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

[Yurgen]

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

На али уже появились китайские клоны на AX5689, если бы еще сами чипы были с документацией.
В собственной реализации на FPGA больше степеней свободы, в готовых из коробки могут быть недоработки как по схемотехнике так и по разводке печатных плат, например в реализации ЦАПа Mola-Mola Bruno Putzeys для упрощения применяется ASRC, хотя при желании гены с малым джитером на 2048Fs на 2 сетки вполне возможно сделать на заказ.

На axign появился в прошлом году пресс релиз новых чипов AX5690, AX5691 и есть в сети пресс релиз демоборды совместно от GaN Systems и Axign, самой демо-борды на сайте GaN Systems пока что нет.

[tomtit]

У вас есть уже реализация в железе с AFIR?

есть

[BesPav]

В собственной реализации на FPGA больше степеней свободы

Это бесспорно, DSP48Е1 или E2 тащат.
Но самая главная фишки здесь - это латентность АЦП и задержка пересылки данных по внешней шине.
Именно они определяют полосу ООС.
Axign*овцы ради них .опу рвали.

[dortonyan]

Но самая главная фишки здесь - это латентность АЦП и задержка пересылки данных по внешней шине.
Именно они определяют полосу ООС.
Axign*овцы ради них .опу рвали.

И какая у них суммарная задержка получилась?

В любом случае аналоговая ООС пока что выглядит привлекательнее: хороший ОУ по линейности всегда будет лучше АЦП.
Только что есть проблема ЭМС, но это чисто вопросы умения трассировать плату.

[BesPav]

И какая у них суммарная задержка получилась?

Они постеснялись написать в открытую.
Но можно попробовать оценить.
Судя по GaN*ам, несущая планируется в районе 1 Мег, соответственно чтобы получить хотя бы 10% базовую точность самого PWM*a нужно в петле что-то порядка сотен нан. Соответственно там ~пополам сами вычисления и АЦПатор.
В принципе какой-нибудь быстрый JESD204 АЦП типа LTC2274 большую часть проблем позволяет решить.
И главной фишкой становится - сделать это недорого.

В любом случае аналоговая ООС пока что выглядит привлекательнее: хороший ОУ по линейности всегда будет лучше АЦП.

Ну никто ж не запрещает на хорошем ОУ сделать селектор искажений и оцифровать разницу.
Тогда даже 12 бит будет очень неплохо.

[tomtit]

Во время экспериментов с модуляторами с разными NTF, мне показалось, что слышна разница в звуке, где казалось бы её быть не должно. Как правило выигрывают NTF c не самой широкой полосой «расчистки», но с максимально возможной глубиной ОС. Объяснить это можно только более сильным подавлением модуляции шумовой полки сигналом. Других объяснений придумать пока не могу. Гармоник и так не видно без режектора.
Если это распространяется и на цифро-усилители, то их перспективы крайне туманны.

А вот влияние недофильтрованных остатков ВЧ не так уж и критично, что косвенно подтверждается довольно хорошим звуком D-класс усилителей типа Purifi, где 500к несущая и её гармоники циркулирует по петле ОС. Без этого он просто неработоспособен, исходя из общего принципа функционирования. Вспомните риппл-компенсацию.

[Yurgen]

Подробное описание архитектуры AX5689
20230311_Thesis_Chris_V9.5_online_A1b.pdf

Но самая главная фишки здесь - это латентность АЦП и задержка пересылки данных по внешней шине.

В vandermerwe_digitally применили AD7760 и результат был не очень, а если свой ADC запилить на FPGA с правильным фильтром как в AX5689 сделали?


Вот это бы скачать с ieeexplore

[26] D. Schinkel, W. Groothedde, F. Mostert, M.-J. Koerts, E. van Iersel, D. Groeneveld, and L. Breems, “A Multiphase Class-D Automotive Audio Amplifier With Integrated Low-Latency ADCs for Digitized Feedback After the Output Filter,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 52, no. 12, pp. 3181–3193, Dec. 2017.

[EDDiE]

Вот это бы скачать с ieeexplore

[26] D. Schinkel, W. Groothedde, F. Mostert, M.-J. Koerts, E. van Iersel, D. Groeneveld, and L. Breems, “A Multiphase Class-D Automotive Audio Amplifier With Integrated Low-Latency ADCs for Digitized Feedback After the Output Filter,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 52, no. 12, pp. 3181–3193, Dec. 2017.

А, что, это большая проблема?

[Yurgen]

Спасибо!
Я пробовал регится, не давало бесплатно скачивать.

По сути осталось повторить этот LLADS для начала модель в симулинке совместно с нойзшейпером и модулятором ШИМ в общей петле ООС после выходного фильтра.

[dortonyan]

В vandermerwe_digitally применили AD7760 и результат был не очень

Так это ж ДС! Как они на ней вообще умудрились хоть что-то запустить?

а если свой ADC запилить на FPGA с правильным фильтром как в AX5689 сделали?

Кстати, в новых плисинах SAR АЦП есть внутри. Например альтеровские max10, или латтисовские CrossLink-Nx.
Только там разрядности небольшие, 12 бит всего, ну и линейность соответствующая. Если только подмешивать на вход шум (дизер) и калибровать, но это сильно для энтузиастов.

[Yurgen]

Так это ж ДС!

