Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.
phloggen

Klasse-D opvarmning...

Sidste år legede jeg med "gainclone" og "currentclone" forstærkere, men nu må det være nok med det der analoge snavs, jeg har besluttet at lege med Klasse-D forstærkere i denne vinter.

Jeg har siddet og læst op på teorien og nærstuderet forskellige chips og andet godt i sommerferien.

Rent umiddelbart ligner det at TI har føretrøjen, takket være opkøbet af et lille dansk firma ved navn "Toccata".

Pt overvejer jeg denne konstruktion, baseret på TI's chip, andre forslag er velkomne.

Men her er et lille spørsgmål til folk med teorien i orden:

Groft sagt ser en class-D således ud:

Illustration: Privatfoto

Modulatoren oversætter indgangsignalet til hvornår de to MOSFETs skal være åbne og lukkede.

I den klassiske class-D har modulatoren kun to udgangs-tilstande: enten leder den øverste eller den nederste MOSFET.

Hvis indgangsignalet er nul, står udgangssignalet fra modulatoren og svinger på switch-frekvensen, filterspolen har et hårdt arbejde med at lave det om til nul volt til højtaleren og en masse effekt brændes unødigt af. Alt andet lige, må det støje ved lave signalniveauer og som bekendt er den første Watt den vigtigste.

Man kunne optimere ihvertfald effektforbruget, ved at tilføre en tredje udgangstilstand for modulatoren: Ingen af MOSFET'erne leder.

Ok, hvad sker der så ved det ?

Antag så at vi er ved at gengive en ensidig firkant puls, input signalet skifter "0v, +1v, 0v". Hvad sker der på flanken fra +1v tilbage til 0v ?

I en almindelig analog forstærker vil tilbagekoblingen forsøge at tvinge udgangen til 0V efter bedste evne (måles som "dæmpningsfaktor").

En 2-state klasse-D forstærker vil også tvinge udgangen imod nul, men her sker det kun via den meget lave "on" modstand i MOSFET'erne, for der er typisk ingen feedback fra den analoge side af filteret[1].

Idet udgangen går til 0V, stoppes den strøm der løber i spolen+svingspolen og der sker alle mulige spændende ting, rent elektromotorisk, sluttende med at højtalerens svingspole af den mekaniske fjeder trækkes tilbage imod nul-stillingen.

Under denne bevægelse induceres der er en strøm, der kortsluttes igennem forstærkeren. Denne strøm foranlediger et magnetfelt der bremser og forsinke svingspolens bevægelse.

Det er et gammelkendt problem indenfor højtalerforvrængning: Det er nemmere at komme ud end hjem og høres især i percussion.

Hvis vi nu istedet bruger en 3-state klasse-D forstærker vil strømmen ikke kunne komme nogen steder og istedet blive til en elektromotorisk kraft (= en spænding) og fjederen får lov til at hive svingspolen hjem, uden ekstra modstand. Men hvad med EMK'en ? Giver den et smæld når en af MOSFET'erne kortslutter den næste gang ?

Ingen af delene lyder særligt tiltalende for mig: Enten en masse HF energi dumpet i en drossel eller også en EMK der hænger og dingler.

Det lyder for mig som om der mangler en (to?) MOSFETs der kan kortslutte højtaleren direkte til 0V og en modulator der kan finde ud af at bruge dem.

Men jeg har ikke fundet nogen konstruktioner hvor man har gjort det...

Hvorfor ikke ?

phk

[1] Det kom egentlig som lidt af en overraskelse for mig at der ikke er feedback fra den analoge side, men med "on" modstande på 0.0x Ohm og en præcis digital modulation er det i teorien ikke nødvendigt med tilbagekobling.

Poul-Henning Kamp er selvstændig open source-softwareudvikler. Han skriver blandt andet om politik, hysteri, spin, monopoler, frihedskampe gør-det-selv-teknologi og humor.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Hvis indgangsignalet er nul, står udgangssignalet fra modulatoren og svinger på switch-frekvensen, filterspolen har et hårdt arbejde med at lave det om til nul volt til højtaleren og en masse effekt brændes unødigt af. Alt andet lige, må det støje ved lave signalniveauer og som bekendt er den første Watt den vigtigste.

hm

ved switchfrekvensen har spolen jo en meget høj impedans og kondensatoren smider resten til stel.

Så den afsatte effekt er derfor minimal

  • 0
  • 0

ved switchfrekvensen har spolen jo en meget høj impedans og kondensatoren smider resten til stel.

Så den afsatte effekt er derfor minimal

Det er jeg ikke enig i, du har det maximale switch tab (gate-capacitans osv) fordi du har det maximale antal transitioner muligt.

Det er i mine øjne en rigtig dårlig måde at håndtere lave signalniveauer på.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Hej PHK,

Det er jo et godt, men stort emne :-)

1) Du har fat i det helt essentielle. Imens det er let at se hvorfor klasse D forstærkere er mere effektive end f.eks. klasse AB ved fuld skrue, er det mindre indlysende at tomgangstabene (som er det, der tæller på elregningen) nødvendigvis er lavere. Men det kan nu gøres ret anstændigt, også med 2-trins klasse D. Se f.eks. "system power loss vs. output power" grafen i databladet på f.eks. TAS5142 (www.ti.com). Ca. 4W i tomgang for et system som kan lægge 200W sinus. "System" betyder at spolernes tab er inkluderet, det er forsynings effekten der måles.

Den helt fine måde at skrue ned for tabene i klasse D når man bare hører baggrundsmusik, er at sænke forsyningsspændingen. Det virker naturligvis som udgangspunkt kun hvis man ikke bruger feedback. På flere Tact modeller, bl.a. Millennium er det simpelt hen det, volumenknappen gør (ned til et vist niveau). Det storartede er naturligvis, at forstærkerens egenstøj skrues med ned på denne måde.

