Усилитель класса D, вопросы реализации. Опции

[SM]

Полез глубоко в тему, ибо надо, и хочу аккуратно обойти все грабли . Подразумевается filter free усилок без ОС мощностью до ватта для работы на 8-ом динамик.
Собственно, вот они, мои вопросы:

1) Две топологии модуляторов. ШИ и сигма-дельта (первого порядка). Что предпочесть? Почему? Куча литературы, куча противоположных мнений. ШИ проще и компактнее, сигма сложнее и больше (переключаемые кондеры пачками). Зато спектр шума-помех и нелинейные у сигмы типа как лучше. Сразу скажу, меня устраивает и то и это, но если area лишняя будет, или еще там какие факторы, почему не сделать лучше (или не стоит) ?

2) Мостовой выход. Это априори необходимо. С ШИ почти понятно (вопрос 3 будет), а вот с сигма-дельта никак. Как сделать сигма-дельта модулятор, и полный мост? Есть ли литература на тему?

3) ШИ, мост. Два варианта. А) при нуле 50% на обоих сторонах и синфазно, при уходе в плюс одна сторона уменьшает скважность, вторая увеличивает. в минус - наоборот. Б) при нуле на обоих сторонах земля, при уходе в плюс ШИМит одна половина, при уходе в минус - вторая. Большинство делают А). Вопрос - почему. Чем хуже Б) (кроме требования сделать два зверски согласованных компаратора) ?

ЗЫ
Пока в топологию (в смысле схематику под технологию, ее моделирование и разводку) не лезу, делаю макет на рассыпухе.

[woodman2]

1) Две топологии модуляторов. ШИ и сигма-дельта (первого порядка). Что предпочесть? Почему? Куча литературы, куча противоположных мнений. ШИ проще и компактнее, сигма сложнее и больше (переключаемые кондеры пачками). Зато спектр шума-помех и нелинейные у сигмы типа как лучше. Сразу скажу, меня устраивает и то и это, но если area лишняя будет, или еще там какие факторы, почему не сделать лучше (или не стоит) ?

Не совсем понятно, что подлежит разработке - Digital Amplifier на базе имеющихся-выпускающихся компонентов или задача включает разработку компонентов (микросхем)?
Адназначна ст'оит, всегда ст'оит делать лучше, это приносит удовлетворение и радость в жизни, а это то, ради чего живем!

2) Мостовой выход. Это априори необходимо. С ШИ почти понятно (вопрос 3 будет), а вот с сигма-дельта никак. Как сделать сигма-дельта модулятор, и полный мост? Есть ли литература на тему?

А что мешает применить дифференциальную и зеркально-симметричную схему модулятора?
К сожалению сейчас доступной мне литературы по дельта модуляторам нет.

3) ШИ, мост. Два варианта. А) при нуле 50% на обоих сторонах и синфазно, при уходе в плюс одна сторона уменьшает скважность, вторая увеличивает. в минус - наоборот. Б) при нуле на обоих сторонах земля, при уходе в плюс ШИМит одна половина, при уходе в минус - вторая. Большинство делают А). Вопрос - почему. Чем хуже Б) (кроме требования сделать два зверски согласованных компаратора) ?

По-моему тут может быть проблема, сходная с проблемой ступеньки в пушпульных усилителях при переходе через ноль.
Т.е. определить, когда работает один ШИМ а когда другой и соответственно согласованно включать/ выключать нужный. Неточность и не согласованность в работе двух ШИМ - дополнительные искажения.
Как в момент перехода с одного на другой, так и не полная симметрия характеристик двух преобразователей. В варианте А оба ШИМ работают всегда и пэтому нет разниуы в восстановлении положительных и отрицательных полуволн сигнала.
Да, и Вар. А прще, а это уже близко к гениальности..
Ну все это мои соображения, извините если не правильно понял задачу.

[SM]

Не совсем понятно, что подлежит разработке - Digital Amplifier на базе имеющихся-выпускающихся компонентов или задача включает разработку компонентов (микросхем)?

Задача разработать усилитель как часть "системы на кристалле". То есть, грубо говоря, микросхему. А на самом деле один из аналогово-цифровых ее блоков. (Собственно и весь раздел об этом) На данный момент я сделал класс АВ, но удовлетворения, особенно по теплу, это не принесло

Адназначна ст'оит, всегда ст'оит делать лучше, это приносит удовлетворение и радость в жизни, а это то, ради чего живем!

