Hi,
ich beschäftige mich schon eine Weile mit Verstärker und habe auch schon
kleinere IC Variationen aufgebaut. Allesamt haben funktioniert.
Nun möchte ich aber etwas tiefer ins Verständnis eintauchen und da kommt
mir immer wieder die Frage nach dem Feedback.
In der Regel wird ja das Signal vom Ausgang dem Signal vom Eingang
negativ "zugeführt" und subtrahiert somit das Eingangssignal.
Sprich, es liegen am Eingang 0.5Vpp Sinus an, am Ausgang 5Vpp dann
besteht die Möglichkeit von den 5V durch einen Spannungsteiler einen
bestimmten Anteil vom Eingang abzuziehen und somit die Verstärkung zu
begrenzen. Somit würde die Amplitude am Ausgang nie über 5V steigen.
Stimmt das so?
2. Frage: der Feedbackpfad soll ja auch der Stabilität dienen und eine
gewisse Fehlerkorrektur beitragen. Was ist damit gemeint?
3. Frage: Das klappt ja alles wunderbar bei einem gleichbleibenden
Signal, aber wenn ich am Ausgang meine 5Vpp Sinus Welle am Scheitelpunkt
abgreife und zurückführe dann muss ich doch das Eingangssignal auch am
Scheitelpunkt erwischen, oder? Noch komplizierter stelle ich mir das mit
richtigem Musiksignal und ständig wechselnder Amplitude vor.
4. Frage: Bei einem Class D Amp: kann man da das Rechteck PWM Signal
zurückführen zum Eingangs PWM Signal und somit einen Feedback bilden?
Ich hoffe ihr versteht meine Fragen und könnt mir etwas helfen :)
Das Feedback soll oft eine Art Fehlerkorrektur machen. Wenn der
Verstärker in der Schleife z.B. die Verstärkung ändert, sorgt die
Rückkopplung dafür das die gesamte Verstärkung des Systems sich nur
wenig ändert. Dadurch wird die Stabilität im Sinne von
Temperaturabhängigkeit der Verstärkung besser. Auch bei etwa
Nichtlinearitäten wirkt die Rückkopplung korrigierend, weil das
Ausgangssignal sozusagen mit dem Sollwert vergleichen wird, und der
"Leistungs-" Verstärkerteil dann nachsteuert.
Die Rückkopplung hat aber auch ein Problem: es kommt nämlich auf das
Timing an: kommt die Rückkopplung zu spät oder in der Phase zu sehr
verschoden, dann kann die Schaltung anfangen zu schwingen. Die Auslegung
so das es nicht zu Schwingungen kommt ist die eigentliche Kunst bei
einem Rückgekoppelten Verstärker - der Abstand zur Schwingung wird auch
als Stabilität bezeichnet, bzw. ein schwingender Verstärker als
instabil. Von daher macht die Rückkopplung die Stabilität in diesem
Sinne oft schlechter.
Die Verstärker kann meist als lineares System betrachtet werden. Das
heißt die Musik ist nur eine Überlagerung von verschiedenen
Sinusschwingungen. Wenn die Rückkopplung dann für einen Sinus bei allen
Frequenzen funktioniert, klappt es auch mit jeder Überlagerung, also
auch jeder Musik. Für die Stabilität muss man dabei auch die Frequenzen
beachten die nicht in der Musik drin sind - die Rückkopplung muss für
jede Frequenz passen, auch die höheren. Zu hohen Frequenzen wird die
Rückkopplung schwächer - solange die stärke gering genug ist kann der
Verstärker nicht mehr schwingen, egal wie übel die Verzögerungen.
Beim Klasse D Verstärker kommt vorne weiter ein analoges Musiksignal
rein, und hinten auch in guter Näherung raus. Nur als Zwischenstufe im
Verstärker wird das in ein Hochfrequentes PWM Signal umgesetzt um mit
wenig Leistungsverlust das Ausgangssignal zu erzeugen. Die Rückführung
erfolgt auch noch auf der analogen niederfrequenten Ebene.
Alex Rasenberger schrieb:> In der Regel wird ja das Signal vom Ausgang dem Signal vom Eingang> negativ "zugeführt" und subtrahiert somit das Eingangssignal.
Ähh. Jein.
