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4. VIVA Kolloquium, Uni Dortmund, 24.-25. Feb. 2003 Low-Power Audioleistungsverstärker nach dem Klasse-D-Prinzip auf der Basis von Binärsignalen mit separiertem.

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1 4. VIVA Kolloquium, Uni Dortmund, Feb Low-Power Audioleistungsverstärker nach dem Klasse-D-Prinzip auf der Basis von Binärsignalen mit separiertem Basisband M. Streitenberger W. Mathis Institut für Theoretische Elektrotechnik und Hochfrequenztechnik Universität Hannover Th. Schindler Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und Kommunikationstechnik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

2 Low-Power Audioleistungsverstärker Ausgangspunkt / Motivation neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC theoretische Erkenntnisse Implementierungsaspekte Prototyp Zusammenfassung / Ausblick Übersicht

3 Low-Power Audioleistungsverstärker Low-Power Signalverstärkung Klasse-D-Prinzip nichtlineares Verstärkerkonzept Kodierung / Dekodierung notwendig lineares Übertragungsverhalten neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC (Binärsignale mit separiertem Basisband)

4 Motivation Ausgangspunkt spektrale Eigenschaften des Binärsignals Frage nach Kodierungsverfahren PWM Spektrum Ergebnis: nichtlineare Verzerrungen klassisches Konzept

5 Neues Signalkonzept Forderung: Binärsignale mit separiertem Basisband Resultat: linearer Verstärker mit hohem Wirkungsgrad (Klasse-D) Lösung: SB-ZePoC: (Zero-Position Coding with separated baseband)

6 Vergleich sep. Basisband NPWM Spektrum Funktionalität SB-ZePoC Spektrum mit separiertem Basisband Basisband: durch Kodierungsverfahren bestimmt HF Bereich: durch Schaltrate bestimmt unabhängig vom Kodierungserfahren

7 SB-ZePoC Verfahren Basis: Titchmarsh (1926), Logan (1984) Nullstellen phasenmodulierter Signale: s(t) separiertes Basisband Frequenzbedingung komplementär zu Shannon-Theorem! Verstärkerkonzept: hoher Wirkungsgrad durch niedrige Schaltrate Linearität

8 SB-ZePoC NPWM Näherung von SB-ZePoC: NPWM Verletzung der Bedingung: Verlust des separierten Basisbandes! Bedingung: sehr hohe Schaltrate oder sehr niedrige Signalfrequenzen Äquivalent

9 Digital SB-ZePoC Implementierung zeitdiskrete Beschreibung Standardblöcke der digitalen Signalverarbeitung insgesamt aufwendig zentrale Aufgabe: Low-Power durch Aufwandsreduktion

10 Digital SB-ZePoC Implementierung Hilbert-Transformation FIR-Filter Bandpasscharakteristik untere Grenzfrequenz N > 1000 erforderlich! Lösung: Hybrid-System NPWM für kleine Signalfrequenzen unabhängig von Hilbert-Transf. deutlich kleinere Filterordnung (praktisch: )

11 Digital SB-ZePoC Implementierung Tiefpassfilter lineare Phase!!! Signalformtreue FIR-Filter mit hoher Ordnung (N = 170) Modellordnungsreduktion quasi-linearphasiges IIR-Filter (N = 36) Implementierung... Neuantrag

12 Digital SB-ZePoC Implementation Digitaler Pulsformer: Auflösung bestimmt Dynamikbereich Taktrate im GHz-Bereich neuer Ansatz: Digitalzähler mit Ringoszillator Erhöhung der Auflösung Verringerung der Taktrate Nachteil: Phasenrauschen

13 volldigitaler Prototyp

14 Prototyp: Simulation & Messung Berechnung der Nullstellen 16 Bit Genauigkeit Digitaler Pulsformer 11 Bit Auflösung (200 MHz Taktrate) Daten: Signalbandbreite: kHz sep. Basisband: kHz Schaltrate:97.6 kHz Noise (0..20 kHz):– 65 dB SNR: 80 dB Simulation Messung

15 Ergebnisse Veröffentlichungen 16 Konferenzbeiträge z. Bsp. ESSCIRC 2002, ECCTD 2001, ISCAS 2000, ECCTD 1999 best paper award: ICCSC 2002 special issue IEEE J. CAS1 (eingereicht) 2 Diplom-, 4 Studienarbeiten informelle Kooperation Bosch / Blaupunkt, Hildesheim Micronas, Freiburg Philips, Eindhoven BOSCH BLAUPUNKT PHILIPS

16 Zusammenfassung Low-Power durch effiziente Leistungsverstärkung SB-ZePoC Verfahren Linearität (separiertes Basisband) niedrige Schaltrate Funktionalität & Realisierbarkeit theoretische Erkenntnisse Basis: Nullstellen phasenmodulierter Signale NPWM ist Näherung von SB-ZePoC Low-Power Signalverarbeitung Aufwandsreduktion Hilbert Transformator Tiefpassfilter Low-Power Pulsformer Ringoszillator-Konzept Taktratenreduktion

17 Ausblick Analogteil (Schaltstufe + Filter + Last) thermodynamische Aspekte der Schaltstufe Kooperation mit Prof. Beth, Karlsruhe Nichtideale / nichtlineare Einflüsse Ansatz: Feedback Kooperation mit Prof. Weigel, Erlangen


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