Тут надо все очень и очень взвесить. Площадь - деньги. И на что ее лучше пустить, когда она есть - вопрос очень непростой.

А что мешает применить дифференциальную и зеркально-симметричную схему модулятора?
К сожалению сейчас доступной мне литературы по дельта модуляторам нет.

Вот это интересно. Под дифференциальной зеркально-симметричной я понимаю схему, когда используются полно-дифференциальные оперы во всем тракте, но компаратор-то все равно один... Хоть и с инверсными противофазными выходами. Т.е. Выход-то нули и единицы, как бы однобитный ЦАП. Как из этого выхода сделать нечто для драйвенья моста, когда при нуле должен быть околонлуевой ток в нагрузке?

ЗЫ
Задачу Вы вроде правильно поняли, про искажения "ступенька" я тоже думал, но это сводится вроде к согласованию компараторов, что в общем не особо проблема.

[SM]

Собрал я на рассыпухе PWM-усилок, работает, в принципе вроде и устраивает. Но все таки хочется поглядеть на сигма-дельту. Неужели никому не попадалась топология (не в смысле gds ) модулятора для работы на H-бридж?

[Stanislav]

Дык, Вы ж микруху крючить собираетесь? Или неправильно понял...
Для сигма-дельта первого поядка, по наитию, тактовая частота должна быть гораздо больше, чем для ШИМ. При примерно одинаковом качестве звуковоспроизведения.

[evi]

Не следует недооценивать сложности усилителя класса Д, особенно если требуется широкий дин. диапазон. На одной фирме где я когда-то работал его 4 опытных инженера почти год разрабатывали. Я в этом проэкте не участвовал, так что не дока, но я помню они там замучились. По-моему было что-то вроде ШМ в обратной связи сигма-дельты.

[SM]

Дык, Вы ж микруху крючить собираетесь? Или неправильно понял...
Для сигма-дельта первого поядка, по наитию, тактовая частота должна быть гораздо больше, чем для ШИМ. При примерно одинаковом качестве звуковоспроизведения.

Да, я собираюсь делать все на кристалле. От источника сигнала и до выходного каскада. Но несмотря на это мне все равно интересно исследовать вопрос как СД-модулятором запитать H-мост. И порядок меня не первый не пугает, и частота... До меня пока вообще не доходит принципиально, что надо сделать с выходом квантователя, чтобы H-мост драйвить.

[evi]

По-моему было что-то вроде ШМ в обратной связи сигма-дельты.

Нет, вру, вспомнил что это был ШИМ в цепи обратной связи. Топологически все не сложно, но если требования для аудио-качества (90 дБ С\Ш), этого довольно трудно добиться, и цепь обр связи должна быть нетривиальная (как минимум двойная ОС и второй порядок), и требования к изкажениям всех блоков довольно высокие. Если же это для голоса (телефон, мобилы), то гораздо проще.

[SM]

Если же это для голоса (телефон, мобилы), то гораздо проще.

Да, для телефона. Однозначно схема должна быть без ОС (по аналогу, по цифре, как в СД, не против), так как filter-free. Но все равно хочу исследовать разные варианты.

[evi]

Да, для телефона. Однозначно схема должна быть без ОС (по аналогу, по цифре, как в СД, не против), так как filter-free. Но все равно хочу исследовать разные варианты.

Ну для телефона СД не нужен, обыкновенный ШИМ сойдет.

Сообщение отредактировал evi - Jan 15 2007, 01:35

[Abakt]

Ti.com сэмплит лихо до 300 Вт усилки Д - аж по 5 штук швыряет.

[SM]

Ну для телефона СД не нужен, обыкновенный ШИМ сойдет.

Верю. Но хочу смоделировать сам прежде чем выбрать окончательно.

[woodman2]

Да, для телефона. Однозначно схема должна быть без ОС (по аналогу, по цифре, как в СД, не против), так как filter-free. Но все равно хочу исследовать разные варианты.

У меня такое ощущение, что как раз для "filter-free" СДМ будет вносить меньший вклад помех и шума в речевой диапазон за счет более высокой тактовой и величины "ступеньки", т.е. сместит спектр помехи переключения вверх.

