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

[tomtit]

Так с ДАК нет никаких проблем и без риппл компенсации. Надо только задрать лупгэин до 150-170дБ, и всё ОК.

Теоретически, гармоники получаются ниже -190дБ при 0дВ сигнале. Засада случается, когда подают идеальный ШИМ сигнал с ФПГА на реальный ФНЧ. Тут после долгой пляски с бубном, удается вытянуть не более -140дВ SFDR,
что более чем в 100 раз хуже теории. И что самое интригующее, спектр гармоник сильно корёжится при небольших изменениях в модуляторе, хотя на общий ТНD влияния нет почти совсем. Видимо, изменяются фазы и векторно складываются искажения от различных источников. Но кого волнует что-то ниже 142дБ?

Для цифроусилителя, можно оценить максимально достижимую глубину ОС, как примерно 80дБ, если несущая будет в районе 500-700к. Тогда уж лучше следовать по пути МАД-50 Антонова, но увы, проект закрыт по независимым от нас причинам.
Не знаю, что он там придумал, но параметры получились просто замечательные для усилителя без ОС после дросселя.

Бруно сказал в интервью, что Purifi получился гораздо лучше, чем его с профессором Моутоном цифроусилитель. Профессор ещё потрепыхался, изобретая хитроумные примочки для устойчивости при работе на практическую нагрузку, а Бруно потерял интерес к этому подходу, ему писание академических статей не слишком нужно.

Как ни странно, подход с самоосцилятором не годится для ДАК, так как аналог и модулятор невозможно охватить общей ОС, а выход самоосциллирующего модулятора аналог не переваривает совсем, несмотря на пренебрежимо малые гармоники в модели и хороший спектральный состав нефильтрованного сигнала.
Мешают, как и в первом случае - свойства реальных электронных компонентов и законы физики.

[Yurgen]

Засада случается, когда подают идеальный ШИМ сигнал с ФПГА на реальный ФНЧ. Тут после долгой пляски с бубном, удается вытянуть не более -140дВ SFDR,
что более чем в 100 раз хуже теории.

А RTZ для PWM нужен?

На diyaudio есть две ветки про AFIR
Return-to-zero shift register FIRDAC

Скрытый текст

[свернуть]

Signalyst DSC1

Скрытый текст

[свернуть]

Что в общем-то и не плохо для битстрим, PWM по идее должен быть еще лучше

---------- Сообщение добавлено 11:57 ---------- Предыдущее сообщение было 11:41 ----------

Надо только задрать лупгэин до 150-170дБ, и всё ОК.

А как вы коэффициенты считаете чтобы устойчивость была?

Я для однобитного модулятора пользовался
delta-sigma-toolbox

[hippo64]

абсолютно безпонтовое, или как раз понтовое занятие, учитывая, что преобразование эл. сигнала в звук несет на три и более порядков искажения. Подсчет чертей на шпиле собора.

[dortonyan]

А RTZ для PWM нужен?

RTZ в любом случае нужен. Просто в PWM он получается автоматом, если 100% > скважность > 0%.

Я для однобитного модулятора пользовался
delta-sigma-toolbox

Я с таким тулбоксом не работал, но на вряд ли он умеет оптимизировать коэф-ты.
Для нормальной экономичной реализации (однобитные коэф-ты) скорее всего "допиливать" модулятор придется вручную.

[Yurgen]

никаких проблем и без риппл компенсации

Путцейз выглядит довольно грамотным инженером, корявенький перевод статьи ниже

Ultralow-Distortion Digital PWM.pdf

[tomtit]

