Class-D versterker simulatie probleem

[Royenroy]

Ik ben begonnen met wat knutselen aan schakelingen en nou leek het me wel aardig om een (zeer simpele) Class D versterker te maken. Nou, eerst beginnen met inlezen en kijken of ik een basale simulatie op gang kan krijgen. Nou, de sawtooth generator met de 555-timer doet het prima (ja, een triangular wave is beter maar het begin moet er wezen ) - daar leek ik dus al heel tevreden mee te zijn. Nou moet die vergeleken worden met een ingangssignaal, in mijn situatie een sinusoïde van 1 kHz. Daar gaat het nog prima, ook de DC offset van 6V meegeven door een simpele spanningsdeler (potentiometer op 50%) zit er nog goed in.

Het uitgangssignaal van de comparator is keurig een PWM signaal, zoals dat bedoelt is. Dit PWM signaal gaat vervolgens naar de MOSFETs. Daar komt nogsteeds dat PWM signaal uit. Het enige wat dan nog zou moeten resteren is een low-pass filter. De cutoff frequentie zou te berekenen moeten zijn met Fc = 1/(2pi*sqrt(LC)). Dat zou betekenen dat Fc = 71,53 kHz met mijn gebruikte opstellen.

Nou komt het probleem, de output is een zeer verzwakt PWM signaal dat verder niet erg veel weg heeft van de input. Interpreteer ik het idee van de Class D versterker verkeerd, of ben ik ergens iets vrij cruciaals vergeten?

Uiteraard een link naar de simulatie in kwestie. De grafiek linksboven (klikbaar voor vergroting) is de input tegenover de output over de speaker (4 ohm resistor omdat er geen speaker optie is). Iemand die een ideetje heeft om me de juiste richting in te helpen?

[flammert]

Als ik in de simulatie kijk bij de stroom door de spoel, dan zie ik dat dit 'clipped'. Dus ik denk dat de schakelfrequentie verkeerd is, of dat de spoel verkeerd berekend is.
(de theorie is bij mij wat roestig, maar als ik het me goed herinner , dan hoort de stroom daar niet te clippen.)

[Zumpelvelder]

Om je in de goede richting te helpen:
De PWM uitgang bevat het ingangssignaal (die 1kHz sinus) en de schakelfrequentie met al hun harmonischen. Ik raad je aan je te verdiepen in wat harmonischen zijn. Daarna kun je van het uitgangssignaal een FFT maken, ook hier is google je vriend. Tip: gebruik geen windowing maar pak zo exact mogelijk b.v. 4 periodes van het 1kHz ingangssignaal en gooi die in de FFT. Door een sample meer of minder mee te nemen zie je de gevoeligheid van deze tactiek maar dit scheelt een hoop gedoe met windowing. Kijk dan of je inderdaad je 1kHz terug ziet en de schakelfrequentie met harmonischen. Vervolgens maak je niet van het PWM uitgang signaal een FFT maar zet je daar nog je low-pass filter tussen. Je kan zo controleren of de schakelfrequentie en vooral de harmonischen daarvan, zo veel gedempt worden als je verwacht had. Ook kun je kijken wat het met je ingangssignaal doet. Varieer je ingangssignaal eens naar 20kHz ipv 1kHz en kijk of je verschil ziet met de 1kHz input. Bedenk je ook eens waarom je eigenlijk een uitgangsfilter nodig hebt en waarom hier een LC filter voor gebruikt wordt.

[Sine]

Het signaal wat uit je opamp komt lijkt ook niet op gemoduleerde PWM, dus daar gaat al ergens wat mis.

-edit-

Na wat inzoomen lijkt het er toch vaag op te lijken .. dus dat ligt geheel aan mij

En aan de 'niet zo heel erg' zaagtand uit de 555

-edit2-

Toch niet, achter de opamp is het ok ... maar je fet driver trapje is niet helemaal ok.

[ Voor 69% gewijzigd door Sine op 05-12-2016 23:24 ]

[Royenroy]

Sine schreef op maandag 5 december 2016 @ 23:06:
Het signaal wat uit je opamp komt lijkt ook niet op gemoduleerde PWM, dus daar gaat al ergens wat mis.
Toch niet, achter de opamp is het ok ... maar je fet driver trapje is niet helemaal ok.

[afbeelding]

Dat komt denk ik toch door een fout in het filter dat er na zit. Haal ik dat filter namelijk weg, dan is het wel weer een PWM signaal na de FETs.

