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Modellierung und numerische Simulationsmethoden für die ... - VDE

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Analog ’03, 7. ITG/GMM-Diskussionssitzung, 11.-12. September 2003, Heilbronn 1/6 Modellierung und numerische Simulationsmethoden für die Analyse von parasitären Effekten in Klasse-D Audio-Leistungsverstärkern Bartholomeus Beute, Martin Streitenberger, Wolfgang Mathis Institut für Theoretische Elektrotechnik und Hochfrequenztechnik Universität Hannover, Appelstr. 9A, 30167 Hannover mathis@tet.uni-hannover.de www.tet.uni-hannover.de Kurzfassung In diesem Beitrag untersuchen wir die „parasitären Effekte“ von „digitalen“ Klasse-D Audio-Leistungsverstärkern. Diese Effekte können im allgemeinen zu harmonischen und nichtharmonischen Verzerrungen im Audio-Ausgangssignal führen. Inhalt dieser Studie ist der Vergleich von numerischen Simulationsmethoden und die Weiterentwicklung geeigneter Modelle für derartige Schaltverstärker. Gütemaßstab ist dabei der Vergleich zwischen Messung und Simulation. Eigene Simulationen auf MatLab-Basis sowie PSpice-Ergebnisse werden diskutiert. 1 Einleitung In den vergangenen Jahren hat das Interesse am Konzept des Klasse-D-Verstärkers im Bereich der Audioleistungsverstärker enorm zugenommen (siehe z. Bsp. [1, 2]). Dies hat zwei wesentliche Ursachen: Einerseits bietet dieses Konzept einen wesentlich höheren Wirkungsgrad bei der Signalverstärkung als quasi-lineare Verstärkerkonzepte (Klasse-A, -AB). Abbildung 2 zeigt das allgemeine Blockdiagramm einer solchen, häufig auch als „Digitalverstärker“ bezeichneten Anordnung. Andererseits eignet sich das Klasse-D-Konzept besonders durch die Verwendung von Binärsignalen für „vollständig digitale Verstärker“, bei denen das Kodierungsverfahren (Coding) digital implementiert ist. Der Vorteil einer solchen Konfiguration begründet sich darin, dass immer mehr digitale Medien zur Speicherung der Audiodaten zur Verfügung stehen und somit die D/A-Wandlung vor der Verstärkung entfällt. digital audio in switched-mode power stage D/A conversion Coding LPF binary signal with separated baseband analog audio out Fig. 2: Blockdiagramm eines Klasse-D-Verstärkers Die Rekonstruktion des (analogen) Audiosignals aus dem verstärkten Binärsignal erfolgt durch ein reflexives, verlustloses Tiefpassfilter (LPF). Ein wichtiger Parameter des Binärsignals ist dessen Schaltrate. Sie hat entscheidenden Einfluss auf den Wirkungsgrad der Schaltstufe. Für die Kodierung können verschiedene Verfahren angewendet werden. Man unterscheidet im wesentlichen zwischen Verfahren, die auf pulslängemodulierten und auf Sigma-Delta-modulierten Binärsignalen basieren. Im Rahmen dieser Arbeit beschränken wir uns auf den Einsatz des SB-ZePoC Verfahrens, das zur ersten Gruppe gehört. Es handelt sich hierbei um ein neuartiges Kodie- rungsverfahren (siehe Streitenberger, Mathis, et al. [3, 4]), welches die Erzeugung eines Binärsignals mit sogenanntem separiertem Basisband ermöglicht, und somit den Entwurf von Klasse-D-Verstärker mit extrem niedriger Schaltrate erlaubt. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten konzentrieren wir uns auf die Modellierung und Simulation von parasitären Effekten bei der Klasse-D-Leistungsstufe sowie dem Rekonstruktionsfilter, um deren Einflüsse auf das analoge Audio-Ausgangssignal des Verstärkers zu untersuchen. a) b) d B r A d B V +0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -110 0 4k 8k 12k 16k Hz 20k 24k 28k 32k +10 +0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 0 4k 8k 12k 16k Hz 20k 24k 28k 32k Abb. 1: gemessene Basisband-Spektren: a) vom SB-ZePoC Verfahren generiertes Binärsignal mit verzerrungsfreiem Basisband, b) verzerrungsbehaftetes Ausgangssignal des Verstärkers

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