Так и есть, он самый грамотный и талантливый в аудиоиндустрии. Просто ему нужны патенты, чтобы не бедствовать и не искать работу в другой области. Я шёл по его стопам, но потом задался вопросом, а что если сделать чуть-чуть по другому.
Получилось не лучше и не сильно хуже, но без нарушения его патента.
Оптимизацией коэффициентов он похоже не занимался, я тоже этого не делал.
Он же честно написал - задал в матлабе эллиптический фильтр и опа - все коэффициенты на ладони.
Не знаю насчёт тулбоксов, я даже не знаю, как к ним подступиться.
Недостаток одностороннего ШИМ - это падающий фронт пилы двойной амплитуды - он слишком раскачивает модулятор, и его надо проектировать с чуть большим запасом по фазе, но зато искажения будут на несколько дБ ниже.
Скажем не -180дБ а -183дБ, в мат. модели, конечно.
Насчет однобитных коэффициентов, там есть доля лукавства.
Если выбрать простейшую архитектуру однобитного модулятора только с обратными связями, то там только для нулей NTF (резонаторов) могут понадобиться однобитные к-ты. Для обратных связей же используются константы, меняющие только знак, которые рассчитываются заранее с любой нужной точностью. Что и видно по NTF -
типичный эллиптический ФВЧ. А насчёт «наихудшей реализации с задержками» -
при тактовой в 45-100мгц, они не имеют значения, так как основные проблемы с устойчивостью возникают именно из-за низкой частоты несущей ШИМ выхода, а это в 32раза ниже тактовой.
Необходимость тулбоксов сильно преувеличена. Можно просто нарисовать какой-нибудь сверглубокоосный устойчивый усилитель и транслировать в цифровую модель при помощи Z-преобразования. Если запас по фазе изначально достаточный, то и при преобразовании в однобитный модулятор, заменой выходного каскада на компаратор, он частично сохранится. Такой подход мне даже более симпатичен, так как видна суть происходящего, без излишней наукообразности.

---------- Сообщение добавлено 10:03 ---------- Предыдущее сообщение было 09:20 ----------

Ну и наконец, Бруно ясно объяснил суть изобретения. В модуляторе есть только один нелинейный компонент - компаратор, то есть все гармоники образуются именно в нем. Поскольку ШИМ сигнал - импульсный и большой амплитуды, попадает в ОС модулятора и частично возвращается назад, то компаратор снова работает, как смеситель и переносит часть этих самых пульсаций в звуковую полосу. Это явление особенно неприятно, когда эта дрянь имеет корреляцию с сигналом и, следовательно, является его гармониками.
Избавиться от рипплов невозможно, при слишком сильной фильтрации набегает фаза и теряется устойчивость. Один из способов борьбы - то что предложил Бруно, то есть уменьшить корреляцию этой пакости с сигналом, другой - просто задавить всё лупгэйном, что тоже прекрасно работает. В разных условиях это работает по-разному, иногда сильно улучшает THD, а иногда - до лампочки.

[Yurgen]

Он же честно написал - задал в матлабе эллиптический фильтр и опа - все коэффициенты на ладони.

Я пробовал в матлабе модулятор PWM как на Figure 4: “delta-sigma-style” noise shaper with PWM inside the loop. И он заработал только с коеффициентами из vandermerwe_digitally_2017.pdf
Модулятор рассчитанный в матлабе из тулбокса по такой схеме не работает.

[tomtit]

Я пробовал в матлабе модулятор PWM как на Figure 4: “delta-sigma-style” noise shaper with PWM inside the loop. И он заработал только с коеффициентами из vandermerwe_digitally_2017.pdf
Модулятор рассчитанный в матлабе из тулбокса по такой схеме не работает.

Я же говорил - нет тулбокса - нет проблемы. Понимание принципа работы гораздо важнее.

Есть ещё одна хитроумная возможность - использовать в качестве модулирующей пилы осцилляции модулятора.
Так работает Purifi. Модулятор разбит на две части, одна быстрая с самовозбудом - обеспечивает генерацию несущей «уродской пилы» и следит за подавлением острых резонансов в LC фильтре, и медленная, обеспечивающая лупгэйн и низкий ТНД. При этом никакой компенсации нет, модуляция двусторонняя, глубина ОС всего 80дБ, но на практике, как мы знаем, работает получше, чем заумный профессорский усилитель с компенсацией риппла.
Так что всё в мире относительно.

Ну не знаю что тут можно ещё сказать - вся наука в двух постах уместилась.
Да, кстати, я экспериментировал с использованием идеального синуса в качестве несущей модулятора в надежде, что синус, являющийся собственной функцией линейных операторов, породит меньше грязи в петле ОС. Но увы - для ДАК всё решает глубина ОС, изменений не было замечено.

[Yurgen]

Так работает Purifi.

Круто. Но тут бы для начала полностью разобраться в том что Путцейз написал )

---------- Сообщение добавлено 19:18 ---------- Предыдущее сообщение было 19:11 ----------

Я вот такую схемку набросал в матлабе, в моем понимании этого всего, вроде работает но картинки не совсем похожи на те что у Бруно в статье в конце.

