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Class-D Phasen-Kompensation
Die Frequenzkompensation von Verstärkern ist offenbar ein Randgebiet, über das meist wenig Konkretes zu erfahren ist.
"Irgendwo steckt ein Kondensator im Verstärker, der dafür sorgt, dass das Ganze nicht wild schwingt."
Dieser Kondensator führt ein Tiefpassverhalten ein (einen "Pol" in der komplexen Übertragungsfunktion),
wobei die Eckfrequenz nur tief genug gewählt werden muß bis das Sysem stabil wird. Dies wäre dann der "dominante Pol" des Verstärkersystem.
In der Praxis funktioniert das so in vielen analogen Verstärkern problemlos.
Bei Class-D-Verstärkern mit dem typischen LC-Ausgangsfilter stellen sich die Verhältnisse nicht so einfach dar.
Hier durchläuft die Regelschleife einen Tiefpaß 2.Ordnung der entsprechende Phasenverzögerungen bewirkt.
Um so etwas stabil hin zu bekommen müßte der dominante Pol so tief angesetzt werden, dass bei der LC-Resonanzfrequenz die Schleifenverstärkung der Regelung schon unter 1 gefallen ist. Mit anderen Worten: Die Transitfrequenz der Regelschleife muß unterhalb der LC-Eigenresonanz verbleiben.
Geht man von einer typischen LC-Resonanz zwischen 30 und 50kHz aus, dann liegt es auf der Hand, dass ein solcher Verstärker spätestens bei 20kHz keinerlei Gegenkopplungsverstärkung zur Korrektur von Nichtliniearitäten haben kann.
Was tun?
Einfach garnicht erst versuchen, diesen Filter per GK auszuregeln, sondern die Gegenkopplungsschleife schon am Filtereingang schließen. So macht das z.B. TI mit seinen TPAs. Tatsächlich sind diese Systeme latent instabil nahe der Filterresonanz.
Hier stellt sich ein Serienresonanzkreis ein mit extrem niedriger Lastimpedanz. Abhilfe schafft Bedämpfen des Kreises mit einem RC-Glied (verlustbehaftet) und / oder extrem niederohmige Abblockung der Betriebsspannung.
Alternative
Nach besseren Kompensationstechniken suchen.
Fündig wird man zu diesem Thema am ehesten bei der Kompensation von Abwärts-Schaltreglern (buck converter).
Abwärts-Schaltregler haben vieles gemein mit class-D-Verstärkern, auch hier besteht das Problem,
durch einen LC-Ausgangsfilter hindurch optimales dynamisches Verhalten zu erreichen.
Mit einer etwas komplexeren Kompensationstechnik läßt sich, bei unverändertem LC-Filter,
die Regelungsbandbreite entscheidend erweitern in Richtung höherer Frequenzen,
wobei sogar der Ausgangsfiler mit ausgeregelt werden kann.
Dies ist im Bereich der Schaltregler längst bewährte Praxis, und es erscheint daher folgerichtig,
diese Erkenntnisse auch für Class-D-Verstärker zu nutzen.
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Der Trick am Ganzen ist, eine Schaltung zu kreieren, die zusammen mit dem Ausgangsfilter einen Dominanten Pol bei einer praktisch beliebigen Frequenz erzeugt.
Der Unity-Gain Point sollte selbstverständlich über der Polfrequenz des Ausgangsfilters liegen.
Gruss
Charles
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Zitat:Original geschrieben von phase_accurate
Der Trick am Ganzen ist, eine Schaltung zu kreieren, die zusammen mit dem Ausgangsfilter einen Dominanten Pol bei einer praktisch beliebigen Frequenz erzeugt.
Der Unity-Gain Point sollte selbstverständlich über der Polfrequenz des Ausgangsfilters liegen.
Gruss
Charles
Ja, darauf läuft es wohl hinaus
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Ja, finde ich interessant.
Gibt es denn darüberhinaus irgendwelche Mess- oder Simulationsresultate oder sonstigen Erkenntnisse dazu?
