22.07.2005, 05:24 AM
Tillg schrieb hier irgendwo:
Vor ein paar Wochen noch (im Hifi-Forum) wurde die so benamte PWMA-Schaltung auch von mir selbst im ersten Ansatz missinterpretiert, als Mischprinzip aus Sodfa und UcD. Meine Überlegungen konzentrierten sich (wenn man sich noch erinnert) ja darauf, mit einem irgendwie gearteten - und vorhandenen, wenn auch noch nicht restlos verstandenen! - PWM-Schaltungs-Mischdesign Analog vergleichbare, saubere Sinussignale mit geringem Klirrfaktor hinzubekommen, und zwar von einer schlichtweg ganz anderen Qualität, als das gemeinhin (und aktuell) scheinbar Akzeptanz findet.
Inzwischen ist das Verständnisproblem auf ein paar unwesentliche (halbleiterspezifische und aufbautechnische) Details geschrumpft, die aktuelle Schaltung wurde vom Prinzip her zwar um einen Proportionalanteil im Integrator-OP zur Begrenzung/Linearisierung der Open Loop und durch eine Mehrfach-Mitkopplung zwischen einzelnen Stufen erweitert, im Grunde ist sie aber nach wie vor überwiegend ein spezialisierter Hysteresewandler, erkennbar am "Grundgerüst" des Gegenkopplungswiderstands Rgk vom Leistungsschaltverstärkerausgang zum Minuseingang des als Integrator geschalteten zweiten OP. Erster OP wie gehabt Eingangspuffer/Verstärker, dritter OP Komparator (das Eingangssignal verursacht wie bekannt am Integrator einen Offset und verschiebt dadurch das Pulslängen "PW" -Pausenverhältnis des "MA" =Modulator-Alternative). Anteilige invertierende Spannungsverstärkung des Rgk zusammen mit Re inklusive. Im Grundansatz wird somit durch die Signalrückführung und der Funktion des Integrators als aktives Tiefpassfilter die Fähigkeit vermittelt, Schaltfehler und Schwankungen der Betriebsspannung bzw. höherfrequente Störungen auf dem Eingangssignal schon mal recht anständig auszuregeln und zu niedrigen Verzerrungen zu kommen, wie es allgemein Hysteresewandlern auch nachgesagt wird.
Leider reichte das allein nicht zum Glücklichsein, verlangt wurde zusätzlich
a) eine höhere Betriebsspannungsunterdrückung gegen asymmetrischen Versorgungsripple,
b) eine darauf angepasste Mehrfachmitkopplung in einzelnen Schaltverstärkerstufen musste den Nachteil des Sodfa umgehen, hier durch Einfachmitkopplung mit erhöhtem Anteil von Rauschen und Verzerrungen vor allem unverhältnismäßiger ungeradzahliger Oberwellen zu reagieren (dem ist so, auch wenn darüber bisher Anderweitiges bis zu "Lautes Schweigen" verbreitet wurde),
c) musste durch eine Kombination aus aktiv in eine Gegenkopplung einbezogene Ausgangsfilterstufe und passiv angehängtem "finalen HF-Ripple-Filter" dafür gesorgt werden, dass letztlich der Ausgangswiderstand - zusammen mit entsprechend hoher Trägerfilterung - niedrig bleiben konnte und
d) musste ein Weg gefunden werden, die Trägerfrequenz nahe 1MHz zu bringen, mit im Zusammenhang stehendem Frequenzabfall bei hoher Aussteuerung/Modulation (die/den es wiederum zu verringern galt), hoher Filtereckfrequenz bzw. damit hoher Träger-Unterdrückung und niedrigem Klirrfaktor, der (auch!) eine wesentliche Funktion (ganz) grob proportional zur Schaltfrequenz darstellt. Man lese z.B. dazu die aufschlussreichen AES-Papiere von Karsten Nielsen, B&O.
Eine weitere Bedingung war dann noch ein möglichst harmonischer Abfall der Oberschwingungen, bei der auf gar keinen Fall Ungeradzahlige/Höherwertige sich amplitudenmäßig in den Vordergrund drängen sollten, so wie man das bei fast allen Schaltkonzepten in den Diagrammen zu sehen bekommt. Das lies sich letztendlich durch den symmetrischen BJT-Schaltverstärker durch langes Suchen nach der dazu optimalen Beschaltung erreichen (i.e.L. niedrige, ausreichende Basisströme und dosiert differenzierende Ansteuerung für prinzipiell zwangsweisen, überlappungs-, totzeitfreien, sehr schnellen Übergang von Highside zu Lowside).
