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Title:
DEVICE AND METHOD FOR DIGITAL PULSEWIDTH MODULATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/068703
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for digital pulsewidth modulation, said device comprising: (a) a filter device (11) for filtering a filter input signal (10''); (b) a quantisation device (13) for quantising an output signal (11') of the filter device (11); (c) a PWM mapper device (15) for producing a digital PWM signal (15') from an output signal (13') of the quantisation device (13); and (d) a return loop (17) for coupling back the digital PWM signal (15') to a loop input signal (10') and for generating the filter input signal (10'') by subtraction. The invention also relates to a method for digital PWM.

Inventors:
BRAUN CHRISTOPH (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/000797
Publication Date:
August 12, 2004
Filing Date:
January 29, 2004
Export Citation:
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Assignee:
INFINEON TECHNOLOGIES AG (DE)
BRAUN CHRISTOPH (DE)
International Classes:
H03F3/217; (IPC1-7): H03F3/217
Foreign References:
US6373334B12002-04-16
US5559467A1996-09-24
US6373417B12002-04-16
DE19619208A11997-11-13
US5777512A1998-07-07
Other References:
MAGRATH A J ET AL: "Design and implementation of a FPGA sigma-delta power DAC", SIGNAL PROCESSING SYSTEMS, 1997. SIPS 97 - DESIGN AND IMPLEMENTATION., 1997 IEEE WORKSHOP ON LEICESTER, UK 3-5 NOV. 1997, NEW YORK, NY, USA,IEEE, US, PAGE(S) 511-521, ISBN: 0-7803-3806-5, XP010249811
MAGRATH, A. J., SANDLER, M. B.: "Performance Enhancement of Sigma-Delta Modulator D-A Converters Using Non-Linear Techniques", IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON CIRCUITS AND SYSTEMS, ISCAS '96, vol. 2, 15 May 1996 (1996-05-15), pages 277 - 280, XP002280801
MAGRATH A J ET AL: "Hybrid pulse width modulation/sigma-delta modulation power digital-to-analogue converter", IEE PROCEEDINGS: CIRCUITS DEVICES AND SYSTEMS, INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, STENVENAGE, GB, vol. 143, no. 3, 10 June 1996 (1996-06-10), pages 149 - 156, XP006006113, ISSN: 1350-2409
GOURGUE F ET AL: "A bandpass subsampled delta-sigma modulator for narrowband cellular mobile communications", CIRCUITS AND SYSTEMS, 1994. ISCAS '94., 1994 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LONDON, UK 30 MAY-2 JUNE 1994, NEW YORK, NY, USA,IEEE, US, 30 May 1994 (1994-05-30), pages 353 - 356, XP010143398, ISBN: 0-7803-1915-X
Attorney, Agent or Firm:
Charles, Glyndwr (Skuhra Weise & Partner Gb, Friedrichstrasse 31 München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Vorrichtung zur digitalen Pulsweitenmodulation mit : (a) einer Filtereinrichtung (11) zum Filtern eines Filterein gangssignals (10'') ; (b) einer Quantisiereinrichtung (13) zum Quantisieren eines Filterausgangssignals (11') der Filtereinrichtung (11) ; (c) einer PWMMapperEinrichtung (15) zum Erzeugen eines di gitalen PWMSignals (15') aus einem Ausgangssignal (13') der Quantisiereinrichtung (13) ; und (d) einer Rückführschleife (17) zum Rückkoppeln des digitalen PWMSignals (15') auf ein Schleifeneingangssignal (10) und zum Erzeugen des Filtereingangssignals (10'') durch Subtraktion.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Interpolationseinrichtung (10), insbesondere ein Interpolationsfilter, zum Erzeugen des Schleifeneingangssig nals (10') aus einem Eingangssignal (1) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Postfiltereinrichtung (16) zum Filtern des PWM Signals (15') vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Filtereinrichtung (11) eine andere Abtastrate (12) vorgesehen ist als die Abtastrate (14) der Quantisie reinrichtung (13).