Feedback ist der (englische) Oberbegriff. Der wird meist mit den
Adjektiven negative oder positive verwendet. Im Deutschen gibt es
zusätzlich zum Wort Rückkopplung auch eigene Worte: Gegenkopplung
(negative Rückkopplung) und Mitkopplung (positive Rückkopplung).
Gegenkopplung liegt vor, wenn das rückgekoppelte Signal der Ursache
entgegenwirkt und bewirkt eine Stabilisierung der Schaltung.
Mitkopplung hingegen führt i.d.R. zum Schwingen der Schaltung.
> Sprich, es liegen am Eingang 0.5Vpp Sinus an, am Ausgang 5Vpp dann> besteht die Möglichkeit von den 5V durch einen Spannungsteiler einen> bestimmten Anteil vom Eingang abzuziehen und somit die Verstärkung zu> begrenzen. Somit würde die Amplitude am Ausgang nie über 5V steigen.>> Stimmt das so?
Nein. Eine Gegenkopplung begrenzt nicht die Amplitude am Ausgang des
verstärkers, sondern stellt eine feste (konstante) Verstärkung ein.
> 2. Frage: der Feedbackpfad soll ja auch der Stabilität dienen und eine> gewisse Fehlerkorrektur beitragen. Was ist damit gemeint?
Die meisten Verstärker sind heute wie ein OPV (Operationsverstärker)
aufgebaut. Sie besitzen einen (+) und einen (-) Eingang.
Die Ausgangsspannung ergibt sich aus der Differenz von (+) und (-)
multipliziert mit der sehr hohen Leerlaufverstärkung. Sehr hoch meint
Werte von 1 Million und mehr.
Die Leerlaufverstärkung ist aber nicht konstant. Insbesondere fällt sie
zu hohen Frequenzen hin ab. Eine Gegenkopplung stellt nun eine i.d.R.
sehr viel geringere Verstärkung ein, die dann insbesondere auch über die
Frequenz konstant ist (so lange wie die Leerlaufverstärkung bei der
betrachteten Frequenz über der eingestellten Verstärkung bleibt).
Eine Gegenkopplung beim OPV bedeutet die Rückführung der Ausgangs-
spannung auf den (-) Eingang. Stell dir einfach vor, der (-) Eingang
läge auf 0V und am (+) Eingang würde eine positive Spannung angelegt.
Der Ausgang des OPV wird jetzt ebenfalls eine positive Spannung
annehmen. Wenn wir jetzt einen Teil der Ausgangsspannung auf den (-)
Eingang zurückkoppeln, dann wirkt diese Rückkopplung der Ursache
entgegen. Irgendwann wird sich die Lage stabilisieren: die Spannung am
(-) Eingang wird nahe genug an die am (+) Eingang angelegte
Eingangsspannung kommen, daß der Ausgang stabil auf einer Spannung
liegen bleibt.
Wann wird das sein? Dazu betrachten wir die Differenzspannung zwischen
(+) und (-) Eingang des OPV. Wegen der sehr hohen Leerlaufverstärkung
braucht der OPV fast keine Spannungsdifferenz. Wenn wir eine
Leerlaufverstärkung von 1000000 annehmen und der OPV am Ausgang bis +10V
bzw. -10V kommt, dann braucht er am Eingang eine Spannungsdifferenz von
lediglich +10µV bzw. -10µV. Also fast nichts. In der Praxis rechnet man
als Näherung einfach so, daß die Spannung zwischen (+) und (-) Eingang
des OPV 0 wird.
Wenn wir jetzt 1/10 der Ausgangsspannung zum (-) Eingang zurückführen
und am (+) Eingang +1V anlegen, dann muß die Ausgangsspannung auf +10V
steigen damit diese Bedingung erfüllt ist. Denn +10V * 1/10 ergibt die
erforderlichen +1V am (-) Eingang. Oder anders gesagt: durch die
Einstellung der Rückkopplung auf 1/10 haben wir die Verstärkung der
Schaltung auf 10 festgelegt. Voila!
> 3. Frage: Das klappt ja alles wunderbar bei einem gleichbleibenden> Signal, aber wenn ich am Ausgang meine 5Vpp Sinus Welle am Scheitelpunkt> abgreife und zurückführe dann muss ich doch das Eingangssignal auch am> Scheitelpunkt erwischen, oder?
