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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Signalterminierung bei class-d Verstärkern?


Autor: Torben K. (torben)
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Hallo!

Nachdem ich hier vor kurzem einiges zu Signalterminierung gelernt habe 
habe ich jetzt noch eine Frage dazu. Ich benutze einen class-d 
Verstärker um ein Audiosignal an einen Lautsprecher zu geben. Das 
PWM-Signal ist dabei mit 400 KHz getaktet. Die Anstiegszeit des Signals 
beträgt allerdings nur 2ns. Wenn ich das Signal messe sehe ich 
deutliches überschwingen am Anfang einer Periode. Das gilt für beide 
Leitungen. Im Bereich des Überschwingens ergänzen sich die Signale nicht 
zu Null, wenn ich kein Eingangssignal anliegen habe. Vermutlich daraus 
resultiert ein deutlich hörbares Rauschen. Der Lautsprecher ist über ein 
ca. 28cm langes Kabel an den Verstärker angeschlossen. Meine Vermutung 
ist nun, dass aufgrund der kurzen Anstiegszeit und des langen Kabels 
Reflektionen entstehen und der Grund für das Rauschen sind. Wie kann ich 
die Reflektionen in diesem Fall unterdrücken? Im Datenblatt des 
Verstärkers steht etwas von einem optionalen Audio Output Filter der mit 
Spulen und Kondensatoren arbeitet, aber eher in Richtung EMI geht. 
Leider habe ich die benötigten Teile dafür noch nicht hier um das zu 
testen. Ist damit zu rechnen, dass ein solcher Filter auch das 
Reflektionsproblem löst oder gibt es da andere Möglichkeiten für diesen 
Fall?

Vielen Dank!

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Torben K. (torben)

>habe ich jetzt noch eine Frage dazu. Ich benutze einen class-d
>Verstärker um ein Audiosignal an einen Lautsprecher zu geben. Das
>PWM-Signal ist dabei mit 400 KHz getaktet. Die Anstiegszeit des Signals
>beträgt allerdings nur 2ns.

Sicher? Das sollte mich überraschen, dass ein Audio Klasse-D Verstärker 
SOOO schnelle Flanken macht.
> Wenn ich das Signal messe sehe ich
>deutliches überschwingen am Anfang einer Periode.

;-)
Wie gemessen?

> Das gilt für beide
>Leitungen. Im Bereich des Überschwingens ergänzen sich die Signale nicht
>zu Null, wenn ich kein Eingangssignal anliegen habe. Vermutlich daraus
>resultiert ein deutlich hörbares Rauschen.


> Der Lautsprecher ist über ein
>ca. 28cm langes Kabel an den Verstärker angeschlossen. Meine Vermutung
>ist nun, dass aufgrund der kurzen Anstiegszeit und des langen Kabels
>Reflektionen entstehen und der Grund für das Rauschen sind.

Sehr unwahrscheinlich.

>testen. Ist damit zu rechnen, dass ein solcher Filter auch das
>Reflektionsproblem löst

Ja.

> oder gibt es da andere Möglichkeiten für diesen Fall?

Das Rauschen hat wahrscheinlich andere Ursachen.

MFG
Falk

Autor: Torben K. (torben)
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Falk Brunner wrote:
> @Torben K. (torben)
>
>>habe ich jetzt noch eine Frage dazu. Ich benutze einen class-d
>>Verstärker um ein Audiosignal an einen Lautsprecher zu geben. Das
>>PWM-Signal ist dabei mit 400 KHz getaktet. Die Anstiegszeit des Signals
>>beträgt allerdings nur 2ns.
>
> Sicher? Das sollte mich überraschen, dass ein Audio Klasse-D Verstärker
> SOOO schnelle Flanken macht.
>> Wenn ich das Signal messe sehe ich
>>deutliches überschwingen am Anfang einer Periode.
>
> ;-)
> Wie gemessen?
>

Passiver Tastkopf 10:1, 200 MHz Bandbreite, an ein 200 MHz Oszi mit 
2Gs/s.

>> Das gilt für beide
>>Leitungen. Im Bereich des Überschwingens ergänzen sich die Signale nicht
>>zu Null, wenn ich kein Eingangssignal anliegen habe. Vermutlich daraus
>>resultiert ein deutlich hörbares Rauschen.
>
>
>> Der Lautsprecher ist über ein
>>ca. 28cm langes Kabel an den Verstärker angeschlossen. Meine Vermutung
>>ist nun, dass aufgrund der kurzen Anstiegszeit und des langen Kabels
>>Reflektionen entstehen und der Grund für das Rauschen sind.
>
> Sehr unwahrscheinlich.
>

Weil?

>>testen. Ist damit zu rechnen, dass ein solcher Filter auch das
>>Reflektionsproblem löst
>
> Ja.
>

Dann wäre ja schon alles super...

>> oder gibt es da andere Möglichkeiten für diesen Fall?
>
> Das Rauschen hat wahrscheinlich andere Ursachen.
>

An was denkst du da zum Beispiel?

