Grüne-Energie-Standards, der Zwang, die Kosten zu senken sowie die Nachfrage nach höherer Audio-Klangtreue sind Triebfedern für den Einsatz von Class-D-Verstärkern in Hochleistungs-Audioanwendungen. Bisherige analoge Implementierungen, wie beispielsweise die Class-AB-Topologie, sind komplizierter und weniger effizient, und dennoch beherrschen sie dank ihrer High-Fidelity-Performance bislang das obere Ende des Audiomarkts. Class-D-Systeme verringern diese Kluft rasch durch einfachere, effizientere Designs. Sie bieten inzwischen die gleiche oder sogar eine bessere Wiedergabetreue als Analogverstärker.

Bild 1: Grundsätzliches Blockdiagramm eines Class-D-Verstärkers. Im Kern besteht er aus einem Pulsbreitenmodulator und einem Leistungsverstärker.

Bild 1: Grundsätzliches Blockdiagramm eines Class-D-Verstärkers. Im Kern besteht er aus einem Pulsbreitenmodulator und einem Leistungsverstärker.Silicon Labs

Ein typisches Class-D-Audiosystem wandelt ein Tonsignal an seinem Eingang in ein digitales PWM-Signal, nimmt in der digitalen Domäne eine Leistungsverstärkung vor, und wandelt dann an seinem Ausgang das digitale Signal in ein analoges zurück. Wie Bild 1 zeigt, wird das ankommende Audiosignal an einen Impulsbreitenmodulator (PWM) angelegt, der aus einem Operationsverstärker und einem Komparator besteht. Dieser Modulator digitalisiert das Audioeingangssignal, indem er das Tastverhältnis des Modulators in direktem Verhältnis zum Momentanwert des Audio-Eingangssignals verändert – es entsteht ein zeitdiskretes Ausgangssignal.

Anschließend wird der Pegel des PWM-Signals entsprechend verschoben und an einen Gate-Treiber angelegt. Dieser Gate-Treiber schaltet eine bistabile Leistungsschaltung um, die den beiden MOSFETs M1 und M2 besteht. Das resultierende verstärkte Signal wird dann durch ein Ausgangsfilter geschickt, das die PWM-Trägerfrequenz entfernt, so dass lediglich das verstärkte analoge Tonsignal übrig bleibt, das schließlich die Lautsprecher ansteuert. Die ausgangsseitige Audio-Klangtreue wird durch eine äußere Rückkopplungsschleife vom Filtereingang zum Eingang des Fehlerverstärkers zusätzlich verbessert und reduziert dabei sowohl Verzerrungen als auch Rauschen.

Auf einen Blick

Class-D-Verstärker bietet Eigenschaften, die weit über traditionelle Analogverstärker hinausreichen, darunter einen niedrigeren Klirrfaktor (THD), reduzierten Platzbedarf auf der Leiterplatte, einen höheren Leistungswirkungsgrad sowie geringere Materialkosten. Ein hoch integrierter Gate-Treiber-IC kann wesentliche positive Auswirkungen sowohl auf die Systemarchitektur als auch auf die Audio-Performance haben.

Leistungswirkungsgrad und Wiedergabetreue

In der Vergangenheit haben sich analoge Leistungsverstärker auf lineare Verstärkerschaltungen verlassen, die tendenziell zu hohen Leistungsverlusten neigen. Die Leistungswirkungsgrade von Class-D-Verstärkern können hingegen bei 90 Prozent oder höher liegen, je nach ihrem Aufbau. Dieser hohe Wirkungsgradvorteil ist spezifisch für die Class-D-Technologie, bei der Binärschalter, im Allgemeinen MOSFETs, als Verstärkungselemente dienen. Diese Schalter sind entweder vollständig ein- oder völlig ausgeschaltet, und für den Übergangszeitraum zwischen diesen beiden Zuständen wird sehr wenig Zeit aufgewendet. Dieser diskrete Schaltvorgang sowie der niedrige Einschaltwiderstand der MOSFETs minimieren die I²R-Verluste und steigern den Wirkungsgrad. In der Praxis muss jedoch die Schaltübergangszeit (Totzeit) lang genug sein, um die dem Wirkungsgrad äußerst abträglichen Querströme (Shoot-Through Currents) zu vermeiden, wenn beide Schalter gleichzeitig durchgeschaltet sind.