Punkt d) entwickelte sich nach intensiver Suche zu einem unüblichen, diskreten, symmetrischen, Bipolarkonzept des Leistungs-Schaltverstärkerteils, von dem ich mit Fug und Recht behaupten kann, dass es in Punkto Schaltverhalten, Wirkungsgrad, Aussteuerfähigkeit (Modulationsgrad im Verein mit dem Modulatorkonzept 90%, ohne nennenswerten Verzerrungsanstieg!!) und Oberwellenverhalten qualitativ gängige Power-Mosfet Konzepte um Längen schlägt, erst in der Simulation mit entsprechenden Modellen, dann auf einem Streifenleiterboard (High- und Lowside unmittelbar gegenüberliegend auf der Unter- bzw. Oberseite bestückt) - das vielleicht nur als Hinweis, wohin alternative Richtungen auch in Sachen DIY führen könnten. Nebenbei: die unlängst noch händeringend gesuchten speziellen Schalttransistoren nebst Modellen produziert preiswert ein nicht unbekannter schottischer Halbleiterspezialist, ich war selbst fast schon maßlos darüber erstaunt, in wie weit in den letzten paar Jahren bipolare Halbleitertechnik gegenüber Mosfet-Technologien bereits aufgeholt und diese in teils hoher Spezialisierung bis hin zu höchsten Mikrowellenbereichen sogar überflügelt hat. Insofern zur richtigen Zeit die passenden Teile für die fixe Idee. An bestimmten Hochwirkungsgrad/ Hochfrequenzschaltungskonzepten, die zudem noch relativ übersichtlich aufgebaut werden können, kommt man realistischer Weise nach dem momentanen Stand an bekannten (und neu erdachten) Bipolarschaltungskonzepten einfach nicht vorbei, diskrete Power-V-Mosfets plus Ansteuer-IC erscheinen mir - Audioanwendungen vor - mittlerweile nicht erst seit heute wie von gestern ...
Die unter c) angedachte Gegenkopplung hat auch mit einem UcD bzw. Soda keine Gemeinsamkeit, wie gesagt liegt eine deutliche Hysterese des Modulators vor und es fehlt die normalerweise zur Schwingungserzeugung nötige "lead"-Komponente, die den "lag"-Anteil des gleichzeitig als Verstärkungsfaktor einstellenden Rgk durch (strombegrenzte) Phasenvoreilung wieder rückgängig machen muss, damit die Schaltung überhaupt schwingen kann. Beim PWMA erfolgt die letztlich nötige Phasenverschiebung für die Schwingbedingung durch die bereits erwähnte Mehrfachmitkopplung einschliesslich dem Anteil der Hysteresewandler-Rückführung.
Weiter ist der Anteil der Post-Filter Gegenkopplung für ein gutes Einschwingverhalten gegenüber der Hysteresesteuerung um mehr als einem Faktor entsprechend >50% reduziert. Damit ist zwar keine maximale Gegenkopplung für den Ausgang nach dem Filter erreicht, was dennoch angesichts des relativ großen Verhältnisses 'Trägerfrequenz/ Filterfrequenz zu Nutzfrequenzbereich' in Bezug auf den Zusammenhang 'Pegelabfall/ Ausgangswiderstand/ Belastungsschwankungen (durch die LS-Impedanz)' einen günstigen Kompromiss ermöglicht. Der quasi parallel geschaltete Hysteresewandler (die Summe oder je nach Betrachtung die Differenz der beiden Integratoren!) ergänzt das sozusagen mit seinen guten Regeleigenschaften und erbringt gegenüber dem UcD mehr Freiheit bei der Festlegung der Trägerfrequenz (die ja dort fest mit dem Frequenzgang über die selbe RC-Kombination eingestellt ist). Auch ist ein Nachteil einer Ucd/Soda-Gegenkopplung damit wesentlich entschärft, womit sich bei Letzteren außerhalb des Signalnulldurchgangs bzw. abnehmender Sinussteigung ein mit zunehmender Aussteuerung weniger präzises Schaltverhalten einstellt, der Klirr also mit der Aussteuerung besonders beim UcD überproportional zunimmt. Als mäßig nachteilig auf Grund des nicht festen Zusammenhangs zwischen Trägerfrequenz und Nutzfrequenz-Bandbreite/ Frequenzgangverlauf am Bandende könnte die nun weniger optimale Funktion der Trägerfrequenzverschiebung gesehen werden - der Hystereseanteil vermag diesen auf ca. 35...40% zu nötigen, also auf ca. 600kHz, was theoretisch nach wie vor uneingeschränkt hervorragende Ausfilterung der HF-Anteile bedeutet (hoffentlich findet sich ein Kernmaterial für ein 6...8uH-"Finalfilter", welches hier vom Nutzbereich bis über >500kHz eine lineare Induktion ermöglicht, damit das auch wenig klirrt und der Trägerfrequenz genügend Impedanz engegenwirkt).
