Greg Hupp (vänster) och Nicholas Holland (mitten) ingår i gruppen "High Speed Performance Analog Semiconductor" hos Texas Instruments. Båda jobbar i Dallas, Texas, där Greg Hupp är applikationsingenjör (FAE) och Nicholas Holland är marknadsansvarig för produktområdet bärbart ljud. Håkan Karlsson (höger) har jobbat som FAE i 15 år, numera hos Texas Instruments i Sverige. Dessförinnan har han konstruerat analog power.

Utmaningen har lett fram till olika lösningar, bland annat audioförstärkare av klass D som har högre verkningsgrad än den traditionella klass AB. För att konstruktörer ska kunna dra nytta av alla fördelarna måste han eller hon dock förstå de grundläggande skillnaderna mellan klass D och AB, då de har lite olika krav och behov.

En klass D-förstärkare tar en linjär insignal och låter den modulera en PWM-signal som i sin tur matas ut till högtalaren. Vissa förstärkare behöver sedan ett enkelt filter på utgången medan andra använder sig av högtalarens egenskaper för att filtrera bort den högfrekventa PWM-frekvensen. Det man hör är i båda fallen den förstärkta insignalen då örat i alla fall inte kan höra eventuella rester av den höga frekvensen.

Förutom den vanliga elektriska dimensioneringen är layouten viktig för att undvika elektromagnetisk interferens (EMI) och andra störningar.

Ju bättre verkningsgrad en förstärkare har, desto mindre förluster blir det i form av värme. I figur 1 jämförs förlusterna för en ny klass D förstärkare TPA2012D2 mot en teoretisk linjär förstärkare.

En klass D har ett mer linjärt förhållande mellan uteffekt och förlusteffekt, medan klass AB drabbas av en raskt stigande förlusteffekt redan vid låga uteffekter som sedan planar ut något för högre uteffekt. Vid full uteffekt, exempelvis 1 W, har klass D en förlust på 0,4 W medan förlust är 0,6 W för klass AB. Om man sänker uteffekten till 0,5 W sjunker förlusterna till 0,2 W för klass D, medan klass AB ligger på hela 0,65 W i förlust. Självklart påverkas förlusterna av vad för sorts signal man har. En signal med ständig maxeffekt ger mindre skillnader. Men hur ofta har man en sån signal?

För bärbar utrustning har klass D två stora fördelar. Batteriet räcker längre och det blir mindre värme att kyla bort.

Effektförbrukningen kan direkt översättas till batteridrifttid. Ett sätt att se förlusterna är att jämföra hur lång tid det tar att ladda ur batteriet för de två olika förstärkarna. I figur 2 har två jämförbara förstärkare, en klass D och en klass AB, kopplats till varsin batteripack. Som ljudkälla användes en inspelad röst som läser en bok. Det framgår tydligt hur mycket längre tid klass D-förstärkaren fungerar innan batterierna tar slut. I detta fall hela 110,8 timmar, mot klass AB-förstärkarens 47,4 timmar.

Man frågar sig varför en klass AB är så mycket mindre effektiv än en klass D? Jo, en klass AB är en linjär förstärkare som förbrukar en fix ström för en visst önskad utspänning. Strömmen består av utströmmen till lasten, högtalaren, plus egenförbrukningen. Figur 3 visar ett förenklat schema för ett H-bryggekopplat slutsteg.

Utgångstransistorerna (MOSFETar) är ritade som variabla motstånd vars resistans ändras som en funktion av utspänningen. Strömmen som går till högtalaren skapar ett spänningsfall över varje motstånd (MOSFET). Denna ström multiplicerat med spänningsfallet skapar en stor förlusteffekt i förstärkarsteget, vilket är största orsaken till att klass AB får sämre verkningsgrad.

Ett klass D-steg levererar däremot en konstant effekt till lasten för en given tidsperiod. Klass D-förstärkaren skapar en PWM-signal som går mellan matningsspänningarna. Detta med endast ett lågt spänningsfall över transistorerna när strömmen går till lasten. En ideal transistor skulle inte ha något spänningsfall alls.