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsfrequenz des PWMSignals (15') der Abtastfre quenz (14) der Quantisiereinrichtung (13) entspricht und um den Faktor 2N kleiner ist als die Abtastfrequenz (12) der Filtereinrichtung (11), wobei N der Anzahl der Bits der Quan tisiereinrichtung (13) entspricht.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PWMSignal (15') eine konstante Pulsfrequenz auf weist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der PWMMapperEinrichtung (15) Amplitudenwerte des Ausgangssignals (13') der Quantisiereinrichtung (13) in Puls weiten des PWMSignals (15') umwandelbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zumindest ähnliche Rückführungsschleifen (17,17', 11,13, 15) vorgesehen sind, welche ausgangsseitig über eine Last (18) miteinander verbunden sind, wobei an beiden Schlei fen (17,17', 11,13, 15) zueinander inverse Schleifenein gangssignale (10', 10') zum Erzeugen eines differentiellen PWMSignals an der Last (18) bereitgestellt sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Filtereinrichtung (11) ein Schleifenfilter 4. Ord nung mit einer Auflösung der Quantisiereinrichtung (13) von 4 Bit vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Filtereinrichtung (11) zur Stabilisierung bei Übersteuerung Begrenzungseinrichtungen (20) zur Begrenzung von Ausgangswerten von Integratoren (I) bereitgestellt sind.
11. Vorrichtung zur digitalen Pulsweitenmodulation mit : (a) einer Filtereinrichtung (19) zum Filtern eines Filtern gangssignals (10'') in einer ersten Rückführungsschleife (21) ; (b) einer Quantisiereinrichtung (13) zum Quantisieren eines Schleifensignals (21') ; (c) einer PWMMapperEinrichtung (15) zum Erzeugen eines di gitalen PWMSignals (15') aus einem Ausgangssignal (13') der Quantisiereinrichtung (13) ; und (d) einer zweiten Rückführungsschleife (22) zum Rückkoppeln des digitalen PWMSignals (15') auf ein Schleifensignal (21') unter Erzeugung des Filtereingangssignals (10'') durch Subtraktion, wobei das Schleifensignal (21') aus einem Schleifenein gangssignal (10') und einem Filterausgangssignal (11') durch Addition generierbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstärkereinrichtung und/oder Filtereinrichtung nach dem PWMMapper zur Verstärkung und/oder Filterung des digitalen PWMSignals vorgesehen und mit einer Spannungsver sorgung verbunden ist, welche ebenfalls mit einem A/DWandler verbunden ist, dessen Ausgangssignal mit einem Multiplizierer in der Regelschleife verbunden ist.
13. Verfahren zur digitalen Pulsweitenmodulation mit den Schritten : (a) Filtern eines Filtereingangssignals (10'') in einer Fil tereinrichtung (11) ; (b) Quantisieren eines Filterausgangssignals (11') der Fil tereinrichtung (11) in einer Quantisiereinrichtung (13) ; (c) Erzeugen eines digitalen PWMSignals (15') aus dem Aus gangssignal (13') der Quantisiereinrichtung (13) in einer PWMMapperEinrichtung (15) ; und (d) Rückkoppeln des digitalen PWMSignals (15') auf ein Schleifeneingangssignal (10') und Erzeugen des Filterein gangssignals (10'') in einer Rückführschleife (17).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bandpass PulsweitenModulation ausgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch. gekennzeichnet, dass eine Verstärkereinrichtung und/oder Filtereinrichtung nach dem PWMMapper (15) zur Verstärkung und/oder Filterung des digitalen PWMSignals (15') vorgesehen und mit einer Spannungsversorgung (25) verbunden ist, welche ebenfalls mit einem A/DWandler (26) verbunden ist, dessen Ausgangssignal (27) mit einem Multiplizierer in der Regelschleife (17 ; 22) verbunden ist, wobei im A/DWandler (26) das Betriebsspan nungssignal (25) digitalisiert und in die Regelschleife (17, 17', 22) eingekoppelt wird.
Description:
Beschreibung Vorrichtung und Verfahren zur digitalen Pulsweiten-Modulation Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur digitalen Pulsweiten-Modulation, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur digitalen Pulsweiten- Modulation von Audio-und Videosignalen.

