Spis treści:
Obwohl die Wurzeln der Class-D-Audioverstärkertechnologie bis in die späten 1950er Jahre zurückreichen, hat die Technologie seitdem enorme Fortschritte gemacht. Class-D-Audioverstärker gewinnen immer mehr Fans, weil sie immer effizienter werden und das Design immer weiter verfeinert wird, um Verzerrungen zu beseitigen. Die Entwicklung eines Audioverstärkers, insbesondere in Class-D, erfordert jedoch ein sehr gutes Verständnis der Phänomene auf der Ebene der fortgeschrittenen Mathematik und Physik.
Class-D Audioverstärker mit MOSFETs
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf das Grundprinzip eines Class-D-Audioverstärkers und beschreiben, wie man Signale eingibt, Komparatoren mit der Auswahl von Hilfskomponenten entwirft und Frequenzfilter und eine Leistungsstufe auf der Basis eines komplementären Paars von IRF3205- und IRF4905-Feldeffekttransistoren hervorhebt.
Grundprinzip eines Class-D-Audioverstärkers
Ein Klasse-D-Audioverstärker, dessen vereinfachtes Schaltbild in Abbildung 1 dargestellt ist, arbeitet mit einem pulsweitenmodulierten (PWM) Signal, um Transistoren in der Leistungsstufe mit hoher Frequenz zu schalten. Diese Art des Hochfrequenzschaltens führt zu einem Signal am Ausgang des Verstärkers, das im Verhältnis zum Eingangssignal proportional verstärkt wird. Das in den Verstärker eingespeiste Eingangssignal wird zunächst von einem Treiber in der Vorverstärkerstufe und einem Hochgeschwindigkeits-Komparator auf der Basis eines Operationsverstärkers in ein PWM-Signal umgewandelt. Das PWM-Signal wird dann zur Ansteuerung der MOSFETs in der Leistungsstufe verwendet (z. B. der bereits erwähnte IRF3205, der bei hohen Frequenzen schnell ein- und ausschalten kann). Das Ausgangssignal der Leistungstransistoren wird dann in LC-Hochpassfilter geleitet, um das hochfrequente Schaltsignal herauszufiltern, so dass nur das nutzbare Audiosignal übrig bleibt, das wir in Form von Musik, Sprache oder Soundeffekten am Ausgang hören wollen.
Das Grundprinzip eines Class-D-Verstärkers ist wie folgt: Ein Class-D-Leistungsverstärker arbeitet, indem er das Audio-Eingangssignal mit einem hochfrequenten Trägersignal moduliert, das in der Regel eine dreieckige Wellenform hat. Das Audioeingangssignal wird dann mit Hilfe eines Operationsverstärkers mit dem hochfrequenten Trägersignal gemischt, wodurch ein Audiosignal in Form einer PWM-Wellenform entsteht. In dieser Schaltung wird der Operationsverstärker als Differenzialkomparator verwendet. Das nützliche Audiosignal ist im PWM-Signal enthalten und wird zu den Gates von MOSFET-Transistoren geleitet, die in einer Push-Pull-Topologie angeschlossen sind. Die positiven Anteile des PWM-Signals treiben nur den oberen Transistor (N-Kanal) an und die negativen Anteile des PWM-Signals treiben nur den unteren Transistor (P-Kanal) an. Während des Umschaltens der Transistoren gibt es eine stromlose Unterbrechung an ihren Ausgängen, die notwendig ist, um einen Kurzschluss zwischen den Versorgungsschienen durch den Widerstand der Drain-Source-Kanäle der Transistoren zu verhindern, um diese nicht zu beschädigen. Der Einsatz von Hochfrequenz-Schalttechnik sorgt für einen hohen Wirkungsgrad der Endstufe, sogar im Bereich von 90%, so dass wir eine viel geringere Verlustleistung in Form von Wärme und einen geringeren Stromverbrauch von der Stromquelle haben als bei Class-A- oder Class-AB-Audioverstärkern. Class-D-Audioverstärker werden häufig in tragbaren Audiogeräten mit Batteriebetrieb (z.B. tragbare Bluetooth-Lautsprecher), Car-Audio-Systemen und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen Effizienz und minimale geometrische Abmessungen wichtige Anforderungen sind.
Erzeugung von PWM-Wellenformen
In einem Audioverstärker der Klasse D wird das PWM-Signal von einem speziellen Treiber-IC erzeugt. Der Treiber erzeugt, wenn er an das Eingangsaudiosignal angelegt wird, indem er es mit einem Dreieckssignal mischt, ein hochfrequentes PWM-Signal am Ausgang, das in der Regel eine rechteckige Wellenform mit Frequenzen in der Größenordnung von Hunderten von kHz bis zu mehreren MHz hat. Der Füllfaktor des PWM-Signals ist proportional zur Amplitude des Audiosignals am Eingang, wobei ein Füllfaktor von 0 % einen minimalen (negativen) Signalwert, 50 % einen Nullsignalwert und ein Füllfaktor von 100 % einen maximalen Signalwert anzeigt. Der Treiber-IC basiert in der Regel auf einem Komparator, der das Eingangsaudiosignal mit einer Referenzspannung vergleicht, die in der Regel eine dreieckige Wellenform hat. Der Ausgang des Komparators erzeugt ein PWM-Signal, das dann zur Ansteuerung der Transistoren in der Leistungsstufe verwendet wird.
Filterung von Endstufe und Verstärkerausgang
Die Treiberschaltung in der Eingangsstufe ist außerdem mit einem Totzeitgenerator ausgestattet, der die Transistoren in der Leistungsstufe davor schützt, gleichzeitig ein- und ausgeschaltet zu werden, um einen Kurzschluss am Ausgang zu vermeiden. Die Leistungsstufe verwendet in der Regel unipolare Transistoren (MOSFETs), die als komplementäres Paar geschaltet sind, z.B. IRF3205 (N-Kanal) zusammen mit IRF4905 (P-Kanal). Das PWM-Signal liegt nach der Verstärkung durch die Transistoren weiterhin am Ausgang der Leistungsstufe vor, wo es einem LC-Hochpassfilter zugeführt wird, um hochfrequente Störungen zu entfernen, so dass am Ausgang des Filters nur ein sauberes Audiosignal übrig bleibt, das dann an die Lautsprecher weitergeleitet wird. Einer der gängigsten Ansätze bei der Entwicklung eines Filters zwischen der Endstufe und den Lautsprechern ist die Verwendung eines Butterworth-Hochbandsperrfilters zweiter Ordnung. Um einen langen und zuverlässigen Betrieb des Systems zu gewährleisten, werden feste dielektrische Kondensatoren wie metallisierte Polyester (MKT/MKSE) oder Polypropylen (MKP) anstelle von Elektrolytkondensatoren empfohlen. Außerdem haben solche Kondensatoren einen sehr niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und werden in der Regel mit höherer Genauigkeit als Elektrolytkondensatoren hergestellt.
