Digital-Endstufe mit diskreten Bauteilen

Ich möchte hier eine von mir entworfene Class-D Endstufe vorstellen, die erstens nicht zu kompliziert im Aufbau ist, aber trotzdem  gut funktioniert. Entworfen bedeutet, dass diese Endstufe nicht nach vorgegebenen üblichen Schaltungen nachgebaut wurde, sondern größtenteils nach eigenen Ideen entstanden ist. Der Werdegang üblicher Class-D Endstufen ist derjenige, dass erst mal ein Dreieckgenerator ( Schmitt-Trigger / Integrierer ) die Dreieckfrequenz im Bereich 100 bis 200 KHz erzeugt. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten, auf die ich nicht eingehen möchte. An zweiter Stelle wird dann die verstärkte Tonfrequenz in einem Komparator mit dieser Dreieckfrequenz gemischt und es entsteht das sogenannte PWM-Signal. Als nächstes wird die Todzeit-generierung realisiert, das digitale Signal verstärkt und dann den Endstufen-Mosfets zugeführt. Zum Schluss wird dann mit Hilfe eines Tiefpasses die Hochfrequenz herausgefiltert und das so verstärkte Signal den Lautsprechern zugeführt. 

Dies hört sich  relativ einfach an, ist aber in der Realität mit einigen Schwierigkeiten verbunden und erfordert manchmal aufwendige Schaltungen mit vielen verschiedenen Bauteilen oder man verwendet schlussendlich speziel zu diesem Zweck gefertigte Bausteine

 Bei diesem Konzept ist der Werdegang etwas anders als im Internet auf etlichen Seiten beschrieben In einem zweistufigem Operationsverstärker wird das hochfrequente Dreiecksignal durch die Slew-Rate-Eigenschaft zweier OP`s in Reihenschaltung und durch Rückkopplung des Ausgangs des  Operationsverstärkers 1 durch einen aktiven Differenzierer ( R1 / R2 ) auf die zeitlich verschobenen negierten Eingänge hergestellt. Ich nenne die Schaltung einfach mal " Slew Rate Oszillator ". Da aktive Differenzierer bekanntlich durch diese Slew Rate - Eigenschaft sehr leicht schwingen, baut sich auch hier eine Sinusschwingung auf, die allerdins durch Rückkopplung zum Op 2 gedreht wird und jetzt  an dessen Ausgang durch volle Verstärkung als phasenverschobene Dreieckspannung anliegt und dem  Plus-eingang von OP 1 zugeführt wird. Die Ausgangsspannung von OP 1 steigt ebenfalls linear an und fällt auch wieder linear ab beim jeweiligen  Erreichen der Kippspannung.durch seinen ebenfalls phasenverschobenen Minus-Eingang. Frequenzbestimmend sind beide Rückkoppelwiderstände R1 u. R2. Zu bemerken ist, dass das entstandene Dreiecksignal von 50 bis zu 500 KHz sehr sauber ist und auch an den Spitzen keine Abrundung u. Verzerrung aufweist. Je nach Frequenz erreicht die Spitzenspannung 1,2 bis 2 Volt ( 6 VSS ). Die Frequenz läßt sich grob mit C1 ( 5 -  50pF ) von 100 bis 700 KHz einstellen und ist wie erwünscht sehr stabil. Allerdings braucht diese Schaltung nicht unbedingt einen Drehkondensator zur Frequenzwahl und läßt sich auch ausschließlich etwas feiner mit den beiden Widerständen R1 u. R2  einstellen, allerdings mit  sinkendem Spannungspotential bei steigender Frequenz. Frequenzbestimmend ist die Rückkopplungsgröße des Differenzierwiderstndes  zu den beiden negierten Eingängen 2 u. 6. Verwendet darf nur ein " High Slew Rate " -Operationsverstärker , am besten ein NE5532P mit Slew-Rate - Eigenschaften von 9V / µS.