Digitale Pulsweiten-Modulatoren (PWM) finden nicht nur in der Unterhaltungselektronik ein breites Anwendungsgebiet. Bishe- rige digitale Pulsweiten-Modulatoren erfordern eine hohe zeitliche Auflösung der Pulsweiten, welche z. B. im Audiobe- reich von 0 bis 20 kHz eine Taktfrequenz um etwa 100 MHz not- wendig macht. Gemäß Erick Bresch, Wayne T. Padgett, "TMS320C67-Based Design of a Digital Audio Power Ampflifier Introducing novel Feedback Strategy"entstehen bei einer ho- hen Aussteuerung in einem digitalen PWM relativ starke nicht lineare Verzerrungen.

Beim Einsatz der Sigma-Delta-Modulation (SDM) benötigt man zwar nur eine geringe Taktfrequenz von beispielsweise 2 bis 4 MHz für ein Audiosignal, jedoch ist das Ausgangssignal dann eher ein Pulsdichte-moduliertes Signal, welches beispielswei- se für eine Class-D-Verstärkung aufgrund der signalabhängigen Pulsdichte ungeeignet ist, da dies bei nicht idealen Impulsen zu nicht linearen Verzerrungen führt. Vor allem ist gemäß A. J. Magrath, M. B. Sandler,"Power digital to analogue con- version..., Electronic Letters, Ausgabe 31, Nr. 4,1995, keine konstante Pulsfrequenz bei der Sigma-Delta-Modulation gewährleistet.

Class-D-Verstärker weisen im Vergleich zu A, AB-Verstärkern eine viel geringere Verlustleistung auf und werden typischer- weise mit PWM-Signalen angesteuert. Bekannt ist, dass digita- le Pulsweiten-Modulatoren eine hohe zeitliche Auflösung des PWM-Signals bedingen, um Verzerrungen, welche durch die zeit-

liche Quantisierung entstehen, zu minimieren. Bis dato wird ein digitales Eingangssignal mit Hilfe eines Multibit-Sigma- Delta-Modulators in der Amplitudenauflösung mit beispielswei- se 8 Bit für eine Dynamik größer als 80 dB reduziert und dann das quantisierte Signal mit geringer Auflösung einem Pulswei- ten-Modulator zugeführt. Zum einen erfordert dies aufgrund der relativ hohen zeitlichen Auflösung der Pulsweiten-Signale (8 Bit entsprechen 256 verschiedenen Pulsweiten) wie bereits erwähnt eine hohe Taktfrequenz von mehr als 100 MHz, und an- dererseits ist das derart erzeugte Pulsweiten-modulierte Sig- nal nicht frei von nicht linearen Verzerrungen, da in der Re- gelschleife nicht das PWM-Signal, sondern das Amplituden- quantisierte Signal rückgekoppelt wird, wobei beide Signale im Basisband, d. h. im Audiobereich beispielsweise 0 bis 20 KHz nicht vollkommen identisch sind. Deshalb wird das Quanti- sierungsrauschen durch die Regelschleife im Sigma-Delta- Modulator nicht optimal für das PWM-Signal unterdrückt.

Ein bekanntes Verfahren zur digitalen PWM erfordert neben ei- nem hohen schaltungstechnischen Aufwand gemäß Jorge Varona, ECE University of Toronto,"Power Digital to Analog Conversi- on Using Sigma Delta and Pulse Width Modulations"ebenfalls eine hohe Arbeitstaktfrequenz. In Fig. 6 ist eine typische Konfiguration für einen digitalen Pulsweiten-Modulator darge- stellt. Zur Linearisierung des PWM-Signals 15'wird das digi- tale Eingangssignal 1 in einem Interpolationsfilter 10 extrem hochinterpoliert und daraufhin mittels eines Noiseshapers 23, d. h. einem Rauschformer im Sigma-Delta-Modulator, in der Amp- litudenauflösung begrenzt. Da der Noiseshaper 23 jedoch nicht das quantisierte PWM-Signal 15'verarbeitet, sondern nur das quantisierte Amplitudensignal vor der Pulsweiten-Modulation in einem Pulsweiten-Modulator 24, kann das tatsächlich Quan- tisierungsrauschen und die Nicht-Linearitäten des zeitlich quantisierten PWM-Signals 15'nur sub-optimal unterdrückt werden. Das digitale PWM-Signal 15'wird nachfolgend typi- scherweise in einem Post-Filter 16, vorzugsweise nach der