2) Antag: Du slukker alle switches imens højttaleren har negativ spænding (jvf dit diagram), dvs. strømmen er positiv ud af forstærkeren. Da strømmen i højttaleren typisk løber i adskillige mH er den kommet for at blive, og kort efter løber den så i body dioden på Q2, dvs. forstærkeren har nu negativ udgangsspænding, og hiver din membran hjem for fuld skrue. "Kort efter" gælder også for et mere traditionelt 2. ordens udgangsfilter, da knækfrekvensen jo ligger over audiobåndet.
Bemærk at forstærkeren kan hive membranen hjem meget hurtigere end ophænget kan trække det - vi bruger jo højttalerenhederne over deres mekaniske egenresonans.

3) Den udbredte mangel på analog feedback efter udgangsfiltret skyldes dels at for et traditionelt 2. ordens filter drejer fasen lidt for meget til at det er nemt (klasse AB forsærkere, herunder opamps for den sags skyld, laves bevidst med en enkelt dominerende pol for at undgå dette). En mindst ligeså væsentlig ting er, at den switch støj som uundgåeligt kommer med tilbage, af gode grunde er synkroniseret med modulatorens frekvens, hvilket garanterer at den bliver aliaseret ned hvor det giver problemer. Det kan godt lade sig gøre, men man skal holde tungen noget mere lige i munden end hvis man bygger klasse AB.

Venligst Flemming

  • 0
  • 0

[...]det mindre indlysende at tomgangstabene (som er det, der tæller på elregningen) nødvendigvis er lavere.

Det er nu ikke elregningen så meget som lyden jeg er bekymret for. Jeg kan sagtens se hvorledes ham kan tæmme problemet med lavpasfilteret, men det forekommer mig stadig uelegant.

Den helt fine måde at skrue ned for tabene i klasse D når man bare hører baggrundsmusik, er at sænke forsyningsspændingen.

Jeg kommer tilbage til det med forsyningsspændingen i et blogindlæg senere, det har jeg en masse at sige om.

3) Den udbredte mangel på analog feedback efter udgangsfiltret skyldes dels [...]

Helt enig, jeg ville absolut hade at skulle løse resonansproblemet når switch-frekvensen kommer med tilbage, selvom man kunne komme langt med en vel-timet sample'n'hold[1].

Men du skal ikke overse at de 60-80 dB man vinder i liniearitet ved at arbejde i tidsdomænet fundamentalt set gør negativ tilbagekobling overflødig[2].

@Jens: Jeg har ikke helt bestemt mig for om jeg skal lege med digital indgang også, det gør det lidt svært at lave A-B lyttetest og afskærer mig fra min vinylsamling.

Poul-Henning

[1] Et fantastisk eksempel herpå er NISTs arbejde med at lave en metrologisk AC-standard med josephson superleder teknologi. Se: http://www.nist.gov/customcf/get_pdf.cfm?p...

[2] For de yngre læsere kan jeg oplyse at i audio forstærkere dukkede negativ tilbagekobling først for alvor op i slutningen af 1970'erne, da effekterne blev for uhåndterbare for klasse A drift og noget måtte gøres ved klasse B ulineariteterne. Der er stadig purister der, med gode valide argumenter, mener at det er bedre at bygge forstærkeren ordentligt til at begynde med. De spiller typisk ikke ret højt, eller også har de elvarme.

  • 0
  • 0

Det er nu ikke elregningen så meget som lyden jeg er bekymret for. Jeg kan sagtens se hvorledes ham kan tæmme problemet med lavpasfilteret, men det forekommer mig stadig uelegant.

Nå OK - nu troede jeg lige jeg kendte dig :-)

Men så har du fat i det forkerte håndtag. Hvis du driver et Texas klasse D udgangstrin med et pænt 50% duty cycle input kommer der under -140dB støj ud. Det er altovervejende modulatorerne (analoge eller digitale) som dominerer fejlen på svage signaler. Først ved højere effekter er det udgangstrinets fejl som dominerer.

Venligst Flemming
PS: Vis mig en klasse A eller AB forstærker, som ikke har (lokal) feedback ;-)

  • 0
  • 0

Der er stadig purister der, med gode valide argumenter, mener at det er bedre at bygge forstærkeren ordentligt til at begynde med. De spiller typisk ikke ret højt, eller også har de elvarme.

Tænker du her på single-ended konstruktioner baseret på 845-trioden? De smider vist omkr. 30W på en god dag :o)

  • 0
  • 0

Tænker du her på single-ended konstruktioner baseret på 845-trioden? De smider vist omkr. 30W på en god dag :o)

Jeg bliver nok ristet over en sagte triode-varme for at sige det, men rørforstærkere har aldig rigtig interesseret mig, så nej, jeg tænker på halvleder forstærkere i klasse A eller AB.

Min Tandberg forstærker fik f.eks lov til at køre klasse A op til et tomgangsforbrug omkring 80-120 W og det gavnede bestemt lyden i den svage ende.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

[quote]
PS: Vis mig en klasse A eller AB forstærker, som ikke har (lokal) feedback ;-)

Der er fire eller seks på listen her, afhængig af om du tæller de SiC opdaterede varianter for sig: http://firstwatt.com/prod.html

Poul-Henning[/quote]

Jo mere strøm der løber i en source modstand, jo mindre bliver gate-source spændingen. Det er da (lokal) negativ feedback?
Hvad mon der mangler på de "simplified" klasse C diagrammer med enhancement MOSFETs?
Jeg må næsten give mig mht. F2* og F1* modellerne, men lur mig om ikke der sidder en source modstand i strømkilderne.

Vh Flemming

  • 0
  • 0

Jeg må næsten give mig mht. F2* og F1* modellerne, men lur mig om ikke der sidder en source modstand i strømkilderne.

