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High Performance Digital Input Class D
Bild 1: Dieses Blockschaltbild zeigt ein konventionelles System, in dem die Lautsprecher von Klasse-D-Verstärkern mit analogem Eingang angesteuert werden. Der DAC und der Leitungstreiberverstärker im Applikationsprozessor erhöhen die Chipkosten und die St
Bild 2: Beispiel eines Systems mit einem Klasse-D-Verstärker mit PDM-Digitaleingang. Es werden nur zwei Leitungen benötigt, und der 1-Bit-Datenstrom wird mit einem überabgetasteten Sigma-Delta-Modulator im Applikationsprozessor erzeugt.
Bild 3: Ein System, in dem ein Klasse-D-Verstärker mit PCM-Eingang zum Einsatz kommt, benötigt zwar drei Leitungen, erfordert dafür aber im Applikationsprozessor weder einen Modulator noch ein Upsampling der Daten.
Bild 4: MCLK-Takt mit 12,288 MHz, per Cycle Skipping aus einem 25-MHz-Takt gewonnen.
Bild 5: Gegenüberstellung der Takterzeugung mit einer Fractional-N-PLL-Stufe oder per Cycle Skipping.
Bild 6: Verschlechterung des Dynamikbereichs durch ein mit Cycle Skipping erzeugtes Taktsignal mit einem RMS-Jitter von 11,5 ns.

Auf einen Blick

Filterlose Klasse-D-Audioverstärker mit digitalem Eingang, wie die Bausteine MAX98355 und MAX98356, ermöglichen die Verwendung einfach aufgebauter Leiterplatten und zeichnen sich durch niedrige Materialkosten, ein geringes EMI-Aufkommen und hohe Ausgangsleistung aus. Die Verstärker werden im 1,345 mm x 1,435 mm großen WLP-Gehäusen mit neun Pins angeboten und kommen auf eine Ausgangsleistung von 3,2 W.

Eine neue Generation von Klasse-D-Audioverstärkern mit digitalem Eingang bietet hinsichtlich des Netzstörunterdrückungsverhältnisses (PSRR) sehr gute Eigenschaften, die auf dem Niveau traditioneller Klasse-D-Verstärker mit analogem Eingang liegen. Noch wichtiger sind jedoch die weiteren, von Klasse-D-Verstärkern mit Digitaleingang gebotenen Vorteile, nämlich die geringere Stromaufnahme, die reduzierte Komplexität, das geringere Rauschen und die niedrigeren Systemkosten.

Anbieter elektronischer Produkte nutzen die effizienten, filterlosen Klasse-D-Verstärker mit Analogeingang meist, um den Leistungsbedarf von Lautsprechern in portablen Geräten wie etwa Mobiltelefonen, Tablets und Navigationsgeräten zu koordinieren. Da dieser Verstärkertyp den direkten Anschluss an die Batterie erlaubt, werden die Verluste minimiert, und der Bauteileaufwand wird geringer. Wichtig ist auch das über 70 dB liegende Netzstörunterdrückungsverhältnis dieser Verstärker, dadurch können die 217-Hz-Störgeräusche infolge des demodulierten GSM-Signals eliminiert werden.

Klasse-D-Verstärker mit Analogeingang benötigen in der Regel einen D/A-Wandler und einen Leitungstreiberverstärker im Applikationsprozessor (Bild 1), gleichbedeutend mit höheren Kosten. Außerdem erhöht sich der Strombedarf, und das Rauschen auf dem Lautsprecherausgang nimmt ebenfalls zu. Unabdingbar ist bei diesen Klasse-D-Verstärkern die Anwendung großer Sorgfalt beim Leiterplattendesign, da es sonst zu Beeinträchtigungen durch die Einkopplung von Signalen in analoge Leiterbahnen kommen kann.

Gegen die meisten Probleme im Zusammenhang mit dem Leiterplattenlayout sind Klasse-D-Verstärker mit Digitaleingang immun. Einkanalige Klasse-D-Verstärker können auf der Leiterplatte auch dezentral platziert werden, um die mit einem hohen Strom beaufschlagten Verbindungen zur Batterie und zum Lautsprecher möglichst kurz zu halten. Überdies kommt dieser Verstärkertyp ohne den DAC und den Leitungstreiberverstärker aus, die bei Bausteinen mit Analogeingang erforderlich sind. Platzbedarf und Systemkosten sinken entsprechend, und das Design wird einfacher.

Einfacheres Systemdesign

Digitale Verstärkereingänge werden in den meisten Fällen mit PDM-Signalen (Pulsdichte-Modulation) angesteuert, die nur zwei Leitungen (PDM_CLK und PDM_DATA) erfordern. Erzeugt werden die 1-Bit-PDM-Daten mithilfe eines im Oversamplingmodus betriebenen Sigma-Delta-Modulators im Applikationsprozessor (Bild 2).

Einige Verstärker können auch Pulscode-modulierte (PCM) beziehungsweise I²S-Daten verarbeiten. Hierfür werden drei Leitungen (BCLK, LRCLK und DIN) benötigt. Das PCM-Datenformat kommt ohne Modulator aus und erfordert auch kein Upsampling der Daten im Applikationsprozessor (Bild 3). Einige ältere Verstärker mit PCM-Eingang sind zusätzlich auf einen einwandfreien Mastertakt (MCLK) angewiesen, aus dem ein jitterfreier Abtasttakt gewonnen wird. Neuere Verstärker mit PCM-Eingang, wie der MAX98355, benötigen den MCLK-Eingang jedoch nicht mehr, so dass weniger Pins erforderlich sind. Auch die Leistungsaufnahme und die Komplexität der Leiterplatte reduzieren sich.