Zumpelvelder schreef op maandag 5 december 2016 @ 22:16:
Om je in de goede richting te helpen:

Bedankt voor het advies! Ik zal me morgen eens gaan verdiepen in de fast fouriertransformaties. Als ik het zo vlug bekijk zijn er wel tools beschikbaar om die FFTs te maken.

[Zumpelvelder]

Oh, ik had de simulatie trouwens niet bekeken, kon deze niet openen. Ik zie in de screenshots de fout. Misschien verstandig, als je dat nog niet weet, je wat te verdiepen in hoe je mosfets gebruikt. De interne werking is niet zo belangrijk voor je maar het is wel verstandig om te kunnen bepalen in welke regio je de mosfet gebruikt en wat over de versterkingsfactor. Dan zul je al snel zien dat de mosfets verkeerd om staan. Als in: je hebt drain en source van beide mosfets omgewisseld.

Misschien verstandig om te beginnen met het ontwerpen van een mosfet klasse A versterker, dan leer je met mosfets werken en hoe je deze (en signalen in het algemeen) moet biassen. Vervolgens is de stap naar een klasse AB versterker niet zo moeilijk en snap je hoe een pushpull configuratie werkt. Deze kennis is nodig om te begrijpen "hoe en waarom klasse D". Succes

[Boudemaniak]

Royenroy schreef op dinsdag 6 december 2016 @ 00:18:
[...]

Dat komt denk ik toch door een fout in het filter dat er na zit. Haal ik dat filter namelijk weg, dan is het wel weer een PWM signaal na de FETs. [/url]

[...]

Bedankt voor het advies! Ik zal me morgen eens gaan verdiepen in de fast fouriertransformaties. Als ik het zo vlug bekijk zijn er wel tools beschikbaar om die FFTs te maken.

Hoi,

De simulatie heb ik niet bekeken, maar wat Zumpelvelder zegt is bijna goed: Je hebt je N-channel en P-channel FET omgewisselt.

De enige reden dat je iets van signaal krijgt is door de lekstromen van de bodydiodes. Wanneer er een load aan komt te hangen (uitgangsfilter), dan verdwijnt het signaal.

[Zumpelvelder]

Boudemaniak schreef op dinsdag 6 december 2016 @ 11:42:
[...]

Je hebt je N-channel en P-channel FET omgewisselt.

Nee, niet persé. Het is nu een stroom buffer die de uitgangsspanning van de opamp volgt (als we de threshold spanning even verwaarlozen). Als je de mosfets ook nog omwisseld krijg je een inverterende uitgangsbrug en ook een rail-to-rail uitgang zonder de uitgangsspanning van de opamp boven de voedingsspanning uit te laten komen. Het heeft allebei z'n voor en nadelen. De inverterende uitgangsbrug heeft voor deze toepassing mijn voorkeur en kun je nog beter maken door twee N-channel mosfets te gebruiken met gate drivers, dan heb je wel ook iets van level shifting nodig.

Het voordeel van de manier waarop het originele schema (met de wijziging van drains/sources omwisselen) getekend is is dat je geen zorgen hoeft te maken over dead time aangezien je een spanningsvolger gemaakt hebt, geen echte schakelende brug.

[Royenroy]

Zumpelvelder schreef op dinsdag 6 december 2016 @ 09:53:

Eigenlijk zijn de MOSFETs de /zuinigere/ vervanging van de transistoren in een standaard AB pushpull configuratie als ik het goed begrijp. Jij stelt hem dus voor als volgt (plaatje is klikbaar voor groot). Dat zou betekenen dat er in de voorbeeldsituatie een voltage gain van 4x zou zijn (delta Vin = 2V, delta Vuit is 8V) met een DC offset van 5,83V, als ik het goed begrijp.

[Zumpelvelder]

Mosfets zijn niet zuiniger of minder zuinig dan een BJT, dat ligt er maar net aan waarvoor en hoe je ze gebruikt.

Zoals je nu getekend hebt is de gain 1x, het is immers een spannningsvolger. De reden dat dit niet goed werkt is dat de threshold spanning van mosfets vrij hoog is. Gooi je 12 V voedingsspanning in de simulatie eens tijdelijk naar 100 V. Wel even checken of de opamp uitgang dan een blokgolf is die van 0 naar 100V gaat.

