In vielen technischen Systemen werden digitale Signale mit- tels Pulsweitenmodulation in analoge Signale umgewandelt.

Beispiele für derartige Systeme sind Motorensteuerungen, Ka- librierungsschaltungen, Schaltnetzteile, Gleichspannungswand- ler, digitale Verstärker und insbesondere digitale Audio- Verstärker.

Das digitale Signal liegt bei den genannten Systemen ein- gangsseitig in der Regel als PCM (pulse code modulated)- Signal vor und wird zunächst in ein digitales PWM (pulse width modulated)-Signal umgesetzt. Anschließend erfolgt eine Umsetzung des digitalen PWM-Signals in ein analoges Signal.

Sowohl bei der PCM/PWM-Umsetzung als auch bei der Umwandlung des PWM-Signals in das analoge Signal können nichtlineare Verzerrungen auftreten. Die PCM/PWM-Umsetzung ist aufgrund der digitalen Signalverarbeitung allerdings prinzipiell ver- lustfrei durchführbar, d. h. aus dem PWM-Signal könnte durch eine invertierte Umsetzung das ursprüngliche PCM-Signal ohne Informationsverlust erzeugt werden. Demgegenüber treten bei der Umsetzung des digitalen PWM-Signals in das analoge Signal unvermeidlich nichtlineare Verzerrungen auf. Diese Verzerrun- gen werden hauptsächlich durch das Gedächtnis"des Analog- Bereichs der betreffenden Schaltung verursacht. Die relativ langen Abklingzeiten des analogen"Gedächtnisses", welche üb- licherweise über die Zeitspanne einer PWM-Periode hinausge- hen, führen zu einer Überlagerung von ausklingenden Rechteck- antworten aus der Vergangenheit mit der aktuellen Rechteck- antwort. Da die zurückliegenden Rechteckantworten von der

Pulsweite des digitalen PWM-Signals abhängen und diese wie- derum von dem PCM-Signal, sind die Verzerrungen nichtlinear.

Derartige"Gedächtnis"-Eigenschaften einer analogen Schaltung sind systemimmanent und können nicht vollständig eliminiert werden. Daher werden Wege gesucht, die bei der Digi- tal/Analog-Umsetzung auftretenden nichtlinearen Verzerrungen durch zusätzliche digitale oder analoge Schaltungen zu mini- mieren oder gar zu kompensieren.

In der den nächstliegenden Stand der Technik darstellenden internationalen Patentanmeldung WO 97/37433 AI ist eine nach dem vorstehenden Prinzip arbeitende Digital/Analog-Umsetzer- Schaltung beschrieben, bei welcher im Signalweg vor der PCM/PWM-Umsetzerstufe ein nichtlineares Hammerstein-Filter angeordnet ist. Das Hammerstein-Filter stellt eine Vorkompen- sationsstufe dar, durch welche das PCM-Signal mit einer nichtlinearen Verzerrung beaufschlagt wird, die invers zu der bei der PCM/PWM-Umsetzung auftretenden nichtlinearen Verzer- rung ist, sodass sich insgesamt ein verzerrungsfreies digita- les PWM-Signal ergibt. Ein Nachteil dieser Digital/Analog- Umsetzer-Schaltung ist, dass sie ausschließlich für UPWM (uniform sampling pulse width modulated) -Signale ausgelegt ist. Bei UPWM-Signalen wird der Wert der Pulsweite stets zu Beginn der PWM-Periode festgelegt. PWM-Signale, deren Puls- weite während der PWM-Periode bestimmt wird, sogenannte PNPWM (pseudonatural pulse width modulation) -Signale, können mit der vorliegenden Schaltung nicht generiert werden.

In der internationalen Patentanmeldung WO 95/06980 AI ist ei- ne weitere Möglichkeit aufgezeigt, um die bei einer PCM/PWM- Umsetzung auftretenden Nichtlinearitäten zu kompensieren. Da- zu hat eine Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung Zugang zu einer in einem Festwertspeicher gespeicherten Tabelle. Mit Hilfe der in der Tabelle abgelegten Daten wird eine Kompensation der nichtlinearen Verzerrungen erzielt.,

Ein relativ aufwendiger Algorithmus zur digitalen Kompensati- on von nichtlinearen Verzerrungen durch einen der PCM/PWM- Umsetzerstufe vorgeschalteten Noise-Shaper mit einem speziell angepassten digitalen Filter im Rückkopplungszweig ist in dem Artikel New high accuracy pulse width modulation based digi- tal-to-analogue convertor/power amplifier"von J. M. Goldberg und M. B. Sandler, erschienen in IEE Proc.-Circuits Devices Syst., Band 141, Nr. 4,1994, Seiten 315-324, beschrieben.