En sourcemodstand regnes normalt ikke for "negativ tilbagekobling" der hvor jeg kommer fra...

Men kig selv i de service-manualer han har frigivet, f.eks på F1.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

En sourcemodstand regnes normalt ikke for "negativ tilbagekobling" der hvor jeg kommer fra...
Poul-Henning

Nej, jeg driller lidt, men strengt taget er det jo. Et lidt mere tydeligt eksempel er R7 og R8 i F1 diagrammet. Men nu skal jeg ikke afspore din tråd...

Et mere nyttigt indslag: Noget du kan hacke med, f.eks. på det TI-300 board du linker til, er udgangsspolerne:

1) Relevant for høj udstyring:
De hvide spoler er i størrelsesordenen 10uH, og det er tydeligt at de har valgt en kerne med god permeabilitet for at undgå at skulle vikle ret meget kobber på. Den magnetiske udstyring af sådan en kerne kan forvrænge en del. Et mere audiofilt valg ville være at skaffe f.eks. de postkasserøde Micrometals "-2" kerner i samme størrelse, og vikle flere vindinger på for samme induktans. Helt analogt til traditionen for luftspoler i passive delefiltre. Rene luftspoler i klasse D ville dog være forurening.

2) Relevant for lav udstyring:
Eksperimenter med filter spolens induktans. Ikke pga. knækfrekvensen, men fordi den bestemmer amplituden af ripple strømmen (jeg garanterer at det er et 2. ordens filter). Den er nok 1-2A peak, og det er altså overvejende den strøm dit udgangstrin skifter ved lav udstyring (audio strøm << ripple strøm). Strømværdien har afgørende betydning for klasse D trinets linearitet ved lav udstyring, så på den måde svarer ripple strømmen til bias strøm i kasse AB. Forskellen er, at der vil som regel vil være et endeligt optimum. Sålænge der ikke er feedback fra efter filteret, kan du eksperimentere ret frit.

God arbejdslyst, Flemming

  • 0
  • 0

Rene luftspoler i klasse D ville dog være forurening.

En lille detalje, ukendt af de fleste:

Man kan godt vikle toroide luftspoler og dermed spare kobber.

Spolerne er et helvede, både at producere og at regne på, så det er ren trial&error. Men man slipper som altid med luftspoler for magnetisk hysterese og anden dårligdom.

Umiddelbart har jeg endnu ikke lagt planer for hvad der skal experimenteres med (OK, det er ikke helt sandt, men jeg vil ikke fortælle jer det endnu :-) men lavpas filteret er nok en af de sidste ting jeg giver mig til at rode med.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Har selv designet en klasse-D forstærker fra bunden. Modulationen styres vha. komperatorere og en CPLD.

Min mest dyre købte erfaring er at du skal have styr på "effekt"strømme og "signal"strømme, for ikke at introducere uønsket støj. Ellers er det en rigtig spændende udfordring at få det til at køre.

I switching delen (fuldbro, single supply) af printet er effektiviteten 72%(0,8W) ved 3W out og 91%(4,5W) ved 50W out.
Alt sinus i 16ohm med 48V forsyning i en fuldbro.

//Simon

  • 0
  • 0

Lige en kommentar til din 3 states.

Som også forklaret ovenover vil du med den viste konstruktion ikke kunne påføre din last en 0 spænding så længe du har en strøm da løber. Dette er grundet de indbyggede dioder i dine switche. Hvis ikke dioderne var der ville du opleve høje overspændinger og dermed riste dine switche.

Hvis du gerne vil kunne påføre din last en 0-spænding kræver det en anden konstruktion.

En H-bro ville kunne gøre det, Hvor de øverste switche eller de 2 nederste switche er tændt samtidigt, enten via dioderne der leder for de pågældende switche eller ved at tænde for de pågældende switche.

  • 0
  • 0

En lille detalje, ukendt af de fleste:

Man kan godt vikle toroide luftspoler og dermed spare kobber.

Spolerne er et helvede, både at producere og at regne på, så det er ren trial&error.

Gardinringe af træ som spoleform er set :-) (men en form som er tykkere ift. sin diameter ville nok holde bedre på feltet).

Vh Flemming

  • 0
  • 0

En H-bro ville kunne gøre det, Hvor de øverste switche eller de 2 nederste switche er tændt samtidigt [...]

Bortset fra at du skal vælge hvilket sæt, baseret på viden om hvilken vej strømmen render lige nu og her, hvilket erfaringsmæssigt ikke er nogen nem ting at forudsige for højtalere.

Jeg ville nok ofre to dedikerede MOSFETs der trak udgangen til nul "hver sin vej" men som altid leder samtidig, således at højtaleren kan gøre hvad den vil med strømmen.

Ideen er frit givet videre, jeg har ikke lige tid & evner til at teste den nu.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Gardinringe af træ som spoleform er set :-)

Jep, men det bliver hurtigt for småt til den mængde kobber der skal vikles på.

Jeg har selv hørt/set en "baby-bide-ring" brugt til formålet og der blev igennem rødvinstågerne landvåset om at vikle 6mm² Monsterkabel på en badering. Ædrueligheden ankom dog før virkelysten.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

[quote]
En H-bro ville kunne gøre det, Hvor de øverste switche eller de 2 nederste switche er tændt samtidigt [...]

Bortset fra at du skal vælge hvilket sæt, baseret på viden om hvilken vej strømmen render lige nu og her, hvilket erfaringsmæssigt ikke er nogen nem ting at forudsige for højtalere.

Poul-Henning
[/quote]

Det er da ikke nødvendigt. Strømmen løber fint begge veje i MOSFET'erne når de er tændt. 3-niveau modulation som Rasmus beskriver det, kaldes BD modulation i Texas regi. Se evt
http://focus.ti.com.cn/cn/lit/an/sloa119a/... (sektion 3.2)

Vh Flemming

  • 0
  • 0

Det er da ikke nødvendigt. Strømmen løber fint begge veje i MOSFET'erne når de er tændt.