Audio-Fidelity kann man als die naturgetreue Wiedergabe definieren, mit der ein Audiosystem Klangbilder reproduziert. Fidelity dient dabei stellvertretend für den alles umfassenden Ausdruck Klangqualität. Während unterschiedliche Spezifikationen zur quantitativen Bestimmung von Fidelity Verwendung finden, stellen einige dieser Messwerte für Entwickler besondere Herausforderungen dar. Zu den zwei schwierigsten Spezifikationen zählen der Klirrfaktor (THD, Total Harmonic Distortion) und das Rauschen (N, Noise), allgemein als THD + N bezeichnet.

High-Fidelity messen

THD ist ein Maß für die Genauigkeit eines Audiosystems. Ungenauigkeiten bei der Signalwiedergabe erzeugen zusätzliche Signalkomponenten in den Oberschwingungen der Eingangsfrequenzen, die von der Reinheit des Ausgangssignals ablenken. THD ist das Verhältnis der unerwünschten Energie sämtlicher Oberwellen zur Energie der Grundfrequenz des Eingangs; sie wird bei einem gegebenen System normalerweise bei der Hälfte der vollen Leistung gemessen. Zwar reicht eine THD-Performance von weniger als 0,2 Prozent für die meisten nicht-audiophilen Audioanwendungen aus, doch streben anspruchsvolle Zuhörer THD-Pegel von nur 0,05 Prozent oder sogar noch weniger an.

Der Rauschpegel am Ausgang ist ein Maß für die ausgangsseitigen Grundrauschpegel, ohne dass am Eingang ein Signal anliegt. Bei den meisten Lautsprechern ist ein Rauschpegel von 100…500 µV bei den meisten normalen Hörabständen nicht mehr wahrnehmbar, wohingegen sich ein Grundrauschen von hohen 1 mV als ziemlich unangenehm erweisen kann. In der Verbindung ist der Wert THD + N ein sehr guter Indikator für die naturgetreue Tonwiedergabe eines gegebenen Verstärkers.

Bild 2: Die Totzeit beeinflusst THD und Verlustleistung. Ist sie zu kurz, dann verschwendet das System Energie. Ist sie zu lang, entstehen nichtlineare Verzerrungen.

Bild 2: Die Totzeit beeinflusst THD und Verlustleistung. Ist sie zu kurz, dann verschwendet das System Energie. Ist sie zu lang, entstehen nichtlineare Verzerrungen.Silicon Labs

Class D-Treiber-IC: Merkmale und Vorteile

Die Totzeit eines Class-D-Verstärkers bezeichnet den Zeitraum, während dessen beide Schalter gleichzeitig abgeschaltet sind. Sie beeinträchtigt den Wirkungsgrad sowie den Klirrfaktor THD. Eine zu kurze Totzeit verursacht Querströme, welche den Wirkungsgrad verringern, während eine zu lange Totzeit die THD erhöht, welche wiederum der naturgetreuen Wiedergabe schadet (Bild 2).

Die Totzeitperiode muss daher so eingestellt werden, dass sie im „Sweet Spot“ liegt, der sowohl Leistungswirkungsgrad als auch THD optimiert. Die heute verfügbaren typischen Hochspannungs-Audio-Treiber sind durch grobe und sich überlappende Totzeiteinstellungen gekennzeichnet (nur eine Auswahl fest vorgegebener Verzögerungswerte). Daher entscheiden sich die meisten Entwickler dafür, die Totzeitperiode mit diskreten Bauelementen zu implementieren, was teuer und zeitraubend sein kann. Eine elegantere und kostengünstigere Lösung wäre die Integration eines Gate-Treibers mit einem hochgenauen Totzeitgenerator.

Pegelumsetzung

Die Implementierung eines bistabilen Class-D-Verstärkers kann wegen der Anforderungen an die Pegelverschiebung am Eingang schwierig sein. Bei Hochleistungs-Class-D-Verstärkern ist es wünschenswert, Hochspannungs-Versorgungsschienen (± VSS) für die Leistungs-MOSFET-Stufe einzusetzen (Bild 3). Bei realen Class-D-Verstärkerentwicklungen schafft es eine Spannung von ±100 VDC, hervorragende 600 Watt Audioleistung in 8 Ohm zu liefern.

