Realisierung eines verzerrungsarmen Open-Loop Klasse-D Audio-Verstärkers mit SB-ZePoC

Abstract. In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Klasse-D Verstärkern für Audio-Anwendungen ein vermehrtes Interesse auf sich gezogen. Eine Motivation hierfür liegt in der mit dieser Technik extrem hohen erzielbaren Effizienz von über 90%. Die Signale, die Klasse-D Verstärker steuern, sind binär. Immer mehr Audio-Signale werden entweder digital gespeichert (CD, DVD, MP3) oder digital übermittelt (Internet, DRM, DAB, DVB-T, DVB-S, GMS, UMTS), weshalb eine direkte Umsetzung dieser Daten in ein binäres Steuersignal ohne vorherige konventionelle D/A-Wandlung erstrebenswert erscheint.

Die klassischen Pulsweitenmodulationsverfahren führen zu Aliasing-Komponenten im Audio-Basisband. Diese Verzerrungen können nur durch eine sehr hohe Schaltfrequenz auf ein akzeptables Maß reduziert werden. Durch das von der Forschungsgruppe um Prof. Mathis vorgestellte SB-ZePoC Verfahren (Zero Position Coding with Separated Baseband) wird diese Art der Signalverzerrung durch Generierung eines separierten Basisbands verhindert. Deshalb können auch niedrige Schaltfrequenzen gewählt werden. Dadurch werden nicht nur die Schaltverluste, sondern auch Timing-Verzerrungen verringert, die durch die nichtideale Schaltendstufe verursacht werden. Diese tragen einen großen Anteil zu den gesamten Verzerrungen eines Klasse-D Verstärkers bei. Mit dem SB-ZePoC Verfahren lassen sich verzerrungsarme Open-Loop Klasse-D Audio-Verstärker realisieren, die ohne aufwändige Gegenkopplungsschleifen auskommen.

Class-D amplifiers are suiteble for amplification of audio signals. One argument is their high efficiency of 90% and more. Today most of the audio signals are stored or transmitted in digital form. A digitally controlled Class-D amplifier can be directly driven with coded (modulated) data. No separate D/A conversion is needed. Classical modulation schemes like Pulse-Width-Modulation (PWM) cause aliasing. So a very high switching rate is required to minimize the aliasing component within the signal band. This paper shows a first implementation of the new SB-ZePoC modulation scheme (Zero Position Coding with Separated Baseband), which allows the generation of a binary signal with separated baseband. Therefore Class-D amplifiers using SB-ZePoC can be run with very low switching rates. Some benefits and problems in the design process because of low switching rates will be discussed. Measurements of a realtime implementation will be presented.