Alles in allem liegt mit dem PWMA demnach im Ergebnis ein eigenständiges Prinzip vor, in den aktuellen Simulationen werden mit denkbar niedrigsten Schaltverlusten 12 Ampére aus 2 x 5 ungekühlten SMD-BJT's (>50A Ipeak möglich!) in der Endstufe mit rund 25ns symmetrischer Steig- und Fallzeit und ca. 0.006% HD k2 (100ns und 0.02% k5 waren lange Zeit einfach nicht zu unterbieten, bei ca. 0.0008% "Quellen-Schmutz" von LTspice) an wackliger Betriebsspannung (10% mit dem Träger moduliert) und 3 Ohm Lastwiderstand abgeholt - immer im Vergleich mit den Standartschaltungen der Modulatoren, jedoch mit dem bipolaren Schaltverstärker, der sich komplett und ohne Zuhilfenahme von idealisierten Modellen simulieren lässt.
Die Sache ist Gegenstand von zwei Patentanmeldungen (nach der Offenlegung kann die Schaltung zu DIY Zwecken nachgebaut werden), wer sich für einen bipolaren Weg und für das oben grob skizzierte Schema interessiert, der kann jetzt vielleicht einige Tipps verwerten (falls an einigen Simulationsergebnissen Interesse besteht, stelle ich sie ein).
Gruß
Spotnick
Zitat:Der UcD ist ähnlich direkt gegengekoppelt wie ein Analogamp, nur gewissermaßen mit der Schaltfrequenz getaktet. Er dürfte also ähnlich niederohmig sein wie ein gegengekoppelter Analoger. Und da er nach dem Filter gegengekoppelt ist wird der Filterwiderstand mitkompensiert, es sei denn, man hängt noch einen zweiten Filter dahinter, wie Spotnick es gemacht hat.Nicht dass es mich störte, aber vielleicht sollte doch diese Ansicht irgendwann korrigiert- und vielleicht eine mögliche Richtung für praktikable DIY-Konzepte genannt werden?!
Vor ein paar Wochen noch (im Hifi-Forum) wurde die so benamte PWMA-Schaltung auch von mir selbst im ersten Ansatz missinterpretiert, als Mischprinzip aus Sodfa und UcD. Meine Überlegungen konzentrierten sich (wenn man sich noch erinnert) ja darauf, mit einem irgendwie gearteten - und vorhandenen, wenn auch noch nicht restlos verstandenen! - PWM-Schaltungs-Mischdesign Analog vergleichbare, saubere Sinussignale mit geringem Klirrfaktor hinzubekommen, und zwar von einer schlichtweg ganz anderen Qualität, als das gemeinhin (und aktuell) scheinbar Akzeptanz findet.
Inzwischen ist das Verständnisproblem auf ein paar unwesentliche (halbleiterspezifische und aufbautechnische) Details geschrumpft, die aktuelle Schaltung wurde vom Prinzip her zwar um einen Proportionalanteil im Integrator-OP zur Begrenzung/Linearisierung der Open Loop und durch eine Mehrfach-Mitkopplung zwischen einzelnen Stufen erweitert, im Grunde ist sie aber nach wie vor überwiegend ein spezialisierter Hysteresewandler, erkennbar am "Grundgerüst" des Gegenkopplungswiderstands Rgk vom Leistungsschaltverstärkerausgang zum Minuseingang des als Integrator geschalteten zweiten OP. Erster OP wie gehabt Eingangspuffer/Verstärker, dritter OP Komparator (das Eingangssignal verursacht wie bekannt am Integrator einen Offset und verschiebt dadurch das Pulslängen "PW" -Pausenverhältnis des "MA" =Modulator-Alternative). Anteilige invertierende Spannungsverstärkung des Rgk zusammen mit Re inklusive. Im Grundansatz wird somit durch die Signalrückführung und der Funktion des Integrators als aktives Tiefpassfilter die Fähigkeit vermittelt, Schaltfehler und Schwankungen der Betriebsspannung bzw. höherfrequente Störungen auf dem Eingangssignal schon mal recht anständig auszuregeln und zu niedrigen Verzerrungen zu kommen, wie es allgemein Hysteresewandlern auch nachgesagt wird.
