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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen integrierte Verstärker und
insbesondere Audioverstärker und
Techniken zum Verhindern irreversibler Beschädigungen an den Lautsprechern
und/oder anderen Komponenten des Audiosystems.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein übermäßiger Offset
an den Ausgängen von
Verstärkungskanälen, die
mit den jeweiligen Lautsprechern gekoppelt sind, kann ernste Beschädigungen
und sogar eine Selbstentzündung
von Lautsprechern verursachen.
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Dieses
Problem kann in Audiosystemen besonders akut sein, die in Fahrzeugen
installiert sind, in denen ein Versagen von Entkopplungskondensatoren,
die zwischen dem Audioprozessor und dem Verstärker installiert ist, oder
ein Einsickern von Feuchtigkeit häufig einen übermäßigen Offset an den Ausgangsanschlüssen des
jeweiligen Verstärkungskanals
und daher an dem Lautsprecher oder den Lautsprechern erzeugen wird,
die mit ihnen verbunden sind.
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Noch
häufiger
verlangen die Hersteller solcher Vorrichtungen das Vorhandensein
von automatischen Detektionsvorrichtungen anormaler Offsetzustände an den
Ausgängen
der Verstärkungskanäle.
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Es
sind eine Anzahl von Techniken vorgeschlagen worden, die gemeinsam
auf der Nutzung großer äußerer Kondensatoren
beruhen, um die Ausgangssignale eines Verstärkungskanals zu integrieren
und daraus einen Mittelwert abzuleiten. Andererseits wird aufgrund
der Platzeinsparungsanforderungen und Begrenzungen der Anzahl der
Stifte von Leistungsgehäusen
die Integration der Ausgangsignale an allen Verstärkungskanälen gemeinsam durchge führt, und
diese Anordnung kann das Ziel verfehlen, wenn zum Beispiel gleichzeitig
zwei Kanäle
einen anormalen Offset mit entgegengesetzten Vorzeichen entwickeln.
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Es
gibt einen Bedarf nach und/oder eine Nützlichkeit für ein effektiveres
Verfahren zur Detektion anormaler Offsetzustände, das darüber hinaus, daß es irrtümliche Detektionen
ausschließt
und eine hohe Detektionsgeschwindigkeit aufweist, mit Schaltungseinrichtungen
implementiert wird, die leicht und zur Gänze mit einem reduzierten Siliziumflächenbedarf
integriert werden können.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein neues Verfahren und eine Ausführungsschaltung
bereit, die effektiv die oben angegebenen Anforderungen erfüllen.
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Das
Verfahren der Erfindung besteht aus:
- • Festlegen
eines Intervalls oder einer Phase in der Größenordnung von mehreren zehn
Millisekunden, in der der Offset gemessen werden soll, indem an
einen Eingang einer Offsetdetektionsschaltung ein Impuls derselben
Dauer des festgelegten Intervalls mit einer bestimmten Wiederholfrequenz
angelegt wird;
- • Detektion
der Anstiegsflanke des Eingangsimpulses durch Setzen einer bistabilen
Schaltung, deren Ausgang ein logisches Signal erzeugt, das das Vorhandensein
eines Offsets außerhalb
eines bestimmten Fensters signalisiert;
- • Rücksetzen
der bistabilen Schaltung beim Auftreten einer Ausgangssignalamplitude
innerhalb des Fensters am Ausgangsknoten des Verstärkungskanals,
nach dem anfänglichen
Setzen, und für
die gesamte Dauer der Detektionsperiode.
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Die
Detektionsperiode, das heißt
die Impulsdauer, kann einen Wert aufweisen, der gleich der Periode
eines Audiobandsignals einer Frequenz ist, die im allgemeinen nicht
niedriger 10 Hz ist. Das Detektionsintervall kann eine feste oder
variable Dauer aufweisen, die durch den Mikroprozessor fetgelegt
wird, der das Audiosystem steuert, die im allgemeinen zwischen 50
und 100 Millisekunden liegt.