Richtig. Eine Verzögerung des Signals im Verstärker bewirkt eine
unvollständige Gegenkopplung. Wenn die Verzögerung so groß wird wie eine
halbe Periode der Signalfrequenz, dann wird aus der Gegenkopplung eine
Mitkopplung und die Schaltung fängt an zu schwingen. Zur Abhilfe
verwendet man eine Frequenzkompensation des Verstärkers.
Im NF-Bereich ist das aber alles noch relativ unkritisch.
> 4. Frage: Bei einem Class D Amp: kann man da das Rechteck PWM Signal> zurückführen zum Eingangs PWM Signal und somit einen Feedback bilden?
Jeder Verstärker hat (braucht) eine Gegenkopplung. Auch Class-D.
XL
Erstmal vielen Dank an Ulrich, ganz verstanden habe ich es allerdings
leider noch nicht.
Ulrich H. schrieb:> Wenn der> Verstärker in der Schleife z.B. die Verstärkung ändert, sorgt die> Rückkopplung dafür das die gesamte Verstärkung des Systems sich nur> wenig ändert. Dadurch wird die Stabilität im Sinne von> Temperaturabhängigkeit der Verstärkung besser.
Wann ändert ein Verstärker seine Verstärkung? Doch nur bei höherem
Eingangssignal, oder? Somit erhalte ich eine höhere Amplitude am Eingang
und auch eine höhere Amplitude am Ausgang. Das wäre doch auch ohne
Gegenkopplung so?
> Auch bei etwa> Nichtlinearitäten wirkt die Rückkopplung korrigierend, weil das> Ausgangssignal sozusagen mit dem Sollwert vergleichen wird, und der> "Leistungs-" Verstärkerteil dann nachsteuert.
Das verstehe ich leider auch nicht. Nicht linear bedeutet doch dass ein
bestimmtes Signal weniger stark verstärkt wird als andere Signale. Woher
weiß denn der Eingangs-Differenz-OP dass jetzt dieses Signal zu schwach
am Ausgang anlag und selbst wenn, dann ist es doch bereits geschehen?!
Verstehe nicht wie die Gegenkopplung nachträglich das Signal
"linearisieren" kann.
> Beim Klasse D Verstärker kommt vorne weiter ein analoges Musiksignal> rein, und hinten auch in guter Näherung raus. Nur als Zwischenstufe im> Verstärker wird das in ein Hochfrequentes PWM Signal umgesetzt um mit> wenig Leistungsverlust das Ausgangssignal zu erzeugen. Die Rückführung> erfolgt auch noch auf der analogen niederfrequenten Ebene.
Kann man das denn nicht auch mit den PWM Signalen machen??
Axel Schwenke schrieb:> Jeder Verstärker hat (braucht) eine Gegenkopplung. Auch Class-D.
Bis auf diesen Satz bin ich bei Dir.
Gerade das PWM-Signal von Class-D lässt sich auch ohne Gegenkopplung
problemlos verstärken.
Was dabei gerne mal auftritt, ist ein DC-Offset, Verzerrungen eher
nicht.
LG
old.
Axel Schwenke schrieb:> Wenn wir jetzt 1/10 der Ausgangsspannung zum (-) Eingang zurückführen> und am (+) Eingang +1V anlegen, dann muß die Ausgangsspannung auf +10V> steigen damit diese Bedingung erfüllt ist. Denn +10V * 1/10 ergibt die> erforderlichen +1V am (-) Eingang. Oder anders gesagt: durch die> Einstellung der Rückkopplung auf 1/10 haben wir die Verstärkung der> Schaltung auf 10 festgelegt. Voila!
Ok, hier hat es Klick gemacht :)
Vin(+) und Vin(-) werden immer so geregelt dass sich eine identische
Spannung an den beiden einstellt.
Der OPV am Eingang ist quasi eine Art Lautstärkepoti der den Amp so weit
aufdreht bis die Bedingung am Eingang erfüllt ist.
D a r i u s M. schrieb:> Gerade das PWM-Signal von Class-D lässt sich auch ohne Gegenkopplung> problemlos verstärken.> Was dabei gerne mal auftritt, ist ein DC-Offset, Verzerrungen eher> nicht.
Wie wird dann hier die Verstärkung geregelt? Der Eingang weiß ja nicht
mehr was der Ausgang treibt ... Oder ist das bei PWM gar nicht mehr
notwendig weil sowieso nur zwischen 0 und 1 am Ausgang unterschieden
wird?