Des Weiteren sind auch analoge Schaltungen bekannt, welche über Rückkopplungszweige Nichtlinearitäten minimieren. Bei- spielsweise befassen sich die Artikel"A New PWM Controller with One-Cycle Response"von K. M. Smith, Z. Lai und K. M.

Smedley, erschienen in IEEE Transactions on Power Electro- nics, Band 14, Nr. 1, 1999, Seiten 142-150, und"A Novel Low- Power Low-Voltage Class D Amplifier with Feedback for Impro- ving THD, Power Efficiency and Gain Linearity"von J. S.

Chang, B. H. Gwee, Y. S. Lon und M. T. Tan, erschienen in ISACS 2001, Band 1, Seiten 635-638, mit derartigen analogen Rückkopplungsschaltungen. Nachteilig an Rückkopplungsschal- tungen sind die durch sie verursachten Instabilitäten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst verzerrungsarme Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung zu schaffen. Insbesondere sollen die durch den Analog-Bereich der Schaltung verursach- ten nichtlinearen Verzerrungen kompensiert werden. Ferner soll ein diese Eigenschaften aufweisendes Verfahren angegeben werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung dient zur Umsetzung eines digitalen PCM-Eingangssignals in ein ana- loges Ausgangssignal. Dazu umfasst die Digital/Analog-

Umsetzer-Schaltung im Signalweg eine Vorkompensationsstufe, eine der Vorkompensationsstufe nachgeschaltete PCM/PWM- Umsetzerstufe zur Erzeugung eines digitalen PWM-Signals aus dem digitalen, vorkompensierten PCM-Signal und eine wiederum nachgeschaltete Digital/Analog-Umsetzerstufe, an welcher aus- gangsseitig das analoge Ausgangssignal abgreifbar ist. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, dass die Ü- bertragungsfunktion der Vorkompensationsstufe derart ausge- legt ist, dass das analoge Ausgangssignal im Wesentlichen proportional zu dem digitalen PCM-Eingangssignal ist.

Bei der erfindungsgemäßen Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung wird das digitale PCM-Eingangssignal beim Durchlaufen der Vorkompensationsstufe derart verzerrt, dass die nichtlineare Verzerrung, die bei den nachfolgenden PCM/PWM-und Digi- tal/Analog-Umsetzungen auftreten, im analogen Ausgangssignal kompensiert werden. Daraus ergibt sich ein zu dem digitalen PCM-Eingangssignal proportionales analoges Ausgangssignal.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorkompensation ist, dass die nichtlinearen Verzerrungen, die durch den Analog-Bereich der Schaltung verursacht werden, bei der Vorkompensation be- rücksichtigt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung lassen sich alle Arten von pulsweitenmodulierten Signalen er- zeugen ; sie ist nicht wie die in der Druckschrift WO 97/37433 AI beschriebene Schaltung auf UPWM-Signale beschränkt. Ein weiterer Vorteil gegenüber der genannten Schaltung ist die erfindungsgemäße Verwendung eines einfachen, beispielsweise linearen digitalen Filters anstelle eines aufwändigen nicht- linearen Hammerstein-Filters.

Ferner entfällt bei der erfindungsgemäßen Digital/Analog- Umsetzer-Schaltung die Notwendigkeit einer Rückkopplungs- schleife, wie sie bei vielen herkömmlichen Digital/Analog- Umsetzer-Schaltungen notwendig ist. Die Einsparung einer

Rückkoppelschleife führt zu einer größeren Stabilität der er- findungsgemäßen Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung.