Leider reichte das allein nicht zum Glücklichsein, verlangt wurde zusätzlich
a) eine höhere Betriebsspannungsunterdrückung gegen asymmetrischen Versorgungsripple,
b) eine darauf angepasste Mehrfachmitkopplung in einzelnen Schaltverstärkerstufen musste den Nachteil des Sodfa umgehen, hier durch Einfachmitkopplung mit erhöhtem Anteil von Rauschen und Verzerrungen vor allem unverhältnismäßiger ungeradzahliger Oberwellen zu reagieren (dem ist so, auch wenn darüber bisher Anderweitiges bis zu "Lautes Schweigen" verbreitet wurde),
c) musste durch eine Kombination aus aktiv in eine Gegenkopplung einbezogene Ausgangsfilterstufe und passiv angehängtem "finalen HF-Ripple-Filter" dafür gesorgt werden, dass letztlich der Ausgangswiderstand - zusammen mit entsprechend hoher Trägerfilterung - niedrig bleiben konnte und
d) musste ein Weg gefunden werden, die Trägerfrequenz nahe 1MHz zu bringen, mit im Zusammenhang stehendem Frequenzabfall bei hoher Aussteuerung/Modulation (die/den es wiederum zu verringern galt), hoher Filtereckfrequenz bzw. damit hoher Träger-Unterdrückung und niedrigem Klirrfaktor, der (auch!) eine wesentliche Funktion (ganz) grob proportional zur Schaltfrequenz darstellt. Man lese z.B. dazu die aufschlussreichen AES-Papiere von Karsten Nielsen, B&O.
Eine weitere Bedingung war dann noch ein möglichst harmonischer Abfall der Oberschwingungen, bei der auf gar keinen Fall Ungeradzahlige/Höherwertige sich amplitudenmäßig in den Vordergrund drängen sollten, so wie man das bei fast allen Schaltkonzepten in den Diagrammen zu sehen bekommt. Das lies sich letztendlich durch den symmetrischen BJT-Schaltverstärker durch langes Suchen nach der dazu optimalen Beschaltung erreichen (i.e.L. niedrige, ausreichende Basisströme und dosiert differenzierende Ansteuerung für prinzipiell zwangsweisen, überlappungs-, totzeitfreien, sehr schnellen Übergang von Highside zu Lowside).
Punkt d) entwickelte sich nach intensiver Suche zu einem unüblichen, diskreten, symmetrischen, Bipolarkonzept des Leistungs-Schaltverstärkerteils, von dem ich mit Fug und Recht behaupten kann, dass es in Punkto Schaltverhalten, Wirkungsgrad, Aussteuerfähigkeit (Modulationsgrad im Verein mit dem Modulatorkonzept 90%, ohne nennenswerten Verzerrungsanstieg!!) und Oberwellenverhalten qualitativ gängige Power-Mosfet Konzepte um Längen schlägt, erst in der Simulation mit entsprechenden Modellen, dann auf einem Streifenleiterboard (High- und Lowside unmittelbar gegenüberliegend auf der Unter- bzw. Oberseite bestückt) - das vielleicht nur als Hinweis, wohin alternative Richtungen auch in Sachen DIY führen könnten. Nebenbei: die unlängst noch händeringend gesuchten speziellen Schalttransistoren nebst Modellen produziert preiswert ein nicht unbekannter schottischer Halbleiterspezialist, ich war selbst fast schon maßlos darüber erstaunt, in wie weit in den letzten paar Jahren bipolare Halbleitertechnik gegenüber Mosfet-Technologien bereits aufgeholt und diese in teils hoher Spezialisierung bis hin zu höchsten Mikrowellenbereichen sogar überflügelt hat. Insofern zur richtigen Zeit die passenden Teile für die fixe Idee. An bestimmten Hochwirkungsgrad/ Hochfrequenzschaltungskonzepten, die zudem noch relativ übersichtlich aufgebaut werden können, kommt man realistischer Weise nach dem momentanen Stand an bekannten (und neu erdachten) Bipolarschaltungskonzepten einfach nicht vorbei, diskrete Power-V-Mosfets plus Ansteuer-IC erscheinen mir - Audioanwendungen vor - mittlerweile nicht erst seit heute wie von gestern ...
