PWM Forstærkere
af Torben Kristiansen
Ved sidste klubmøde, i Herlev hi-fi klub, havde vi fornøjelsen at høre en digital-forstærker i dette tilfælde en Tripath. Hvordan virker sådan en.
Der er mange ting der er anderledes i en digital-forstærker, men grundlæggende bruges de samme komponenter, transistorer , mosfet ,modstande ,spoler, kondensatorer, o.s.v. som i analogteknik.
I digital-forstærkeren stilles der bare nogle andre krav til disse komponenter hvad angår bl.a. hurtighed, det er en stor fordel at komponenterne kun skal arbejde i to stillinger, fuldudstyring eller ingen udstyring, også kaldet 1 og 0 (høj og lav) eller (on off).
Helt anderledes er det ved konstruktion af analoge-apparater, her forsøges af al magt at undgå de to nævnte yderpunkter. man tilstræber at komponenterne bringes til at arbejde i deres lineare område.
Her er altså to tekniker der angriber problemet forstærkning (lydbehandling) på to helt forskellige måder, men ved brug af de samme grundkomponenter. Digitalteknik stiller umiddelbart de mindste krav til de komponenter der skal benyttes, de skal som sagt kun kunne arbejde i to yderstillinger Høj og Lav, til gengæld skal skiftet mellem disse to stillinger ske øjeblikkeligt, og med en høj frekvens, som vi senere skal se.
Dette giver en mængde nye problemer som ikke er kendt fra analogteknik, men som absolut ikke er nye, de kendes bl.a. Fra CD-afspilleren , faktisk kan man med lidt god vilje kalde en digital-forstærker for en 1 bit power DAC. P.s. DAC, er hjertet i en CD-afspiller.
For at lave en digital-forstærker, skal der bruges et signal der udtrykker det analoge-signals amplitude til en hver tid, i et såkaldt ”pulstog” der består af en række skift mellem høj eller lav spænding. Et sådant signal går under betegnelsen et pulsvidemoduleret signal. Grundkomponenten der benyttes til at danne det pulsvidemodulerede signal er et firkantsignal, der kan ses på følgende måde:
Fig 1 Den øverste kurve i Fig 1 viser et normalt firkantsignal med et puls pause forhold på 50%, kaldes også en duty cicle på 50%, hvis vi forestiller os dette signal løber kontinuerlig og med en hurtig frekvens (eks. 200KHz), og det efterfølgende filter har 10 gange lavere overgangs frekvens eks.v. 20KHz, så derfor vil den spænding der dannes over RL blive tilnærmelsesvis lig en DC spænding, hvis værdi er lig arealet (integration) af firkantkurven, i dette tilfælde med en puls på 5V i halvdelen af tiden, og en pause i den anden halvdel, vil resultatet blive 2.5V.
De næste to kurver viser en kort puls efterfulgt af lang pause, og en lang puls efterfulgt af en kort pause, og de resulterende DC-værdier.
Det er altså muligt at ændre duty cicle på et firkantsignal, og dermed få et udtryk for forskellige amplitude værdier, kan det også lade sig gøre med et audiosignal, ja da, det kaldes at modulere.
Der er mange måder at modulere på, og det er en af de vigtige discipliner inden for digital-forstærker,og som iøvrigt diskuteres heftigt, her kan nævnes at B&O ICEpower har sin egen løsning som kaldes COM, der kan læses om dette princip i High Fidelity nr 7. 2001 og på B&O ICEpower hjemeside, iøvrigt i mine øjne en ganske tiltalende måde at lave denne modulation på, Hvordan dette princip kan lyde kan der læses om i High Fidelity nr. 7. 2002 hvor der er en test af Acoustic Reality Ear Two forstærker, der gør brug af ICEpower modulerne, resultatet af testen er meget positiv, med nøgle ord som suveræn klarhed renhed og dynamik.
Tripath øger hastigheden af det pulsvidemodulerede signal når indgangssignalet har lav amplitude, til en værdi på over 1MHz, ved høje niavuer for indgangssignalet sænkes hastigheden til omkring 200KHz, også en fornuftig løsning. Jeg har valgt at vise følgende måde at danne et pulsvidemoduleret signal på i første omgang.
Fig 2 simpelt PWM forstærker princip Ps. PWM er en forkortelse for pulsvidemoduleret.
En enkel komponent comperatoren og et trekant PWM rampsignal som er nødvendigt for at danne det pulsvidemodulerede signal, er det nye i Fig 2, PWM rampsignalet har ikke så høj en frekvens her, en tommelfingerregel siger at PWM rampsignalet skal have en frekvens på minimum 10 gange højere en det højst forventede fra det audiosignal der skal behandles, for at sikre at audiosignalet kan genskabes med tilfredsstillende nøjagtighed, en øvre grænsefrekvens for audiosignalet kunne passende være 20KHz.
PWM rampsignalet bør så have en frekvens på minimum 200KHz , det er i øvrigt også der omkring de fleste fabrikanter har lagt PWM rampsignalets hastighed.
Comperatoren er en komponent de fleste kender fra analogteknik, det er en variant af en operationsforstærker også kaldet en Opamp, som bekendt har den meget høj forstærkning, 100000 gange eller mere, i analogteknik bruges der modkobling til at opnår den ønskede forstærkning eks.v. 10 gange, som det ses af Fig 2 er der ikke indført modkobling her, der forstærkes altså de fulde 100000 gange eller mere , det signal en opampforstærker, er forskellen på potentialet mellem dens plus og minus indgang.
Det maksimale signal der kan afleveres fra comperatoren er lig forsyningsspændingen der her er plus og minus 15V, ved 100000 ganges forstærkning skal der være ca. 150uV forskel på plus og minus indgangen for at få plus eller minus 15V på udgangen, lig det maksimale signal, (også kaldet at forstærkeren går i klipning).
Dannelsen af det pulsvidemodulerede signal kan forklares således. Der startes ude til venstre af Fig 3, PWM rampsignalet er her –1.2V, analogsignalet er 0V og klart det største, det går ind på plus indgangen af comperatoren, og udgangssignalet fra comperatoren vil blive 15V, følg nu PWM rampsignalet mod højre ,og det kan ses, at det skærer det analoge indgangssignal lidt længere henne på tidsaksen ,og PWM rampsignalet er nu større end det analogsignal, PWM rampsignalet går ind på minus indgangen af comperatoren, resultatet bliver –15V på udgangen, lidt længere henne bliver det analoge-signal det største igen ,resulterer i 15V på udgangen osv. Det pulsvidemodulerede signal er skabt, det er illustreret hvordan et efterfølgende udgangsfilter er i stand til at genskabe det oprindelige analogsignal, og som det kan ses er det forstærket.
Denne forstærkning vil afhænge bla. af forsyningsspændingen, med de +-15 volt der her er til rådighed, bliver resultatet en 10-12 ganges forstærkning. Det anes at her er en smart måde at lave en volumenkontrol på , nemlig ved at skrue op eller ned for forsyningsspændingen , noget bla. den danske digital- forstærker TACT, så vidt jeg er orienteret, gør brug af.
For at få en nøjagtig modulation og dermed et nøjagtigt PWM signal, kræves en meget høj forstærkning af comperatoren, veldefineret klippe niveauer, her (de +-15V) uden generering af for meget støj, meget hurtig stigetid fra –15V til plus 15V , og det er netop på disse punkter at comperatoren er optimeret i forhold til en traditionel operationsforstærker.
Modulations processen har flere åbenlyse fejlkilder indbygget, comperatorens kvalitet er nævnt, PWM rampsignalet stabilitet og form er et andet problem, der er også en begrænset opløsning, givet af comperatorens hurtighed, det er nu generelt ikke den der sætter grænsen for opløsningen, snarere hurtigheden af det efterfølgende powertrin der skal få det her genererede PWM signal ud i højtaleren.
Her kan det røbes, at 24 bit fanatikere godt kan glemme alt om det , man skal være glad for at få 8 bit, eller med hiv og sving noget der ligner 16 bit ved brug af oversampling og noise shaping modkobling, og jeg skal komme efter dig.
Fig. 2. kan ikke belastes ret meget, så lad os koble et powertrin på som vidst i Fig 3. Her er igen flere muligheder, jeg viser først den komplementerede halvbro løsning, kendt fra almindelige analoge klasse B forstærkere, da stilen med hurtige pulser, hvor niveauet skal være lig forsyningsspændingen stadigvæk gælder, bare med så meget mere strømkraft, at det bliver muligt at drive en højtaler. Der må vælges en komponent der er særlig velegnet til dette formål.
Her kommer mosfet og især Hex-mosfet på banen som en oplagt mulighed, der er en lille ulempe ved mosfet, de skal have et ordentligt spark i røven (masser af strøm), for at gå on. og off, hvis der samtidig skal gå store strømme i mosfeten, og det er der absolut tale om her.
Dette problem med mosfeter er også kendt fra analogteknik, mange har i tidens løb underdimisioneret trinet der skal styre udgangsmosfeterne, med en svampet bas som resultat. Det er efter min mening mindst lige så vigtigt ved digitale forstærkere at sørge for et optimalt styresignal, med rigelig strømkraft til udgangsmosfeterne.
Fig 3 meget simpel PWM forstærker med komplementært udgangstrin N og P mosfet.
Der er ikke så meget at sige til fig 3 hele den første del er fuldstændig magen til det der er vist i det foregående, der er kun tilføjet en forstærker (en power opamp) der skal drive mosfeterne i udgangen med den fornødne strøm og spænding.
Virkemåden af mosfet udgangstrinet kan forklares således.
Når den øverste mosfet ( N mosfet) får en positiv gående puls på gate går den on. med meget lav modstand mellem drain og souce, ,og leder de 50V ud på udgangen (punkt 5), den nederste mosfet er en P mosfet, den vil ved en positiv puls gå off., med meget stor modstand mellem drain og souce og de 50V vil ligge i punkt 5 på Fig 3, den strøm der trækkes vil være bestemt af højtaleren, og i nogen grad filteret. Højtaleren vil få alt den strøm den skal bruge, på grund af den meget direkte forbindelse til strømforsyningen, her er også et problem da der næsten ingen dæmpning er af støj fra strømforsyningen , eks.v. rippel, så en rippel og støjfri strømforsyning er en stor fordel ved digitale- forstærkere, traditionelle forstærkere er mere tolerante på dette punkt, da der normalt er en rimelig høj dæmpning af støj (ripppel) fra strømforsyningen. I det næste øjeblik vil der komme en negativ gående puls på den øverste N mosfets gate, den går off. ,den nederste går on. og de –50V vil blive overført til udgangen (punkt 5) osv.
Se evt. tegning Fig. 4. herunder, hvor de to mosfeter er erstattet af kontakter med en tilhørende styreterminal, der svarer til gate på mosfeterne. Situationen i Fig 4 er netop den man forsøger at tilstræbe ved konstruktion. Mosfeterne skal bringes til arbejde som et par ideelle kontakter, nemmere sagt end gjort.
Fig 4 mosfet erstattet af kontakter
Digital-forstærkere er kendt for deres høje effektivitet, såkaldt nytteeffekt, som er lig det der ender i højtaleren, set i forhold til den effekt der tilføres fra eks.v. nettet, over 90% er muligt med digitale-forstærkere, dette skal ses i forhold til de mellem 40 og 60% som er muligt med klasse AB og B forstærkere, og for ikke tale om klasse A forstærkere, hvor man er nede på mellem 5 og 10-20% nytte effekt, afhængig af konstruktionen. En undtagelse er den geniale Sunfire-forstærker. Den effekt der ikke havner i højtaleren bliver naturligvis til varme i forstærkeren.