Duh, det havde jeg glemt... Ok, kun en MOSFET ekstra.

3-niveau modulation som Rasmus beskriver det, kaldes BD modulation[...]

BD er næsten en 3-niveau modulation.

Grunden til at jeg ikke anerkender BD som en "rigtig" 3-niveau modulation, er at virtuelle nulpunktet på udgangen danser op og ned i forhold til forsyningen og at man stadig har alle de helt unødvendige transistioner på udgangen til at lave det.

I mine øjne ligner det stadig en bedre strategi at lade være med at switche energi, hvis der ikke er behov for energi.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Hej Poul-Henning.

Superspændende med nye vinkler på ClassD.

Jeg er slet ikke nok inde i ClassD til at sige noget med sikkerhed, men andre vil sikkert kunne rette mig:

  • måske kan du med fordel kigge på noget af dokumentation der findes om fast/slow/mixed current-deacy i step-motor-drivere. Det er typisk H-broer hvor man gør meget ud af strøm-cirkulation rundt i broen.

Jeg går ud fra at du kender http://www.diyaudio.com/forums/class-d/

Mvh TroelsM

  • 0
  • 0
  • måske kan du med fordel kigge på noget af dokumentation der findes om fast/slow/mixed current-deacy i step-motor-drivere. Det er typisk H-broer hvor man gør meget ud af strøm-cirkulation rundt i broen.

Jep, det er lidt tanker i den retning jeg har gjort mig, sandsynligvis fordi jeg tænker mere på strømmen igennem højtalerspolen, end spændingen over den, end de fleste.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

I mine øjne ligner det stadig en bedre strategi at lade være med at switche energi, hvis der ikke er behov for energi.

Poul-Henning

Jeg kan sagtens følge dig udfra et energi synspunkt (dvs. som jeg misforstod dig tidligere). Men fra et lydkvalitets synspunkt kan man switche alt det man vil, hvis bare transitionerne er ens, og det virker i praksis, jvf. mit -140dB (re. fuld power) argument.

Bortset fra det, skulle det ikke undre mig om den topologi du foreslår faktisk er afprøvet og beskrevet et eller andet paper (mere obskure ting er :-).
Men den har en zero crossing distortion udfordring, da den mangler ripple strømmen ved 0 output (jvf. ovenstående). Det er en af de mest hørbare forvrængnings typer (ift. THD procenten), så man skal passe godt på.

Kort sagt er den cirkulerende ripple strøm ikke din fjende (mht. lydkvalitet). Jeg mener i høj grad den er din ven.

Vh
Flemming

  • 0
  • 0

Et andet sjovt eksperiment, er at kombinere klasse D, med klasse AB. Normalt, giver klasse D ribbel på udgangen, som fjernes dels i spolen, og i højttaleren. Det er langt fra en ren spænding, som tilføres højttaleren. Bruges klasse AB, kan du direkte styre spændingen til højttaleren. Fidusen er nu, at bruge klasse D, til at aflaste klasse AB forstærkeren. Derved styrer AB forstærkeren outputtet, og klasse D forstærkeren, mindsker bare effekten afsat i klasse AB forstærkeren - AB forstærkeren, skal "kun" tage fejlstrømmen, og den er ganske lille. AB forstærkeren, kan også give bedre respons ved høje frekvenser, hvor den kan skifte hurtigere end en ren klasse D.

Imidlertid er lidt svært, at få støjen helt væk, selvom der bruges en klasse AB forstærker. Udgangsimpedansen gør, at der altid er lidt støj, og det kan være svært at komme ned under 20 - 30mV. Men jeg mener, at det er muligt.

Når jeg nævner det, så skyldes det, at din 3-state styring, faktisk er meget nemmere, hvis en klasse AB forstærker, holder spændingen på højttaleren fast. Skal spændingen hives op, kan du nøjes med at bruge den ene transistor, og den andens friløbsdiode, og en eventuel fejl, rettes af AB forstærkeren. Imidlertid, vil du altid brænde lidt effekt af i AB forstærkeren, så det vil normalt ikke betale sig effektmæssigt. Kombinationen ABD kan også gøre feedback mere simpelt at styre, og dermed give en højere lydkvalitet. Men ulempen er, at der går lidt effekt tabt i AB forstærkeren.

  • 0
  • 0

@Jens:

Derved styrer AB forstærkeren outputtet, og klasse D forstærkeren, mindsker bare effekten afsat i klasse AB forstærkeren [...]

Svarer det ikke til en "envelope-follower" strømforsyning, sådan som man f.eks kender det fra Kalundborg Lang- og Mellembølge senderne ?

@Flemming:

Kort sagt er den cirkulerende ripple strøm ikke din fjende (mht. lydkvalitet). Jeg mener i høj grad den er din ven.

For det første er jeg ikke så imponeret af de 140dB i forhold til fuldlast, tallet i forhold til 1W er meget mere interessant (jvf. "den første watt er den vigtigste")[1]

Jeg er ikke fundamentalt uenig med dig i spørgsmålet om rippel strømmen, det er f.eks nemt at fejlimplementere en 3-state så den pludselig har switch frekvenser nede i audio-området. Det skal helt klart gøres rigtigt hvis det skal være bedre.

... Men det må kunne gøres bedre og uden det dansende nul fra BD.

Poul-Henning

[1] Generelt kan man roligt antage at en hver opgivelse der kommer over 100 dB uden for radioastronomi eller fundamental metrologi er uden relevans eller baseret på tåbelige/forkerte målemetoder.