Да, я собираюсь делать все на кристалле. От источника сигнала и до выходного каскада. Но несмотря на это мне все равно интересно исследовать вопрос как СД-модулятором запитать H-мост. И порядок меня не первый не пугает, и частота... До меня пока вообще не доходит принципиально, что надо сделать с выходом квантователя, чтобы H-мост драйвить.

По моему можно просто запитать каждую половину моста прямым и инвертированным выходным сигналом квантователя?
При этом половинки моста будут работать в противофазе.

[SM]

По моему можно просто запитать каждую половину моста прямым и инвертированным выходным сигналом квантователя?
При этом половинки моста будут работать в противофазе.

Ну уж извините, но этого никак нельзя делать. В таком случае даже в состоянии покоя через нагрузку потечет термоядерный ток.

[Stanislav]

По моему можно просто запитать каждую половину моста прямым и инвертированным выходным сигналом квантователя?
При этом половинки моста будут работать в противофазе.

Ну уж извините, но этого никак нельзя делать. В таком случае даже в состоянии покоя через нагрузку потечет термоядерный ток.

Почему же потечёт? В состоянии покоя на нагрузке будет меандр высокой частоты, с нулевым средним. На мой взгляд, всё-таки фильтр ставить на выход необходимо, но даже если его не будет, ток будет ограничиваться индуктивностью головки.
Поэтому, совет woodman2 считаю правильным. Более того, мне кажется, что как-то по-другому сделать и не удастся...

[Doka]

По моему можно просто запитать каждую половину моста прямым и инвертированным выходным сигналом квантователя?
При этом половинки моста будут работать в противофазе.

Ну уж извините, но этого никак нельзя делать. В таком случае даже в состоянии покоя через нагрузку потечет термоядерный ток.

Почему же потечёт? В состоянии покоя на нагрузке будет меандр высокой частоты, с нулевым средним.

а как обеспечить нулевое среднее без ОС ??? (см. изначальный пост)

[Stanislav]

а как обеспечить нулевое среднее без ОС ??? (см. изначальный пост)

Этот вопрос, скорее, следует отнести к риторическим.
Конечно, без ООС точно нулевое среднее обеспечить не удастся. Однако, ужесточив требования к симметричности плеч моста, "околонулевой" ток ХХ, по-моему, получить удастся.
Можно, конечно, ещё и подключить нагрузку через разделительный кондёр, но это неэстетично...

[SM]

Почему же потечёт? В состоянии покоя на нагрузке будет меандр высокой частоты, с нулевым средним. На мой взгляд, всё-таки фильтр ставить на выход необходимо, но даже если его не будет, ток будет ограничиваться индуктивностью головки.
Поэтому, совет woodman2 считаю правильным. Более того, мне кажется, что как-то по-другому сделать и не удастся...

Во первых изначально обсуждается только filter-free топология. Во вторых с ШИ-модуляторов отлично получается околонулевой ток покоя на резистивной нагрузке (и околонулевой ток покоя на такой нагрузке есть итребование ТЗ), когда в покое оба плеча работают синфазно на 50-процентах, и я не думаю, что для СД не придумано ничего аналогичного.

а как обеспечить нулевое среднее без ОС ??? (см. изначальный пост)

Наиболее точным согласованием параметров половин. Для ШИ - еще точной пилой, которая пилит через "ноль" на 50 процентах скважности. Все это достигается в основном ухищрениями при разводке топологии кристалла, и вопрос не об этом.

[Stanislav]

Во первых изначально обсуждается только filter-free топология. Во вторых с ШИ-модуляторов отлично получается околонулевой ток покоя на резистивной нагрузке (и околонулевой ток покоя на такой нагрузке есть итребование ТЗ), когда в покое оба плеча работают синфазно на 50-процентах, и я не думаю, что для СД не придумано ничего аналогичного.

Понятно.
Иными словами, Вы хотите получить нечто вроде фазового управления мостом для сигма-дельта усилителя?
Боюсь, что для сигма-дельта получить малый ток ХХ на активной нагрузке не получится...

[SM]

Пытаюсь пока разобраться с PGM (Pulse Group Modulation), которой снижают тактовую СД-модулятора. Только вот к сожалению задач толпа, времени ноль...

