegt, ist bei einer solchen Schaltung und einem Innenwiderstand RL eines Lautsprechers 2 im Bereich von 4 &OHgr; bis 32 &OHgr; ein Kondensator von 330 &mgr;F bis 3300 &mgr;F erforderlich.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers (OP) 3 des Leistungsverstärkers 4 wird über einen Rückkoppelwiderstand Rf zum negativen Eingang des Operationsverstärkers 3 zurückgeführt, an den ein Bezugs-Vorspannungswiderstand Rs angeschlossen ist. In der 6 bezeichnet das Bezugszeichen 5 den Eingangsanschluß des ICs 1, 7 die Quelle für das Eingangssignal und 8 einen externen Koppelkondensator auf der Eingangsseite.

Die Kapazität für den Ausgangskondensator Co ergibt sich aus der folgenden Gleichung: fL = 159 × 103/RL × Co

Die Ausgangsspannung Vo der Schaltung nach dem Ausgangskondensator Co wird durch die folgende Gleichung bestimmt: Vo = sCoRL × Vp/(1 + sCoRL), wobei s = j&ohgr; ist und Vp die Spannung am Ausgangsanschluß 6 des IC 1.

Bei einem tragbaren Tonwiedergabegerät kann die Unterbringung des Ausgangskondensators Co zu einem Problem werden, besonders dann, wenn das Gerät dünn sein soll, da sowohl die Durchbruchspannung wie auch die Kapazität eines Elektrolytkondensators proportional zu dessen Größe (Volumen) sind. Wenn die Kapazität des Ausgangskondensators 100 &mgr;F übersteigt, kann er daher nicht mehr in die Schaltung IC 1 eingebaut werden. Wenn andererseits die Kapazität des Ausgangskondensators Co so klein gemacht wird, daß der Kondensator in die Schaltung IC 1 eingebaut werden kann, reicht der Niederfrequenzanteil der von Kopfhörern usw. wiedergegebenen Töne möglicherweise nicht aus, auch wenn der Niederfrequenzbereich angehoben wird.

Im Vergleich zu einem Tonwiedergabegerät in der Art einer Stereoanlage, bei der weder die Größe der Schaltungen noch die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung besonders eingeschränkt ist, wird das tragbare Tonwiedergabegerät gewöhnlich mit einer Batterie geringer Spannung betrieben. Man ging deswegen bisher davon aus, daß das tragbare Gerät einfach eine geringere Tonqualität besitzt. Gegenwärtig besteht jedoch die Tendenz, auch für tragbare Geräte eine hohe Tonqualität zu fordern. Aus den obigen Gründen läßt sich die geforderte hohe Tonqualität bei einem mit geringer Spannung betriebenen tragbaren Gerät jedoch praktisch kaum erreichen.

DD 132 225 offenbart eine Verstärkerschaltung für ein tragbares Tonwiedergabegerät mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Bei der bekannten Schaltung ist der Verstärker zweistufig, wobei ein den Verstärkungsfaktor bestimmender Rückkoppelwiderstand vom Ausgang der zweiten Stufe auf den negativen Eingang der ersten Stufe, weitere Schaltungselemente dagegen auf den Verbindungspunkt zwischen den beiden Verstärkerstufen rückgekoppelt sind. Dadurch soll im Wiedergabebetrieb eine niedrige Frequenzkorrektur bei frequenzunabhängiger Verstärkung erzielt werden.

Aus U. TIETZE, Ch. SCHENK "Halbleiter-Schaltungstechnik", 3. Auflage, Springer-Verlag 1974, Seite 253, insbesondere 10.67, ist eine Verstärkerschaltung bekannt, die die im ersten und im dritten Absatz des Anspruchs 1 angegebenen Schaltungselemente enthält. Dort handelt es sich jedoch um einen PID-Regler, bei dem die oben genannte Aufgabe nicht besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung zu schaffen, mit der sich Tonsignale wiedergeben lassen, bei denen die Tonqualität im Niederfrequenzbereich auch dann gut ist, wenn ein kleiner Ausgangskondensator verwendet wird.

Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 erfindungsgemäß mit einer Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung gelöst.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, den Niederfrequenzbereich der Niederfrequenz-Verstärkerschaltung zur Seite niedrigerer Frequenzen hin dadurch zu erweitern, daß die Werte für den ersten und den zweiten externen Kondensator so gewählt werden, daß sich die Zeitkonstanten derart verhalten, daß die. Abnahme der Niederfrequenzverstärkung aufgrund der Verkleinerung des ersten Kondensators im wesentlichen durch ein Ansteigen der Niederfrequenzverstärkung aufgrund der Rückkoppelschleife aus dem zweiten Kondensator und dem Widerstand aufgehoben wird.

Der Ausgangskondensator kann daher in diesem Fall einen kleinen Wert haben, aus dem sich eine abgeschwächte Verstärkung im Niederfrequenzbereich ergibt. Die Grenzfrequenz im Niederfrequenzbereich kann mit anderen Worten auf einen höheren Wert gesetzt werden als bei der herkömmlichen Schaltung, so daß als externer Ausgangskondensator ein kleiner Kondensator verwendet werden kann.

Zum Beispiel ist es möglich, für den ersten Ausgangskondensator eine Kapazität von 100 &mgr;F oder weniger vorzusehen, was einen Bruchteil des Wertes für den Ausgangskondensator der herkömmlichen Schaltung darstellt, wenn als zweiter Kondensator ein kleiner Kondensator mit 0,01 &mgr;F bis 0,33 &mgr;F hinzugefügt wird, auch wenn die kleinste wiederzugebende Frequenz fL wie üblich auf zehn und einige Hertz eingestellt ist.

Im Ergebnis ist es möglich, als Ausgangskondensator einen Kondensator mit einer Größe zu verwenden, die es ermöglicht, den Kondensator in ein kompaktes und dünnes tragbares Gerät einzubauen, wobei das Gerät trotz der kleinen Kapazität des Ausgangskondensators aufgrund der Korrektur des Übertragungsverhaltens durch den zweiten Kondensator sehr gute Niederfrequenz-Wiedergabeeigenschaften aufweist.

Die erfindungsgemäß auf der Ausgangsseite der Schaltung vorgesehenen Kondensatoren lassen sich von ihrer Größe her sehr gut mit der integrierten Verstärkerschaltung kombinieren, so daß sich die erfindungsgemäße Schaltung besonders für den Einbau in kompakte, flache, tragbare Tonwiedergabegeräte eignet.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung, die als Ausgangsschaltung für ein batteriebetriebenes tragbares Tonwiedergabegerät dient;

2 eine Darstellung der Anhebung im Niederfrequenzbereich durch die Schaltung der 1, wobei die 2(a) den Verlauf der Ausgangsspannung der Schaltung und den der Eingangsspannung eines Lautsprechers, der als Last dient, und die 2(b) den Verlauf der Gesamtverstärkung des Tonwiedergabegerätes zeigt;

3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung für ein Tonwiedergabegerät;

4 die Verringerung der Niederfrequenzverstärkung als Folge des Innenwiderstandes des Ausgangskondensators;

5 eine Darstellung der Unterschiede in der Verstärkung bei den Geräten der 3 und 1; und

6 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Niederfrequenzsignal-Verstärkerschaltung, die als Ausgangsschaltung für ein batteriebetriebenes Tonwiedergabegerät dient.

In der 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Ausgangsschaltung in der Form einer integrierten Schaltung (IC), die als Ausgangsstufe einen Leistungsverstärker 11 mit einem unsymmetrischen Operationsverstärker 3 enthält, das Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Eingangsanschluß der Ausgangsschaltung 10 und das Bezugszeichen 13 einen Ausgangsanschluß davon. Der Operationsverstärker 3 umfaßt einen ersten Rückkoppelwiderstand Rf mit einem Wert von 100 k&OHgr; und einen Bezugs-Vorspannungswiderstand Rs mit einem Wert von 2 k&OHgr;. In der 1 sind im übrigen gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen wie in der eingangs bereits erläuterten 6 versehen.