  • 0
  • 0

Du kunne prøve at se lidt på Universal class-D (UcD) topologien: http://www.ciaudio.com/ucd_aes.pdf

Ganske vist har NXP (Philips) patenter på det, men hvis det kun er til eget brug er det jo ikke noget problem. Ellers sælger http://www.hypex.nl moduler.

Der er to karateristika ved UcD, som er interessante: Den er selvoscillerende og den bruger feedback fra højttalerudgangen (efter filteret), så den opfører sig ret pænt med variende impedans og forsyning, hvor andre feedback-frie topologier kræver en meget stabil forsyning og kan have problemer med virkelige højttaleres varierende impedans.

Lidt flere links:
http://www.edaboard.com/ftopic339494.html
http://www.planetanalog.com/features/multi...

  • 0
  • 0

@Jens:

[quote]Derved styrer AB forstærkeren outputtet, og klasse D forstærkeren, mindsker bare effekten afsat i klasse AB forstærkeren [...]

Svarer det ikke til en "envelope-follower" strømforsyning, sådan som man f.eks kender det fra Kalundborg Lang- og Mellembølge senderne ?
[/quote]

Bob Carvers Sunfire Sirius amp har en klasse D tracking strømforsyning til et klasse AB udgangstrin. Hvis man skal være fræk, kan man sige at det er den komplekse løsning til dem, som ikke kan få klasse D til at performe godt nok til at forbinde det til højttaleren :-)

(som jeg læser Jens' indlæg, tænker han dog på to parallelle udgangstrin i stedet, D og AB).

For det første er jeg ikke så imponeret af de 140dB i forhold til fuldlast, tallet i forhold til 1W er meget mere interessant (jvf. "den første watt er den vigtigste")[1]

Jamen for en 100W chip har vi så -120dB støj i forhold til 1W da. Din fodnote om opgivelser over 100dB må jeg være uenig i. Der er bestemt audio forstærkere som helt reelt performer et godt stykke bedre.
Om det så er /relevant/ for den opfattede lydkvalitet er jo et helt andet spørgsmål. Jeg bruger blot tallet som argument for, at et 2-trins klasse-D udgangstrin kan switche lystigt (hjulpet af masser af ripple strøm), uden at det generer lyden.

... Men det må kunne gøres bedre og uden det dansende nul fra BD.

Måske - men det dansende nul er et intert signal, som med et 2. ordens udgangsfilter kun er synligt på højttalerterminalerne hvis man studerer ripplespændingen (langt over audio båndet).

Vh Flemming

  • 0
  • 0

Hvis man skal være fræk, kan man sige at det er den komplekse løsning til dem, som ikke kan få klasse D til at performe godt nok til at forbinde det til højttaleren :-)

Jeg er helt enig - men mener også, at netop det gør den egnet for selvbyggere. Ved ren klasse D, er der stor ribbel på udgangen, så du har svært ved at kontrolere, at din forstærker faktisk leverer det ønskede. Du har svært ved at lave feed-back. Og, du kommer nemt ud i noget "fusk", hvis du eksperimentere med at bruge 3 tilstande, i stedet for 2.

Der findes dog mange klasse D moduler på markedet, som det nærmest kun er at forbinde. Så for de selvbyggere, der bare vil have noget der dur, og ikke gidder at eksperimentere, er det jo nok den ideelle løsning. Ønsker man derimod et output, hvor man kan måle og se spændingen på et skop, og ønsker en spænding, der kan følge med til såvel ultralave, som meget høje frekvenser, så synes jeg at ABD kombinationen, er sjovere at eksperimentere med. Her kan man "se" lyden, og ser ikke bare en firkant. Selvom en klasse D forstærker, har et filter på udgangen, vil udgangen normalt være fyldt af støj. Det kan undgås, ved at anvende aktive komponenter, som fjerner det - f.eks. den simple AB konfiguration. Klasse D forstærkeren, giver alligevel stor gevindst, da effekten der afsættes i de aktive komponenter, er langt lavere end ved en normal AB forstærker.

Den parallele løsning, giver et problem med klasse AB forstærkerens udgangsimpedans - på grund af den, vil der altid være en smule ribbel. Udgangsimpedansen kan reduceres, ved at øge læk-strømmen, men så øges også strømforbruget. Jeg kender ikke Bob Carvers Sunfire Sirius amp, men det er sandsynligt, at han har valgt et bedre princip, for at undgå støjen.

  • 0
  • 0

Enig Jens, klasse D er bare mindre hackervenligt end klasse AB. Det har i høj grad også skabt problemer hos de kommercielle producenter, når garvede klasse AB designere skulle til at bygge klasse D.

...Jeg kender ikke Bob Carvers Sunfire Sirius amp, men det er sandsynligt, at han har valgt et bedre princip, for at undgå støjen.

Det er ikke to parallelle forstærkerkredse (som jeg forstår dit forslag), men 2 klasse D forstærkere som er strømforsyning for et klasse AB udgangstrin. Se
http://www.sunfire.com/technology.asp
"Amps" whitepaper'et Figure 4.

Vh Flemming

  • 0
  • 0

Interessant tråd - og imponerende aktivitet på bare 24 timer. Uden decideret at kunne præsentere noget belæg herfor - er jeg enig i at TI har førertrøjen pga. Toccata. Jeg vil i hvert fald følge med, hvis dette projekter søger at kombinere strømdrift og Class-D.

Mvh Claus

  • 0
  • 0

Det er ikke to parallelle forstærkerkredse (som jeg forstår dit forslag), men 2 klasse D forstærkere som er strømforsyning for et klasse AB udgangstrin.

Denne metode, er også at foretrække, fremfor et AB trin parallelt med en klasse D forstærker. I princippet, kan du omtrent helt undgå støj på udgangen, og få et pænt analogt output uden HF komposanten.