Die unter c) angedachte Gegenkopplung hat auch mit einem UcD bzw. Soda keine Gemeinsamkeit, wie gesagt liegt eine deutliche Hysterese des Modulators vor und es fehlt die normalerweise zur Schwingungserzeugung nötige "lead"-Komponente, die den "lag"-Anteil des gleichzeitig als Verstärkungsfaktor einstellenden Rgk durch (strombegrenzte) Phasenvoreilung wieder rückgängig machen muss, damit die Schaltung überhaupt schwingen kann. Beim PWMA erfolgt die letztlich nötige Phasenverschiebung für die Schwingbedingung durch die bereits erwähnte Mehrfachmitkopplung einschliesslich dem Anteil der Hysteresewandler-Rückführung.
Weiter ist der Anteil der Post-Filter Gegenkopplung für ein gutes Einschwingverhalten gegenüber der Hysteresesteuerung um mehr als einem Faktor entsprechend >50% reduziert. Damit ist zwar keine maximale Gegenkopplung für den Ausgang nach dem Filter erreicht, was dennoch angesichts des relativ großen Verhältnisses 'Trägerfrequenz/ Filterfrequenz zu Nutzfrequenzbereich' in Bezug auf den Zusammenhang 'Pegelabfall/ Ausgangswiderstand/ Belastungsschwankungen (durch die LS-Impedanz)' einen günstigen Kompromiss ermöglicht. Der quasi parallel geschaltete Hysteresewandler (die Summe oder je nach Betrachtung die Differenz der beiden Integratoren!) ergänzt das sozusagen mit seinen guten Regeleigenschaften und erbringt gegenüber dem UcD mehr Freiheit bei der Festlegung der Trägerfrequenz (die ja dort fest mit dem Frequenzgang über die selbe RC-Kombination eingestellt ist). Auch ist ein Nachteil einer Ucd/Soda-Gegenkopplung damit wesentlich entschärft, womit sich bei Letzteren außerhalb des Signalnulldurchgangs bzw. abnehmender Sinussteigung ein mit zunehmender Aussteuerung weniger präzises Schaltverhalten einstellt, der Klirr also mit der Aussteuerung besonders beim UcD überproportional zunimmt. Als mäßig nachteilig auf Grund des nicht festen Zusammenhangs zwischen Trägerfrequenz und Nutzfrequenz-Bandbreite/ Frequenzgangverlauf am Bandende könnte die nun weniger optimale Funktion der Trägerfrequenzverschiebung gesehen werden - der Hystereseanteil vermag diesen auf ca. 35...40% zu nötigen, also auf ca. 600kHz, was theoretisch nach wie vor uneingeschränkt hervorragende Ausfilterung der HF-Anteile bedeutet (hoffentlich findet sich ein Kernmaterial für ein 6...8uH-"Finalfilter", welches hier vom Nutzbereich bis über >500kHz eine lineare Induktion ermöglicht, damit das auch wenig klirrt und der Trägerfrequenz genügend Impedanz engegenwirkt).
Alles in allem liegt mit dem PWMA demnach im Ergebnis ein eigenständiges Prinzip vor, in den aktuellen Simulationen werden mit denkbar niedrigsten Schaltverlusten 12 Ampére aus 2 x 5 ungekühlten SMD-BJT's (>50A Ipeak möglich!) in der Endstufe mit rund 25ns symmetrischer Steig- und Fallzeit und ca. 0.006% HD k2 (100ns und 0.02% k5 waren lange Zeit einfach nicht zu unterbieten, bei ca. 0.0008% "Quellen-Schmutz" von LTspice) an wackliger Betriebsspannung (10% mit dem Träger moduliert) und 3 Ohm Lastwiderstand abgeholt - immer im Vergleich mit den Standartschaltungen der Modulatoren, jedoch mit dem bipolaren Schaltverstärker, der sich komplett und ohne Zuhilfenahme von idealisierten Modellen simulieren lässt.
Die Sache ist Gegenstand von zwei Patentanmeldungen (nach der Offenlegung kann die Schaltung zu DIY Zwecken nachgebaut werden), wer sich für einen bipolaren Weg und für das oben grob skizzierte Schema interessiert, der kann jetzt vielleicht einige Tipps verwerten (falls an einigen Simulationsergebnissen Interesse besteht, stelle ich sie ein).
Gruß
Spotnick