Vorteilhafterweise arbeitet die Vorkompensationsstufe zumin- dest teilweise mit einer höheren Signalrate als der Signalra- te, die das digitale PCM-Eingangssignal aufweist. Die höhere Signalrate ermöglicht es, die analogen Schaltungsbereiche in Echtzeit zu simulieren und dadurch die durch die analogen Schaltungsbereiche erzeugten nichtlinearen Verzerrungen zu ermitteln. Das digitale PCM-Eingangssignal kann anschließend mit den inversen Verzerrungen beaufschlagt werden, um somit eine Kompensation der Verzerrungen zu erreichen. Im Unter- schied dazu findet bei herkömmlichen Digital/Analog-Umsetzer- Schaltungen, die teilweise auch eine Vorkompensationsstufe aufweisen, eine derartige Erhöhung der Signalrate nicht statt. Vielmehr wird bei diesen Schaltungen die Signalrate des PCM-Eingangssignals beibehalten. Um die nichtlinearen Verzerrungen, die bei der PCM/PWM-Umsetzung auftreten, den- noch vorausberechnen zu können, werden sehr aufwendige Schal- tungen benötigt.

Die Vorkompensationsstufe enthält vorteilhafterweise eine weitere PCM/PWM-Umsetzerstufe, eine Überabtaststufe, ein di- gitales Filter und eine Dezimationsstufe. Die vorstehend auf- geführten Bauelemente der Vorkompensationsstufe sind dabei im Signalweg in der genannten Reihenfolge angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung der Vorkompensationsstufe wird das digitale PCM-Eingangssignal zunächst in ein digitales PWM- Zwischensignal umgewandelt. Die Überabtaststufe erzeugt aus dem digitalen PWM-Zwischensignal ein digitales PCM- Zwischensignal, welches eine gegenüber dem digitalen PCM- Eingangssignal erhöhte Signalrate aufweist. Das digitale PCM- Zwischensignal wird danach dem digitalen Filter zugeführt.

Anschließend wird die Signalrate des gefilterten PCM- Zwischensignals mittels der Dezimationsstufe wieder redu- ziert. Durch die erhöhte Signalrate kann der Einfluss der a-

nalogen Schaltungsbereiche approximiert werden und damit ins- gesamt eliminiert werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung ist die Übertragungsfunktion des digitalen Filters der- art einstellbar oder derart eingestellt, dass auftretende nichtlineare Verzerrungen durch inverse Verzerrungen kompen- siert werden. Es ist denkbar, dass dazu die Filterkoeffizien- ten herstellerseitig voreingestellt werden und auf die analo- ge Umgebung der Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung angepasst werden. Alternativ könnte vorgesehen sein, dass die Filterko- effizienten von dem Anwender der Digital/Analog-Umsetzer- Schaltung eingestellt werden. Dieses würde einen Abgleich der Schaltung im endgültigen Produkt ermöglichen. Bei einem Ein- satz in einem Audio-Verstärker könnten beispielsweise die verwendeten Lautsprecher bei diesem Abgleich berücksichtigt werden.

Es ist ebenfalls möglich, die Digital/Analog-Umsetzer- Schaltung für einen universellen Einsatz auszulegen. Dazu wird für die Übertragungsfunktion des digitalen Filters vor- teilhafterweise eine Tiefpass-Funktion gewählt, welche bei der Verwendung eines zusätzlichen analogen Filters auch mit diesem abgestimmt sein kann. Durch diese Maßnahme lassen sich die auftretenden Nichtlinearitäten weitgehend kompensieren, ohne dass dabei die exakte analoge schaltungstechnische Umge- bung der Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung in Betracht gezo- gen werden muss.

Ferner ist es von Vorteil, der Vorkompensationsstufe einen Noise-Shaper vor-und/oder nachzuschalten. Der Noise-Shaper reduziert das Quantisierungsrauschen in einem bestimmten Fre- quenzband, beispielsweise dem Audio-Frequenzband.

Das analoge Ausgangssignal kann vorteilhafterweise mittels eines analogen Filters gefiltert werden. Diese Maßnahme er-

möglicht es, das pulsförmige analoge Ausgangssignal in eine gewünschte Form zu bringen.

Mögliche Ausgestaltungen für das digitale Filter stellen bei- spielsweise rekursive Wellen-Digital-Filter oder FIR (finite impluse response) -Filter dar. Die Digital/Analog- Umsetzerstufe lässt sich zum Beispiel als Leistungsschalter realisieren.

