PWM erősítő I. - A PWM modulátor áramkör 1

Az kétségtelen, hogy az újonnan felfedezett TAS5630 megoldana egy csomó problémámat az erősítő PWM részének építésével kapcsolatban. Nem kell az elejével vacakolni, egy tokban megold mindent (D/A, PWM modulátor), ráadásul ajánlják a párhuzamos kapcsolást is 8 Ohmnál kisebb hangszórókra, amit egy tokkal meg lehet ejteni és akkor van egy híd+párhuzamos mono erősítőnk.

De ha már itt van pár TAS5261-em, azokkal is kéne valamit kezdeni. Nem tudom fel fogom-e használni a TAS55xx sorozat PWM modulátorait valaha. Lehet hogy nem. Most első körben egy diszkrét PWM modulátort terveztem, és most ebben a bejegyzésben a szoftveres szimuláció analízisét írom le.

Sokat keresgéltem, hogyan működjön. Első körben egy háromszög generátort kellett keresnem. Erre szinte túl nagy a választék. Ezért jó sokat bíbelődtem melyik elv legyen. Úgy látom, hogy a TAS órajele 192-384 kHz lehet ami érthető ha digitális áramkör kerül elé. Nem is olyan egyszerű szép háromszögjelű oszcillátort találni erre a frekvenciára!

Először is vannak a kész függvénygenerátorok. Az LM566-ot (amivel találtam készen ilyen kapcsolást) nem lehet kapni, vagy ott az XR2206, vagy az ICL8038-as. Ezek biztos jók, és nem lehetetlen hogy teszek velük egy próbát. A minimális frekvenciájuk az adatlap szerint 0.5MHz, a tipikus 1MHz, de a 8038-nak 300kHz a maximuma. Nincs velük tapasztalatom, és nem tudom mennyire jó a kimenetük. Kerestem hát ezek helyett diszkrét megoldást, első sorban azért, mert komplett függvénygenerátor áramkör nincs a multisim-ben, a beépített függvénygenerátor maga pedig biztos ideális háromszögjelet fog képezni a teszthez.

Az első próbálkozásaim rendre befuccsoltak, nézzük ezeket is az érdekesség kedvéért:

Ezt a függvénygenerátort pl teljesen jónak ígérték, de már 20 kHz-en teljesen béna a jel, gondolom 200-300kHz-en nem is éremes megpróbálni. Ezt hagytam a fenébe.

Kipróbáltam több mindent, op-a,p-os oszcillátorokat is, de végül ezt szimuláltam le (egyáltalán nem biztos hogy ez lesz a valóságban is, de a szimuláció miatt most ezt használom hogy lássam mi a helyzet ha nem ideális maga a háromszögjel). A működését 4MHz-ig jónak ígérik, gondoltam 300kHz meg sem kottyan neki. Jó eredményt értem el vele:

235 kHz-en viszonylag szép a háromszögjel. Könnyű szabályozni a frekvenciát és a kitöltési tényezőt is. Ha ez kerül megépítésre, könnyű lesz babrálni vele. Kérdés persze, hogy ez jobb-e mint egy kész függvénygenerátor IC.

Tesztelgettem ezt az áramkört hogy magasabb frekvenciákon milyen, elég sokáig jónak találtam, 4MHz környékén már látszik hogy valami nincs rendben azért. Pár teszteredmény:

1.3 MHz-en:

2MHz-en:

3.5 MHz-en:

6 MHz-en:

Úgy gondoltam, hogy a fenti áramkörben van tartalék, könnyen szabályozható és módosítható, elég szép a jelalakja 200-300kHz környékén, és az amplitudó is állítható (potméter nélkül) főleg a háromszögjelnél akarom ezt a lehetőséget.

Ennek az áramkörnek a háromszög kimenetét egy komparátorra vezettem, mint ahogy a PWM esetében ez szokás. Sajnos nagyon sok komparátor áramkör nem működött a Multisim-ben, végül egy olyan típust találtam amit nem biztos hogy lehet kapni, de a szimuláció céljára jó lesz. 

Pár jelalak az áramkörben:

A lila a háromszögjel (amit majd ki tudja milyen áramkör fog előállítani), a zöld egy 1kHz-es színusz rövid részlete, a piros pedig egy TTL négyszögjel aminek a szélessége változik a színusz függvényében.