[Stanislav]

Сигма-дельта, в отличие от ШИМ, управляет населённостью импульсов, а не их шириной, так что, по-видимому, эта техника плохо подходит для реализации бесфильтрового усилителя, если есть требование малого начального тока на активной нагрузке.
Вот статью нашёл. Правда, обзорную, но, возможно, почитать будет полезно...

[woodman2]

Ну уж извините, но этого никак нельзя делать. В таком случае даже в состоянии покоя через нагрузку потечет термоядерный ток.

По моему "термоядерный ток" характерен как раз для ШИМа, где он или максимальный или нулевой, а в СДМ, линейном СДМ, ток ограничевается для обеспечения небльшой и постоянной "ступеньки" напряжения на нагрузке, это вроде вытекает из принципа работы СДМ. И потом, нагрузка то у Вас не с нулевым сопротивлением, так же как и импеданс выходного каскада.
Конечно, и тут Stanislav по моему прав, СДМ не дает Вам возможности обеспечить нулевой начальный ток или ток покоя, в СДМ будем иметь непрерывное переключение модулятора и соответственно ненулевое потребление во всех режимах работы.

[evi]

А может СДМ с трех-уровневым ЦАПом сделать, а нагрузку подключить через мост? Срений уровень - ключи офф, верхний и нижний уровни включают мост в одной или другой полярности.

[SM]

А может СДМ с трех-уровневым ЦАПом сделать, а нагрузку подключить через мост? Срений уровень - ключи офф, верхний и нижний уровни включают мост в одной или другой полярности.

О!! Большое спасибо! Меня, как и похоже всех остальных советчиков, что-то переклинило на однобитном квантователе. Только наверное средний уровень - ключи все таки не офф, а обе стороны на какой-нить rail. Теперь есть что помоделировать!

а в СДМ, линейном СДМ, ток ограничевается для обеспечения небльшой и постоянной "ступеньки" напряжения на нагрузке, это вроде вытекает из принципа работы СДМ. И потом, нагрузка то у Вас не с нулевым сопротивлением, так же как и импеданс выходного каскада.

Нагрузка, я думаю, всем знакомая - динамик, и высокоомностью она не отличается. Как и выходное ключей. А ток никто не ограничивает в СДМ, ступенька напряжения это на интеграторе, в самом СДМ, а не в нагрузке, где ключ, который или открыт, или закрыт, и третьего ему не дано.

[Stanislav]

А может СДМ с трех-уровневым ЦАПом сделать, а нагрузку подключить через мост? Срений уровень - ключи офф, верхний и нижний уровни включают мост в одной или другой полярности.

Блинн, опередили.
Тоже об этом подумал вчера вечером. Только ключи не офф, а в фазе (или одном уровне), если "0", или в соотв. противофазе, если "1" или "-1".
PS. Ещё побочный эффект хороший: частоту дискретизации можно снизить при том же отношении С/Ш.

[Abakt]

ti.com раздает по 5 штук усилков Д на 315 Вт.

[SM]

ti.com раздает по 5 штук усилков Д на 315 Вт.

Что? Прямо сразу топологию, да под нужную мне технологию? Афигеть, дайте два, на пять не претендую !!!

[Stanislav]

Что? Прямо сразу топологию, да под нужную мне технологию? Афигеть, дайте два, на пять не претендую!!!

У Аналог Девиц сигма-дельта есть filterless мелкие - SSM230x. Может, для моделирования сойдут, или ещё инфу какую-нить полезную выудить удастся...

[sky_1]

У Аналог Девиц сигма-дельта есть filterless мелкие - SSM230x. Может, для моделирования сойдут, или ещё инфу какую-нить полезную выудить удастся...

Интересная статья по классу D на http://www.russianelectronics.ru/review/doc7303.phtml.
Там же еще много всего разного.

[monya]

Блинн, опередили.
Тоже об этом подумал вчера вечером. Только ключи не офф, а в фазе (или одном уровне), если "0", или в соотв. противофазе, если "1" или "-1".
PS. Ещё побочный эффект хороший: частоту дискретизации можно снизить при том же отношении С/Ш.

