Class-D Verstärker
Als Verstarker-Gruppe haben wir uns entschieden einen Class-D Verstärker zu bauen. Dieser verstärkt ein gegebenes Signal mittels Pulsweitenmodulation.
Abbildung 1: Blockschaltbild
Dabei wird zunachst das Audiosignal mit einem Dreieckssignal durch einen Komparator verglichen. Man muss aber gewisse Anforderungen an das Dreieckssignal stellen damit der Verstärker funktioniert, die Frequenz muss sehr viel größer und die Amplitude größer oder gleich der des Audiosignals sein. Das Dreieckssignal wird mittels 2 OPVs und einem Kondensator, der ständig auf- und entladen wird, erzeugt, die Frequenz lässt sich mittels der Größe des Kondensators und einem Poti einstellen. Das erzeugte Dreiecksignal hat eine Frequenz von 50 kHz, das Signal des Oszillators dagegen eine von max. 1 kHz. Außerdem kann man mittels von 2 Potis das Dreiecksignal ein wenig konditionieren, sodass Amplitude und Offset des Audio- und Dreiecksignals ungefähr übereinstimmen bzw das Dreieck ein wenig größer ist. Dann werden die beiden Signale mittels eines Komparators verglichen und somit eine Pulsweitenmodulation des Audiosignals erzeugt. Dabei ist dessen Amplitude und Frequenz Information in der unterschiedlichen Breite der Rechtecke abgebildet. Dieses PWMSignal lässt sich nun einfach mittels 2 Mosfets(ein p-Mos und ein n-Mos) verstärken, da diese entweder voll durchschalten oder komplett sperren. Um aus dem belastbaren und verstärkten PWM-Signal wieder einen Sinus zu machen, muss man es mit einem Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 1kHz filtern. Da dieser Sinus noch einen Offset hat, muss noch die Gleichspannung entkoppeln werden, um dann den Lautsprecher anschließen zu können.
Dreieckgenerator
Hier gab es recht viele verschiedene Topologien mit denen man ein Dreieckssignal erzeugen kann, jedoch waren natürlich nicht alle verwendbar. Da wir zum Anfang des Projektes nur eine 5V Versorgungsspannung zur Verfügung hatten, konnten wir einige Schaltungsideen nicht umsetzten z.B. der NE555 als Dreieckgenerator. Wir haben uns dann dafür entschieden das Dreieck mit OPVs zu erzeugen mit einer Frequenz von f = 1/(2RC). Das Ziel war eine Frequenz von 100kHz, mit einem 22pF Kondensator und einem 250kOhm Widerstand. Nach der Theorie ergibt das eine Frequenz von ca. 90kHz, mehr als genug im Vergleich zu 1kHz des Audiosignals. Den Widerstand wird mit einem Poti realisiert sodass man bei Bedarf noch die Frequenz verändern kann.
Komparator
Bei der Wahl des Komparators musste darauf geachtet werden, dass dieser schnell genug ist. Leider hatten wir nicht viele zur Auswahl mit denen wir testen konnten, mit dem TL072P hat es jedoch gut funktioniert, sodass wir uns fur diesen entschieden haben. Um aber einen Vergleich zu bekommen wurde auch noch einen schnellen Komparator bei Reichelt bestellt, den LTC1440.
MOSFETs
Auch bei den MOSFETs kommt es darauf an, dass diese schnell genug sind und somit gut zwischen zwischen ON und OFF wechseln können. Außerdem sollten nie beide MOSFETs gleichzeitig leiten, da wir sonst einen Kurzschluss haben, also dürfen sie auch nicht zu schnell sein. Letztendlich haben wir uns für die BS250 und BS170 entschieden, da dies die einzigen vorhandenen MOSFETs waren und trotzdem die oben genannten Bedingungen erfüllen. Zum Vergleich daher wurde der IC IRF9952 bestellt.
Tiefpassfilter
Hierbei wird einfacher LC Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von 1kHz benutzt. Diese berechnet sich mit f = 1/(2π√(LC)). Nun war die Frage, wie man diese am besten dimensioniert, dabei ist wichtig, dass es kein Überschwingen auftritt, aber auch kein zu frühes und langsames Abknicken.
Abbildung 2: Tiefpassfilter in Abhängigkeit von Gütefaktor Quelle: http://www.ti.com/lit/an/sloa119b/sloa119b.pdf
Wie man sieht hat der Tiefpasslter das beste Verhalten fur Q = 1/√2, mit Q = R_L*√(C/L), wobei R_L der Widerstand des Lautsprechers ist. Um nun das bestmögliche Tiefpassverhalten zu bekommen muss man einen Kompromiss zwischen Grenzfrequenz, Gütefaktor Q und den vorhandenen realen Bauteilen machen:
Tabelle 1: Tiefpassfilter
Wie man sieht ist es schwer den idealen Tiefpasslter für die gewünschten Anforderungen zu entwerfen, da man mit den real vorhandenen Bauteilen immer einen Kompromiss eingehen muss. Jedoch wurde dabei einen guten gefunden, Q ist ein wenig kleiner ebenso wie die Grenzfrequenz.