Ältere Verstärker mit Digitaleingang ermöglichen ein Variieren der Abtastrate und/oder der Bittiefe, was in einigen Fällen ein komplexes Programmieren des Verstärkers erfordert. Dies ist bei neueren Verstärkergenerationen mit digitalem Eingang wie den Produkten MAX98355 und MAX98356 anders. Diese Bausteine erkennen automatisch einen weiten Bereich von Abtastraten und Bittiefen und konfigurieren sich ohne jeden Programmieraufwand selbst.

In Mehrkanalanwendungen lässt sich mit Klasse-D-Audioverstärkern mit Digitaleingang die Zahl der externen Kondensatoren und Leiterbahnen reduzieren. Um zwei Klasse-D-Verstärker mit Stereodaten zu versorgen, werden bei Verwendung von PDM-Eingängen lediglich die beiden Leitungen PDM_CLK und PDM_DATA benötigt. Im Vergleich dazu verlangt ein stereofähiger Klasse-D-Verstärker mit Analogeingang zwei differenzielle Eingangssignale (vier Leitungen), die über entsprechende AC-Koppelkondensatoren zugeführt werden müssen (Bilder 1, 2 und 3).

Die Mehrzahl der Verstärker mit Digitaleingang benötigt eine niedrige Versorgungsspannung (1,8 V) für den digitalen Teil und eine höhere Spannung von 2,5 bis 5,5 V zum Ansteuern der Lautsprecher. Klasse-D-Verstärker wie die Bausteine MAX98355/MAX98356 kommen dagegen mit einer Versorgungsspannung aus, was ein einfacheres Leiterplattendesign ergibt und den Bauteileaufwand reduziert.

Jittertoleranz und Takterzeugung

Dass Klasse-D-Audioverstärker mit Digitaleingang hinsichtlich des Taktjitters neue Herausforderungen bergen, ist nicht von der Hand zu weisen, denn im Interesse einer guten Audioqualität setzen die meisten Verstärker mit Digitaleingang ein recht niedriges Jitter-Niveau auf der BCLK‑ oder PDM_CLK-Leitung voraus. Häufig bleibt die Jittertoleranz im Datenblatt unerwähnt. Ist sie angegeben, liegt sie meist bei zirka 200 ps (RMS-Jitter). Ein höheres Maß an Taktjitter beeinträchtigt in der Regel entweder den Dynamikbereich des Verstärkers oder seinen Full-Scale-THD+N-Wert.

In vielen Fällen arbeitet der Referenzoszillator des Applikationsprozessors nicht, wie es wünschenswert wäre, mit einem Vielfachen von PDM_CLK oder BCLK, so dass es nicht einfach ist, dem Verstärker einen jitterarmen Takt zur Verfügung zu stellen. Eine gängige Quarzfrequenz für GSM-Telefone ist beispielsweise 13 MHz, während in Video-Lösungen häufig 27 MHz verwendet werden. Keine dieser Referenzfrequenzen ist ein Vielfaches der Audio-Abtastraten von 44,1 oder 48 ksps. In solchen Systemen kommt für die Audiostufe deshalb oft eine komplizierte Fractional-N-PLL-Stufe zum Einsatz. Gelegentlich verlangt die Lösung auch nach einem separaten Referenzoszillator für den Audioteil, was sowohl die Komplexität als auch die Materialkosten erhöht.

Eine alternative, wesentlich vorteilhaftere Lösung ist stattdessen die Verwendung eines Verstärkers mit digitalem Eingang, der auch ein hohes Maß an Taktjitter verkraftet, ohne dass die Audioperformance leidet. Außerdem macht ein solcher Verstärker das System insgesamt weniger komplex. Im einfachsten Fall kann ein Cycle-Skipping-Takt zum Generieren von PDM_CLK oder BCLK dienen, jedoch führt dies zu einem außerordentlich großen Jitter. Wird aus einem Referenztakt von 13 MHz per Cycle Skipping ein PDM_CLK-Signal von 6,144 MHz (48 ksps x 128OSR) erzeugt, ergibt sich ein Peak-Jitter von 38,4 ns und ein RMS-Jitter von 22,2 ns (Bild 4). Damit liegt der Jitter um zwei Größenordnungen über dem, was die meisten DACs tolerieren. Die Klasse-D-Audioverstärker MAX98355 (PCM) und MAX98356 (PDM) aber erzielen auch mit einem derart hohen Jitter einen Dynamikbereich von fast 100 dB. Per Cycle Skipping lässt sich ein Takt mit sehr geringem Gatteraufwand im Applikationsprozessor erzeugen. Der Oszillator oder das Schleifenfilter, die normalerweise in einer PLL-Lösung erforderlich wären, können entfallen (Bild 5).

Testergebnisse zur Jittertoleranz

Die Testergebnisse zeigen, dass sich der Dynamikbereich des MAX98355 durch den per Cycle Skipping gewonnenen, jitterbehafteten Takt nicht verschlechtert. Er ist mit diesem Takt sogar um mehr als 20 dB besser als der 120-dB-DAC (Bild 6).

Der Klasse-D-Audioverstärkermarkt

Susie Inouye, Research Director bei Databeans anlässlich der Vorstellung der Bausteine MAX98355 und MAX98356: „Das Marktforschungsunternehmen Databeans prognostiziert eine kumulierte jährliche Wachstumsrate von 12 Prozent für den Klasse-D-Audioverstärkermarkt, womit dieser deutlich schneller als der Consumer-Halbleitermarkt insgesamt wachsen wird. Durch die Integration digitaler DACs in die Klasse-D-Audioverstärker ermöglicht Maxim den Anwendern, ihre Lösungen kompakter zu machen und dennoch von sämtlichen Vorteilen eines digitalen Eingangs zu profitieren“.