> MFG
> Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Torben K. (torben)

>Passiver Tastkopf 10:1, 200 MHz Bandbreite, an ein 200 MHz Oszi mit
>2Gs/s.

Klingt schon mal gut, aber wie sieht es mit der Masseanbinduing aus? 
KURZ? Also kleiner 2cm.

>>>Reflektionen entstehen und der Grund für das Rauschen sind.
>> Sehr unwahrscheinlich.
>Weil?

Die viel zu hochfrequent sind, die hört keiner, nicht mal der 
Lautsprechner kann sie akustisch weitergeben. Die könnten bestenfals 
demoduliert werden, das geht aber nur mit nichtlinearen Bauteilen wie 
Dioden, Transistoren etc.

> Das Rauschen hat wahrscheinlich andere Ursachen.

>An was denkst du da zum Beispiel?

Keine Ahnung.

MFg
Falk

Autor: Michael Wilhelm (Gast)
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Vermutung:

Rauschen entsteht eher in hochohmigen Bereichen einer Schaltung, also 
eher im Eingangsbereich sollte die Rauschquelle zu suchen sein. Wenn ich 
daneben vermutet habe bitte Korrektur.

MW

Autor: Torben K. (torben)
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@Falk

die Massenanbindung ist ca. 10cm, eine andere habe ich nicht zur 
Verfügung. Wie stark wird das denn das Ergebnis beeinflussen?

@Michael

ich habe das Eingangssignal (theoretisch) abgestellt im vorgelagerten 
IC. Wenn ich dort die Verstärkung erhöhe höre ich eine Erhöhung des 
Rauschens, aber es geht nie unter ein bestimmtes Niveau, das identisch 
ist mit dem jetzigen wenn das Eingangssignal abgeschaltet ist.

Autor: nullahn (Gast)
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Leg doch mal die Leitung nach dem Vorgeschaltetem IC auf Masse danach 
bist du schlauer.

Wenn du schreibst welche Bausteine du benutzt sind wir danach schlauer.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Torben K. (torben)

>die Massenanbindung ist ca. 10cm, eine andere habe ich nicht zur
>Verfügung. Wie stark wird das denn das Ergebnis beeinflussen?

SEHR stark. ;-)

>ich habe das Eingangssignal (theoretisch) abgestellt im vorgelagerten
>IC. Wenn ich dort die Verstärkung erhöhe höre ich eine Erhöhung des
>Rauschens, aber es geht nie unter ein bestimmtes Niveau, das identisch
>ist mit dem jetzigen wenn das Eingangssignal abgeschaltet ist.

Klingt nach dem (verstärken) Eigenrauschen deines ICs.

MFg
Falk

Autor: Torben K. (torben)
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Falk Brunner wrote:
> @Torben K. (torben)
>
>>die Massenanbindung ist ca. 10cm, eine andere habe ich nicht zur
>>Verfügung. Wie stark wird das denn das Ergebnis beeinflussen?
>
> SEHR stark. ;-)
>

bedeutet dass dann, das die Messung überhaupt nicht zu gebrauchen ist 
oder kann man die zumindest als qualitativen Hinweis sehen?

>>ich habe das Eingangssignal (theoretisch) abgestellt im vorgelagerten
>>IC. Wenn ich dort die Verstärkung erhöhe höre ich eine Erhöhung des
>>Rauschens, aber es geht nie unter ein bestimmtes Niveau, das identisch
>>ist mit dem jetzigen wenn das Eingangssignal abgeschaltet ist.
>
> Klingt nach dem (verstärken) Eigenrauschen deines ICs.
>

Ich denke das ist der Fall wenn die Verstärkung im vorhergehenden IC 
entsprechend hoch ist. Aber selbst wenn ich den Ausgang mute ist ein 
Grundrauschen vorhanden...

> MFg
> Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Torben K. (torben)

>bedeutet dass dann, das die Messung überhaupt nicht zu gebrauchen ist

Ja.

> Klingt nach dem (verstärken) Eigenrauschen deines ICs.

>Ich denke das ist der Fall wenn die Verstärkung im vorhergehenden IC
>entsprechend hoch ist. Aber selbst wenn ich den Ausgang mute ist ein
>Grundrauschen vorhanden...

Deswegen heisst es ja Grundrauschen . . . ;-)

MFG
Falk

Autor: SNT-Opfer (als Gast) (Gast)
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Das Rauschen bei Class-D Verstärkern kommt ua. durch Jitter im Takt bzw. 
in den "taktenden" Bauteile (Integrator, Komparator, Treiberschaltung 
der Fets).

Bei integrierten Lösungen hat man in der Regel kaum Einfluss, zumal sie 
gerne mit "Spread-Spectrum" arbeiten, um die EMI Abstrahlung ohne Filter 
in den Griff zu bekommen (Spektrallinie vs. Frequenz-"Teppich").