Скрытый текст

просто PWM и с компенсатором рипла

[свернуть]

[tomtit]

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.

[Yurgen]

Для AFIR нужен еще подбор резисторов или каскадирование AFIR в случае реализации на кристале
SMU_IEEE_seminar_10142013.pdf
Для обычного DWA там есть графики в конце насколько это хуже все

[tomtit]

Для AFIR нужен еще подбор резисторов или каскадирование AFIR в случае реализации на кристале
SMU_IEEE_seminar_10142013.pdf

Так и для ШИМ АФИР не помешает, правда с модулятором в 16 клоков на период ШИМ, большой разницы не видно, если длина АФИР изменяется от 8 к 16. Возможно, что мой восстанавливающий фНЧ не чувствителен к остаткам несущей.
В других реализациях всё может быть по-другому. Но есть вероятность, что и без АФИР будет очень неплохо.

---------- Сообщение добавлено 11:55 ---------- Предыдущее сообщение было 11:44 ----------

Ну если во главу угла поставить SNR а не SFDR, а от него в основном зависит ENOB, то результат будет всегда в пользу ИС и высоких технологий.

[Yurgen]

Сравнение с Бруно

[tomtit]

Хорошо бы показать в дБ и длину FFT для каждого графика. Иначе это не информативно. AFIR с прямоугольным окном полностью убирает жуткую гребёнку на синем графике.
Это и есть его главное предназначение для PWM модулятора, а вовсе не общая фильтрация. Ну и заодно эффекты от джиттера клока придавит на 1/sqrt(Ntaps).

[Yurgen]

Тут основная проблема модель модуляция на 8Fs всего, Fc=1024Fs, PWM 128 ступеней. Т.е. это модулятор для усилителя, для ЦАП надо повышать частоту модуляции и все пересчитывать, у Бруно подъём ВЧ шума выше раз в 10 по частоте начинается.

[tomtit]

Тут основная проблема модель модуляция на 8Fs всего, Fc=1024Fs, PWM 128 ступеней. Т.е. это модулятор для усилителя, для ЦАП надо повышать частоту модуляции и все пересчитывать, у Бруно подъём ВЧ шума выше раз в 10 по частоте начинается.

Вы усилитель или ДАК хотите сделать? ДАК намного проще.
Цифроусилитель ещё никто не сделал нормальный. Нужен АЦП недорогой и с маленькой задержкой.
Иначе, ОС после дросселя не получится. Обычный Д-класс типа Purifi пока рулит по-прежнему.
Если бы ещё поднять частоту ШИМ до 2МНz, то прощай В и А.

Для ДАК, модулятор не является бутылочным горлышком, вот что у меня сейчас сделано, причём это полный звуковой тракт в Verilog симуляторе + идеальный FIRDAK.
Видно даже ступеньку, где ЦФ придавил шум 24-битного квантования.

Ripple Compensation ON:

Ripple Compensation OFF:

Реальный спектр на выходе этого ДАК я показывал в своей ветке про сигма-дельта, и он сильно отличается в худшую сторону.

Цифровой усилитель я бы начал с Z-преобразованного UCD. Это несколько строк m-кода, зато отличный полигон для экспериментов.
Если он как-то заработает с моделью какого-нибудь АЦП, то попытался бы приблизиться к Purifi. Решения без общей ОС вообще бы не рассматривал, таких уже есть и много.

[АЛВАЛИ]

- THD+N (полоса пропускания 20 кГц) < -135 дБ
- THD+N (80kHz bandwidth) < -129dB

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

[Yurgen]

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.

---------- Сообщение добавлено 14:45 ---------- Предыдущее сообщение было 14:33 ----------

Реальный спектр на выходе этого ДАК я показывал в своей ветке про сигма-дельта, и он сильно отличается в худшую сторону.

Без глубокого погружения с PWM не разобраться. У вас есть уже реализация в железе с AFIR?

[BesPav]

Осталось придумать как прикрутить устойчивую обратную связь.

https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=90852

---------- Сообщение добавлено 18:47 ---------- Предыдущее сообщение было 18:41 ----------

Нужен АЦП недорогой и с маленькой задержкой.

Именно.