Als je dit met BJTs bouwt dan scheelt dat weer wat maar netter is om ze goed te biassen. In princiepe dus een klasse B versterker maar dan met PWM aansturen ipv linear. Normaal gesproken opereren mosfets in een klasse B versterker in de saturation region en in een klasse D versterker in de linear region. Dat klink heel tegenstrijdig, denkt er maar eens over na, zodra je het begrijpt klinkt het logisch. https://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET#/media/File:IvsV_mosfet.svg

Wat betreft schema's tekenen is het aan te raden om zo veel mogelijk intuitief te tekenen, daarmee bedoel ik dat het intuitiever is om de 12V voeding 180 graden te draaien en het aarde symbool er recht en horizontaal onder te zetten. Ook bijvoorbeeld de uitgangsspanningsmeter, die staat intuitiever naast de uitgangscondensator met de plus naar boven en min naar beneden. Dit maakt het voor anderen makkelijker te 'lezen' als je ergens op vast loopt.

Als je signaal van links naar rechts loopt en de voedingsspanning van boven naar beneden krijg je dit van iedereen als je vraagt om een klasse A versterker:


Als je je hier niet aan houdt krijg je van iedereen wat anders, bijvoorbeeld:


Meer info: http://electronics.stacke...r-drawing-good-schematics

[Boudemaniak]

Zumpelvelder schreef op dinsdag 6 december 2016 @ 13:43:

Zoals je nu getekend hebt is de gain 1x, het is immers een spannningsvolger. De reden dat dit niet goed werkt is dat de threshold spanning van mosfets vrij hoog is. Gooi je 12 V voedingsspanning in de simulatie eens tijdelijk naar 100 V. Wel even checken of de opamp uitgang dan een blokgolf is die van 0 naar 100V gaat.

De gain die je hier verwerft is volgens mij dat het ingangssignaal 0-1V is en het uitgangsignaal 0-12V is. Dus er zit wel degelijk een gain in, alleen niet in je ingangstrap.

Zumpelvelder schreef op dinsdag 6 december 2016 @ 13:43:
Als je dit met BJTs bouwt dan scheelt dat weer wat maar netter is om ze goed te biassen. In princiepe dus een klasse B versterker maar dan met PWM aansturen ipv linear. Normaal gesproken opereren mosfets in een klasse B versterker in de saturation region en in een klasse D versterker in de linear region. Dat klink heel tegenstrijdig, denkt er maar eens over na, zodra je het begrijpt klinkt het logisch. https://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET#/media/File:IvsV_mosfet.svg

Je maakt hier een halve brug, dus wellicht is het makkelijker om een half-bridge-driver te gebruiken. Bijvoorbeeld een L6388ED. Kan je ook meteen 2x een N-fet gebruiken.

[Royenroy]

Ik heb het schema wat netter gemaakt en geprobeerd de normen zo veel mogelijk in acht te nemen. *klik*

[Zumpelvelder]

De gain wordt niet door de signalen bepaald maar door de schakeling. De mosfet config is nu een spanningsvolger, common drain, Wikipedia: Common drain. Op de wiki pagina zie je een spanningsvolger met alleen een N-channel fet, als je daar een P-channel fet onder zet ipv die weerstand dan krijg je precies wat je nu in je schakeling hebt.

Een kant en klare half bridge driver icm. twee N-channel mosfets gebruiken kan ik je sterk aanraden. Handigste is eentje die een ingebouwde dead time generator heeft. Zoiets bijvoorbeeld: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5106.pdf

Het zal je echter zeer veel helpen om meer inzicht te krijgen in hoe transistors en mosfets werken. Op ebay vind je super goedkope breadboards (daar kun je componenten in steken zonder te solderen). Bestel zo eentje en een zakje transistortjes 100pcs BC549 ofzo en bouw een common collector, klasse A, klasse B, etc. Een klasse D versterker klinkt natuurlijk interessanter maar daar komt een stuk meer bij kijken als je het goed wilt doen en een klasse A of B of AB is veel makkelijker te begrijpen.

Anders misschien even zoeken naar uitleg filmpjes over transistors ofzo.