Das selbe Problem macht mächtig Ärger bei hochauflösenden und schnellen 
(>100MS) AD-Wandlern, die Clock muss ziemlich präzise sein.

Ansonsten bleiben da noch die Rauschanteile aus den Schaltvorgängen, 
selbige hört man zwar definitiv nicht, aber sie demodulieren sich im 
NF-Teil deines Amps (wie Falk schon bemerkte). Quasi "wireless" Feedback 
;)

Hat der "Unbekannte" Baustein eine Rückkopplung ?
Selbiger kann das Rauschen paar dB runterziehen...kein muss, kommt auf 
die Schaltung an, da das Rauschen (sowie die Verzerrungen) auch durch 
die Todzeit innerhalb der Halbbrücke beeinflusst wird.

Rauschen ist ein diffuses Thema ;-)

Autor: Torben K. (torben)
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SNT-Opfer (als Gast) wrote:

> Rauschen ist ein diffuses Thema ;-)

Genau wie analog Audio an sich wie ich gerade schmerzlich lernen muss. 
Der Verstärker ist ein NCP2820. Er setzt keine "Spread-Spectrum" Technik 
ein. Wenn ich das richtig verstehe wird keine Rückkopplung so wie du sie 
meinst eingesetzt. Ich hänge mal das Datenblatt an, dann mag man mich 
lügen strafen ;)

Autor: SNT-Opfer (als Gast) (Gast)
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Ey, der ist ja niedlich ;).

Soweit ok, Spreadspectrum fällt aus, Feedback nur intern.

:-|

Vorschlag :
Den Audio-Filter (uU. Advanced) von S.15 Abb.37/36 probieren.
In diesem Leistungsbereich dürften da lütte SMD Spulen langen (15µH max 
1A).
Falls es noch nicht langt, nach dem Filter Signal abgreifen und per 
Spannungsteiler (bestimmt die Gesamtverstärkung !) an den Eingang 
rückkoppeln. Quasi wie bei einem üblichen Operationsverstärker.
Phasenlage beachten, sonsts wirds eine Mitkopplung, klar.
Eventuell kann es nötig werden, den Feedback noch etwas per Tiefpass 
(nen C nach dem Spannungsteiler gegen Masse) zu bremsen bzw. die 
Phasenlage zu korrigieren. Modifiziert aber auch die Linearität ! ... 
also nicht unbedingt bis in den NF-Bereich auslegen, denn Tiefpass :)

Wenns noch schlimmer wird, bleiben noch das Layout und die Entkopplung 
der Spannungsversorgung übrig... Massefläche ? Keramik Cs ? Foto ? ;)

Schönes WE !

BTW:
Alternativ mal bei www.sodfa.de gucken, da gehts (fast) nur um DAmps ;)
(Nicht vor eventuellen Umleitungen mit AD-Attacken erschrecken, der 
Ami-Server hat nen merkwürdigen Humor)

Autor: Torben K. (torben)
Datum:
Angehängte Dateien:

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SNT-Opfer (als Gast) wrote:
> Ey, der ist ja niedlich ;).
>
> Soweit ok, Spreadspectrum fällt aus, Feedback nur intern.
>
> :-|
>
> Vorschlag :
> Den Audio-Filter (uU. Advanced) von S.15 Abb.37/36 probieren.
> In diesem Leistungsbereich dürften da lütte SMD Spulen langen (15µH max
> 1A).

Hab ich eingebaut nachdem die Teile gekommen sind. Das entsprechende 
Signal ist im Anhang zu sehen. Eher suboptimal würde ich sagen...

> Falls es noch nicht langt, nach dem Filter Signal abgreifen und per
> Spannungsteiler (bestimmt die Gesamtverstärkung !) an den Eingang
> rückkoppeln. Quasi wie bei einem üblichen Operationsverstärker.
> Phasenlage beachten, sonsts wirds eine Mitkopplung, klar.
> Eventuell kann es nötig werden, den Feedback noch etwas per Tiefpass
> (nen C nach dem Spannungsteiler gegen Masse) zu bremsen bzw. die
> Phasenlage zu korrigieren. Modifiziert aber auch die Linearität ! ...
> also nicht unbedingt bis in den NF-Bereich auslegen, denn Tiefpass :)

Das werde ich mal ausprobieren. Wenn das wirkt wir vielleicht ein 
anderer Verstärker ingesetzt, der diese Sachen schon mitbringt, zum 
Beispiel ein LM4675. Hat da jemand Erfahrung mit?

Schönen Gruß!

Autor: SNT-Opfer (als Gast) (Gast)
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Nabend...suboptimal trifft es bestens, ich bin entsetzt ;)
Wo ist das gemessen ?  Nach dem Filter ? :-|
Da sollte , sofern kein Signal am Verstärker, nur eine verrauschte 
Nulllinie stehen...
Gib mal nen Tipp wo Du das gemessen hast und unter welchen Bedingungen.

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