Implementierung eines Klasse-D-Audioverstärkers

Microchips PIC24FV16KM202 enthält bereits viele Op-Amps und weitere Komponenten, um einen Klasse-D-Verstärker zu realisieren.Microchip

Die Leistungsendstufe eines Klasse-D-Verstärker nutzt schnelle Schalttransistoren – häufig MOSFETs – die eine geringe Wärmeentwicklung aufweisen und somit wenig Verlustleistung erzeugen. Damit lassen sich Stromversorgung, Kühlkörper und Gesamtgröße des Verstärkers klein und kompakt aufbauen.

Der übliche Wirkungsgrad eines Klasse-D-Verstärkers liegt bei mehr als 90 % und damit sehr viel höher als die 50 %, die ein traditioneller Klasse-AB-Verstärker erreicht. Im AB-Betrieb verursacht eine Endstufe große Verluste, da die Leistungstransistoren in ihrem Linearbereich arbeiten. Ein großer Stromfluss verursacht somit viel Verlustleistung in der Endstufe, die in Form von Wärme verloren geht, anstatt an die Last zu gelangen. Ein einkanaliger Vollbrücken-Verstärker der Klasse D lässt sich hingegen allein mit den Analogfunktionen eines 16-Bit-Mikrocontrollers (MCU) und wenigen externen Bauteilen aufbauen. Bei dieser Methode bleiben die Prozessorressourcen anderen Anwendungen erhalten.

Bild 1: Blockschaltbild eines Klasse-D-Verstärkers.Microchip

Klasse-D-Topologie

Ein Klasse-D-Verstärker ist im Prinzip ein PWM-Verstärker: Das Audio-Eingangssignal moduliert einen PWM-Träger. Das resultierende PWM-Signal steuert eine Leistungsendstufe (Gegentaktendstufe) an und wird nachfolgend gefiltert, um das verstärkte Audiosignal vom Träger zu befreien. Bild 1 zeigt die vier wesentlichen Bestandteile eines Klasse-D-Verstärkers bestehend aus Dreiecksignalgenerator, Audiomodulationskomparator, Schaltersteuerung und Leistungsendstufe sowie einem Tiefpassfilter.

Bild 2: Im Modulationskomparator wird ein Dreiecksignal (Träger) mit dem analogen Audiosignal moduliert woraus ein PWM-Signal hervorgeht.Microchip

In einem Komparator wird zuerst ein Träger (Dreiecksignal) hoher Frequenz mit dem analogen Audiosignal moduliert, um ein Pulsweitensignal zu erzeugen, dessen Tastverhältnis direkt proportional zu den zeitdiskreten Abtastwerten des Audiosignals ist (Pulsweitenmodulation, PWM). Hieraus ergibt sich eine Art digitale Darstellung des Analogsignals, was die Endstufe ohne weitere Signalumformung nur ein- und ausgeschalten würde (Bild 2). Ein Switch-Controller invertiert das PWM-Signal für die Ansteuerung des komplementären Schalttransistors und erzeugt die Gate-Steuerspannungen für die Endstufe. Letztere verstärkt die Spannung proportional zur Versorgungsspannung und treibt den Strom zur Ansteuerung der Lautsprecherspule. Ein Tiefpass unterdrückt die PWM-Trägerfrequenz und filtert das analoge Audiosignal heraus.

Analogeingang und Stromversorgung

Das eingehende Audiosignal muss aufbereitet und gefiltert werden, bevor es auf das Dreiecksignal aufmoduliert werden kann. Ein Tiefpassfilter mit f_g < ½ f_{Dreiecksignal} verhindert dabei Aliasing. Der Eingangspegel sollte knapp unterhalb von dem des Dreiecksignals liegen und an die Arbeitspunkte des Komparators angepasst werden. Um den Signal-Rauschabstand zu verbessern, sollte der Spitzenwert des Audioeingangs so nah wie möglich am Systemendwert liegen. Je nach Anwendung und Lautsprecher kann eine Bandbegrenzung des Eingangssignals vorteilhaft sein. Kommt beispielsweise ein kleiner Lautsprecher zum Einsatz, der keine Töne unter 100 Hz erzeugen kann, sollte der Eingang mit einem entsprechenden Hochpassfilter versehen sein. Dieser Filter vermeidet Energieverschwendung und eine mögliche Beschädigung des Lautsprechers.

Eine stabile DC-Stromversorgung wirkt sich entscheidend auf die Leistungsmerkmale Verstärkung, Klirrfaktor (THD) und Rauschen des Verstärker aus. Klasse-D-Verstärker weisen eine sehr geringe bis gar keine Störspannungsunterdrückung auf: Störspannungen oder auch Spannungs-Rippel von einem Netzteil leiten sie direkt an den Ausgang weiter. Aufgrund des digitalen Aufbaus des Klasse-D-Designs muss die Stromversorgung bei jedem Schalten der Endstufentransistoren hohe Impulsströme bewältigen. Auch die Energiespeicher im Tiefpassfilter und in der Lautsprecherspule beeinträchtigen die Stromversorgung. Entsprechend hochwertig muss die Versorgung ausgelegt sein.