Verstärkung des Signals in einer Verstärkereinrichtung (nicht dargestellt) gefiltert.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vor- richtung und ein Verfahren zur digitalen Pulsweiten- Modulation bereitzustellen, wodurch eine hohe Linearität und geringe Verlustleistung in einer Verstärkereinrichtung bei großer Eingangssignalbandbreite neben einer Herabsetzung des Schaltungsaufwands ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 und Anspruch 11 angegebene Vorrichtung zur digitalen Pulswei- ten-Modulation und durch das Verfahren zur digitalen Pulswei- ten-Modulation nach Anspruch 12 gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im wesentlichen darin, das Pulsweiten-modulierte Signal als Rückkoppelungssignal in einer digitalen Regelschleife zu nut- zen und dadurch zu linearisieren. Somit wird ein modifizier- ter Sigma-Delta-Modulator mit Multibit-Quantisierung bereit- gestellt, wobei den jeweiligen Quantisierungsstufen entspre- chende Pulsweiten zugeordnet werden und diese dann als Rück- koppelsignal in der Regelschleife dienen.

In der vorliegenden Erfindung wird das eingangs erwähnte Problem insbesondere dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur digitalen Pulsweiten-Modulation bereitgestellt wird mit : (a). einer Filtereinrichtung zum Filtern eines Filtereingangs- signals ; (b) einer Quantisiereinrichtung zum Quantisieren ei- nes Filterausgangssignals der Filtereinrichtung ; (c) einer PWM-Mapper-Einrichtung zum Erzeugen eines digitalen PWM- Signals aus einem Ausgangssignal der Quantisiereinrichtung ; und (d) einer Rückführschleife zum Rückkoppeln des digitalen PWM-Signals auf ein Schleifeneingangssignal zum Erzeugen des Filtereingangssignals durch Subtraktion.

Auf diese Weise wird selbst bei einer geringen zeitlichen Auflösung des PWM-Signals für ein Audiosignal, beispielsweise eine Pulsfrequenz von 350 KHz bei acht verschiedenen Pulswei- ten (3 Bit), eine hohe Linearität und damit so gut wie keine Verzerrungen ermöglicht. Überdies wird eine konstante Puls- frequenz garantiert, so dass keine nicht linearen Verzerrun- gen bei asymmetrischen Impulsen auftreten. Die vorliegende Erfindung ist aus diesem Grunde insbesondere zur Erzeugung eines PWM-Signals für Class-D-Verstärker geeignet und resul- tiert des weiteren aufgrund der relativ niedrigen Pulsfre- quenz in extrem kleinen Verlustleistungen in einer nachfol- genden Verstärkereinrichtung bzw. Schalterendstufe. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das digitale PWM-Signal im Gegen- satz zum Stand der Technik in einem modifizierten Noise- Shaper direkt verarbeitet, was zu einer hohen Linearität des digitalen PWM-Signals führt und prinzipiell keine Interpola- tion des digitalen Eingangssignals erforderlich macht.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildun- gen und Verbesserungen des jeweiligen Erfindungsgegenstandes.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist an der Filterein- richtung eine andere Abtastrate vorgesehen, als die Abtastra- te der Quantisiereinrichtung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung entspricht ei- ne Pulsfrequenz des PWM-Signals der Abtastfrequenz der Quan- tisiereinrichtung und ist um den Faktor 2N kleiner als die Abtastfrequenz der Filtereinrichtung, wobei N der Anzahl der Bits der Quantisiereinrichtung entspricht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das PMW- Signal eine konstante Pulsfrequenz auf.

Gemäß einer bevorzugten weiteren Weiterbildung sind in der PWM-Mapper-Einrichtung Amplitudenwerte des Ausgangssignals

der Quantisiereinrichtung in Pulsweiten des PWM-Signals um- wandelbar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind zwei zu- mindest ähnliche Rückführungsschleifen vorgesehen, welche ausgangsseitig über eine Last miteinander verbunden sind, wo- bei an beiden Schleifen zueinander inverse Schleifeneingangs- signale zum Erzeugen eines differentiellen PWM-Signals an der Last bereitgestellt sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Ver- stärkereinrichtung und/oder Filtereinrichtung nach dem PWM- Mapper zur Verstärkung und/oder Filterung des digitalen PWM- Signals vorgesehen, welche mit einer Spannungsversorgung ver- bunden ist, welche ebenfalls mit einem A/D-Wandler verbunden ist, dessen Ausgangssignal mit einem Multiplizierer in der Regelschleife verbunden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er- läutert.