D a r i u s M. schrieb:> Axel Schwenke schrieb:>> Jeder Verstärker hat (braucht) eine Gegenkopplung. Auch Class-D.>> Bis auf diesen Satz bin ich bei Dir.>> Gerade das PWM-Signal von Class-D lässt sich auch ohne Gegenkopplung> problemlos verstärken.
Die Gegenkopplung findet ja auch nicht im digitalen Trakt statt, sondern
vom (gefilterten) Ausgang zum (vor dem) PWM-Modulator. Und sie muß auch
nicht Verstärkungsfehler oder Nichtlinearitäten im Digitaltrakt
wegbügeln, sondern z.B. Schwankungen der Versorgungsspannung.
XL
Alex Rasenberger schrieb:> Wie wird dann hier die Verstärkung geregelt?
Zum einen über die Betriebsspannung am Ausgang
http://d-amp.blogspot.de/
Und natürlich darüber wieviel Eingangsspannung welchen
Modulationsgrad bringt.
Axel Schwenke schrieb:> Die Gegenkopplung findet ja auch nicht im digitalen Trakt statt, sondern> vom (gefilterten) Ausgang zum (vor dem) PWM-Modulator.
Das hat niemand bestritten.
> Und sie muß auch> nicht Verstärkungsfehler oder Nichtlinearitäten im Digitaltrakt> wegbügeln, sondern z.B. Schwankungen der Versorgungsspannung.
Das ist nicht bei jedem Verstärker so und deshalb kannst Du das nicht
verallgemeinern.
Alex Rasenberger schrieb:> Axel Schwenke schrieb:
[schnipp]
> Ok, hier hat es Klick gemacht :)>> Vin(+) und Vin(-) werden immer so geregelt dass sich eine identische> Spannung an den beiden einstellt.
So ungefähr. Ich würde das eher so formulieren: "Der OPV ändert seine
Ausgangsspannung so weit, daß sich an seinen Eingängen die gleiche
Spannung einstellt". Dies ist in der Tat der Schlüssel zum Verständnis
linearer OPV-Schaltungen.
> Der OPV am Eingang ist quasi eine Art Lautstärkepoti der den Amp so weit> aufdreht bis die Bedingung am Eingang erfüllt ist.
Diese Analogie finde ich ein wenig verquer, weil der OPV ja der
Verstärker ist.
Noch ein paar Worte zu Nichtlinearitäten. Ich habe weiter oben
geschrieben, daß die Leerlaufverstärkung nicht konstant ist. Das geht
noch viel weiter als nur zur Frequenzabhängigkeit. Wenn man ein Diagramm
malen würde mit der Ausgangsspannung des OPV auf der y-Achse und der
Eingangs-Differenzspannung auf der x-Achse, dann ergäbe ein idealer
verstärker eine Gerade mit einem Anstieg von z.B. 1V/1µV (Verstärkung 1
Million).
Ein realer OPV ergibt aber keine Gerade. An den Enden des Aussteuer-
bereichs (große positive oder negative Ausgangsspannung) flacht die
Gerade ab zu einer Art großem S. Auch dazwischen kann die Kurve gekrümmt
sein. Und wenn man Pech hat, hat sie um den Nulldurchgang herum ein paar
fiese Knicke (Nulldurchgangsverzerrung bei zu geringem oder gar keinem
Ruhestrom). Alle diese Nichtlinearitäten werden durch die Gegenkopplung
abgeschwächt (nicht: beseitigt). Der Grad der Abschwächung ist ca. der
Anteil der "totgelegten" Leerlaufverstärkung oder auch
Verstärkungsreserve (Fachbegriff: Schleifenverstärkung).
Wenn ein OPV mit 1 Mio Leerlaufverstärkung auf V=100 eingestellt wird,
dann hat er noch 1000000 : 100 = 10000 Reserve. Um diesen Faktor werden
Nichtlinearitäten unterdrückt.
XL
Ich bins nochmal...
so ganz lässt mir das mit dem Class D und PWM Feedback noch keine Ruhe.
In einem anderen Thread eines anderen Forumsmitglied habe ich folgendes
Bild gefunden:
http://www.mikrocontroller.net/attachment/232475/pwm_prozessing.PNG
Hier geht ein PWM Signal in den IC rein, dieses wird dann wie ein
Analogsignal über einen Differenzverstärker mit dem PWM Signal vom
Ausgang verglichen.