Ezen a képen talán jobban látható, hogy a viszonylag lassú 1kHz-es színusz függvényében hogyan változik a PWM négyszögjel szélessége:

A függvénygenerátor áramkör folytatása tehát egy olyan komparátor, ami jól működött a multisimben, de lehet ilyet nem fogok majd kapni. 7us a felfutása, majd utána kell nézni mivel válthatom ki a valóságban. Az egyik bemenetére a háromszögjel, a másikra egy szinuszjel kerül, ahol találkoznak ott billen, ez látszik a fenti ábrákon.

Fontos kérdés, hogy vajon ez a PWM jel milyen minőségű, mennyire adja vissza az eredeti szinuszjelet. Ez a négyszögekből nem derül ki, sőt lehet hogy a jobbnak látszó TTL négyszögjel visszaalakított eredménye rosszabb mint a komparátor kimenete, amin vannak túllövések. Emiatt a kimeneten egy RLC tag-el megnézem mivé alakul vissza a komparátor és a TTL áramkörök négyszögjele:

Ezen az ábrán a zöld az eredeti szinusz jel, ezt kellene visszakapni a PWM modulált kimenetekről. A bordó jel egy ilyen visszaalakítás eredménye. Hogy a kék micsoda, azt mindjárt írom....

A komparátor után a szimulációmban egy TTL logikai áramkör következett. Ez egyrészt a H-bridge bemenetén késleltette a jelet a bekapcsolás után egy & kapuval, hiszen az első pár ms-on még nem tiszta a jelsorozat, és azt jobb ha kihagyjuk. Másrészt ez invertálta meg a PWM jelet, amire a komparátor is képes, erre csak emiatt nem volt szükség. Harmadrészt ez az ún. dead time logika, amire nagy szükség van, de ez elvileg benne van a TAS5261-ben így erre sincs szükség. Ez a TTL logika akkor kellene, ha erre az áramkörre MOSFET-et szeretnék tenni. Ekkor még kellene egy H-bridge meghajtó áramkör is, de ezt nem merem megkockáztatni ugyanis.....

....ennek a kimenete a kék színuszjel, ami eléggé sikertelen jelalak a visszaalakítás után, bár előtte a négyszögjel sokkal tisztábbnak látszott mint a komparátor kimenete aminek a visszaalakított jele (bordó) sokkal jobb.

Ezekből a jelekből áll tehát vissza az eredeti analóg jel. Itt a szinusz most 20 kHz. A kék háromszög 235 kHz. a piros négyszög a fenti TTL áramkör kimenete, a magas barna négyszögjel pedig a komparátor kimenete, amiből a jobb minőségű bordó jelet sikerült visszaállítani.

Ezek után sok bajom van.

Először is nem tudom a szimulációk eredménye mennyire azonos a valósággal. Lehet alkatrészeket válogatni, lehet jó panelt csinálni, még akár jobb is lehet, de mégis kérdés hogy ha nem ilyen, akkor milyen. Az roppant módon zavaró, hogy az analízis során "szép" TTL jel visszaalakítás után rosszabb mint a kevésbé "szép" komparátor kimenet.

Ezekre a négyszögjelekre (a komparátornak van inverz kimenete is) még kell a TAS H-bridge, ami nem tudom mit csinál majd a jellel, és leszimulálni sem tudom modell híján. Lehet teljesen jó lesz már annak is a kimenete, és nem kellene ezzel foglalkoznom. Az is lehet, hogy a TTL áramkör kimenete is használható lenne MOSFET-ek meghajtására, kérdés milyen eredménnyel, ez a megoldás szerepelt egy PDF ajánlásban. Végül gondoskodnom kell arról, hogy a komparátoron az audió jel nem lépheti át a háromszögjel nagyságát. Ez nem akkora gond, egyrészt a háromszögjel ebben a megoldásban szépen szabályozható, másrészt az audio jelre lehetek egy brickwall limitert (amit nem szeretnék, de ha kell akkor kell). Végül nem látom az összefüggést a PWM modulált négyszögjel, és a visszaalakítás utáni amplitúdó és a DC eltolás között, nem beszélve arról, hogy tartsam lineárisan a legvégén az LC tag  frekvenciamenetet, hiszen az nem lesz lineáris, de utána már csak a hangszóró van...