Es zeigen : Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ; Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung zur Erläuterung einer zweiten Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung ; Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung zur Erläuterung einer dritten Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung ;

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer Filterein- richtung zur Erläuterung eines Details einer Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung ; Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung eines Details gemäß Fig. 4 ; Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer bekannten digitalen PWM-Vorrichtung ; Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung zur Erläuterung einer vierten Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung ; Fig. 8 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung zur Erläuterung einer fünften Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung ; und Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild einer digitalen PWM-Vorrichtung zur Erläuterung einer sechsten Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.

In Fig. 1 ist eine digitale PWM-Vorrichtung dargestellt, in welcher ein digitales Eingangssignal 1 vorzugsweise in einer Interpolationseinrichtung 10, wie beispielsweise einem Inter- polationsfilter, in ein digitales Schleifeneingangssignal 10' verarbeitet wird. Auf eine Summationsstelle + folgend wird ein Filtereingangssignal 10''einer Filtereinrichtung 11 bei- spielsweise einem Schleifenfilter zugeführt. Die Filterein- richtung 11 wird mit einer Filterabtastrate 12 betrieben und gibt ein Filterausgangssignal 11'aus, welches einer Quanti- siereinrichtung 13 zugeführt wird. Ein modifizierter Sigma- Delta-Modulator setzt sich aus der Filtereinrichtung 11 und der Quantisiereinrichtung 13 zusammen, wobei in der Quanti-

siereinrichtung 13 das digitale Signal 11'am Ausgang des Schleifenfilters 11 in der Amplitude quantisiert wird. Die Quantisiereinrichtung 13 wird mit einer eigenständigen Quan- tisiererabtastrate 14 betrieben.

Ein Ausgangssignal 13'der Quantisiereinrichtung 13 wird an- schließend durch eine PWM-Mapper-Einrichtung 15 in ein digi- tales PWM-Signal 15'mit der zeitlichen Auflösung umgewan- delt, welche sich aus der Amplitudenquantisierung durch die Quantisiereinrichtung 13 ergibt. Das derart generierte PWM- Signal 15'wird daraufhin in der Regelschleife 17 rückgekop- pelt und von dem Schleifeneingangssignal 10'an der Summati- onsstelle + abgezogen, so dass das Filtereingangssignal 10''. darauf erzeugt wird. Eine Post-Filter-Einrichtung 16 filtert vorzugsweise das digitale PWM-Signal 15', wobei die Post- Filter-Einrichtung 16 vorzugsweise einer Verstärkereinrich- tung (nicht dargestellt) nachgelagert ist. Die optionale In- terpolationseinrichtung 10 gemäß Fig. 1 dient lediglich der Vereinfachung des Post-Filters 16 nach der PWM, da ohne In- terpolation weitere Frequenzspektren dicht aneinander liegen.

Da in der PWM-Mapper-Einrichtung 15 die verschiedenen Ampli- tudenwerte des Ausgangssignals 13'der Quantisiereinrichtung 13 in verschiedene Pulsweiten umgesetzt werden, arbeitet die Filtereinrichtung 11 mit einer anderen Abtastrate 12 als die Quantisiereinrichtung 13. Das Verhältnis aus der Abtastrate 12 der Filtereinrichtung 11 und der Abtastrate 14 der Quanti- siereinrichtung 13 ergibt sich aus der Auflösung des PWM- Signals 15'zu 2N-Abtastrate 12/Abtastrate 14, wobei N der Anzahl der Bits der Quantisiereinrichtung 13 bzw. 2N der An- zahl der möglichen Impulsweiten entspricht. Aus der Abtastra- te 14 der Quantisiereinrichtung 13 ergibt sich die konstante Pulsfrequenz des PWM-Signals 15', welche um den Faktor 2N ge- genüber der Abtastrate 12 der Filtereinrichtung 11 herabge- setzt ist.