Bild 3: Blockschaltbild einer Vollbrückenendstufe bestehend aus zwei Gegentaktendstufen.Microchip

Endstufe

Eine Vollbrücken-Endstufe wie in Bild 3 verringert Störeffekte der Stromversorgung und lässt sich mit einer unsymmetrischen Spannungsversorgung umsetzen. Im Umschaltmoment zwischen dem High-Side- und dem Low-Side-Schalter der Gegentaktendstufe ist eine Totzeit erforderlich, welche die Schalttransistoren vor einem zu hohen und schädlichen Stromfluss schützt. Beim Ansteuern eines Schalttransistors entsteht durch das Laden und Entladen der Eingangskapazität vom Gate eine Schaltverzögerung. Die Totzeit verhindert, dass beide High-Side- und Low-Side-Schalter gleichzeitig geschlossen sind und zwischen V+ und GND ein Kurzschluss entsteht. Die Länge der Totzeit hängt von der Ein- und Ausschaltverzögerung der Schalttransistoren ab und beeinflusst den Klirrfaktor.

Eine Vollbrückentopologie hat im Vergleich zu einer Halbbrücke einen geringeren Offset und Klirrfaktor und kann ohne Rückkopplung implementiert werden. Im Leerlauf beträgt das PWM-Tastverhältnis 50 %, woraus sich durch das integrierende Verhalten der Tiefpassfilter an beiden Lautsprecherklemmen die Leerlaufspannung von ½ V+ einstellt.

Ausgangsfilter

Ein typischer Klasse-D-Ausgangsfilter ist ein LC-Tiefpassfilter zweiter Ordnung ohne ohmsche Widerstände, die Leistung verschwenden würden. Die Filtergrenzfrequenz sollte mindestens viermal niedriger sein als die Schaltfrequenz des Dreieckgenerators. Die Impedanz des Lautsprechers legt die anfänglichen Werte für die Induktivitäten und Kondensatoren fest. Eigeninduktivität und -kapazität der Lautsprecherspule interagieren ebenfalls mit den Filterbauteilen und müssen bei der Filterauslegung berücksichtigt werden.

Die Ausgangsleistung des Verstärkers und der resultierende Strom durch den LC-Tiefpass bestimmen die Nennleistung der Filterbauteile. Ebenfalls zu beachten sind mögliche Einschränkungen beim Schaltungsentwurf aufgrund zu hoher elektromagnetischer Störaussendung (EMV). Filterdesign, Bauteilanordnung und Leiterbahnführung müssen daher sorgfältig für hohe Effizienz ausgelegt werden.

Implementierung

Entwickler eines Klasse-D-Verstärkers können eine 16-Bit-MCU wie Microchips PIC24FV16KM202 vielfältig mit analoger und digitaler Peripherie beschalten. Die KM-Serie enthält ein Schaltungsnetzwerk mit intern konfigurierbaren Signalen und extern über Peripheriebauteile beschaltbare Zwischenverbindungen, was den Schaltungsaufwand verringert und die I/O-Pins für andere Zwecke frei lässt. Für einen besseren Signal-Rauschabstand kann die FV-Serie mit einer höheren Betriebsspannung von 5 V zu Einsatz kommen.

Bild 4: Das interne Schaltungsnetzwerk eines PIC24FV16KM202 mit externer Beschaltung.Microchip

Bild 4 zeigt den PIC24FV16KM202 mit intern konfigurierbaren Signalen und externer Beschaltung. Der Operationsverstärker OA1 dient als Impedanzwandler für das eingehende Audiosignal. Optional kann OA1 auch als Filter und mit variabler Verstärkung eingerichtet werden.

Der konfigurierbare Dreieckgenerator besteht aus zwei Komparatoren (Comp1, Comp2), dem Logikzellenmodul CLC1 als S-R-Latch und dem OA2, der durch externe Beschaltung als Integrator konfiguriert werden kann. Die Schwellenwerte des Fensterkomparators werden über die internen Parameter DAC1 und Comp VRef eingestellt. Das Ausgangssignal des Fensterkomparators wird über das S-R-Latch in ein sauberes Rechtecksignal geformt und nachfolgend über den Integrator OA2 in ein Dreiecksignal umgewandelt. Dieses wird zum Fensterkomparator rückgekoppelt und erzeugt damit einen selbsterregenden Oszillator.

Der Komparator Comp3 erzeugt aus Dreieck- und Audiosignal ein PWM-Signal. CLC2 ist als Inverter konfiguriert und bildet das Komplementärsignal für die Brückenendstufe. Mit dem internen Parameter DAC2 lässt sich im Leerlauf das 50-%-PWM-Signal beziehungsweise die DC-Vorspannung am Endstufenausgang auf ½ V+ justieren und damit der Nullabgleich des Ruhestroms durch den Lautsprecher erreichen.

Sparsamer Verstärker

Das im Mikrocontroller integrierte analoge und digitale Schaltungsnetzwerk ermöglicht mit nur wenigen zusätzlichen Leistungsbauteilen den kompakten und kostengünstigen Aufbau eines vollständigen Klasse-D-Verstärkers. Für den Entwurf eines solchen Verstärkers mit einem PIC24FV16KM202 (Frequenzbereich 60 Hz bis 8 kHz) stellt Microchip dem Entwickler weitere Applikationshinweise und Berechnungshilfen zur Verfügung.

(jwa)