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In
der Praxis wird die bistabile Schaltung, für gewöhnlich eine SR-Verriegelungsschaltung,
durch einen Anstiegsflankendetektor am Anfang jeder Detektionsphase
des Offsets gesetzt, und schließlich während der
Detektionsphase zurückgesetzt,
wenn keine Anomalien detektiert werden.
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Sobald
die maximalen negativen und positiven Grenzwertschwellen des Offsets
festgelegt sind, wird in Abwesenheit eines Audiosignals während einer
Phase, in der sich der Kanal in einer Widergabebetriebsart befindet,
jeder Offset, der an den Ausgangsknoten des Verstärkungskanals
vorhanden sein kann, mit den festen (positiven und negativen) Schwellen
verglichen, und wenn festgestellt wird, daß er irgendeine von ihnen zu
irgendeiner Zeit während
der Detektionsperiode überschreitet,
wird eine Ausgabe eines logischen Signals erzeugt, das einen abnormal
großen
Offset anzeigt.
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Natürlich kann
der Mikroprozessor des Systems jedesmal, wenn der Verstärker eingeschaltet wird,
bei stummgeschalteten Audioverstärker
und daher in der Abwesenheit von Eingangssignalen den Offsetzustand
an den Ausgängen
der verschiedenen Verstärkungskanäle prüfen.
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Wenn
sich der Audioprozessor in einer Wiedergabebetriebsart befindet,
wird es ein Audiosignal geben, das in den Eingang eingespeist wird,
und das Audiosignal wird zum Offset an den Ausgangsanschlüssen des
Verstärkungskanals
summiert.
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In
diesem Fall würde
die Detektion eines anormalen Offsetzustandes es erfordern, einen
Abschnitt des Audiosignals zu treffen, der eine ausreichend niedrige
Amplitude aufweist, so daß während eines
gesamten Detektionsintervalls die Summe der Signals an den Ausgangsanschlüssen (Audiosignal plus
den Offset) außerhalb
des Fensters zulässiger Werte
bleibt. Tatsächlich
könnte
das Summensignal innerhalb des Vergleichs bleiben ungeachtet eines übermäßig großen Offsets,
falls das Audiosignal ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist,
und das System würde
den abnormalen Offsetzustand nicht detektieren.
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Jedoch
ist nachgewiesen worden, daß für ein Intervall
von etwa 50-100 Millisekunden es statistisch äußerst unwahrscheinlich ist,
daß ein
Versagen des Detektionssystems auftritt, da die Bandbreite des Audiosignals
im allgemeinen zwischen 20 Hz und 20 kHz liegt und daher das Audiosignal
den Nullpegel während
eines ganzen Detektionsintervalls viele Male überquert.
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Ein
besonders vorteilhafter Aspekt des Verfahrens der Erfindung ist
ihre Geschwindigkeit und Effektivität bei der Detektion eines anormalen
Zustands, wenn der Offset auf gefährliche Pegel zunimmt.
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Außerdem ist
es mit dem Verfahren der Erfindung immer möglich, eine kontinuierliche
Offsetdetektion zu befehlen, indem einfach eine Wiederholfrequenz
auferlegt wird, die gleich der Dauer der Detektionsphase ist, was
folglich eine kontinuierliche Prüfung
des Offsets zuläßt.
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Natürlich können sowohl
die Detektionsperiode als auch die Wiederholfrequenz durch den Mikroprozessor
des Systems variiert werden.
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Die
Unterbrechung eines Koppelkondensators ist einer der gefährlichsten
Gründe
eines plötzlichen übermäßigen Offsets,
da ein Gleichspannungssignal direkt an den Eingang des Audioverstärkers angelegt
wird. Betrachtet man zum Beispiel die Ausgangsgleichspannung eines
Audioprozessors, die mit 8V = 2·V(aP) zugeführt wird,
und V(Csvr), das gleich dem Massebezugspotential des Audioverstärkers ist,
wird im Fall einer Unterbrechung eines Koppelkondensators am Eingang
des Audioverstärkers eine
Spannung angelegt, die gleich V(Csvr) – V(aP)Ý7 – 4Ý3 V ist.