Das Schöne an der Sache ist, der Eingangs-OP mischt am Plus-Eingang die Tonfrequenz, die bei 200 KHz maximal 1V betragen darf mit der Dreieckhochfrequenz und es entsteht so das Signalbild, das nachstehend in blauer Farbe zu sehen ist, ein hochfrequentes Dreiecksignal, das auf niederfrequentem Tonsignal schwingt. Wichtig zu bemerken ist, dass durch diese  Überlagerung die Hochfrequenz in keiner Weise frequenzmoduliert oder  gar amplitudenmoduliert wird und einfach stabil mit derselben Amplitude weiterläuft. Auch ist nicht unbedingt eine spezielle Vorverstärkerstufe für das Tonsignal notwendig, sölange man mit der Dreieckfrequenz über oder gleich 200 KHz bleibt. Die Tests wurden ausschließlich mit dem NE5532P durchgeführt. Die 2 OP`s sind in einem DIp8-Gehäuse enthalten. Die Betriebsspannung kann von einigen Volt bis über  20 Volt variieren ohne die Frequenz wesentlich zu beeinflussen.

Ein weiteres Plus ist der Umstand, dass die Gegenkopplung vom Lautsprecher her auf gleiche Weise am Minus-Eingang des OP2 angeschlossen werden kann und so die entstandenen Verzerrungen mindert. Auch diese negierende Rückspeisung beeinflusst in keiner Weise die Kontinuität des Dreiecksignals.

Das in blauer Farbe  modulierte Dreiecksignal wird jetzt den Komparator-Eingängen 2 u. 5 zugeführt und  mit 2 einstellbaren Gleichspannungen an 3 u. 6 verglichen. Am Ausgang 1 des Doppel-Komparators liegt das rote Signal jetzt an und an Ausgang 7 dessen Spiegelbild, da die +/-Eingänge beider Komp. vertauscht sind. Mit einem gewissen Widerstandswert von P1 wird beim Abfallen der Dreieckspannung sichergestellt, dass der Ausgang 1 zeitlich gesehen vor dem Wechsel von Ausgang 7 auf H geht, da die Gleichspannung an 3 höher ist als an 6. Diese Zeit kann mit P1 eingestellt werden und verhindert bei richtiger Einstellung einen jeweiligen Kurzschluss an den Leistungsmosfets beim Wechsel von L auf H und umgekehrt ( Todpunkt-Zeit ). Anders herum wird beim Ansteigen der Dreieckspannung der Ausgang 7 auf H geschaltet, bevor Ausgang 1 auf L geht. An P1 sollte ungefähr die Mitte der Gleichspannung zwischen Plus und Masse liegen, was gegeben ist, wenn der Widerstandswert P2 ungefähr dem Wert von R6 entspricht. Mit P2 wird also die Impulsbreite von High und Lowside  (Mitte der beiden Gleichspannungen) an 3 u. 6 eingestellt.

Da P-channel-Mosfets größere Schaltzeiten benötigen, habe ich 2 N-Channel-Mosfets vom Typ IRF520N ausgewählt, die meiner Meinung nach eine nicht zu große Gate-Kapazität aufweisen. Die maximale Spannung liegt bei 100V und der maximale Drain-Strom bei 7 Ampere. Als Treiber dient der BS170, ein universeller Fet mit ebenfalls geringer Eingangskapazität, 500mA maximalem Strom bei 60V Maximalspannung und der zu meinem Erstaunen richtig schnell schaltet. Erste Versuche mit obiger Schaltung haben allerdings ergeben, dass mit einem einzelnen Transistor und Lastwiderstand die Gates der Endstufe nur mit geringer Spannung angesteuert werden können, da BS170 und Widerstand zu viel Hitze produzieren und dadurch nicht in der Lage sind, die Endstufe vollständig durchzuschalten. Also musste eine Schaltung her, bei der die Endtransistoren maximal sperren / durchschalten und auch die Gate-Kapazitätsströme  der Leistungsmosfet schnell abgeleitet werden. Die nachträglich verwendete Schaltung ist im nachfolgenden Bild zu sehen. Man muß zuerst unterscheiden zwischen High-Side und Low-Side Treiber. Im Prinzip ist die Low-Side dieselbe Schaltung wie bei High-Side, mit dem Unterschied, dass die High-Side eine zusätzliche Bootstrap-Schaltung benötigt. Der jeweils untere BS170 steuert über einen Lastwiderstand den Oberen, der seinerseits das Gate des IRF520N auf Spannung bring und diesen so  durchschaltett. Der Untere wiederum garantiert beim Sperren der Leistungsfets das ungehinderte Ableiten des kapazitiven Gatestromes über die UF4007-Diode. Die 12V-Zenerdioden legen die benötigte Gate-Spannung zum kompletten Durchschalten der Endstufentransistoren fest.. In diesem Fall sind sie mit einer UF4007 in Reihe geschaltet zum Mindern ihrer Eigenkapazität. Da die High-Side in Drainschaltung betrieben wird, braucht sie eine Ansteuerspannung über den ganzen Betriebsspannungsbereich und zusätzlich noch 7-8 Volt darüber, da die Spannung des Gates bei Vollaussteuerung um diese Spannung  über der Betriebsspannung liegen muß um eine Maximalaussteuerung des High-Side-Leistungsfets zu erreichen. Dies geschieht, indem man über eine Diode einen Bootstrap-Kondensator auflädt, dessen Minuspol vom Ausgang gesteuert wird. Geht der Ausgang auf High, so werden durch Sperren der Bootstrap-Diode beide Treibertransistoren der High-Side mit einem Spannungsplus versorgt, das annähernd der Hälfte des Ausgangssignals entspricht, in diesem Fall ungefähr 30% über der Betriebsspannung.

