Digital PWM усилитель по мотивам Bruno Putzeys

[Yurgen]

Как такового готового усилителя пока еще нет. Но все в наших силах. Нашел пару интересных статей с подробностями реализации PWM усилителя с обратной связью. В статье есть рабочая схема модулятора c рассчитанными коэффициентами. Реализация ЦФ уже есть на форуме. Осталось придумать как прикрутить устойчивую обратную связь.

kemp_design_2012.pdf
vandermerwe_digitally_2017.pdf
jacobs_digital_2006.pdf



На основе PWM with ripple compensator можно сделать также DAC c AFIR наподобии Mola-Mola Bruno Putzeys.
WP_AES120BP_Simple_ultralow_distortion_digital_PWM.pdf
В статье Бруно пишет
Образец конструкции работает при fc=49,152 МГц и fr=2,8224 МГц. Используется модулятор 7-го порядка.
Дизайн представляет собой наихудшую реализацию с конвейерной задержкой на каждый интегратор и однобитные коэффициенты.
Полученные результаты можно суммировать как:
- THD+N (полоса пропускания 20 кГц) < -135 дБ
- THD+N (80kHz bandwidth) < -129dB

[dortonyan]

Нет, тут получается спектр сдвигается вверх путем увеличения частоты. Сигнал распределяется на 4-8 ключей, которые работают последовательно.

Посмотрел документ.
Там, если я правильно понял, однобитный поток за счет параллельного регистра с поочередной выборкой преобразуется в параллельный, где каждый бит выдается на отдельный УНЧ.
Получается что-то вроде AFIR c конвейеризацией что ле?

В общем, если частоту на транзистор задать 384к, то это условно х8 оверсемплинг. Распараллеливание на 8 транзисторов даст х64 оверсемплинг, а это уже вполне себе.
Или 768к на 4 транзистора.
Такое должно работать на недорогих мосфетах, только что куча дросселей получается.

Сейчас выходной каскад можно вообще на ганах сделать, GS61008P на маузере есть по 12$

Да зачем сразу такую экзотику?
Я бы для обкатки взял что-то вроде ISC0803NL или SiR5112DP. Они недорогие, на опыты можно брать сразу десятками.
Тем более, что предполагается схема с пониженной частотой переключения на транзистор.

[Yurgen]

Алгоритм этого скремблера описание немного туманное, в обычном мультифазном выходе ключи переключаются просто последовательно для уменьшения частоты переключения отдельного ключа и повышения общей частоты переключения. Но там одна катушка на ключ. Тут 6 катушек на 8 ключей со средним отводом. Я предполагаю что пермутатор в случае 2 единиц подряд на 1 катушке, переключает на другой ключ чтобы не было насыщения катушки.

Вот перевод с другой статьи

4.4. Многофазный силовой каскад
Не являясь логическим продолжением трех предыдущих примеров, эта схема служит дополнительной иллюстрацией влияния самонавязанных ограничений. Разработчик этой схемы фактически играл с двойным препятствием. Мало того, что усилитель не имел аналоговой коррекции ошибок, он также должен был обрабатывать 1-битные ∆Σ-модулированные данные (DSD) без какой-либо цифровой обработки [6]. Очевидно, что при столкновении с DSD-сигналом в цифровом режиме с открытым контуром следовало бы пропустить его через формирователь шума с ШИМ, но это, очевидно, уничтожило бы "однобитную сущность" сигнала. Вместо этого построен каскад питания, состоящий из восьми меньших (и, следовательно, более быстрых) выходных каскадов, объединенных в один с помощью индуктивностей с центральной обмоткой. 1-битный сигнал распределяется между восемью каскадами питания с помощью бегущего среднего и скремблера, который оценивает ток в суммирующих индукторах и предотвращает насыщение, направляя изменения состояния на тот каскад питания, который нуждается в этом больше всего. Действительно, бегущее среднее является тривиальной операцией, и если оно установлено на 8 отводов, то можно даже сказать, что каждый входящий бит DSD был назначен на определенный каскад питания. Первый недостаток (отсутствие контроля ошибок) выражается в добавлении локального регулятора переключения.
Второе препятствие (запрет на преобразование DSD-сигнала в другой цифровой формат) выливается в очень сложный каскад питания. Сама по себе многофазная техника имеет ряд преимуществ. КПД составляет более 97 %, а искажения в разомкнутом контуре очень низкие. Опять же, при реализации в открытом контуре преимущество в эффективности сразу же теряется в дополнительном регулирующем каскаде преобразования, но при дополнительном контроле контура эта техника может обеспечить чрезвычайно низкие искажения, широкую полосу пропускания и превосходную эффективность системы.

[

Тем более, что предполагается схема с пониженной частотой переключения на транзистор.

С ганами частоту можно поднять, но придется пересчитывать коеффициенты модулятора на другую рабочую частоту в SYSOTOOL например. Автор из статьи пишет что он в нем пересчитывал. Также если пересчитать коефициенты, можно сделать ЦАП 64fs на 16 уровней ШИМ 1024Fs тактовая например, или как у Бруно Путцейза Mola-Mola 2048Fs тактовая.

[АЛВАЛИ]

Ни схем, ни конкретики, так одни ля ля тополя - тока цыыфирки красивые.
Без глубокой ООС класс D просто туффта на постном масле.

