Entwicklung eines flexiblen, skalierbaren digitalen Audioverstärkers
Klasse D auf einem Chip
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Ein integrierter und flexibler Lösungsansatz
Ein entscheidener Vorteil beim Einsatz einer integrierten IC-Lösung, welche die vier essenziellen Klasse-DVerstärkerbausteine enthält, ist die Skalierbarkeit auf unterschiedliche Pegel der Ausgangsleistung sowie eine unterschiedliche Anzahl von Kanälen. Die Verstärker-Skalierung wird zu einem einfachen, dreistufigen Vorgang: Man tauscht einfach den MOSFET aus und ändert die Totzeit sowie den Schwellenwert für den Überlastungsschutz. Da sie dieselbe Basisentwicklung gemeinsam haben, spart ein skalierbares Design Zeit und Geld bei der Entwicklung von Endprodukten. Somit reduzieren sich die Zeit bis zur Markteinführung als auch die damit verbundenen Entwicklungskosten.
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Zusätzlich bringt der Einsatz externer MOSFETs Flexibilität bei der Festlegung eines optimalen Kompromisses von EMI und Wirkungsgrad mit sich, der für die jeweilige Anwendung passt. Die Gesamt-Audioleistung eines Klasse-D-Verstärkers, zum Beispiel seine Rausch- und THD-Eigenschaften (Total Harmonic Distortion, Gesamtklirrfaktor), wird in hohem Maße durch den Fehlerverstärker bestimmt. Ein integrierter Operationsverstärker mit hoher Störfestigkeit und 5 MHz Bandbreite ermöglicht im dargestellten Design-Beispiel eines IRS2092 einen THD von 0,005 % (Bild 2).
Ein Klasse-D-Verstärker enthält Eingangs- und Ausgangsstufen, die nahe beieinander liegen müssen. Praktisch gesehen, läuft der schwierigste Teil bei einer Klasse-D-Verstärkerentwicklung, bei der Gate-Treiber und Fehlerverstärker auf einem Silizium-Chip integriert sind, auf die Frage hinaus, wie man den rauschempfindlichen eingangsseitigen Analogteil von dem negativen Einfluss des Schaltrauschens der Leistungsstufe isoliert. Der IRS2092 garantiert die Rauschisolierung durch eine neuartige Methode zur Sperrschichtisolierung.
Sobald das Audio-Signal im Fehlerverstärker verarbeitet und dem schaltenden Trägersignal, das die Schaltfrequenz festlegt, hinzugefügt ist, wandelt ein PWM-Komparator die Mixed-Analoginformation in ein PWM-Signal um. In dieser Stufe des Verstärkers wird ein Teil der Regelkreisverstärkung realisiert. Ein guter PWM-Komparator wandelt das Analogsignal in PWM mit einer kurzen Laufzeitverzögerung um, die in den Rückkopplungsschleifen eine höhere Flexibilität erlaubt.
Im Anschluss an die erfolgreiche Generierung eines PWM-Signals besteht die nächste Herausforderung darin, das PWM-Signal von dem Fehlerverstärkerbereich auf die durch das Schalten der Transistoren störende Ausgangsstufe zu übertragen. Entscheidend dafür ist der Einsatz eines leistungsfähigen Hochspannungs-Pegelumsetzers. Der Pegelumsetzer verschiebt das Digitalsignal auf eine andere potentialfreie Ebene. Ein guter Pegelumsetzer leitet das PWM-Signal, genau wie ein idealer Differenzverstärker, unabhängig vom Spannungsunterschied auf jeder Seite sehr genau weiter.
Zu den schwierigsten Entwicklungsaufgaben zählt die Entwicklung des PWM-Regelkreises. Das Einfügen einer Totzeit ist ein notwendiges Übel, das häufig als der entscheidendste Teil bei der Schaltstufenentwicklung angesehen wird. Indem sie die begrenzten Schaltzeiten des MOSFET berücksichtigt, verhindert die Totzeit Brückenkurzschlüsse. Die Totzeit gewährleistet zwar einen sicheren Betrieb, sie erzeugt jedoch eine Nichtlinearität, die eine unerwünschte Verzerrung verursacht. Entwickler müssen häufig einen Kompromiss finden zwischen dem Erhalt einer besseren THD-Performance und einer Verminderung der Sicherheitsspanne für die Totzeit.
Schaltkreise wie der IRS2092 stellen eine eingebaute Totzeit zur Verfügung, so dass der Entwickler lediglich die Totzeit-Dauer entsprechend dem gewählten MOSFET auswählt.
- Klasse D auf einem Chip
- Literatur
- Ein integrierter und flexibler Lösungsansatz