Der Leistungsverstärker 11 weist einen zweiten Rückkoppelwiderstand Ra mit einem Wert von 43 k&OHgr; auf, der zwischen einen zweiten ausgangsseitigen Anschluß 14 der integrierten Schaltung und dem negativen (-) Eingang (negativen Rückkoppelanschluß) des Operationsverstärkers 3 geschaltet ist. Ein Schicht- oder Tantalkondensator (Elektrolytkondensator) Ca mit 0,033 &mgr;F ist als externer Kondensator zwischen den Ausgangsanschluß 13 und den Anschluß 14 der Ausgangsschaltung 10 geschaltet, und zwischen den Ausgangsanschluß 13 und einen Lautsprecher 2 (zum Beispiel einen Kopfhörer) ist als Ausgangskondensator ein Elektrolytkondensator Co mit 100 &mgr;F geschaltet.

Der Wert des ersten Rückkoppelwiderstandes Rf der Schaltung der 1 ist größer als der des Rückkoppelwiderstandes Rf der herkömmlichen Schaltung der 6, so daß die Gesamt-Rückkopplung, die mit dem ersten Rückkoppelwiderstand Rf und dem zweiten Rückkoppelwiderstand Ra der Schaltung der 1 erhalten wird, im wesentlichen der Rückkopplung entspricht, die mit dem Rückkoppelwiderstand Rf der herkömmlichen Schaltung der 6 erhalten wird. Die Verstärkung des Leistungsverstärkers 11 der 1 entspricht daher im wesentlichen der des Leistungsverstärkers 4 der 6.

Im Niederfrequenzbereich ist durch den zweiten Ausgangskondensator Ca jedoch die Verstärkung des Leistungsverstärkers 11 im Vergleich zur herkömmlichen Schaltung entsprechend einem Anstieg der Impedanz höher. Die 2(a) und 2(b) zeigen die Niederfrequenzeigenschaften des Leistungsverstärkers 11 hinsichtlich der Ausgangsspannung des Verstärkers und hinsichtlich der Ausgangsspannung Vo am Lautsprecher 2.

Die Ausgangsspannung Vp am Ausgangsanschluß 13 ist durch die folgende Gleichung gegeben: Vp = {1 + Rf||(Ra + 1/sCa)/Rs} × Vin, wobei Vin die Eingangs-Signalspannung und RF||* der Gesamt-Widerstandswert der Parallelschaltung des Widerstands Rf mit dem Widerstand * ist.

Die dem Lautsprecher 2 zugeführte Ausgangsspannung Vo ist, wie erwähnt, gleich sCoRL × Vp/(1 + sCoRL).

Die 2(a) zeigt den Verlauf der Verstärkung der Ausgangsspannung Vp am Ausgangsanschluß 13 gegen die Frequenz und die 2(b) den Verlauf der Gesamtverstärkung (Verstärkung der Ausgangsspannung Vo) am Eingang des Lautsprechers 2 im Niederfrequenzbereich. In der 2(a) stellt der geneigte Kurvenabschnitt A den Verlauf der Verstärkung der Ausgangsspannung Vp am Ausgangsanschluß 13 gegen die Frequenz im Niederfrequenzbereich dar und der geneigte Kurvenabschnitt B den Verlauf der Verstärkung der Ausgangsspannung Vo am Eingang des Lautsprechers 2 bezüglich der Ausgangsspannung Vp, d.h. Vo/Vp.

In den 2(a) und 2(b) ist die untere wiederzugebende Grenzfrequenz fL und die Grenzfrequenz fc gleich fL = 1/2&Pgr;Ca (Rf + Ra) bzw. fc = 1/2&Pgr;CaRa).

Gemäß 2(a) stehen der Abschnitt A, in dem die Verstärkung bei abnehmender Frequenz mit einer Rate zunimmt, die durch die Zeitkonstante der RC-Schaltung aus dem Kondensator Ca und dem Widerstand Ra bestimmt wird, und der Abschnitt B, in dem die Verstärkung mit abnehmender Frequenz mit einer Rate abnimmt, die durch die Zeitkonstante der RC-Schaltung aus dem Kondensator Co und der Impedanz des Lautsprechers 2 bestimmt wird, derart miteinander in Beziehung, daß sich die jeweiligen Auswirkungen gegenseitig aufheben.