[Boudemaniak]

Royenroy schreef op dinsdag 6 december 2016 @ 14:32:
Ik heb het schema wat netter gemaakt en geprobeerd de normen zo veel mogelijk in acht te nemen. *klik*

Uitgangssignaal is nog niet zo mooi. Voeg eens een load van 4Ohm toe en verhoog je filter. De cutoff frequentie die je berekend is je -3dB punt. Maar je wilt natuurlijk niets meer horen van de 71kHz. Dus probeer dit naar de -90dB te brengen zodat je -3dB punt rond de 20kHz zit (max. hoorbare frequentie).

Edit: Hier kan je de karakteristiek zien: http://sim.okawa-denshi.jp/en/RLCtool.php. Vul voor de R 1 Ohm in.

Ik zou als ik jou was >4uF gebruiken en een NE555 frequentie van >300kHz.

[ Voor 13% gewijzigd door Boudemaniak op 06-12-2016 16:50 ]

[Zumpelvelder]

Boudemaniak schreef op dinsdag 6 december 2016 @ 16:33:
[...]


Uitgangssignaal is nog niet zo mooi. Voeg eens een load van 4Ohm toe en verhoog je filter. De cutoff frequentie die je berekend is je -3dB punt. Maar je wilt natuurlijk niets meer horen van de 71kHz. Dus probeer dit naar de -90dB te brengen zodat je -3dB punt rond de 20kHz zit (max. hoorbare frequentie).
[...]

Dat heeft niks met het filter te maken. Zoals ik zei is de threshold spanning van de mosfets vrij hoog. Verhoog de voedingsspanning en zorg dat de opamp een voldoende grote versterkingsfactor heeft, dan zie je het en krijg je hier gevoel voor. Of zet BJTs ipv mosfets er in om te experimenteren.

90 dB demping van 20 kHz naar 71 kHz ga je niet redden. Een LC filter is 2e orde dus 40 dB per decade. Dus als je het kantel punt op 20 kHz legt is 200 kHz met 40 dB gedempt. 90 dB demping is ook niet nodig.

[Sissors]

90dB demping is inderdaad echt niet nodig. Dat filter is nodig zodat je je tweeter niet opblaast, maar maakt weinig uit als er wat doorheen komt voor zo'n basic schakeling.

Verder is TS gewoon wat aan het proberen jongens om uit te vogelen hoe het werkt. Een kant en klare driver met deadtime generator geeft je niet meer inzicht.

De reden dat dit niet goed werkt is dat de threshold spanning van mosfets vrij hoog is.

430mV op 12V spanning, misschien had jij een andere versie gezien, maar die ik heb is extreem laag.

Twee primaire problemen die ik zie iig: Als eerste krijgt die opamp geen fatsoenlijke edges eruit, ze zijn erg zwak, en daardoor kan je ook flinke kortsluitstromen trekken. En ik kan dat niet zomaar aanpassen in dat ding.
Daarnaast, die mosfets zijn 1um breed bij 200nm lengte. Ik weet niet wat er verder achter dat model zit, maar die kunnen normaal gesproken echt geen 4 Ohm aansturen (of uberhaupt dat filter). Die moeten minstens 1000x zo breed zijn.

[Sine]

Royenroy schreef op dinsdag 6 december 2016 @ 14:32:
Ik heb het schema wat netter gemaakt en geprobeerd de normen zo veel mogelijk in acht te nemen. *klik*

Maar nog steeds niet goed, het uitgangssignaal van je mosfet trap is veel kleiner dan de ingang.

[guidodehek]

Ik heb even naar het modelletje zitten kijken, en er vallen me een aantal dingen op die vervormingen en ongewenste effecten kunnen verklaren. Hierboven is al genoemd dat de flanken van het PWM signaal niet steil zijn; mijn vermoeden is dat dit te maken heeft met de tijdstappen die de simulator maakt. Het signaal is vervormd omdat het niet nauwkeurig genoeg berekend wordt.

Daarnaast heb ik naar dit plaatje zitten kijken: https://i.imgsafe.org/6bca2511e9.png

Je ziet dat het uitgangssignaal (paars) het PWM signaal is (met offset). Het signaal lijkt bij lange na niet op de sinus die je na het filter zou verwachten. Dit komt doordat de gekozen schakelfrequentie (555 timer frequentie) kleiner is dan de kantelfrequentie van het uitgangsfilter. Kies een schakelfrequentie die aanzienlijk groter is dan de kantelfrequentie. De kantelfrequentie zou ik rond 20kHz kiezen. Alle PWM harmonischen worden op die manier uit het uitgangssignaal gefilterd.