Это ЦАП PWM с ripple compensator + AFIR, обсуждаем и то и другое (и ЦАП и усилитель) по мере возможностей. Как только модель нормальная в матлабе получится, создам отдельную ветку для ЦАПа.
Что касается схем, по цифровой части практически готовый ЦФ здесь
модулятор PWM по мотивам Bruno Putzeys пока что в текущей теме обсуждается в качестве модели в симулинке,
AFIR со схемами и печатными платами для однобитного модулятора c RTZ и без RTZ для PWM

В случае однобитного модулятора можно взять тулбокс для матлаба delta-sigma-toolbox от Richard Schreier - автора книги Delta-Sigma Data Convertors.
В нем модели типовых модуляторов и расчет коеффициентов в матлабе по заданным параметрам.

Т.е. для человека хоть немного разбирающегося в матлаб/verilog практически полное руководство во всяком случае для однобитного ЦАПа с RTZ. Картинки с результатами есть во втором посту и на diyaudio.com. PWM модулятор пока что в процессе исследования. PWM сейчас есть только модель годная для усилителя.

Ну эт всё правильно, но это дело десятое (даже про verilog), я собственно не про это.

Я про вот это:

Осталось придумать как прикрутить устойчивую обратную связь.

Глубокая ОООС предполагает её высокое быстродействие, а это предопределяет наличие дополнительного быстродействующего параллельного канала. Вот это главное.

[Yurgen]

аличие дополнительного быстродействующего параллельного канала. Вот это главное.

Посмотрите описание выше AX5689, у них получилось сделать ООС с ADC дельта-сигма которая самая медленная из всех архитектур ADC и без паралельных каналов. Там внутренняя ООС после компаратора на модулятор разрывается и замыкается уже после выходного фильтра через ADC и при этом его быстродействия хватает.
С паралельным каналом более простой вариант не требующий проектирования хитрого LLADC D/S, но который требует удвоения нойзшейперов с компаратором внутри FPGA, внешний AFIR и буфер FIFO после апсемплера.

[dortonyan]

Но там одна катушка на ключ. Тут 6 катушек на 8 ключей со средним отводом. Я предполагаю что пермутатор в случае 2 единиц подряд на 1 катушке, переключает на другой ключ чтобы не было насыщения катушки.

Я честно не вдавался зачем индукторы сделаны именно так, почитаю потом еще.
В любом случае на логику "цифры" оно не влияет.

С ганами частоту можно поднять, но придется пересчитывать коеффициенты модулятора на другую рабочую частоту в SYSOTOOL например. Автор из статьи пишет что он в нем пересчитывал. Также если пересчитать коефициенты, можно сделать ЦАП 64fs на 16 уровней ШИМ 1024Fs тактовая например, или как у Бруно Путцейза Mola-Mola 2048Fs тактовая.

Я бы сначала попробовал максимально просто, без ШИМа.
768кГц обеспечит и обычный мосфет, а если распараллелить хотя бы на 4, то это уже 3МГц!

Offтопик:

у них получилось сделать ООС с ADC дельта-сигма которая самая медленная из всех архитектур ADC

Не ну бывают и еще медленнее.

[Yurgen]

Я честно не вдавался зачем индукторы сделаны именно так, почитаю потом еще.

Выше выложен документ 20230311_Thesis_Chris_V9.5_online_A1b.pdf пост 27

В главе 3 стр.52 найподробнейшее описание мультифазных систем
вот например уменьшение тока рипла

[tomtit]

Я бы не смотрел сильно на теоретические предсказания. Практическая реализация поставит всё с ног на голову.
У меня есть 3 реализации модулятора, из которых у самой-самой крутой гармоники получились в 100 раз выше, чем у немного других, несколько похуже теоретически. И это при том, что аналоговая часть та же самая. Менялась только прошивка ФПГА. Во всех случаях ШИМ выход с одинаковой частотой несущей. А вот мат-модель измеряемой разницы не показывала.

[Yurgen]

Я бы сначала попробовал максимально просто, без ШИМа.
768кГц обеспечит и обычный мосфет, а если распараллелить хотя бы на 4, то это уже 3МГц!

Я примерно так и думаю, сделать сначала в железе ЦФ + нойзшейпер с однобитным модулятором и 4-фазный выход, далее смотреть на спектр как максимально убрать ВЧ-спуры и при этом чтобы дросель выходной не крутил фазу в звуковой полосе частот. По результатам эксперимента можно на перейти на LM5113 + GS61008P

[Yurgen]

Есть ещё туманное предположение, почему искажения в самопальных дискретных ДАКах получаются не хуже, чем в самых высокотехнологичных и заумных ИС.
Видимо, на одном кристалле очень трудно обеспечить отсутствие корреляции шума с сигналом, отсутствует тривиальная возможность разнесения узлов в пространстве и хорошей развязки по питанию. Возможно я ошибаюсь.

Esoterik похоже перешел на цапы с FPGA (Spartan 6) и AFIR , один из последних N-01XD SE

[Alex]

Ну он-же Эзотерик!

[EDDiE]

Esoterik похоже перешел на цапы с FPGA (Spartan 6) и AFIR , один из последних N-01XD SE

интересно, такая плата помех не наловит?