Fraglich nur wie die das machen, ein PWM Rechtecksignal kann man ja
nicht in der Amplitude regeln sondern in der Pulsweite. Der OP Amp
müsste dann ja quasi in die Pulsweitenmodulation eingreifen um die
Verstärkung am Ausgang zu regeln.
D a r i u s M. schrieb:> Das loop-Filter demoduliert wieder.
Nein? Nicht im ernst?
Das PWM Signal wird mit einem PWM Prozessor aufwendig erzeugt, dann im
Chip wieder demoduliert und mit dem demodulierten Signal vom Ausgang
verglichen um dann wieder moduliert zu werden?!
Oh... Ähm... Ernsthaft? Also nicht dass ich deine Aussage in Frage
stellen möchte aber mir kommt das schon etwas arg aufwendig vor. Vor
allem wenn man doch vom Feedback bei Class D gar nicht viel hat. Offset
ist doch bei der Vollbrücke gar kein so großes Thema dachte ich.
Ich kenne das IC nicht. Aber in der Regel geht es bei der Gegenkopplung
darum Unlinearitäten bei der Modulation, des Modulators selbst , zu
minimieren.
Ein PWM Signal ist auch schon ungewöhnlich am Verstärker. Wenn überhaupt
könnte das ggf. von einer Digitalen Signalquelle (MP3 oder CD) kommen.
So aufwändig ist dann die Erzeugung nicht.
Vom Feedback hat man auch bei Klasse D einiges. So linear sind die
Endstufen nicht - gerade ferromagnetische Kerne sind etwas nichtlinear
und auch Temperaturabhängig. Ohne Rückkopplung wäre bei einer Klasse D
Endstufe die PSSR auch sehr schlecht - man bräuchte also eine gut
geregelte Spannung.
Einen Punkt den wir noch vergessen hatten, ist das man mit Rückkopplung
einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand erzeugen kann (etwa um eine hohe
Dämpfung von Lautsprechern zu erhalten). So hat ein OP typischerweise
ohne Rückkopplung etwa 100 Ohm Ausgangswiderstand. Mit Rückkopplung
reduziert sich der entsprechend der Schleifenverstärkung.
Damit kann ich mich nicht anfreunden:
Ulrich H. schrieb:> So hat ein OP typischerweise> ohne Rückkopplung etwa 100 Ohm Ausgangswiderstand. Mit Rückkopplung> reduziert sich der entsprechend der Schleifenverstärkung.
Ohne Rückkopplung: Der Rdson der Power-FETs und der Innenwiderstand
vom Netzteil.
Das ist dann nur ein Bruchteil von dem der Last und erfordert keine
Gegenkopplung.
Mit einem 100 Ohm OP hat das nichts gemein.
Ulrich H. schrieb:> Vom Feedback hat man auch bei Klasse D einiges. So linear sind die> Endstufen nicht - gerade ferromagnetische Kerne sind etwas nichtlinear> und auch Temperaturabhängig.
Die Endstufen sollen Schalter sein, die dürfen nicht mit Feedback
linear gemacht werden.
(Unser Berufsschullehrer hatte das mal mit einem einem Gatter gemacht,
das wurde dann zum linearen Verstärker und gut heiß dabei.)
Dann kümmer Dich mal um die Frequenzweiche und Deinen Lautsprecher -
der liegt auch nicht in der Gegenkopplungsschleife.
Ist aber sehr viel relevanter als ein kleines HF-Filterlein am
D-Amp Ausgang.
Na also irgend einen Grund muss es ja haben dass die Hersteller von
Class D Amps überwiegend einen Feedbackpfad einbauen. Man sieht es ja am
IC Ausschnitt dass hier sogar demoduliert wird nur um zu vergleichen.
Mit meinem neu erlangten Halbwissen meine ich zu behaupten dass es dabei
Hauptsächlich um die Power Supply Rejection (PSR) geht.
Linearisierung spielt aber bestimmt auch eine Rolle. Das Argument mit
dem Schalter leuchtet mir nicht ganz ein. Warum soll der Fet wärmer
werden wenn das analoge Eingangssignal mit dem analogen Ausgangssignal
verglichen und ggf. angepasst wird?
Der OP am Eingang regelt die Verstärkung halt etwas nach, deshalb ändert
sich noch lange nichts am Schaltverhalten der Fets was zu dessen
Erwärmung führt.
Ich hoffe ich verbreite hier kein Halbwissen...