Nemogu poniat! A pochemu Sigma-Delta budit luchshe? TI delaet toge samoe na dvux komparatorax + PWM

[SIA]

Однозначного ответа о том, как делать Filterless без информации о допустимом спектре помех и виде нагрузки дать нельзя.
Тут вот какие засады. Во-первых, при работе на динамик в его катушке стоит железный сердечник, резко увеличивающий потери для ВЧ составляющих тока в катушке, соответственно КПД - псу под хвост, маленький ВЧ нагреватель получается. С этим можно бороться, только уменьшая амплитуду ВЧ -составляющих тока через катушку динамика всеми способами, от использования технологии с "неактивным" пассивным временем (когда выходы моста уходят в третье состояние), до взвинчивания частоты, с тем, чтобы сказались индуктивности проводников. В последнем случае, надо смотреть еще на потери переключения в мосте. Сигма-дельта больше третьего порядка в данных условиях большого смысла не имеет - снижать тактовую не нужно, а лучше ШИМ она тем, что распределяет ток потребления во времени более равномерно (меньше проблем с помехами на чипе).
Если нужно предметно, именно применительно к чиповой реализации, то это тема отдельного разговора, пишите.

[monya]

Однозначного ответа о том, как делать Filterless без информации о допустимом спектре помех и виде нагрузки дать нельзя.
Тут вот какие засады. Во-первых, при работе на динамик в его катушке стоит железный сердечник, резко увеличивающий потери для ВЧ составляющих тока в катушке, соответственно КПД - псу под хвост, маленький ВЧ нагреватель получается. С этим можно бороться, только уменьшая амплитуду ВЧ -составляющих тока через катушку динамика всеми способами, от использования технологии с "неактивным" пассивным временем (когда выходы моста уходят в третье состояние), до взвинчивания частоты, с тем, чтобы сказались индуктивности проводников. В последнем случае, надо смотреть еще на потери переключения в мосте. Сигма-дельта больше третьего порядка в данных условиях большого смысла не имеет - снижать тактовую не нужно, а лучше ШИМ она тем, что распределяет ток потребления во времени более равномерно (меньше проблем с помехами на чипе).
Если нужно предметно, именно применительно к чиповой реализации, то это тема отдельного разговора, пишите.

Izvinite za translit.
1. Dopustimiy spektr pomex mogno zadat naprimer min. maska FCC.
2. Rol katushki dinamika osushetvliat lowpass filtraciu propuskat audio i gasit pwm. IMXO: U pravilono sproektirovanniy class D, poteri KPD na visokochastotnie sostovliaushie signala budut namnogo menshe < 1%. Pri etom max. KPD poriadka >90%. Esli posmotret na xarakteristiku KPD=f(Pout) to vidno chto max KPD nelineina i dostigaetsia pri max vixodnoi moshnosti. Snigenie vixodnoi moshnosti privodit k uvlelicheniu poter perekluucheniya.
3. Soglasen naschit Signma-Delta.
4. Interestno uznat bolee predmetno po povodu chipovoi realizacii.

[abu]

Для своих целей делал след. образом
сд 3 уровня
положительную полуволну 1 полумост, отрицательную 2 полумост.
"неактивный" полумост тянет нагрузку к земле (и бутстеп одновременно заряжает)
пытался делать с помощью шима напоролся на подводные камни
глубина модуляции больше 95% не получалась изза дедтаймов полумостов
в сд получился ближе к 100%.
если выходных уровней 2 и работа полумостов в противофазе то рассогласование по задержкам в N нС между полумостами создает генератор N нС помех
как и чем потом это душить? единственный вариант который Я смог придумать это синфазный дросселек на выход, но и с ним там еще проблемы дополнительные возникают, возможно что можно чтолибо наворотить со сдвигом 1/4 периода, на Я туда не лазил.
так что имхо 3 уровня сд рулез
где то была статейка по которой делали програмный сд (с ходу не нашел), в общих чертах помимо полезного сигнала к его входу подмешивали еще и доп. шум.

