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M. Streitenberger W. Mathis

Low-Power Audioleistungsverstärker nach dem Klasse-D-Prinzip auf der Basis von Binärsignalen mit separiertem Basisband. M. Streitenberger W. Mathis Institut für Theoretische Elektrotechnik und Hochfrequenztechnik Universität Hannover Th. Schindler

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Presentation Transcript

  1. Low-Power Audioleistungsverstärker nach dem Klasse-D-Prinzip auf der Basis von Binärsignalen mit separiertem Basisband M. Streitenberger W. Mathis Institut für Theoretische Elektrotechnik und HochfrequenztechnikUniversität Hannover Th. Schindler Institut für Elektronik, Signalverarbeitung und KommunikationstechnikOtto-von-Guericke-Universität Magdeburg 4. VIVA Kolloquium, Uni Dortmund, 24.-25. Feb. 2003

  2. Low-Power Audioleistungsverstärker Übersicht • Ausgangspunkt / Motivation • neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC • theoretische Erkenntnisse • Implementierungsaspekte • Prototyp • Zusammenfassung / Ausblick

  3. Low-Power Signalverstärkung Klasse-D-Prinzip nichtlineares Verstärkerkonzept Kodierung / Dekodierung notwendig lineares Übertragungsverhalten neues Kodierungsverfahren: SB-ZePoC(Binärsignale mit separiertem Basisband) Low-Power Audioleistungsverstärker

  4. Motivation klassisches Konzept • Ausgangspunkt • spektrale Eigenschaften des Binärsignals • Frage nach Kodierungsverfahren PWM Spektrum Ergebnis: nichtlineare Verzerrungen

  5. Lösung: SB-ZePoC:(Zero-Position Codingwith separated baseband) Neues Signalkonzept • Forderung: • Binärsignale mit separiertem Basisband • Resultat: • linearer Verstärkermit hohem Wirkungsgrad(Klasse-D)

  6. Funktionalität Vergleich sep. Basisband SB-ZePoC Spektrum mit separiertem Basisband NPWM Spektrum • Basisband: • durch Kodierungsverfahren bestimmt • HF Bereich: • durch Schaltrate bestimmt • unabhängig vom Kodierungserfahren

  7. SB-ZePoC Verfahren • Basis: • Titchmarsh (1926), Logan (1984) • Nullstellen phasenmodulierter Signale: s(t) • separiertes Basisband • Frequenzbedingung komplementär zu Shannon-Theorem! • Verstärkerkonzept: • hoher Wirkungsgrad durch niedrige Schaltrate • Linearität

  8. Näherung von SB-ZePoC: NPWM SB-ZePoC • Bedingung: • sehr hohe Schaltrate oder • sehr niedrige Signalfrequenzen Äquivalent NPWM Verletzung der Bedingung: Verlust des separierten Basisbandes!

  9. Digital SB-ZePoC Implementierung • zeitdiskrete Beschreibung • Standardblöcke der digitalen Signalverarbeitung • insgesamt aufwendig • zentrale Aufgabe: • Low-Power durch Aufwandsreduktion

  10. Digital SB-ZePoC Implementierung • Hilbert-Transformation • FIR-Filter • Bandpasscharakteristik • untere Grenzfrequenz l • N > 1000 erforderlich! • Lösung: Hybrid-System • NPWM für kleine Signalfrequenzen • unabhängig von Hilbert-Transf. • deutlich kleinere Filterordnung(praktisch: 30..50)

  11. Neuantrag Digital SB-ZePoC Implementierung • Tiefpassfilter • lineare Phase!!! • Signalformtreue • FIR-Filter mit hoher Ordnung(N = 170) • Modellordnungsreduktion • quasi-linearphasiges IIR-Filter(N = 36) • Implementierung...

  12. Digital SB-ZePoC Implementation • Digitaler Pulsformer: • Auflösung bestimmt Dynamikbereich • Taktrate im GHz-Bereich • neuer Ansatz: • Digitalzähler mit Ringoszillator • Erhöhung der Auflösung • Verringerung der Taktrate • Nachteil: Phasenrauschen

  13. volldigitaler Prototyp

  14. Berechnung der Nullstellen 16 Bit Genauigkeit Digitaler Pulsformer 11 Bit Auflösung(200 MHz Taktrate) Daten: Signalbandbreite: 0 .. 20 kHz sep. Basisband: 0 .. 42 kHz Schaltrate: 97.6 kHz Noise (0..20 kHz): – 65 dB SNR:  80 dB Prototyp: Simulation & Messung Simulation Messung

  15. BOSCH BLAUPUNKT Ergebnisse • Veröffentlichungen • 16 Konferenzbeiträge • z. Bsp. ESSCIRC 2002, ECCTD 2001, ISCAS 2000, ECCTD 1999 • best paper award: ICCSC 2002 • special issue IEEE J. CAS1 (eingereicht) • 2 Diplom-, 4 Studienarbeiten • informelle Kooperation • Bosch / Blaupunkt, Hildesheim • Micronas, Freiburg • Philips, Eindhoven PHILIPS

  16. Zusammenfassung • Low-Power durch effiziente Leistungsverstärkung • SB-ZePoC Verfahren • Linearität (separiertes Basisband) • niedrige Schaltrate • Funktionalität & Realisierbarkeit • theoretische Erkenntnisse • Basis: Nullstellen phasenmodulierter Signale • NPWM ist Näherung von SB-ZePoC • Low-Power Signalverarbeitung • Aufwandsreduktion • Hilbert Transformator • Tiefpassfilter • Low-Power Pulsformer • Ringoszillator-Konzept  Taktratenreduktion

  17. Ausblick • Analogteil (Schaltstufe + Filter + Last) • thermodynamische Aspekte der Schaltstufe • Kooperation mit Prof. Beth, Karlsruhe • Nichtideale / nichtlineare Einflüsse • Ansatz: Feedback • Kooperation mit Prof. Weigel, Erlangen

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