Schaltplan
In diesem Kapitel wird der Schaltplan des Verstärkers dargestellt. Die Abbildung ist ein direkter Auszug aus der Simulation mit LTSpice. Bauteilwerte sind ablesbar. Die Unterschiede zwischen Simulationsschaltplan und Messungsschaltplan liegen in den verwendeten Transistoren und Operationsverstärkern. Für den Testaufbau wurden BS170 (n-MOS) und BS250 (p-MOS) als Transistoren, TL072P als Komparator und TLC274P als OPV für die Erzeugung des Dreiecksignals benutzt. (TLC274P verfügt über vier einzelne OPVs, man nutzt aber nur zwei für das Ziel.)
Abbildung 3: Schaltplan
Simulation
An dieser Stelle werden die wichtigsten Abbildungen aus der Simulation dargestellt. Die Frequenz des Dreieckgenerators beträgt 75kHz simuliert, halb höher als die gemessene. Theoretisch müsste sie ungefähr 90kHz sein.
Abbildung 4: Dreiecksignal
Abbildung 5: Input (grüne Kurve)/Output (blaue Kurve)
EAGLE Schaltplan und Board
Nachdem die Schaltung in LTSpice schon erstellt und simuliert wurde, soll sie mit einem Programm fur Platinenlayout implementiert werden. Die folgenden zwei Bilder stellen die lange Arbeit der Teilgruppe mit EAGLE dar.
Abbildung 6: Schematic in EAGLE
Abbildung 7: Board in EAGLE
Wie es schon erwähnt wurde, werden TLC274P als IC fur die Erzeugung des Dreieckgenerators und TL072P als Komparator benutzt. Fur den realen Aufbau auf der Platine wurde sich aber die Gruppe entschieden einen neuen SMD-Komparator zu testen. Da die SMDs auf dem Steckbrett nicht reingesteckt werden können, sollten zusatzliche Jumpers auf der Platine platziert werden, mit denen zwischen den moglichen Ausgängen durchgeschaltet werden kann. In der Schaltung ist dafür Jumper 1 zuständig. Die gleiche Entscheidung betrifft auch die Verstärkung mit den beiden MOSFETs. Es wurde noch ein Paar SMD p- und n-Transistoren bestellt, die sich mit den vorhandenen BS250 und BS170 konkurrieren sollen. Mithilfe von Jumper 3 wird es zwischen den Ausgängen der beiden Transistorpaaren durchgeschaltet.
Bestückung und Testen der Platine
Nach der Herstellung der Platine vom Werkstatt, soll sie gebohrt und bestückt werden. Die folgenden Bilder zeigen der Platinenstand direkt nach dem Ätzen.
Abbildung 8: Topseite der Platine
Abbildung 9: Bottomseite der Platine
Die grüne Schicht dient nur zum Schutz des Kupfers, das direkt darunter liegt. Diese Schicht wird später mit Aceton entfernt. Vorher soll man zuerst die Platine bohren – die meisten Löcher wurden mit 0.8mm Stift gebohrt, es gab aber auch größere, wie z.B. die Löcher fur die IC Sockel mit 1mm. Nachdem die Schutzschicht entfernt wurde, müssen die Bauteile angelötet werden. Die folgenden Abbildungen spiegeln unsere Tätigkeiten des gesamten Projektlabors wider.
Abbildung 11: Topseite der fertigen Platine
Abbildung 12: Bottomseite der fertigen Platine
Alle Bauteile sind schon auf der Platine angelötet. Es muss noch einen Test der Funktionalität durchgeführt und die bestmogliche Konfiguration von Komparator und MOSFETs gewählt werden. Außerhalb soll der interne 6-Pin Bus zwischen den anderen Teilgruppen verkabelt und der gewählte Lautsprecher eingesteckt werden. Der Test zeigte, dass alle Teilschaltungen gut funktionieren, aber jedoch nicht auf Anhieb, auch bei uns hatte sich ein Fehler in der EAGLE-Schaltung eingeschlichen, sodass kein Dreieckssignal rauskam. Es war jedoch nur eine falsch gelegte Verbindung. Dieser Fehler lies sich leicht beheben durch Auftrennen einer Leiterbahn und das Verbinden einer anderen. Das Testen ergab außerdem, dass die SMD-Mosfets und der SMD-Komparator besser geeignet sind für den Class-D Verstarker. Die folgende Abbildung zeigt die funktionsfähige Verstarkerschaltung und der mit ihr betriebene Lautsprecher.
Abbildung 13: fertige Verstärkerschatung und Lautsprecher
Bauteilliste
Dieses Kapitel dient nur zur Auflistung der benötigten Bauteile.
Tabelle 2: Bauteilliste