Selvom der afsættes lidt energi i AB trinnet, og metoden derfor er mindre effektiv, så er det ikke så slemt. Den uhørlige støj, som sendes ud, gør en normal klasse D forstærker mindre effektiv, og støjen udstråles dels fra ledninger og højttaler, samt bliver til varme i højttaleren. AB forstærkeren, omsætter støjen til varme, og den energi den bruger, tages til dels fra energien som udstråles som støj, og energien der afsættes ekstra i højttaleren, på grund af HF-støjen. Hvis metoden dertil bruger phk's princip, med 3 tilstande, så spares måske så meget energi, at det næsten går lige op.

En AB forstærker parallelt med klasse D forstærkeren, er lidt mere simpelt end sunfire's princip. Du kan bruge et standard AB trin, og styre dets input, med indgangssignalet til forstærkeren. Det er en fordel med feedback, specielt hvis den reagerer hurtigt, da det så er med til at fjerne støjen. Til at styre klasse D forstærkeren, kan bruges en strømmåling i forsyningen til klasse AB forstærkeren. Hvis strømmen i plus, minus strømmen til minus, giver en stor positiv værdi, så trækkes høj på klasse D forstærkerens output. Er det en stor negativ værdi, trækkes lavt. Og, det smarte er så, hvis det er midt imellem - så leder ingen af transistorerne i klasse D trinnet. Det betyder, at udgangen direkte styres af klasse AB trinnet, uden nogen ribbels! Ved lave input signaler, vil den derfor fungere som en ren AB forstærker, uden noget hf-støj, og først når indgangssignalet, og outputsignalet, er over en vis størrelse, så starter klasse D, og giver ribbels - de er dog så små, at de intet betyder, i forhold til signalets output. Drives en høretelefon, vil det også være rent AB, da der ikke trækkes stor strøm. Dertil, vil deres middelværdi svare til indgangssignalet, og de vil være uhørlige. Det er muligt, at have feedback fra udgang til indgang, og derved have kontrol over udgangsspændingen. En fejl, på klasse D forstærkeren, betyder derfor ikke noget.

  • 0
  • 0

Svarer det ikke til en "envelope-follower" strømforsyning, sådan som man f.eks kender det fra Kalundborg Lang- og Mellembølge senderne ?

Hvis du mener, at ensrette signalet efter spolen, med henholdsvis en ensretter og kondensator for positiv, og negativ, så du får to udgangsspændinger, eventuelt med et par dioder imellem og dermed 1.4V, så kan du forsyne AB forstærkeren, med spændingen på 1.4V, og aktivt fjerne støjen. Eventuelt, kan du lade noget strøm gå i dioderne, så udgangstrinnet også fungerer ved små effekter, uden at klasse D forstærkeren svinger. I forhold, til en normal klasse D, skulle udgangen skifte hurtigt nok, og være tilstrækkeligt uden støj, til at du kan lave en god feedback, og dermed opnå et flot resultat.

Det er gode muligheder for at eksperimentere - og det er nok den største fidus. Ønsker du bare en forstærker, så gå efter et færdigt modul.

  • 0
  • 0

En modulator øvelse: PHKs klasse D halvbro (se diagram ovenfor) skal kunne spille 1W sinus, f.eks. i 8 ohm. Det er +/-4 volt peak. Det skal mindst være i CD opløsning (16 bit signed), så vi kan nu stille en øvelse: Producér spændings trinet fra 0 LSB (0V) til +1 LSB (+122uV DC).

1) Klassisk 2-trins modulation: Switcher i forvejen med 50% duty cycle, og skal ændre sin duty cycle til 50.002525%. Ved en switch frekvens på f.eks. 400kHz betyder det f.eks. at rising edge skal flyttes ca. 63ps frem. En analog, komparator baseret modulator, kan principielt bare gøre dette[1]. Længere er den ikke.

2) En digital modulator kan ikke gøre det samme som komparatoren, da selv en hot DSP ikke har den fornødne clockfrekvens. Derfor bruger de noise shaping (som er et kapitel for sig). Det går dog i praksis også godt nok til, at digitale modulatorer i håndkøb kan præstere en gennemsnitlig ændring af duty cyclen fra 50% til 50.002525%, endda med en del præcicion i overskud, open loop. Det kræver blot at udgangstrinet er fornuftigt lineært i noise shaperens udstyringsområde.

3) PHKs ægte 3-trins modulation udmærker sig ved at den ikke switcher ved 0 LSB, men ved +1 LSB skal den til det. Problemet er, at det han skal bruge er en positiv 4V puls på 63ps (med 400kHz). Det er svært, så lad os skrue ned for switch frekvensen og sige 126ps ved 200kHz i stedet. Det er stadig svært, og hvis systemet skal være rimeligt lineært, skal pulsen helst kunne genkendes som en firkantpuls også. Det er heller ikke godt at skrue længere ned for switch frekvensen, hvis målet netop var ikke at drukne i switch støj som, efter demodulations filteret, vokser jo lavere switch frekvensen er.
Det er nu han støver switch mode bogen af, og frembringer en 4V minimum puls på, lad os sige, 2ns. Da det jo er alt for meget, indsættes samtidigt negative pulser imellem de positive. Vi har nu ved 200kHz, skiftevis 2ns -4V pulser, 2.126ns +4V pulser, og hans dobbelte nul-switch (ikke vist på diagrammet) er tændt ind imellem.
For at opnå en 1W forstærker, som balancerer på randen af CD opløsning, kræves altså:
a) 3-trins udgangstrin med < 126ps matching mellem negativ og positiv puls bredde. Vel at mærke uafhængigt af output strømmen, som jo kan have begge fortegn ved 0 output spænding på en højttaler.
b) 8 GHz DSP som modulator, eller en snedig analog indretning, som ikke selv skaber et endnu større zero-crossing problem.

... det sidste kan jeg måske se for mig.