Die unerwünschten Hochfrequenzschwingungen, die an der Endstufe beim Hin-und-her-schalten erzeugt  werden, übertragen sich bis zum NE5532P hin und gefährden ein sauberes Arbeiten der Komparators. Aus diesem Grund werden diese erstens gemindert durch C4 / C12 am Dreieckgenerator, dann als Tiefpass zwischen Komparator und Treiberfet und anschließend durch einen 27-Ohm-Widerstand zwischen Treiber und Gate der Leistungsfets. Zur Schaltzeitbegrenzung sind diese Bauteile auf minimale Kapazität und ohmschen Widerstand begrenzt.

Der Ausgangs-Bandpassfilter setzt sich zusammen aus dem Tiefpass Spule ( 47 bis 85 µH ), den beiden 470nF-Kondensatoren, dann dem Lautsprecher-Elko und der Lautsprecher-Induktivität. Bei Bandpass 20 Hz bis 20KHz ist eine Radialspule von ungefähr 47 bis 68 µH nötig bei 4 Ohm Lautsprecher. Werden 8 Ohm Lautsprecher verwendet, sollte die Induktivität der Spule auf 82 bis 100 µH erhöht werden. Ich habe dieses Problem gelöst, indem ich eine Ferritfilter-Ummantellung eines Mittelwellenfilters mit Papier-Zwischenlage über die 47µH-Spule gestülpt habe, die sich hin und her schieben läßt und so eine Einstellung zwischen 50 und 100 µH erlaubt. Bei bis zu 25 Watt Ausgangsleistung sollte die kleine Spule mit max. 1 m Draht und mindestens 0,5mm Durchmesser gewickelt sein.

Die Schaltung  einschließlich der Endtransistoren entwickelt  keinerlei übermässige Hitze. Sie kann ruhigen Gewissens komplett ohne Kühlkörper betrieben werden, ein grosser Vorteil gegenüber vergleichbaren analogen Schaltungen.

Verschiedene Behauptungen im Internet, Class-D Verstärker hätten keine gute Basswiedergabe, kann ich nicht bestätigen. Die Endstufe bringt absolute Linearität an meinen Lautsprechern, 25 bis 25000 Hz.

Zur Leistungssteigerung habe ich letztlich die Betriebsspannung auf 36 Volt angehoben. Im nachfolgenden Bild ist diese definitive Schaltung zu sehen. Zusätzlich ist hier noch eine einstellbare Niederfrequenz-verstärkung  mit Bc550C ( hohe Strom-Spannungsgegenkopplung ) zugefügt worden. Ausserdem wird die 15Volt-Spannung der IC`s jetzt mit Längsregler T7 realisiert.Alle Werte lassen sich  bequem einstellen:

P4 = Eingangsverstärkung 50mV bis 500mV Vollaussteuerung

P3 = Dreieckfrequenz 180KHz bis 270KHz

P1 = Totpunktzeiteinstellung

P2 = Impulsbreiteneinstellung ( Mitteneinstellung )

Auf dem Bild nicht zu sehen ist eine 500mA träge Sicherung über die die 36 Volt der gesamten Schaltung zugeführt wird und eventuel ein 2Watt 47Ohm-Widerstand, der parallel zum Lautsprecher an den Lautsprecherbuchsen angelötet wird. Dieser verhindert ein Schwingen der Endstufe, sollten die Lautsprecherboxen irrtümlicherweise mal nicht angeschlossen sein. Zusätzliche Keramik-Kondensatoren an der Endstufe dienen der weiteren Unterdrückung der Hochfrequenzstörungen

Maße der einlagigen Platine: 160 x 50 mm