Bild 3: Eine Pegelverschiebung ist erforderlich, um den digitalen Niederspannungsmodulator mit der bipolaren Ausgangsversorgung hoher Spannung zu verbinden.

Bild 3: Eine Pegelverschiebung ist erforderlich, um den digitalen Niederspannungsmodulator mit der bipolaren Ausgangsversorgung hoher Spannung zu verbinden.Silicon Labs

Den meisten erhältlichen HVIC-Class-D-Treibern (Hochvolt-IC) fehlt die Möglichkeit, für eine Pegelverschiebung vom Niederspannungs-Modulationsbereich auf den Hochspannungs-Leistungsbereich zu sorgen. Dagegen haben Treiber, die eine Pegelumsetzung enthalten, andere Nachteile und sind deshalb für den Class-D-Betrieb nicht ideal geeignet: Zum Beispiel ist der Masseanschluss des Treiberausgangs auf eine negative Spannungsschiene bezogen, so dass der Pegel des Eingangs-Ansteuersignals auf die negative Versorgung verschoben werden muss. Diese Funktionalität wird durch diskrete Bauelemente hinzugefügt, was kostspielig und schwer zu entwickeln ist sowie übermäßig viel Platz beansprucht. Pegelumsetzerlösungen, die eine Schnittstelle zu bipolaren Versorgungsschienen hoher Spannung bieten, stellen in Class-D-Entwicklungen einen beträchtlichen Vorteil dar.

Die meisten Treiberlösungen bieten im Normalfall keine Eingangs-zu-Ausgangs-Isolierung oder keine Isolierung zwischen den Treibern. Deshalb wird es notwendig, einen Mechanismus zur Pegelverschiebung mit zusätzlichen Komponenten vorzusehen.

Zuverlässigkeit und Störfestigkeit

Typische Gate-Treiber-ICs, wie man sie heutzutage erhält, haben die Tendenz, bei hohen Spannungsspitzen von 20 V/ns oder darüber zu verriegeln (Latch-up), und sie sind normalerweise keinesfalls immun gegen Störspannungsspitzen mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit, die von der Leistungsstufe zur digitalen Präzisions-Eingangsseite rückgekoppelt werden. Das ist einer der Hauptnachteile des Versuchs, das Grundrauschen für die beste Tonwiedergabe so gering wie möglich zu halten.

Eines der besten Kennzeichen, die ein Class-D-Gate-Treiber haben kann, ist seine Fähigkeit, bei hohen Schaltfrequenzen mit einem Minimum an Laufzeitverzögerung zu arbeiten. Dadurch kann die Gesamt-Schleifenverzögerung im Rückkopplungspfad für die bestmögliche Rauschleistung außerordentlich niedrig sein. Ein Betrieb mit höheren Frequenzen verbessert darüber hinaus die Schleifenverstärkung (Loop Gain), die im Allgemeinen die Verzerrungs-Performance des Verstärkers verbessert. Die meisten heute erhältlichen HVIC-Treiber unterstützen nur Modulationsfrequenzen bis zu 1 MHz.

Der passende Chip von Silicon Labs

Eine Lösung, die all diese Merkmale integriert, verkürzt die Entwicklungszeit, senkt die Anzahl benötigter Bauelemente und damit die Bestückungskosten und steigert zudem die Zuverlässigkeit. Ein hoch integrierter Gate-Treiber-IC kann wesentliche positive Auswirkungen sowohl auf die Systemarchitektur als auch auf die Audio-Performance haben. Die Silicon-Labs-Audiotreiber Si8241 und Si8244 sind die ersten Bausteine, die alle erwünschten Features einer Hochleistungs-Class-D-Lösung in einem einzigen IC-Gehäuse integrieren.

Zu den Vorteilen dieser Gate-Treiber zählen hochpräzise Totzeiteinstellungen, um den Klirrfaktor THD klein und den Wirkungsgrad groß zu halten. Außerdem entfallen eingangsseitige Schaltungen zur Pegelumsetzung, welche die Entwicklung verkomplizieren und die Zahl der Bauelemente erhöhen. Weitere Highlights sind isolierte Ausgangstreiber für einfache Implementierung von bistabilen Umschaltern sowie eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Spannungsspitzen in der Stromversorgung.