[monya]

Для своих целей делал след. образом
сд 3 уровня
положительную полуволну 1 полумост, отрицательную 2 полумост.
"неактивный" полумост тянет нагрузку к земле (и бутстеп одновременно заряжает)
пытался делать с помощью шима напоролся на подводные камни
глубина модуляции больше 95% не получалась изза дедтаймов полумостов
в сд получился ближе к 100%.
если выходных уровней 2 и работа полумостов в противофазе то рассогласование по задержкам в N нС между полумостами создает генератор N нС помех
как и чем потом это душить? единственный вариант который Я смог придумать это синфазный дросселек на выход, но и с ним там еще проблемы дополнительные возникают, возможно что можно чтолибо наворотить со сдвигом 1/4 периода, на Я туда не лазил.
так что имхо 3 уровня сд рулез
где то была статейка по которой делали програмный сд (с ходу не нашел), в общих чертах помимо полезного сигнала к его входу подмешивали еще и доп. шум.

Interestnaya realizaciya. No est voprosi.

1. Tri urovnia mogno sdelat i na 2x comparatorax. Problema s Sigma-Delta eto shum kvantovaniya kotoriy xot i shaped No vsio ravno vishe chem u PWM. K tomu ge dinamicheskie poteri vishe potomu kak chastota na vixode dolgna bit vishe.
2. Ne soglasen s 95% (xotia zavisit ot tranzistorov v vixodnom kaskade. Ya vidil mnogo statei v kotorix isledovalas zavisimost megdu deadtime i THD i zakluchenie takoe chto vixodnoe THD v procentom otnosheni takoe ge kak dead tim Fclk. Esli dead time 5%, to THD 5%? K tomuge kak dead time zavisit ot duty? Na moi vzgliad deadtime nugno tolko dlia odnoi polovinki mosta. Vtoraya polovinak vkluchina cherez nagruzku i tok budit ogranichivatsia nagruzkoi!!!
3. Mne ochen interestno uznat kakoe distortion vi dostigli s "положительную полуволну 1 полумост, отрицательную 2 полумост." Na moi vzgliad THD dolgno bit visoko! U vas bila obratnaya sviaz? Kakie trebovaniya k vxodnomu usiliterlu po common mode voltage. S takoi nagruzkoi Vcm dolgno bit blizko v VDD?

[abu]

Interestnaya realizaciya. No est voprosi.

1. Tri urovnia mogno sdelat i na 2x comparatorax. Problema s Sigma-Delta eto shum kvantovaniya kotoriy xot i shaped No vsio ravno vishe chem u PWM. K tomu ge dinamicheskie poteri vishe potomu kak chastota na vixode dolgna bit vishe.
2. Ne soglasen s 95% (xotia zavisit ot tranzistorov v vixodnom kaskade. Ya vidil mnogo statei v kotorix isledovalas zavisimost megdu deadtime i THD i zakluchenie takoe chto vixodnoe THD v procentom otnosheni takoe ge kak dead tim Fclk. Esli dead time 5%, to THD 5%? K tomuge kak dead time zavisit ot duty? Na moi vzgliad deadtime nugno tolko dlia odnoi polovinki mosta. Vtoraya polovinak vkluchina cherez nagruzku i tok budit ogranichivatsia nagruzkoi!!!
3. Mne ochen interestno uznat kakoe distortion vi dostigli s "положительную полуволну 1 полумост, отрицательную 2 полумост." Na moi vzgliad THD dolgno bit visoko! U vas bila obratnaya sviaz? Kakie trebovaniya k vxodnomu usiliterlu po common mode voltage. S takoi nagruzkoi Vcm dolgno bit blizko v VDD?

сразу нужно было оговорится что у меня не усилитель класса D а мощный инвертор на выходе 1 частота, суть одна но есть нюансы.
1. динамические потери в моем случае у сигма дельта меньше, (при тех же искажениях после LC фильтра) потому что число переключений у сигма дельта за период выходного сигнала меньше.
2. D.T. надо любому (полу)мосту. можно поискать зависимости THD от D.T. в IR аппнотах.
3. THD не мерял но считал через БПФ сигнала выхода модели. т.к. сигнал у меня 1 тональный то очень хорошо получалось когда выходная частота была кратна частоте квантования. в моем случае этого сравнительно легко сделать. при моделировании выяснилось, что для моего случая худший THD получался при глубине модуляции 50%. И у меня сложилось ощущение что шумят они одинакого (при одинаковом количестве переключений в единицу времени), но шум СД лежит в более высокочастотной области поэтому он лучше режется LC фильтром, в результате THD меньше.