Die erfindungsgemäße Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung kann besonders vorteilhaft in Audio-Verstärker, insbesondere in Audio-Class-D-Verstärker, integriert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein digitales PCM- Eingangssignal zunächst vorkompensiert. Das digitale, vorkom- pensierte PCM-Signal wird in ein digitales PWM-Signal umge- setzt. Anschließend wird das digitale PWM-Signal in ein ana- loges Ausgangssignal umgewandelt. Bei diesem Verfahren be- wirkt die Vorkompensation, dass das analoge Ausgangssignal im Wesentlichen proportional zu dem digitalen PCM-Eingangssignal ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Umsetzung des digitalen PCM-Eingangssignals in das analoge Ausgangssignal, ohne dass das analoge Ausgangssignal mit nichtlinearen Ver- zerrungen behaftet ist, welche im analogen Schaltungsbereich durch verzögerte Signalabfälle erzeugt werden. Dieses wird durch die Vorkompensation erzielt, indem das digitale PCM- Eingangssignal beispielsweise mit einer Nichtlinearität be- aufschlagt wird, welche sich invers zu der durch die an- schließende Digital/Analog-Umsetzung verursachte Nichtlinea- rität verhält.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fi- gur zeigt dabei ein schematisches Blockschaltbild eines Aus-

führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Digital/Analog- Umsetzer-Schaltung.

In der Figur ist das Blockschaltbild einer Digital/Analog- Umsetzer-Schaltung 1 gezeigt, bei welcher im Signalweg ein Noise-Shaper 2, eine PCM/PWM-Umsetzerstufe 3, eine Überab- taststufe 4, ein digitales Filter 5, eine Dezimationsstufe 6, eine PCM/PWM-Umsetzerstufe 7, eine Digital/Analog- Umsetzerstufe 8 und ein analoges Filter 9 in der genannten Reihenfolge angeordnet sind. Die PCM/PWM-Umsetzerstufe 3, die Überabtaststufe 4, das digitale Filter 5 und die Dezimati- onsstufe 6 bilden gemeinsam eine Vorkompensationsstufe 10.

Ein digitales PCM-Signal 11 wird eingangsseitig in den Noise- Shaper 2 eingespeist. Anschließend wird das aus dem Noise- Shaper 2 ausgegebene PCM-Signal 12 in ein digitales PWM- Signal 13 umgewandelt. Die Signalrate wird mittels der Über- abtaststufe 4 erhöht. Das sich daraus ergebende PCM-Signal 14 wird mittels des digitalen Filters 5 gefiltert. Die Signalra- te des gefilterten PCM-Signals 15 wird durch die Dezimati- onsstufe 6 wieder reduziert. Das digitale PCM-Signal 16 ist gegenüber dem digitalen PCM-Signal 11 aufgrund der digitalen Filterung nichtlinear verzerrt. Das digitale PCM-Signal 16 wird anschließend in ein digitales PWM-Signal 17 transfor- miert, und dieses wird in der Digital/Analog-Umsetzerstufe 8 in ein analoges Signal 18 umgewandelt. Das analoge Signal 18 wird abschließend gefiltert, sodass sich als Ausgangssignal der Digital/Analog-Umsetzer-Schaltung 1 ein gefiltertes ana- loges Signal 19 ergibt.

Die durch das digitale Filter 5 bewirkte nichtlineare Verzer- rung des PCM-Signals 15 wird bis zu der Digital/Analog- Umsetzerstufe 8 von den jeweiligen digitalen Signalen mitge- führt. Durch die Digital/Analog-Umsetzung wird das resultie- rende analoge Signal 18 mit einer weiteren nichtlinearen Ver- zerrung beaufschlagt, welche beispielsweise von Gedächtnis"- Eigenschaften der analogen Schaltungsbereiche herrührt. Die Übertragungsfunktion des digitalen Filters 5 wird so gewählt,

dass die von ihm bewirkte nichtlineare Verzerrung sich invers zu der bei der Digital/Analog-Umsetzung auftretenden Verzer- rung verhält. Dabei können beispielsweise auch Verzerrungen berücksichtigt werden, die durch weitere analoge Beschaltun- gen, wie z. B. das analoge Filter 9 oder einen eventuell nach- geschalteten Lautsprecher, generiert werden. Als Ergebnis er- geben sich verzerrungsfreie analoge Signale 18 und/oder 19.