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Es gibt ein AES Paper, es gibt Simulationen und einige Implementierungen. Wenn Interesse besteht kann ich mithelfen einen zu dimensionieren.
Gruss
Charles
Puh....
(die ganzen pdfs hab ich mir nicht durchgelesen - ich muss mir erstmal das Problem klar machen)
... mit "einfachen" analogen Verfahren die Regelschleife zu stabilisieren halte ich für gewagt. Ich denke zum Beispiel an Frequenzverwerfungen des D-Amps bei hohen Aussteuerungen, woraus gänzlich veränderte Phasenverschiebungen enstehen. Auch könnte ich mir vorstellen, dass die realen Lastimpedanzen was am Phasengang ändern.
Immer, wenn dem Regelungstechniker die Sache zu schwierig wird (es geht ja auch hier letztlich um PID-Regler), schwenkt er um auf eine getastete Regelung, also in unserem Fall S&H.
Ich könnte mir zum Beispiel eine analoge Eingangsspannung zum gleichen Zeitpunkt samplen, in dem ich das Häppchen parallel auf seine lange Reise durch den Schaltverstärker-Filter-Klöderkram schicke. Sobald das Signal hinten aus dem Filter rauspurzelt, vergleiche ich es mit dem zuvor gesampelten Signal. Daraus gewinne ich einen Fehlerwert. Dieser Fehlerwert wird mit dem nächsten Eingangsspannungshäppchen verrechnet.
Eine Schwingung kann so nicht entstehen. Der Fehlerwert beinhaltet nur noch den Spannungsabfall am Filter, nicht aber mehr die Laufzeit des Signals im eigentlichen Verstärker.
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Zitat:Original geschrieben von Rumgucker
Puh....
(die ganzen pdfs hab ich mir nicht durchgelesen - ich muss mir erstmal das Problem klar machen)
... mit "einfachen" analogen Verfahren die Regelschleife zu stabilisieren halte ich für gewagt. Ich denke zum Beispiel an Frequenzverwerfungen des D-Amps bei hohen Aussteuerungen, woraus gänzlich veränderte Phasenverschiebungen enstehen. Auch könnte ich mir vorstellen, dass die realen Lastimpedanzen was am Phasengang ändern.
Immer, wenn dem Regelungstechniker die Sache zu schwierig wird (es geht ja auch hier letztlich um PID-Regler), schwenkt er um auf eine getastete Regelung, also in unserem Fall S&H.
Ich könnte mir zum Beispiel eine analoge Eingangsspannung zum gleichen Zeitpunkt samplen, in dem ich das Häppchen parallel auf seine lange Reise durch den Schaltverstärker-Filter-Klöderkram schicke. Sobald das Signal hinten aus dem Filter rauspurzelt, vergleiche ich es mit dem zuvor gesampelten Signal. Daraus gewinne ich einen Fehlerwert. Dieser Fehlerwert wird mit dem nächsten Eingangsspannungshäppchen verrechnet.
Eine Schwingung kann so nicht entstehen. Der Fehlerwert beinhaltet nur noch den Spannungsabfall am Filter, nicht aber mehr die Laufzeit des Signals im eigentlichen Verstärker.
Niemand hat versprochen, dass das einfach wird. Offensichtlich sind aber analoge Lösungen der Regelschleifenoptimierung verfügbar.
Sie müssen nicht neu erfunden werden.
Anmerkung: Dieses Thema betrifft vorzugsweise Class-D-Amps mit fester Taktfrequenz, also ganz herkömmlicher (analoger) PWM.
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Ne neue Erfindung ist meine Schilderung nicht. Das ist eigentlich im Kern ein Delta-Sigma-Verfahren. Hat Alfsch ja schon drauf hingewiesen.
Aber wenns nicht nötig ist, weils auch anders geht, dann ist ja auch gut....