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Unter
der Voraussetzung, daß 3
V·26db
= 90 V, wird die Ausgabe vollständig
gekappt (Voffset > 12 V).
In einem solchen "Fall
wird das Verfahren der Erfindung nach einer ersten Detektionsphase
die Anomalie signalisieren, was in der Praxis das Vorhandensein
einer Unterbrechung anzeigt.
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Erfindungsgemäß kann eine
effektive Detektionsschaltung des Offsets an den Ausgangsknoten eines
Verstärkungskanals
bestehen aus:
- • mindestens einer bistabilen
Schaltung, die einen Rücksetzeingang,
einen Setzeingang und einen Ausgang aufweist, der mit einem ersten
Eingang eines NOR-Glieds gekoppelt ist, dessen zweiter Eingang mit
einer Quelle eines Zeitsteuersignals gekoppelt ist, das ein logisches
Signal ausgibt, das für
das Ergebnis einer Offset-Detektionsphase repräsentativ ist;
- • mindestens
einem Anstiegsflankendetektor, von dem ein Eingang mit der Quelle
des Zeitsteuersignals gekoppelt ist und ein Ausgang mit dem Setzeingang
der bistabilen Schaltung gekoppelt ist;
- • einem
Fensterkomparator, dessen Eingänge
mit den Ausgangsknoten des Verstärkungskanals
gekoppelt sind und dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines
NAND-Glieds gekoppelt ist, dessen zweiter Eingang mit der Quelle
des Zeitsteuersignals gekoppelt ist und dessen Ausgang mit dem Rücksetzeingang
der bistabilen Schaltung gekoppelt ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Diagramm auf höherer
Ebene der Schaltung der Erfindung.
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2 ist
eine detailliertes Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des Funktionsblockdiagramms
der 1.
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Beschreibung der verschiedenen
Ausführungsformen
der Erfindung
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Das
in 1 gezeigte Blockdiagramm zeigt die Schaltung der
Erfindung zur Detektion des Offsets, wie sie in jeder herkömmlichen
integrierten Vorrichtung implementiert werden kann, deren Details
in der Figur nicht gezeigt werden.
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Natürlich betrifft
das Schema einen einzelnen Verstärkungskanal,
und falls die integrierte Vorrichtung mehrere Verstärkungskanäle aufweist,
kann die Schaltung der Erfindung für jeden Verstärkungskanal
kopiert werden, falls notwendig.
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Im
wesentlichen wird bei einer Detektionsphase einer vorher festgelegten
Dauer, die äquivalent
zur Periode eines Signals im Audioband mit einer Frequenz ist, die
nicht niedriger als 10 Hz ist, und im allgemeinen zwischen 50 und
100 Millisekunden liegt, eine bistabilen Schaltung, typischwerweise
einer SR-Verriegelungsschaltung, die durch einen EDGE DETECTOR eines
Zeitsteuerimpulses Tm gesetzt wird, jedesmal zurückgesetzt, wenn festgestellt wird,
daß die
Signalamplitude an den Ausgangsknoten des Verstärkungskanals, der in der Figur
mit einem Lautsprecher verbunden ist, innerhalb eines bestimmten
Fensters zulässiger
Werte liegt, die symmetrisch um den Nullpegel sind, die durch einen
herkömmlichen
Fensterkomparator bestimmt werden.
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Wenn
dies nicht stattfindet, schaltet das Ausgangssignal OFF DETECT um,
was anzeigt, daß ein anormaler
Offset detektiert worden ist.
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Die
Dauer des Zeitsteuerimpulses Tm, der das Detektionsintervall festlegt,
ist ausreichend, um eine falsche Signalisierung einer Anomalie während der
normalen Funktion des Audioverstärkers
im wesentlichen auszuschließen,
da während
des Tm-Intervalls das Audiosignal fast sicher den Nullpegel überqueren
wird und so der Ausgangspegel auf das Fehlen einer anormalen Offsetbedingung
geprüft wird.
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Natürlich wird
ein solches Zuverlässigkeitsproblem
der Detektion beim Fehlen eines Audiosignals nicht mehr vorhanden
sein.