Так в AX5689 тоже D/S, только своя самописная с блекджеком и ЦФ подогнанным под нойзшейпер.
Готовая железная сюда не подходит

И в этом тоже

Вложения schinkel2017.pdf (4.38 Мб, Просмотров: 21)

, судя по картинкам и абревиатурам возможно автор тот-же что AX5689 делал, только тут выход PWM мультифазный чтобы сдвинуть частоту спуров в высокочастотную область. А в AX5689 однофазный но тоже хитрый с подавлением спуров (без ООС). Подавление спуров упрощает задачу с АЦП.

max10,

У меня как раз демоборда с max10, есть простор для экспериментов, хотя конечно SAR маловато бит

[Yurgen]

Если не хватает разрешения АЦП, можно поставить на выход AFIR (например на чипе DSD179x для компактности) , затем выделить сигнал ошибки между выходным сигналом усилителя после катушки и AFIR. После чего оцифровать только сигнал ошибки и подать его в качестве обратной связи в цифровой домен. В этом случае требования по разрешению для АЦП снижаются, нужно обеспечить только низкую задержку.



В MAX10 на борту 12bit SAR ADC, по идее должно хватить для оцифровки сигнала ошибки, а латентность у SAR самая низкая из всех архитектур ADC.

[dortonyan]

Если не хватает разрешения АЦП, можно поставить на выход AFIR (например на чипе DSD179x для компактности) , затем выделить сигнал ошибки между выходным сигналом усилителя после катушки и AFIR. После чего оцифровать только сигнал ошибки и подать его в качестве обратной связи в цифровой домен. В этом случае требования по разрешению для АЦП снижаются, нужно обеспечить только низкую задержку.

Интересное решение.
ООС по вычитанию, этакий аналоговый шейпер.
Вместо AFIR-а можно еще использовать параллельный ЦАП с фильтром в цифре.

Ну и помимо задержки есть еще вопрос - как оно будет реагировать на ограничение АЦП, например в момент запуска.

[Yurgen]

В случае общей ООС после катушки через АЦП, внутренняя петля ООС которая охватывает нойзшепер-компаратор ШИМ размыкается и замыкается уже через АЦП.
А если вычитать ошибку на выходе из паралельного канала, тогда внутренняя петля ООС остается и сам по себе усил может устойчиво работать вообще с отключенной ООС после катушки, поскольку оттуда идет только компенсация гармоник возникающая в основном от нелинейности выходного фильтра на нагрузке и выходного ключа.

Сам по себе такой усил без ООС довольно линеен, если не подключать нагрузку.
Вот спектр для усилителя модель которого выше в симулинке, драйвер IRS20957 + IRFI4019HG без нагрузки

[dortonyan]

Yurgen, я имел ввиду нижнюю схему.

А если вычитать ошибку на выходе из паралельного канала, тогда внутренняя петля ООС остается и сам по себе усил может устойчиво работать вообще с отключенной ООС после катушки, поскольку оттуда идет только компенсация гармоник возникающая в основном от нелинейности выходного фильтра на нагрузке и выходного ключа.

Понял, т.е. получается параллельный канал ООС по вычитанию искажений, по аналогии как в УНЧ ZD-50. Выглядит красиво.
Т.к. в дополнительной цепи ООС глубина большая не требуется, то она и к задержке по идее получается не критична?

[Yurgen]

На устойчивость не влияет, но влияет на уровень подавления, запаздывания не должно быть большого.

Тут только спуры надо подавить от ключа с 384kHz уж больно они большые. В статье про AX5689 описано как они это делали, я сам пока что не понял.
Второй варинт использовать мультифазный выход, причем в этом случае можно использовать бистрим DSD, если 8 ключей поставить, Бруно Путцейз такой делал, есть статья.
В статье выше 4-фазный выход.

В матлабе спуры с PWM выглядят так



модель симулинк
PWM_loop_comp_simulink_.7z

модели и коеффициенты взяты отсюда, во второй модели 1/128 не нужен (оставил чтобы не сохранять в формате последней версии матлаба)
вторая модель с усреднением пересчитана на частоту 12.288 MHz, поскольку на 49.152 MHz у автора была проблема с нестабильностью применяемой FPGA.
Digital Control of a Class-D Audio Amplifier.pdf

[dortonyan]

Многофазный выход имеется ввиду выход УНЧ по схеме АФИР?

Еще надумал такой момент, что для минимизации влияния линейности АЦП (для минимизации сигнала на выходе аналогового сумматора) необходимо максимально точное согласование по фазе сигналов на входах сумматора. В ZD-50 для этого специально подбирались цепи коррекции.
А значит абы какой AFIR на выходе ЦАП не подойдет, надо подгонять под УНЧ.

[Yurgen]

Многофазный выход имеется ввиду выход УНЧ по схеме АФИР?

Нет, тут получается спектр сдвигается вверх путем увеличения частоты. Сигнал распределяется на 4-8 ключей, которые работают последовательно.
A True One-Bit Power DA Converter.pdf
THD на нагрузке


И это уже на 20db лучше чем у моего транзисторного усилителя AB с неглубокой ОООС!

А значит абы какой AFIR на выходе ЦАП не подойдет, надо подгонять под УНЧ.

А если после ЦФ сделать два нойзшепера, один основной и один паралельный канал с AFIR. Далее перед основным нойзшейпером добавляем буфер ФИФО с регулируемуй задержкой. Получается у нас в основном канале регулируется задержка которой можно убрать задержку в AFIR и подкрутить фазу. Или на паралельный канал буфер ФИФО в зависимости от того кто из них опережает.

[dortonyan]

Далее перед основным нойзшейпером добавляем буфер ФИФО с регулируемуй задержкой. Получается у нас в основном канале регулируется задержка которой можно убрать задержку в AFIR и подкрутить фазу. Или на паралельный канал буфер ФИФО в зависимости от того кто из них отстает.

Точно! "Все гениальное элементарно просто".
Даже стыдно что сам не допер.

[Yurgen]

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