Wenn ich so ans UcD-Prinzip denke, dann ist dies eine weitere Alternative zu komplizierten Kompensationen:
Beim UcD definiert man alle Phasenverschiebungen im Amp und Filter zusammen als "180°. Also bis zum Anschlusspunkt des Speakers. Zwischen Speaker und Verstärkereingang werden weitere 180° per Rückkopplungsschaltung dazugebracht und zack-bumm schwingt die Kiste.
Eine saubere GK entsteht durch die lediglich 180°-Phasendrehung zwischen Speaker-Anschlusspunkt und Verstärkereingang.
Die Kiste schwingt also mit Absicht und koppelt trotzdem sauber gegen. Und das ganze funktioniert auch bei anderen Temperaturen oder D-Amp-Frequenzverwerfungen.
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Zitat:Original geschrieben von mitko
Zitat:Original geschrieben von voltwide
Anmerkung: Dieses Thema betrifft vorzugsweise Class-D-Amps mit fester Taktfrequenz, also ganz herkömmlicher (analoger) PWM.
Besteht so eine Problemaik bei LLC nicht?
Doch, ist schließlich auch ein Durchflußwandler mit LC-Filter
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Mal ne generelle Frage:
loest UcD feiner Auf als fix frequenz PWM ?
Wie ist das Aufloesungsverhalten aller verschiedenen Konzepte zueinander einzuschaetzen?
Nur schnell noch....ohh.....hmm.....shit......na egal!
Nicht alles was funktioniert sollte es auch.
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Zitat:Original geschrieben von Rumgucker
Wenn ich so ans UcD-Prinzip denke, dann ist dies eine weitere Alternative zu komplizierten Kompensationen:
Beim UcD definiert man alle Phasenverschiebungen im Amp und Filter zusammen als "180°. Also bis zum Anschlusspunkt des Speakers. Zwischen Speaker und Verstärkereingang werden weitere 180° per Rückkopplungsschaltung dazugebracht und zack-bumm schwingt die Kiste.
Eine saubere GK entsteht durch die lediglich 180°-Phasendrehung zwischen Speaker-Anschlusspunkt und Verstärkereingang.
Die Kiste schwingt also mit Absicht und koppelt trotzdem sauber gegen. Und das ganze funktioniert auch bei anderen Temperaturen oder D-Amp-Frequenzverwerfungen.
Das sehe ich genauso. Ist aber ein grundsätzlich anderer Ansatz, und mir eigentlich auch sympathischer.
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Hmm,Analoges Signal wird mit mehr oder weniger Stuetzstellen digital nachgebildet...
mehr Stuetzstellen-hoehere Frequenz-gleich bessere Aufloesung(obere Grenzfrequenz)
Ist das nicht so wie die Anti Alias Filter in CD Spielern?
Der Gedanke ist wenn ich zu langsam bin,oder zu wenig Abtastpunkte habe kann ich zwar 20kHz uebertragen,aber die Modulationsprodukte von 8kHz und 15kHz eben nicht mehr alle...
Bei CD mit ~44kHz hab ich fuer 20kHz nur ~2 Stuetzstellen...wenig irgentwie.
Aber nun die Frage,welches Konzept ist in punkto Aufloesung wie gut einzuschaetzen?
Klingt UcD besser als fix Frequenz PWM....oder SODFA,SODA....?
Ich wills nur fuer mich verstehen,also eine Pi mal Daumen Einschaetzung wuerde reichen.
Nur schnell noch....ohh.....hmm.....shit......na egal!
Nicht alles was funktioniert sollte es auch.
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So wie ich Dich verstehe, meinst Du die Auflösung bei hohen Frequenzen.
Bei Festfrequenz hast Du das limitierte Abtast-Zeitraster, also nur wenige Stützstellen bei 20kHz. Bei den frei schwingenden UCDs kann das Tastverhältnis nahezu beliebig fein eingestellt werden. Die Limitierung ist wohl im Rauschen der Komparatoren zu suchen, so dass dort die "Höhenauflösung" extrem gut sein müßte.
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