Hochwirksamer EMI-Unterdrückung gegen Funkstörungen durch Klasse-D-Audio EMI-Unterdrückung von Klasse-D-Funkstörungen

Das in Rot abgebildete Spektrogramm (links) zeigt ein typisches Störspektrum eines Klasse-D-Verstärker, das in Blau abgebildete Spektrogramm (rechts) das Störspektrum des Si270x.

In seinem neuen Chip Si270x implementiert Silicon Labs eine Reihe von EMI-Unterdrückungsmaßnahmen, die sicherstellen, dass die Schaltflanken in Klasse-D-Audioschaltungen kaum noch Funkstörungen verursachen.

Vor allem der Mittelwellenempfang wird erfahrungsgemäß von Klasse-D-Endstufen oft gestört. Wer nach Umstellung auf die neue Technik das Funkspektrum nach den gefürchteten Spitzen absucht, wird nun aber nicht mehr fündig: Es gibt zwar Störungen (electromagnetic interference, EMI), jedoch bleiben diese alle unterhalb einem Niveau, das mitunter 25 dB unterhalb sonst auftretender Spitzen liegt.

Wie gut die Störunterdrückung funktioniert, weist der US-amerikanische Chiphersteller Silicon Labs anhand eines Referenzdesign nach, auf dem der Funkempfängerchip nur 2 cm von IC mit dem Klasse-D-Verstärker positioniert ist. Es kommt dennoch nicht zu hör- und messbaren Störungen (oberhalb einer zulässigen Schwelle). »Sogar die Antenne muss nicht weiter als 10 cm von der Endstufe weg sein«, berichtet Rick Beale, Direktor für das Geschäftsfeld Audio-Verstärker bei Silicon Labs.

Bündel von EMI-Unterdrückungsmaßnahmen

Um das Störunterdrückungsziel zu erreichen, mussten die Entwicklungsingenieure bei Silicon Labs gleich an mehreren Fronten kämpfen. Die Hauptbaustellen waren:

Entwicklung einer EMI-Unterdrückungstechnik auf mehreren Ebenen, die Klasse-D-Interferenzen bereits an der Signalquelle unterdrückt. Mit dieser Technik trugen die Ingenieure nicht nur stark zur Senkung der gesamten Störleistung im breiten betrachteten Band  bei, sondern verhinderten so auch das Auftreten von Spitzen im Störspektrum (siehe Kasten »Warum Besänftigung von Klasse D?«).

Es gelang außerdem, die Steilheit der Schaltflanken so zu gestalten, dass sie weniger Störstrahlung herbeiführen (slew rate control), jedoch ohne dass der Wirkungsgrad darunter litt. Silicon Labs bezeichnet das Schaltverfahren als »soft switching«.

Im Gegensatz zu bestehenden Klasse-D-Lösungen verringert der Si270x so die Störstrahlung im so genannten EMI-Compliance-Band um das 10-fache, im UKW-Radio-Band um das 100-fache und im MW-Band um das 1000-fache.

Die vorgenommenen Manipulationen des Signals können zur Folge haben, dass die Audioqualität leidet. Das wiederum verhinderten die Ingenieure mit Hilfe einer ausgeklügelten Rückkoppelungstechnik, mit der sie das an die Lautsprecherleitung abgegebene Signal mit dem der Audioquelle vergleichen und Abweichung sozusagen »on-the -fly« reparieren.

Als letzte Maßnahme entwickelten die Ingenieure einen sehr effektiven und abstimmbaren Blockungsfilter (Sperrfilter, notch filter) für den AM-Empfang. Diese Sperre hält die Störfrequenzen außerhalb des Durchlassbereiches vom Rest der Empfängerschaltung fern, was as Signal-Rauschverhältnis merklich hebt.

Damit der Verstärker auch in einer Mobiltelefon-Umgebung störungsfrei arbeitet, ist es wichtig, dass die oft störende Rahmenfrequenz von GSM unterdrückt wird (infolge der GSM-Rahmenlänge von 4,615 ms entsteht ein hörbares Signal mit einer Frequenz von 217 Hz, das zudem mit 8 Hz moduliert wird). Auch diese Unterdrückung gelingt dem Baustein hervorragend.

Nun könnte man einwenden, dass die komplizierte Klasse-D-Technik zum Stromfresser wird: Was man in der Endstufe gegenüber Klasse A/B spart, könnte als Energieverbrauch im komplexen IC wieder verloren gehen. Beale gibt Entwarnung: »Bei vergleichbarer Ausgangsleitung kommen wir mit 6 V, also 4 AA-Batterien, aus. Das ist schon ein Vorteil gegenüber Klasse A/B, die 12 V und die doppelte Menge an Batterien benötigen würde. Außerdem ist der Stromverbrauch geringer, was sich an der Standzeit der Batterien bemerkbar macht: Bei unserem IC konnten wir 8,4 Stunden Betrieb verwirklichen, 2,5 Mal mehr als bei Klasse A/B. Hinzu kommt, dass ein Netzadapter für 6 V billiger als einer für 12 V ist.«

Der Baustein ist in einem 24-poligen QFN-Gehäuse untergebracht und in vier Varianten lieferbar: In der voll bestückten Variante Si2707 befinden sich die Funktionen Störunterdrückung, Lautstärke- und Klangregelung, abstimmbares AM-Sperrfilter und der Audi-DSP. In der Variante Si2706 fehlt das Filter, in der Variante Si2705 der DSP und in der Variante Si2704 fehlen beide. Ein komplett mit Entwicklungssoftware (darunter grafische Nutzeroberfläche) ausgestattetes Evaluation Board (Referenzdesign) ist ebenfalls lieferbar.