Fig. 2 zeigt eine erweiterte Konfiguration im Vergleich zu Fig. 1. In Fig. 2 ist die Realisierung des digitalen Pulswei- ten-Modulators gemäß Fig. 1 in differentieller Ausführung verdeutlicht. Im wesentlichen folgert die differentielle Aus- führungsform der digitalen PWM aus zwei ähnlichen Single- Ended-Ausführungsformen gemäß Fig. 1, wobei die Eingangssig- nale 1,-1, bzw. die Schleifeneingangssignale 10',-10', je- weils invertiert zueinander sind. Beide Single-Ended-Stränge sind nach der Post-Filter-Einrichtung 16 über eine Last 18 miteinander verbunden.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform zur digitalen Pulsweiten-Modulation gemäß der vorliegenden Erfindung darge- stellt. Ein digitales Eingangssignal 1 wird ebenfalls optio- nal einer Interpolationseinrichtung 10, vorzugsweise einem Interpolationsfilter, zugeführt und ein Schleifeneingangssig- nal 10'gebildet. Auf eine Summationsstelle + folgend ist ein Schleifensignal 21'vorgesehen, welches an eine Quantisie- reinrichtung 13 angelegt wird. Die Quantisiereinrichtung 13 wird mit einer Abtastrate 14 betrieben und gibt ein quanti- siertes Ausgangssignal 13'an eine PWM-Mapper-Einrichtung 15 weiter.

Ein in der PWM-Mapper-Einrichtung 15 gemäß Fig. 1 generiertes digitales PWM-Signal 15'wird zum einen an eine Post-Filter- Einrichtung 16 abgegeben und andererseits in einer Rückführ- schleife 22 von dem Schleifensignal 21'an einer weiteren Summationsstelle + subtrahiert, woraus ein Filtereingangssig- nal 10''resultiert, das in einer Filtereinrichtung 19, die mit einer Filterabtastrate 12 betrieben wird, einer Filterung unterzogen wird. Ein Filterausgangssignal 11'der Filterein- richtung 19 wird auf das Schleifeneingangssignal 10'zum Er- zeugen des Schleifensignals 21'einer weiteren Schleife 21 addiert. Gemäß Fig. 3 ist eine Realisierung der Regelschleife mit einer"Error-Feedback"-Struktur ähnlich wie bei Sigma- Delta-Modulatoren verdeutlicht, wobei die Filtereinrichtung 19 an diese Struktur angepasst ist.

Fig. 4 zeigt eine anwendungsbezogene Implementierung einer Filtereinrichtung 11,4. Ordnung, welche vier Integratoren I1, 12, I3 und 14 aufweist. Das Filtereingangssignal 10'' wird mit Koeffizienten aO, al, a2, a3 multipliziert und gemäß Fig. 4 über die entsprechenden Integratoren I1 bis 14 sowie über zusätzliche Faktoren a, ß zur Erzeugung des Filteraus- gangssignals 11'geführt. Daran schließt sich die Quantisie- reinrichtung 13 und das entsprechende Quantisiererausgangs- signal 13'an. Das Schleifenfilter gemäß Fig. 4 ist mit einer Quantisiererauflösung von vorzugsweise 4 Bits versehen, wobei es für einen Oversampling-Faktor von 100 optimiert ist. Als Beispiel ergibt sich somit im Audio-Bereich bei einer Filter- abtastrate 12 von 8 MHz und bei 4 Bit, welche 16 verschiede- nen Pulsweiten entspricht, eine Auflösung des PWM-Signals 15' von 80 dB SNR + THD Single-Ended gemäß Fig. 1 und von 93 dB SNR + THD bei differentieller Anordnung gemäß Fig. 2, wobei die Pulsfrequenz 8 MHz/2N = 500 KHz beträgt.

Zur Stabilisierung bei Übersteuerung der Filtereinrichtung 11 können die Werte in den Integrierern gemäß Fig. 5 mit einer Begrenzungseinrichtung 20 begrenzt werden. Darüber hinaus kann zu Beginn der PWM durch eine kurze Null-Folge am Eingang der Regelschleife 17,17', 21,22 ein Reset durchgeführt wer- den.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, wel- che der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ähnelt. Die Verstär- kungseinrichtung 16 wird von einer Betriebsspannung 25 ver- sorgt, welche ebenfalls einem A/D-Wandler 26 zugeführt wird.

Diese digitalisierte Betriebsspannung 27 wird dann in einer Multipliziereinrichtung X mit dem digitalen PWM-Signal 15' multipliziert, um so in die Regelschleife 17 miteinzufließen.

