[发明专利]正弦‑余弦调制器

说明书

本发明涉及包括至少两个比较器、两个积分器、功率开关级，LC低通滤波器以及低频信号输入或者控制电压输入和低频信号输出或者DC电压输出的正弦-余弦调制器。

在现有技术的许多应用中，在可听声频率范围或者稳压器中用于低频AC电压的模拟功率放大器被脉宽调制放大器或开关式电压转换器(同模拟电路相比具有显著更高水平的热效率)替代。自激振荡脉宽调制放大器具有比通过外部振荡器驱动的时钟脉宽调制放大器更好的信号处理或者声音质量。

在DE 198 38 765 A1("Selbstschwingender["Self-Oscillating Digital Feedback Amplifier"])中描述了一种该类型的自激振荡脉宽调制放大器，其不仅具有同模拟功率放大器相比显著更高水平的热效率，而且具有更好的声音质量。缺点是固有频率f依赖于调制系数，有如下关系f＝f₀*(1–M²)。实际上调制系数或者激励因子因此近似地限于60％。

本发明的任务是使得自激振荡脉宽调制放大器的固有频率f独立于调制系数M，以及因此将最大调制系数或者激励因子增加为几乎100％以及同时进一步改善声音质量。

通过如下方式解决了根据本发明的问题：通过利用产生正弦和余弦方波电压以及正弦和余弦三角波电压(部分地驱动功率开关级)的两个比较器和两个积分器来设置用于同时产生正弦和余弦振荡的函数发生器；与LC低通滤波器相结合的功率开关级的输出形成低频信号输出或者DC电压输出。在附属权利要求(sub-claims)中可以发现进一步有利的设计形式。

正弦-余弦调制器以经过实践检验的形式包括用于同时产生正弦和余弦振荡的函数发生器。与此相关的，可以使用没有问题的幅度稳定的函数发生器。从任意函数发生器的三角波信号开始，利用比较器确定代数符号的方向(course)以及同方波信号相比被移相90度。该方波信号可以被转变为第二三角波信号，其随后借助于第二积分器类似地被移相90度。从函数发生器的该可能性开始，通过函数发生器驱动功率开关级，其中与LC低通滤波器相结合的功率开关级的输出形成低频信号输出。

比较器和积分器被用来产生方波或者三角波电压；第一比较器被用来产生正弦方波电压以及第一积分器被用来产生正弦三角波电压，而第二比较器被用来产生余弦方波电压以及第二积分器被用来产生余弦三角波电压。用于产生余弦方波电压的第二比较器被优选地用于驱动与其相连的功率开关级。正弦-余弦调制器在这里具有从功率开关级的输出通过电阻器至用于产生余弦三角波电压的第二积分器的输入的负反馈耦合。低频信号输入通过电阻器与用于产生余弦三角波电压的第二积分器的输入连接，而LC低通滤波器连接到功率开关级的输出以及构成低频信号输出。

在本发明的进一步设计形式中，存在以下设置：将低频输出通过串联的RC元件与用于产生余弦三角波电压的第二积分器的输入连接，以便使得LC低通滤波器的阻尼系数独立于连接到低频输出的负载。

借助于描述的过程获得以下情况，在其中正弦-余弦调制器操作于例如400kHz的恒定固有频率，因此获得接近100％的最大调制系数或者激励因子以及仅发生非常轻微的非线性失真。K2和K3保持在听不见的范围中，而与根据DE 198 38 765 A1的现有技术对比更高的失真成分K5和K7不再出现。

作为示例，正弦-余弦调制器可以和低频信号输入以及低频信号输出一起被使用作为脉宽调制放大器。通过包括第一积分器和第一比较器的“内部”方波三角波发生器将正弦-余弦调制器的固有频率f保持为恒定独立于调制系数M。同时，通过“内部”方波三角波发生器驱动第二比较器的第二积分器与进而驱动功率开关级的第二比较器以及功率开关级一起形成“外部”方波三角波发生器，其具有从功率开关级的输出通过电阻器R5至第二积分器的输入的负反馈耦合，然而，另一方面，在第二积分器的输入处，电阻器R6被提供作为用于低频信号电压V_Input的输入电阻。在与这相连的LC低通滤波器之后，获得输出信号V_Output。在这里V_Output/V_Input的电压放大通过电阻比-R5/R6确定。

替代地，存在将正弦-余弦调制器使用作为开关式电压转换器的可能性；通过控制电压输入进行控制，以及期望的输出电压在DC电压输出处可用。这包含以下优点，存在通过电阻器和电容器的附加的负反馈耦合，以便使得LC输出滤波器的阻尼系数独立于连接的负载。通过电阻器的“内部”负反馈耦合和通过电阻器和电容器的“外部”负反馈耦合的组合导致非常快的控制行为。