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Eine
besonders effektive Eigenschaft des Systems der Erfindung ist, daß seine
Fähigkeit,
eine anormale (übermäßige) Offsetbedingung
zu detektieren, in Übereinstimmung
mit besonders gefährlichen Bedingungen
für die
Integrität
des Audiosystems weiter gesteigert wird.
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Tatsächlich toleriert
das System für
eine verbesserte Fähigkeit,
eine tatsächliche
Anomalie korrekt zu diskriminieren, den Offset umso mehr, je höher er bezüglich der
festen symmetrischen Schwellen ist, so lange er in der Gegenwart
einer verhältnismäßig stärkeren Audiosignalamplitude
vorhanden ist.
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2 zeigt
eine Schaltung einer ausführbaren
Detektion des Systems der Erfindung.
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Der
Fensterkomparator kann herkömmlich durch
ein Paar Komparatoren mit derselben vorher festgelegten Schwelle
Vth gebildet werden, nämlich CompA
und CompB, deren invertierende Eingänge (–) und nichtinvertierende Eingänge (+)
mit den beiden Ausgangsknoten des Verstärkungskanals kreuzgekoppelt
sind (die mit dem jeweiligen Lautsprecher verbunden sind), wie in
der Figur gezeigt. Die Ausgänge
der beiden Komparatoren werden durch ein NOR-Glied kombiniert, das
ein logisches Signal erzeugt, das das Ergebnis des Vergleichs repräsentiert.
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Der
EDGE DETECTOR kann verwirklicht werden, wie dargestellt, und kann
aus dem Inverter INV, dem RC-Netzwerk und dem NAND-Glied bestehen.
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Im
allgemeinen kann das System zwei Stifte benötigen, einen, um das Zeitsteuersignal
Tm einzuspeisen, und den anderen, um das logische Ausgangssignal
OFF DETECT zur Verfügung
zu stellen, das den Offsetzustand signalisiert. Alternativ können sowohl
das Eingangssignal Tm als auch das Ausgangssignal OFF DETECT über ein
digitales Busprotokoll befördert
werden (zum Beispiel einen I2Cbus).
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Für gewöhnlich wird
das OFF DETECT-Signal, das durch das Detektionssystem der Erfindung erzeugt
wird, durch den Mikroprozessor gelesen, der das gesamte Audiosystem
steuert und der folglich geeignete Befehle ausführen kann, zum Beispiel durch
einen I2Cbus-Steuerbus.
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Wenn
ein übermäßiger Offset
auf einem Kanal signalisiert wird, kann der Mikroprozessor zum Beispiel
das „Stummschalten" des Kanals befehlen.
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Der
Mikroprozessor des Systems kann ein bestimmtes Detektionsintervall
auferlegen, indem die Dauer des Tm-Impulses und/oder dessen Frequenz gemäß einer
spezifischen Steuersoftware variiert wird. Natürlich kann der Mikroprozessor
auch bestimmte Kriterien übernehmen,
um die Information zu interpretieren, die aus dem OFF DETECT-Signal
abgeleitet wird. Zum Beispiel kann er entscheiden, daß ein bestimmter
Audiokanal einen anormalen Offset zeigt, wenn das OFF DETECT-Signal
dreimal hintereinander bei der Ausführung ebensovieler Detektionsphasen
ansteigt.
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Das
System der Erfindung erfordert die Integration von Komparatoren
und herkömmlichen
Digitalkomponenten, die alle verhältnismäßig leicht zu integrieren sind
und einen begrenzten Siliziumplatz benötigen.
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Im
Gegensatz dazu benötigen
die bekannten Lösungen
komplexe digitale oder analoge Filter zum Ableiten einer Gleichspannungskomponente
(d.h. unter etwa 20 Hz) aus dem Ausgangssignal des Kanals. Um die
Gleichspannungskomponente der Ausgangsignale zu filtern und zu messen,
sind normalerweise zahlreiche Stifte erforderlich.
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Im
Vergleich ist die Lösung
der vorliegenden Erfindung sehr zuverlässig und kann mit außergewöhnlich niedrigen
Kosten implementiert werden.