Den korte version af historien er altså, at det er en meget præcis proces at flytte et eksisterende skift i et udgangstrin lidt frem i tiden. Den er svær at matche ved gå fra ikke-switching til switching.

Det konstruktive spørgsmål er altså: hvordan skal han hellere gøre, hvis han vil af med switching ved 0 LSB?

Endelig kan man jo tænke over, hvor meget det egentlig hjælper, for hvor tit forekommer 0 LSB[2]?

Ærbødigst
Flemming

[1] Jeg skal ikke kunne sige om det går i praksis, open-loop. Men ellers giver netop analoge modulatorer jo den mest direkte mulighed for at bruge feedback, og closed-loop kan analog klasse D i hvert fald performe et godt stykke ind i radioastronomi-området, og dermed bestå øvelsen med præcision i overskud.

[2] Faktisk er der på nogle CD'er rene nuller mellem numrene (frembragt matematisk). På andre er der støj hele vejen.

  • 0
  • 0

Endelig kan man jo tænke over, hvor meget det egentlig hjælper, for hvor tit forekommer 0 LSB[2]?

Hvis du har en digital signalkæder er der b'0 når anlægget ikke bruges, hvilket er langt største delen af tiden, men det kunne en bare lidt intelligent modulator jo bare opdage og efter et timeout holde op med at switche til der sker noget igen.

Men du har ret i at modulatoren er problemet, det er sådan set klasse-D i en nøddeskal.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Hvis du har en digital signalkæder er der b'0 når anlægget ikke bruges, hvilket er langt største delen af tiden, men det kunne en bare lidt intelligent modulator jo bare opdage og efter et timeout holde op med at switche til der sker noget igen.

Selvfølgelig, i TI regi hedder den feature f.eks. "Auto mute" (TAS5518 og andre).

Vh
Flemming

  • 0
  • 0

Selvfølgelig, i TI regi hedder den feature f.eks. "Auto mute" (TAS5518 og andre).

Vh
Flemming

Nej, der var jeg lidt for smart. TI's Auto mute er, som navnet også antyder, kun en mute funktion - ingen lyd, men modulatoren switcher stadig. Anyway, så kan det PHK foreslår selvfølgelig også lade sig gøre.
Men hvis det handler om at spare strøm når man /ikke/ hører musik, er Lauritz Knudsens løsninger også fremragende.

Go' lyd, Flemming

  • 0
  • 0

Power down på modulatoren efter 1 minuts stilhed (under X dB på indgangen) burde løse problemet i de fleste tilfælde.

Hvor lang tid tager mon det for en typisk audio klasse-D modulator at sparke igang fra off til fuldt sving på udgangen? 100ns måske?

Så ville man ikke engang lægge mærke til forsinkelsen på lydsiden. (Med mindre den udstøder et hørbart blop i forbindelse med start-up)

  • 0
  • 0

EDIT: I alle tilfælde ville det nok være domineret af tidskonstanden i spolen (eks: 10uH/8ohm =1.25uS). Men det er stadig i en størrelsesorden der næppe er hørbart og uendelig ligegyldigt da det kun ville optræde efter lange perioder med stilhed.

  • 0
  • 0

Mit speciale-projekt tilbage i forrige årtusinde var netop en klasse-D forstærker, og jeg grublede også meget over strømmen i højttaler-spolen (en professionel subwoofer, hvor jeg benyttede svingspolen som udgangsfilter).

Til min H-bro valgte jeg en mellemting mellem almindelig 2- og 3-niveau modulation, noget som jeg kaldte "4-tilstands-modulation", fordi man i hver cycle skifter mellem alle fire tilstande: 0, +1, 0, -1.

Ved stilhed er perioderne af +1 og -1 meget små (men de er der stadig for at udligne ikke-ideelle effekter). Ved negativt input-signal vokser -1 perioden og ved positivt signal vokser +1 perioden.

Det var et skægt tværfagligt projekt, hvor jeg både simulerede (SPICE), byggede og afprøvede forstærkeren på en rigtig professionel subwoofer, og behandlede akustikken, højttaleren, effektelektronikken, modulatoren, måle/test-systemet osv.

Rapporten (på engelsk) kan hentes her som pdf: http://how.dk/apswitch.pdf

  • 0
  • 0

[...]fordi man i hver cycle skifter mellem alle fire tilstande: 0, +1, 0, -1.[...]

Det er et gammelt princip, jeg tror nok HP opfandt det, ihvertfald brugte de det, i 1988 til deres HP3458 multimeter, der stadig er verdens bedste instrument, 20 år senere.

Prøv at læse artiklen på side 8-14 i HP Journal april '89:

http://www.hpl.hp.com/hpjournal/pdfs/Issue...

Det er ganske vidst en A/D converter, men ideerne virker begge veje, når man lige får vendt dem om.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Lyd var min hobby, men så kom der en 'kone og et barn i vejen' -jeg vil tro der er mange der har oplevet at opgive hobbyer på den konto.

Men - æh - hvorfor fokusere på forstærkeren når det svageste led er højttaleren.

Højttalere har en forvrængning på 6+pct, så om forstærkeren forvrænger 0,00001 eller 0,00000001 pct er vel ligegyldigt i det spil.

Jeg havde gang i et projekt, hvor kraftpåvirkningen fra højttalermembranen var en funktion af det indkomne signal.

Det kræver naturligvis et højst kontroversielt design, som jeg kaldte differential-integral forstærker - men for 30+ år siden havde jeg andre ting at fokusere på.

Jeg anser PHK som en rimelig intelligent person, så han kan nok forstå en systemsammenhæng fremfor enkelte komponenter.

Ævle kan jeg, men K=m*a forsvinder vel ikke.

  • 0
  • 0

Godt indlæg, men jeg savner lidt en sentens om crossoverforvrængning.

