Multimediaanwendungen Class-D-Verstärker verbessern Audioqualität mobiler Geräte

Um bei mobilen Applikationen den Herausforderungen in Zusammenhang mit Störpegeln und dem Power-Management besser und zuverlässiger gerecht werden zu können, beschäftigen sich die

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Um bei mobilen Applikationen den Herausforderungen in Zusammenhang mit Störpegeln und dem Power-Management besser und zuverlässiger gerecht werden zu können, beschäftigen sich die Entwickler von Audiochips mit der Optimierung von Class-D-Verstärkern, um die steigenden Ansprüche der Endkunden hinsichtlich flexibler Audio-Eigenschaften und bestmöglichem Hi-Fi-Klang in Mobilfunkgeräten zu erfüllen.

Die Wahl eines Multimedia-Handys oder eines tragbaren Audioplayers ist mehr denn je eine Frage des guten Tons: Die Anwender legen zunehmend Wert auf qualitativ hochwertige Audiofunktionen – und damit steigen die Anforderungen an Audioverstärker in mobilen Multimediageräten.

Das stellt Systemdesigner vor ein Problem: Da die Effizienz herkömmlicher Class-AB-Verstärker 20% bis 25% nicht übertrifft, zieht bereits eine gering erhöhte Ausgangsleistung einen deutlichen steigenden Stromverbrauch nach sich. Die Konsequenz wären kürzere Akku-Laufzeiten oder größere Akkus.

Als Lösung bietet sich der Einsatz eines Class-D-Verstärkers an, der wesentlich effizienter ist als Class-AB-Verstärker. So lassen sich z.B. mithilfe von Class-D-Verstärkern Systeme mit sechs Kanälen zu jeweils 50 W plus einem Basskanal mit 150 W realisieren, was das bereits das thermische Management von Class-AB-Verstärkern vor unlösbare Probleme stellt.

Die Implementierung eines Class-D-Verstärkers ist bei Mobilapplikationen eine anspruchsvolle Aufgabe: Neben dem Ausgangsfilterdesign und dem Beherrschen der Schaltstörpegel sttelt die Platzbeschränkung ein große neue Herausforderungen dar. Dies betrifft in erster Linie die Integration eines hochfrequenten Schaltverstärkers zusammen mit empfindlichen Schaltungsfunktionen wie Analog-Audio, DSP und Power-Management auf einem Chip.

Verstärker der Klassen A, B und AB sind lineare Verstärker, deren Ausgangstransistoren im linearen Bereich ihrer Kennlinie betrieben werden.

Die Class-D-Version ist ein Schaltverstärker

Im Gegensatz dazu ist die Class-D-Version ein Schaltverstärker. Das zu verstärkende Audiosignal wird an einen Komparator gelegt, der dieses Signal mit einer Sägezahnwelle vergleicht. Das Ergebnis ist eine impulsweitenmodulierte Rechteckwelle; die Periode entspricht der des Sägezahns, während die Impulsweite einem Abtastwert des Audiosignals entspricht. Die Frequenz der Sägezahnwelle ist wesentlich höher als die maximale Frequenz des Audiosignals. Die PWM-Rechteckwelle (Pulsweitenmodulation) – und ihre inverse Form – steuern jeweils eine MOSFET-H-Brücke und schalten damit entgegengesetzte MOSFETs ein und aus. Das Resultat ist ein Wechselstrom, der dem Rechteck-Abtastwert des Audiosignals entspricht.

Da die Ausgangstransistoren für die Stromsteuerung ‚hart‘ ein- und ausgeschaltet werden, erhält man in einem Class-D-System nur Verluste durch den RDS(ON) in den MOSFETs. Hinzu kommen Widerstandsverluste in den einzelnen Verbindungen, einschließlich dem MOSFET-Leiterrahmen, den PCB- und den Verbindungsleitungen.

Am Ausgang der H-Brücke ist das verstärkte Signal im Vergleich zum Audioeingangssignal sehr verzerrt. Mithilfe eines Tiefpassausgangsfilters werden die Frequenzanteile der Schaltfrequenz abschwächt. Wird zudem die Sperrfrequenz gerade über der angestrebten Audio-Bandbreite ansetzt, erhält man eine exakte Wiedergabe des Audioeingangssignals. Einige Class-D-Verstärker erzielen so einen Gesamtklirrfaktor unter einem Prozent.