Dies beruht auf der Tatsache, daß das Produkt aus der Kapazität des Kondensators Ca und dem Widerstandswert des Widerstands Ra, in diesem Fall 0,03[&mgr;F] × 43000[&OHgr;] = 1419 [&mgr;F&OHgr;], bezüglich des Frequenzverhaltens im wesentlichen gleich dem Produkt aus der Kapazität des Kondensators Co und der Impedanz des Lautsprechers 2, in diesem Falle 100[&mgr;F] × 16 [&OHgr;] = 1600 [&mgr;F&OHgr;], ist.

Bei der Ausführungsform der 1 ist die Kapazität des Kondensators Co etwa 30% der eines herkömmlichen Ausgangskondensators Co. Wenn die Impedanz des Lautsprechers 2 gleich 16 &OHgr; ist, ist daher die Kapazität des Ausgangskondensators Co etwa 15 &mgr;F, während sie im herkömmlichen Fall etwa 47 &mgr;F beträgt; sie ist etwa 33 &mgr;F, wenn sie im herkömmlichen Fall 100 &mgr;F ist, sie ist etwa 75 &mgr;F, wenn sie im herkömmlichen Fall gleich 220 &mgr;F ist, und sie ist etwa 100 &mgr;F, wenn sie im herkömmlichen Fall 330 &mgr;F ist.

Da die Kapazität des zweiten Rückkoppelkondensators Ca klein ist und relativ frei gewählt werden kann, läßt sich dieser Kondensator leicht in einem Tonwiedergabegerät unterbringen. Auch ist es möglich, durch Verwendung eines Lautsprechers 2 mit größerer Impedanz einen Ausgangskondensator mit kleinerer Kapazität zu wählen. Da es Kopfhörer mit einer Impedanz von 32 &OHgr; und mehr gibt, kann ein Tonwiedergabegerät mit einem solchen Kopfhörer noch dünner gemacht werden.

Bei der Beschreibung der Ausführungsform der 1 wurde der ohmsche Widerstand des Ausgangskondensators Co und der ohmsche Widerstand des Lautsprechers 2 nicht berücksichtigt. Das Vorhandensein eines solchen ohmschen Widerstandes verringert die Verstärkung im Niederfrequenzbereich mehr oder weniger.

Die 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Verringerung der Verstärkung im Niederfrequenzbereich aufgrund eines solchen ohmschen Widerstandes vermieden wird. Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 darin, daß der Kondensator Ca zwischen den Anschluß 14 und die Verbindung des Ausgangskondensators Co mit dem Kopfhörer (Lautsprecher) 2 geschaltet ist. Bei der Ausführungsform der 3 ist die Rückkoppelspannung die Spannung am Eingang des Lautsprechers 2. Da entsprechend das Ausmaß der Rückkopplung im Niederfrequenzbereich herabgesetzt ist, ist es damit möglich, die Verstärkung im Niederfrequenzbereich anzuheben.

Die Verstärkungsverringerung EG im Niederfrequenzbereich aufgrund des ohmschen Widerstandes wird durch Darstellen des ohmschen Widerstandswertes des Ausgangskondensators durch r und des ohmschen Widerstandwertes der Last bzw. des Lautsprechers 2 durch RL sowie unter Vernachlässigung der Impedanzen der Kondensatoren Ca und Co im Niederfrequenzbereich berechnet.

Die Verstärkung Ga ist ohne Innenwiderstand r gleich Ga = (Rs + RL||Ra)/Rs.

Die Verstärkung Gr bei einem Innenwiderstand r ist gleich Gr = Ga × {RL/(RL + R)}.

Die Verstärkungsverringerung EG ergibt sich daher aus der folgenden Gleichung: EG = 20 log (Gr/Ga) = 20 log {RL/(RL + r)}.

Wenn RL und r bei dem Beispiel der 3 zu 16 &OHgr; und 2 &OHgr; angenommen werden, ergibt sich EG = 16/(16 + 2) = –1,02 dB.

Die 4 zeigt die Verstärkung Ga als gestrichelte Linie, die um EG auf die ausgezogen dargestellte Verstärkung Gr herabgesetzt wird.

Um die Verstärkungsverringerung EG aufzuheben, wird die Grenzfrequenz fc der Korrekturschaltung aus Ca und Ra etwa verdreifacht, in diesem Fall auf 3/2&Pgr;CaRa eingestellt.

Wenn der Wert des Widerstands Ra vor der Korrektur zum Beispiel gleich 16 k&OHgr; ist und der Wert des Kondensators Ca der 1 im Bereich von 0,1 &mgr;F liegt, so daß die Zeitkonstante CaRa wie im beschriebenen Fall zu 1600 [&mgr;F&OHgr;] wird, wird der Wert des Kondensators Ca nach der Korrektur zu 0,33 &mgr;F, wie es in der 3 gezeigt ist, was im wesentlichen das dreifache des Wertes des Kondensators Ca vor der Korrektur ist. Im übrigen haben die jeweiligen Schaltungselemente Werte, die statistisch vorgegeben sind. Wenn zum Beispiel der berechnete Wert eines Kondensators gleich 0,3 &mgr;F ist, wird ein Kondensator mit einer Kapazität von 0,33 &mgr;F genommen, da dessen Wert in der Nähe des berechneten Wertes liegt.

Die 5 zeigt im Niederfrequenzbereich den Unterschied in der Verstärkung der Schaltung der 1, in der Ra = 16 k&OHgr; und Ca = 0,1 &mgr;F ist, und der Verstärkung der Schaltung der 3, in der Ra = 16 k&OHgr; und Ca = 0,33 &mgr;F ist.

Die Kurve C der Verstärkung gegen die Frequenz ist die der Schaltung vor der Korrektur, die in der 1 dargestellt ist, und die Kurve D der Verstärkung gegen die Frequenz die der Schaltung nach der Korrektur, die in der 3 gezeigt ist. Wie sich aus der 5 ergibt, ist die Verstärkung im Niederfrequenzbereich von 40 Hz bis 200 Hz und insbesondere im Bereich von 40 Hz bis 60 Hz verbessert.


Anspruch[de]
  1. Niederfrequenz-Verstärkerschaltung, insbesondere für ein tragbares Tonwiedergabegerät, mit einer als integrierte Schaltung ausgebildeten Ausgangsstufe (10), die einen Leistungsverstärker (3), dessen Ausgang den Ausgangsanschluß (13) der Ausgangsstufe (10) bildet und über einen Rückkoppelwiderstand (Rf) mit seinem negativen Rückkoppeleingang (-) verbunden ist, und einen zwischen dem Ausgangsanschluß (13) und einem Lautsprecher (2) liegenden ersten Kondensator (Co) enthält, dadurch gekennzeichnet,

    daß der Lautsprecher (2) ein Kopfhörer ist,

    daß zwischen dem negativen Rückkoppeleingang (-) des Leistungsverstärkers (3) und einem weiteren Anschluß (14) der Ausgangsstufe (10) ein Widerstand (Ra) und zwischen der Verbindung des Ausgangsanschlusses (13) mit dem Lautsprecher (2) und dem weiteren Anschluß (14) ein zweiter Kondensator (Ca) liegt,

    daß der erste Kondensator (Co) eine Kapazität von höchstens 100 &mgr;F hat, und

    daß der Widerstand (Ra) und der zweite Kondensator (Ca) so bemessen sind, daß die durch ihre Zeitkonstante bestimmte Niederfrequenz im Bereich von 40 bis 200 Hz liegt und der Anstieg der Niederfrequenzverstärkung die durch die Zeitkonstante des ersten Kondensators (Co) und der Impedanz (RL) des Lautsprechers (2) bestimmte Verringerung der Niederfrequenzverstärkung aufhebt.
  2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kondensator (Ca) zwischen dem Ausgangsanschluß (13) und dem weiteren Anschluß (14) der Ausgangsstufe (10) liegt.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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