  • 0
  • 0

Med virkelige højttalere som belastning er der behov for feedback, da fasevinklen af fysiske højttalere varierer med frekvens og signal styrke. Desuden skal konstruktionen sikre en ensartet lav udgangsimpedans, uafhængigt af frekvens og signalstyrke - det kan også volde problemer!

Med mindre pkh kun skal bygge en klasse D hovedtelefonforstærker, skal der desuden tages højde for de kapacitative koblinger i FETS, samt ulinariteter i transistorernes spændings- strømkarakteristikker, samt gate seriemodstanden.

At benytte en klasse D forstærker til at drive forsyningsspændingen til et AB-trin kræver en ualmindelig god power supply rejection ration, som i de fleste klasse AB-forstærkere falder 6 dB/okt over typisk 100Hz. Det kan give noget irriterende intermodlationsforvrængning som reducerer lytteoplevelsen meget væsentligt, hvis forstærkeren drive andet end en subwoofer.

Alt ialt vil jeg råde phk til at købe afprøvede - og patenterede moduler. Det er ikke uden grund at klasse D forstærkere forsat udvikles efter de blev introduceret for 35+ år siden, samt at TI købte et udviklet og afprøve design - naturligvis fra Danmark!

mvh

  • 0
  • 0

At benytte en klasse D forstærker til at drive forsyningsspændingen til et AB-trin kræver en ualmindelig god power supply rejection ration, som i de fleste klasse AB-forstærkere falder 6 dB/okt over typisk 100Hz. Det kan give noget irriterende intermodlationsforvrængning som reducerer lytteoplevelsen meget væsentligt, hvis forstærkeren drive andet end en subwoofer.

Alt ialt vil jeg råde phk til at købe afprøvede - og patenterede moduler. Det er ikke uden grund at klasse D forstærkere forsat udvikles efter de blev introduceret for 35+ år siden, samt at TI købte et udviklet og afprøve design - naturligvis fra Danmark!

Nu er det jo ikke alle, der lader sig "nøjes" med noget som bare fungerer. Det interessante er ikke lyden, men at selv eksperimentere med elektronikken og opdage de problemer som opstår. Så at der er småproblemer, som skal løses, er ikke en ulempe. Det gør kun opgaven mere interessant.

  • 0
  • 0

Men - æh - hvorfor fokusere på forstærkeren når det svageste led er højttaleren.

Højttalere har en forvrængning på 6+pct, så om forstærkeren forvrænger 0,00001 eller 0,00000001 pct er vel ligegyldigt i det spil.

Stig er faktisk inde på noget interessant her. Især fordi forvrængning er mange ting.

Elektronik med en forvrængning på 0,001% kan lyde fantastisk flot, men også lyde temmelig dødt, afhængig af typen af forvrængning, samt den alt for oversete fase-forvrængning især imellem flere højttaler-enheder.

En ting er den begrænsede men forholdsvis lineære fase-forskydning der sker i delefilteret, noget helt andet er at en 8" basmembran på måske 25g er nogle ms langsommere om at reagere end en tilsvarende diskant-membran (f.eks. et diskantbånd) på måske 0,1 g.

Uden at have de matematiske kompetencer (endnu) og uden at have efterprøvet det i praksis, er jeg tilbøjelig til at tro at netop en klasse-D forstærker til hver højttaler-enhed må nærme sig det optimale, under forudsætning af at der kun benyttes digitale signalkilder.

Delefiltrene kan så passende varetages af en DSP, som samtidig indsætter tids-forsinkelse af de hurtigere enheder, så resultatet bliver at alle enheder arbejder 100% i fase hele tiden.
På den måde vil de vigtige dynamiske spidser genskabes af alle enhederne samtidig, i stedet for at den lette diskant-membran allerede har tilføjet sin del af signalet før bas-membranen overhovedet er begyndt at bevæge sig endnu.

Det stiller naturligvis næsten umulige krav til kabinet-beregningerne, hvis bassen stadig skal fremstå troværdig og ren.

  • 0
  • 0

Jeg har hævet frekvensen fra 2,4 til cirka 2,9ghz, i cpu'en i mit musikcenter, som er en Windows XP computer med en quad-core cpu fra Intel. Ændringen har forbedret lyden, nu finere og roligere detaljer, "luft", som undrer mig, for lyden kommer fra et lydkort.

Jeg har testet BIOS-opsætninger på ny, og kan endnu en gang bekræfte, at funktioner, der danner strømbesparelser, medfører en voldsom digital forvrængning af lyden, på trods af, at lyden kommer fra kun de kvaliteter som lydkortet sørger for helt alene. BIOS-funktioner der i min manual hedder sådan cirka:

  • CPU TM function.
  • Inter(R) SpeedStep (TM) Tech.

Altså: God lyd fra en computer, forudsætter at CPU'en får lov til at køre for fuld knald hele tiden, og at den er kølet særdeles godt, så chippens indbyggede varmemåler undlader at ændre på frekvensen (som ellers sker hele tiden, i det små, typisk uden at man bemærker det, medmindre at man lytter til musik af en art som man ved hvordan skal lyde).

Jeg har udrenset fuldstændig i Windows XP, således at der intet som helst er installeret der kan finde på at selvstarte. Dog, jeg synes ikke at jeg kan opdage ændringer i lydkvaliteten, hvis jeg anvender computeren til andre ting, mens jeg lytter til musik. Som undrer mig, alt medregnet. Alle de påstande om perfekt lyd, som ASUS gør om sit fine lydkort, der er i min computer, er intet som helst værd, medmindre at computeren er korrekt bygget og justeret og har en cpu med en tilstrækkelig temmelig høj frekvens. Et emne, om lydkvalitet fra standard-computere, som jeg ikke har kunnet finde noget om på Internet.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten