Audio-Verstärkerschaltung optimieren

[Manuel N. (manuelambaum)]

Hallo,

Habe aus einem PCM2900 USB AudioCodec und zwei TPA3118-Verstärkern eine 
Audio-Verstärkerschaltung gemacht. Diese funktioniert soweit auch sehr 
gut, jedoch habe ich noch folgende "Probleme":

Ich habe den Analog-Ausgang vom PCM2900 parallel auf die Audio inputs 
der beiden TPA3118 geführt. Dabei misst die Analog Audio-Leitung vom 
PCM2900 zum Verstärker Nr. 1 eine Distanz von ca. 5mm. Vom PCM2900 zum 
Verstärker Nr. 2 eine Distanz von knapp 30mm.

Mir ist aufgefallen, dass das Rauschen/Pfeifen am Verstärker Nr. 2 
deutlich höher ist wie am Verstärker Nr. 1, was aus meiner Sicht nur auf 
die unterschiedliche Leitungslänge der Analogleitung hindeuten kann, da 
die beiden Verstärkerschaltungen identisch sind.

Nun ist meine Frage, wie ich das optimieren kann. Zur Info: Die 
5V-Stromversorgung für den PCM2900 kommt vom 24V. Zuerst gehe ich auf 
einen StepDown und wandle auf ca. 7V und von dort mit einem Linearregler 
runter auf 5V.

An der gleichen Spannungsversorgung wie die TPA3118 (24V) betreibe ich 
noch ca. 100Watt LEDs mittels PWM. Interessanterweise wird das 
Grundrauschen auf beiden Verstärkern stärker wenn ich beim PWM nahe 50% 
DutyCycle bin. Meine Vermutung ist, dass durch das Dimmen mittels 
N-Mosfets irgendwas am GND ändert und sich das somit schlecht auf das 
Audiosignal auswirkt, kann das sein? Steinigt mich bitte nicht für diese 
Aussage.

Gerne freue ich mich auf Tipps/Feedbacks. Habe mal einen Ausschnitt des 
Wirings sowie des PCBs angefügt. Falls ihr mehr wollen würden, schicke 
ich das gerne noch rein.

Danke im Vorraus für eure Mithilfe!

MFG Manuel

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Manuel N. schrieb:
> An der gleichen Spannungsversorgung wie die TPA3118 (24V) betreibe ich
> noch ca. 100Watt LEDs mittels PWM.

Manuel N. schrieb:
> Die
> 5V-Stromversorgung für den PCM2900 kommt vom 24V. Zuerst gehe ich auf
> einen StepDown und wandle auf ca. 7V und von dort mit einem Linearregler
> runter auf 5V.

Manuel N. schrieb:
> Interessanterweise wird das
> Grundrauschen auf beiden Verstärkern stärker wenn ich beim PWM nahe 50%
> DutyCycle bin.

Hallo,

der Beschreibung nach befinden sich also vier Schalt-Wandler/Regler auf 
engstem Raum nebeneinander, die frei schwingend jeder auf seiner 
Lieblingsfrequenz schwingen. Die Oszillatoren der beiden 
Verstärkermodule lassen sich synchronisieren, diese Eigenschaft wurde 
bestimmt nicht aus Übermut eingebaut.
Zusätzlich sind noch ein Abwärtswandler und ein PWM-Stelle für hohe 
Leistung im Spiel. Die Oberwellen all dieser Oszillatoren und ausgeösten 
Schaltvorgänge werden sich vielfach überlagern und Summen- und 
Differenz-Frequenzen bilden, die lustig ins Signal einstreuen, sofern 
nicht die Betriebsspannungen sorgfältig entkoppelt werden, sternförmige 
Masseführung vorliegt und Abschirmbleche zwischen den 
Schaltungs-Abschnitten eingebaut werden.

Der PWM-Steller erzeugt beim Verstellen ein sich änderndes 
Oberwellenspektrum.



zum Dabla gehts hier z.B.

https://www.ti.com/lit/gpn/tpa3118d2

mfg

[Manuel N. (manuelambaum)]

Christian S. schrieb:
Die Oberwellen all dieser Oszillatoren und ausgeösten
> Schaltvorgänge werden sich vielfach überlagern und Summen- und
> Differenz-Frequenzen bilden, die lustig ins Signal einstreuen, sofern
> nicht die Betriebsspannungen sorgfältig entkoppelt werden, sternförmige
> Masseführung vorliegt und Abschirmbleche zwischen den
> Schaltungs-Abschnitten eingebaut werden.
>
> Der PWM-Steller erzeugt beim Verstellen ein sich änderndes
> Oberwellenspektrum.
>

Danke für dein ausführliches, nachvollziehbares Feedback. Das mit dem 
SNYC-Pin der beiden Audioverstärker werde ich so umsetzen.
Ist es richtig, dass der SYNC-Pin nur ein Taktsignal ist und keinerlei 
Informationen überträgt? Also den Analog-Audioeingang kann ich also auch 
mit dem Synchronisieren der beiden Verstärker getrost parallel nehmen? 
Im Datenblatt wurde ich da nicht ganz schlüssig, da von "IN_P_SUB" und 
"IN_N_SUB" die rede ist.

Was rätst du mir sonst noch, respektive wie gehst du jeweils vor wenn du 
solche Schaltungen konzipierst? Soll ich die Abstände der einzelnen 
Bauteile erhöhen?

[Mark S. (voltwide)]

Die unterschiedliche Leitunslänge würde ich ziemlich am Schluß 
verdächtigen. Die verschiedenen PWM Signale auf Deinem board sind auf 
die Ferne ein kaum überschaubares Minenfeld. Ich empfehle die Eingänge 
des TPA3118 symmetrisch anzusteuern. Vollbrückenbetrieb ausgangsseitig 
ist insgesamt auch störungsärmer als die Halbbrücke. Synchronisieren 
aller beteiligten Class-D-amps mit einen einzigen master-clock wurde ja 
schon erwähnt.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Manuel N. schrieb:
> respektive wie gehst du jeweils vor wenn du
> solche Schaltungen konzipierst? Soll ich die Abstände der einzelnen
> Bauteile erhöhen?

Ab dem Punkt fehlt mir die Erfahrung und das Experimentieren beginnt.

Man könnte die Schaltregler zur Stromversorgung auslagern und über Kabel 
an die Audio-Schaltung anschließen. LC-Filter an jeden Eingang und jeden 
Ausgang. Bestenfalls in Blechkisten einbauen. Im Datenblatt wird an 
vielen Stellen von Ferritperlen gesprochen, die an Pins der Verstärker 
angebracht werden sollen, um die Anstiegsgeschwindigkeiten zu 
reduzieren.

Die Audio-Blöcke in Blechkästen separat zu stecken, ist sicherlich 
mühsam, könnte aber wegen der Abschirmung zu weniger Störgeräuschen 
führen.


Mit dem Synchroniseren habe ich die Pins 16 gemeint, siehe Fig 37. Das 
wird die beiden Oszillatoren koppeln, ohne daß weitere Information 
übertragen wird, nachgelesen habe ich es nicht.
Die symmetrischen Eingänge sind über 1µF-Kondensatoren angeschlossen, 
davor müßte man sie parallel schalten können.

mfg

[Christoph Z. (rayelec)]

Meine Tips wären:
- NIE irgendwelche geschlossenen Loops mit Leiterbahnen machen!
- Einen (1) gemeinsamen Massepunkt. Dann Power- und Signalmasse getrennt 
und jeweils Sternförmig (Power) oder auch flächig (NF-Signale).
- keine Leitungen unter Power-Induktivitäten dürchführen, denn die 
streuen gewaltig, auch wenn da „shielded“ steht!
- Power Hin- und Rückleitungen übereinander und so breit wie nötig 
führen. Auch eine Massefläche verhindert nicht, dass hin- und Rückstrom 
nicht den gleichen Weg laufen, ergo erzeugst du so Magnetfekder und 
fängst so auch Störsignale ein.

[Peter D. (peda)]

Das Problem ist typisch die unsymmetrische Signalführung mit gemeinsamen 
GND. In Profigeräten wird die NF daher immer symmetrisch verteilt.
In Schaltplänen von Receivern sieht man oft die genaue GND-Verdrahtung 
dargestellt.
Deine Verstärker haben sogar einen negativen Eingang. Den muß man direkt 
am Quellen-IC erden und nicht einfach irgendwo an GND knallen.

[Justin S. (Gast)]

Du hast die im Datenblatt empfohlene externe Referenzspannungsquelle 
nicht realisiert. Aber sie reduziert THD+N etwa um 20dB und ohne sie 
schlägt die 1kHz-Taktung des USB-Signals ziemlich durch auf den 
Audioausgang.