Die engen Platzverhältnisse moderner Mobilgeräte erschweren das Audiodesign und damit die Implementierung von Class-D-Verstärkern, etwa aufgrund auftretender Störpegel. So erfordern Multimedia-Codecs mit integrierter Class-D-Ausgangsstufe sorgfältig ausgewählte Techniken zum Unterdrücken von Störpegeln.

Mit synchroner Taktung lassen sich Störpegel leichter entfernen

Eine dieser Techniken ist die Synchronisierung der Class-D-Schaltung mit anderen Taktsignalen auf dem Chip, also in erster Linie der ADC- und DAC-Takte. Mit dieser synchronen Taktung lassen sich die Class-D-Schaltstörpegel leichter entfernen als bei asynchronen Taktsignalen. Zudem sollte die analoge und geregelte Spannungsversorgung, die zwischen 2,8 und 3,0 V liegt, keine Störpegel aufweisen.

Um die Störpegel niedrig zu halten, müssen auch die Störeffekte des GSM-Signals in den Audioausgang berücksichtigt werden: In GSM-Handys wird der HF-Leistungsverstärker in Intervallen bis zu 217 Hz eingeschaltet, um Daten an die Netzbasisstation zu übertragen. Daher können störende Audio- und Klickgeräusche mit der Schaltfrequenz von 217 Hz im Audiopfad auftreten. Eine sehr gute Entkopplung der Versorgungsspannung in diesem Frequenzbereich trägt daher sehr wohl zu einer verbesserten Audio-Performance bei.

Ein weiterer wichtiger Aspekt beim Audiodesign sind externe Komponenten. So sind zum Beispiel moderne und leistungsfähige Lautsprecher in der Regel direkt mit dem Akku verbunden, um die Ausgangsleistung zu maximieren. Dies verursacht bei der Integration von Codec, Verstärker und Lautsprecheransteuerung einige Probleme: Zum einen muss der Pegel des Audiosignals umgesetzt werden, um den Lautsprecher ausreichend kräftig anzusteuern, denn die DACs arbeiten mit einer wesentlich kleineren Versorgungsspannung als der Lautsprecher. Benötigt jedoch eine Verstärkerstufe externe Komponenten, steigt die Zahl der Bauelemente und damit der Platzbedarf. Zweitens erhöhen direkte Akkuanschlüsse das Potenzial von Leckströmen, die den Akku sehr schnell entladen können. Ein Schaltungsdesign mit sehr geringen Leckströmen maximiert die Vorteile der Stromersparnis, die durch Verwenden der Class-D-Technologie erzielt wird.

Trotz höherer Effizienz der Class-D-Verstärker kann der Schaltstörpegel bei bestimmten Betriebszuständen ein Problem darstellen, wenn das Handy z.B. als FM-Radio benutzt wird. In diesem Fall kann es vorkommen, dass mehrere System-Designparameter eine zu große Interferenz im Audioausgang zulassen. Eine dynamisch wählbare Class-D- oder -AB-Verstärkung bietet dem Systemdesigner zusätzliche Flexibilität, um bei allen denkbaren Betriebszuständen eine optimale Audio-Performance zu erzielen. Die Verstärkung kann dabei durch die Software des Handys entsprechend geschaltet werden.

Das Design von Mobilgeräten wird zwar durch den vielseitigen Funktionsbedarf diktiert, das Power-Management hat jedoch absolute Priorität. Diese Anforderung macht Class-D-Verstärkung in der Mobiltechnik zu einer unentbehrlichen Technologie, um mehr Multimedia bei geringerem Stromverbrauch realisieren zu können.

Class-D-Verstärker stellen eine äußerst effektive Lösung dar. Ihre Implementierung setzt jedoch sehr gutes Design-Know-How hinsichtlich Audio- und Mixed-Signal-Techniken voraus. In diesem Fall ermöglicht sie integrierte Lösungen für mobile Applikationen, die sich durch geringen Platzbedarf, einer reduzierten Komponentenzahl und geringem Leckstrom auszeichnet.

Wolfson Microelectronics, Tel. +44(0)131 2727000

*Robert Hatfield ist Technical Marketing Engineer bei Wolfson Microelectronics.

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