Hvordan opstår den effektivitet i digitale-forstærkere, ja som det ses af beskrivelsen ovenfor er den ene mosfet helt on, og som før nævnt med meget lav modstand, der hvor strømmen løber, og dermed meget lav spænding over sig, og ifølge ohms lov som siger effekt = spænding gange strøm, vil det resultere i en meget lille effektafsættelse, og næsten ingen varmeudvikling. Den anden mosfet er på samme tid off, og der går teoretisk ingen strøm igennem den, og ifølge ohms lov igen afsættes der ikke effekt, og heller ikke varme, dette giver en stor besparelse på bl.a.. køleplader og strømforsyning.
Der hvor der afsættes effekt af betydning er i det korte øjeblik, hvor mosfeterne samtidig skifter stilling, den ene fra on til off, den anden fra off til on, skiftetiden er så kort og on modstanden i mosfeterne er så lave idag, at det som tidligere nævnt er muligt at opnå de over 90% udnyttelse af den tilførte energi, og en meget lille varmeudvikling.
Virker nu alt det her! Jeg har banket Fig. 3. ind i et simulations program, indgangssignalet er et 3 KHz signal med en amplitude på 2 volt peak to peak, resultatet er vist i Fig. 5.
Det ser ikke helt tosset ud, men et er simulation, et andet er virkelighed, så jeg er i gang med at lave en lille test-opstilling, den vil nok vise, at der er en del flere problemer end denne simulationen viser bla. Swiths støj fra mosfeterne.
En del af den støj kan fremkomme på grund af at jeg ikke har taget hensyn til følgende problem ,når den ene mosfet går on., skulle den anden helst være gået off., der bør indføres en såkaldt meget kort deadtime, således at når en mosfet går on, er man helt sikker på at den anden er gået off, og vise versa.
Fig.5. Simulation af Fig 3.
Det ses af Fig 5 at PWM forstærkeren er lidt tid om at starte op, og i dette tilfælde kunne det tyde på et pænt knald i højtaleren ved opstart, det ses også at pulserne er rimelig rene, og resterne af PWM rampsignalet på 200KHz er begrænset til ca. 1Volt peak to peak.
Det benyttede 12 db udgangsfilter er her designet til en overgangsfrekvens på 20 KHz ved 4 ohm’s belastning.Det ses også at forstærkningen ligger på ca. 23 gange svarende til 27.2 db.
Her åbner der sig et andet problem med PWM forstærkere hvis højtalerens belastning er meget varierende vil filteret ikke virke efter hensigten, her har har B&O ICEpower dog et godt bud på en løsning som består af et feedback system som tager sit feedback signal på ind og udgangssiden af udgangsfilteret selve fejlkorektionen varetages af et system ICEpower kalder Pulse Edge Delay Error Correction (PEDEC CONTROLLER), det udkompenserer næsten det ellers problematiske 2. ordens udgangsfilter som det ses af nedenstående figur taget fra: State of the Art Digital Pulse Modulated Amplifier System af Steen M. Munk og Kennet Skov Andersen
Y akse på begge grafer +-6 db. X akse 20-40Khz, øverste graf uden modkobling, nedeste graf med modkobling overbevisende! og naturligvis nedsættes forvrængning og andre unøjagtigheder også ved B&O ICEpower feedback system, meget kunne tyde på at B&O igen efter mange år i dvale hvad angår hi-fi er begyndt at lægge guldæg igen.
Artiklen forsætter bl.a. med brug af H bro som har den fordel, at den kun kræver en plus forsyning, og de problemer der er ved konstruktion af digitale-forstærkere vil blive uddybet. Her er en række link, hvor der kan søges mere information om digitale PWM forstærkere:
Apex Microtechnology
Behringer
Microsemi (Linfinity)
Tripath
TacT Audio
Zetex
Maxim
Philips Semiconductors
Texas Instruments Der har overtaget teknikken (Equibit) fra TACT Audio (Toccata Technology ApS),
og implememteret den i deres PWM kredse TAS50xx og TAS51xx.
Apogee
Bang og Olufsen ICE power
Bel Canto Design, meget velkendt digital forstærker baseret på Tripath moduler
Spectronav en anden førende fabrikant
Acoustic Reality. Dansk fabrikant af digitale forstærkere, baseret på B&O's ICEpower moduler
Jeff rowland er også begyndt at bruge B&O's ICEpower i den nye 300 serie