4. VIVA Kolloquium, Uni Dortmund, 24.-25. Feb. 2003 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 4. VIVA Kolloquium, Uni Dortmund, 24.-25. Feb. 2003

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

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

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

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

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

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

Näherung von SB-ZePoC: NPWM Bedingung: sehr hohe Schaltrate oder sehr niedrige Signalfrequenzen Äquivalent NPWM - SB-ZePoC: für tiefe Signalfrequenzen hat LPF keinen Einfluß - ohne LPF identisch mit N-PWM - N-PWM braucht kein Hilbert => relaxed Hilbert transform! => unterhalb der unteren Grenzfrequenz des Hilbert-Trafos realisiert SB-ZePoC ein N-PWM-Verhalten => innerhalb vorgegebener Genauigkeit wird sep. Basisband aus echtem low-pass input erzeugt Verletzung der Bedingung: Verlust des separierten Basisbandes!

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

Digital SB-ZePoC Implementierung Hilbert-Transformation FIR-Filter Bandpasscharakteristik untere Grenzfrequenz l N > 1000 erforderlich! Lösung: Hybrid-System NPWM für kleine Signalfrequenzen unabhängig von Hilbert-Transf. deutlich kleinere Filterordnung (praktisch: 30..50)

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

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

volldigitaler Prototyp

Prototyp: Simulation & Messung Berechnung der Nullstellen 16 Bit Genauigkeit Digitaler Pulsformer 11 Bit Auflösung (200 MHz Taktrate) Simulation Daten: Signalbandbreite: 0 .. 20 kHz sep. Basisband: 0 .. 42 kHz Schaltrate: 97.6 kHz Noise (0..20 kHz): – 65 dB SNR:  80 dB Messung

informelle Kooperation 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

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

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