Normale Class-D-Verstärker sind hingegen im wesentlichen simple Schaltverstärker, die bei einfacher Auslegung keine Betriebsspannungsunterdrückung besitzen. Störungen auf der

Betriebsspannung beeinflussen daher direkt das Ausgangssignal und können zu Verzerrungen und zur Reduzierung des Geräusch- spannungsabstands führen. Gemäß dieser vierten Ausführungs- form wird jedoch die Störspannung auf der Betriebsspannung digitalisiert. Mit Hilfe dieses digitalisierten Störsignals 27 wird dann das Ausgangssignal der Class-D-Endstufe 16 nach- modelliert und entsprechend invertiert dem Eingang des Puls- weitenmodulators zur Kompensation zugeführt. Da der A/D-Wandler 26 lediglich die Störspannung digitalisiert und somit nur die Pulsamplitude des digitalen Rückkoppelsignals 15'der Regelschleife 17 beeinflußt, jedoch nicht die Puls- flanken des Rückkoppelsignals 15'verändert, wird die Gesamt- dynamik nicht durch den A/D-Wandler 26 limitiert.

Der A/D-Wandler 26 kann demnach eine viel geringere Auflösung als der PWM-Modulator besitzen. Darüber hinaus wird die Sta- bilität des digitalen Pulsweitenmodulators nicht durch den A/D-Wandler 26 beeinflußt. Im allgemeinen auftretende Verfäl- schungen bzw. Verzerrungen des Ausgangssignals des Schaltver- stärkers 16 resultieren oft auf Störungen auf der Betriebs- spannung 25. Diese Störungen, d. h. diese nicht ideale Ver- stärkung, werden gemäß der Ausführungsform nach Fig. 7 ausge- regelt.

Die Wirkung der Verstärkereinrichtung 16 läßt sich als Multi- plikation des digitalen PWM-Signals 15'mit seiner Betriebs- spannung 25 beschreiben. Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 ba- siert auf der Nachbildung des Verstärkersignals, indem die Betriebsspannung 25 der Verstärkereinrichtung 16 digital er- faßt wird, und die Amplituden der PWM-Signale im Rückkoppel- pfad 17 multiplikativ vom digitalisierten Betriebsspannungs- signal 27 modifiziert werden. Durch die Rückkopplung in der Regelschleife 17 wird dann eine auftretende Betriebsspan- nungsstörung bzw.-schwankung ausgeregelt. Gemäß Fig. 7 wird das zu verstärkende digitale Eingangssignal 1 nach einer op- tionalen Interpolation in einer Interpolationseinrichtung 10 einem im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 modifi-

zierten digitalen Pulsweitenmodulator zugeführt. Der PWM- Mapper 15 erzeugt die entsprechenden PWM-Signale 15'aus den grob quantisierten PWM-Signalen 13'.

Der A/D-Wandler 26 digitalisiert die Betriebsspannung 25 der Verstärkungseinrichtung 16 und multipliziert sie mit dem di- gitalen PWM-Signal 15', welches somit dem Ausgangssignal des Schaltverstärkers entspricht (abgesehen vom Signalpegel).

Dadurch erfaßt der digitale Pulsweitenmodulator auch die Stö- rung auf der Betriebsspannung 25, so dass diese folglich durch die Signalinvertierung in der Regelschleife 17 unter- drückt werden. Auch Eigenstörungen durch die Schaltvorgänge der Verstärkungseinrichtung 16 werden so erfaßt und entspre- chend ausgeregelt. Da die Schleifenverstärkung für die Eigen- störungen deutlich kleiner als 1 gewählt wird, bleibt der Re- gelkreis immer stabil, weil die Betriebsspannung 25 sich im allgemeinen nicht im gleichen Verhältnis ändert wie die Span- nung, welche an der Last (in Fig. 7 nicht dargestellt) ab- fällt. Die Auflösung des A/D-Wandlers 26 kann der Dynamik der Betriebsspannung 25 angepaßt werden, so dass die Auflösung des PWM-Signals nicht von der Wandlerauflösung limitiert wird.

Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt, welche der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ähnelt. Die Ausführungsform gemäß Fig. 8 weist ebenfalls die Erweiterung gemäß Fig. 7 mit der Analog-Digital-Wandlerein- heit 26 zur Wandlung der Betriebsspannung 25 in ein digitales Signal 27, welches jeweils in beiden Strängen 17,17'über eine Multiplikationseinrichtung X eingekoppelt wird. Das Ver- halten dieser differentiellen Anordnung mit zwei identischen Strängen entspricht sonst im wesentlichen der Ausführungsform gemäß Fig. 2. Da beide Verstärkungseinrichtungen 16 sinnvol- lerweise mit der gleichen Betriebsspannung versorgt werden, wird lediglich ein A/D-Wandler 16 für beide Signalpfade benö- tigt (in Fig. 8 nicht dargestellt).

Bei rein differentieller Auslegung des digitalen Pulsweiten- modulators gemäß Fig. 8 mit anschließender Class-D-Verstär- kung bleibt auch bei grober Quantisierung des Betriebsspan- nungssignals 25 die volle Systemdynamik erhalten, da eine Störung rein multiplikativ ist. Daher wird das Quantisie- rungsrauschen des A/D-Wandlers 26, z. B. bei einem Null-Signal am Eingang, nicht mitverstärkt. Für eine genaue Nachbildung der PWM-Ausgangssignalamplitude muß das Verhältnis von Innen- widerstand der Betriebsspannungsquelle 25 zu dem Innenwider- stand des Verstärkers 16 ermittelt werden, um eine möglichst genaue Amplitudennachbildung in der Regelschleife zu erzie- len.

In Fig. 9 ist eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche sich an die Ausführungsform ge- mäß Fig. 3 anlehnt. Auch hier steht die Modifikation in der Erzeugung eines digitalisierten Signals 27, welches in dem A/D-Wandler 26 aus der Betriebsspannung 25 generiert wird, welches an der Verstärkereinrichtung 16 anliegt. Multiplika- tiv wird dieses digitalisierte Betriebsspannungssignal 27 mit dem digitalisierten PWM-Signal 15'in der Regelschleife 22 verknüpft. Bei dieser"Error-Feedback"-Struktur gemäß Fig. 9 weist das Schleifenfilter 19 eine modifizierte Übertragungs- funktion, wie die mit Bezug auf Fig. 3 erläuterte, auf.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

So kann beispielsweise bei dynamisch verzerrten Impulsen des PWM-Signals aufgrund der geringen Anzahl der Pulsweiten mit Hilfe einer Look-up-Tabelle ein Korrekturwert in die Regel- schleife eingeführt werden, wodurch auch bei extrem von der Impulsweite abhängigen Verzerrungen in einer Verstärkerein- richtung (nicht dargestellt) ein lineares Frequenzspektrum des digitalen Pulsweiten-Modulators erzielbar ist. Abgesehen davon ist eine Filtereinrichtung 4. Ordnung bzw. 4 respektive

3 Bits der Filter-und/oder auch der Quantisiereinrichtung beispielhaft zu sehen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus eine Bandpass-PWM einfach zu realisieren.

Bezugszeichenliste 1 Eingangssignal 10 Interpolationseinrichtung, z. B. Interpolationsfilter 10'Schleifeneingangssignal 10''Filtereingangssignal 11 Filtereinrichtung, insbesondere Schleifenfilter 11'Filterausgangssignal 12 Filterabtastrate 13 Quantisiereinrichtung 13'Ausgangssignal der Quantisiereinrichtung 14 Abtastrate der Quantisiereinrichtung 15 PWM-Mapper 15'digitales PWM-Signal 16 Verstärkungseinrichtung und/oder Filtereinrichtung, insbesondere Postfilter nach Verst.

17 Regelschleife 17'parallele ähnliche Regelschleife 18 Last 19 Filtereinrichtung (Error Feedback Struktur) 20 Begrenzungseinrichtung eines Integrators 21 Regelschleife 21'Schleifensignal 22 Regelschleife 23 Noiseshaper (Rauschformer, Sigma-Delta-Modulator) 24 Pulsweiten-Modulator (PWM) 25 Betriebsspannung 26 A/D-Wandler 27 digitalisiertes Betriebsspannungssignal I, I1-I4 Integratoren ao-a4 Koeffizienten oc, ß Faktoren + Summationsstelle Subtraktion