I figur 4 symboliseras transistorerna av strömbrytare. Dessa har mycket låg resistans jämfört med högtalaren och kan nästan försummas, varvid klass D-förstärkaren får mycket hög verkningsgrad.

En kritisk punkt i layouten är hur ledarna för in- och utgångar dras på kortet, då ingångarna lätt kan ta upp störningar från utgången. Utgången kan även sända ut störningar till resten av kopplingen, speciellt som utgången typiskt är en PWM-signal på 250kHz.

Ingångsledarna måste dras så att de får så lite störningar som möjligt, då dessa störningar annars förstärks och hörs som distorsion eller brus. Audioförstärkare med differentiella ingångar har en fördel då de kan undertrycka "Common-Mode"-störningar. Men även en förstärkare med enkel ingång kan ge bra resultat bara man tänker på att dra signalledningarna så att de får minsta möjliga koppling till störande signaler. Används differentiella ingångar ska ingångsledningarna dras nära varandra och parallellt för att säkerställa att eventuella störningar kopplas till respektive ledare med samma styrka.

Många konstruktörer har dock bara en enkelsignal och ibland tänker man inte på att en differentiell ingång ändå kan vara fördelaktig. Enkelsignalen kan dras parallellt med jordledningen fram till differentialförstärkarens ingång, varvid förstärkaren ser den som en differentiell signal. På så sätt minimeras risken för att störningar tar sig in. Man får tänka sig en AC-kopplad jordledning som endast leder signalen fram till förstärkarens ingång. Då blir störningarna till en "common mode"-signal och kan dämpas av förstärkaren.

Utgångarna från förstärkaren är switchande signaler som lätt kan skapa EMI-störningar, om man inte tänker sig för. Ibland är problemet att utsignalen går för nära insignalerna eller över andra känsliga signaler. Detta kan göra att utgången strålar in störningar på de andra ledningarna. Ett typiskt fall är mobiltelefoner med öppningsbar lucka. Undre delen innehåller förstärkaren som via kablar leder signalen till högtalaren i locket. Dessa kablar går genom gångjärnet tillsammans med bildskärmens kablar. Här uppstår lätt problem då störningar går in i de andra kablarna.

Med en ferritpärla i ledningen till högtalaren kan man dämpa de värsta störningarna. Ferriten måste placeras så nära förstärkarens utgång som det bara går. Efter ferriten sitter sedan en kondensator till jord, typiskt 1nF. Tänk bara på att denna jordpunkt bör skiljas från insignalens jord så mycket det går. Annars tar sig den högfrekventa PWM-signalen in i hela jordplanet och riskerar att störa. Även ledningen till högtalaren bör vara så kort som möjligt för att undvika utstrålad störning. Då är det lättare att klara EMI-kraven för CE- och FCC-testerna.

Att välja rätt storlek på ferriten är också viktigt för korrekt funktion. Maximal tillåten ström i ferriten får inte överskridas för då inträder mättning. Ferriten slutar helt enkelt att bete sig som en spole. Istället blir den mer som ett lågohmigt motstånd, signalmässigt en kortslutning.

Förstärkarens utgång ser då kondensatorn på utgången och för höga frekvenser, som de 250kHz vi använder, ser det ut som en kortslutning till jord. Detta gör att kortslutningsskyddet träder in och stänger av förstärkaren kortvarigt, vilket påverkar ljudet i form av hög distorsion.

Ibland används kondensatorer som ESD skydd och ansluts direkt på förstärkarutgången. Detta kan lätt aktivera kortslutningsskyddet och helt enkelt förhindra förstärkaren att starta.

Matningsspänning och jord behöver även de en viss tanke. Man behöver tänka igenom vilka strömslingor som kan uppstå. Ofta behövs en så kallad stjärnjord där olika jordslingor går ihop i en punkt. På så sätt separeras de känsliga insignalerna från matningens jordströmmar. Tänk på att avkopplingskondensatorerna inte kopplas till signaljorden. Utgångsfiltrets kondensatorer bör ha sin egen ledare till jordpunkten för att minimera att det högfrekvensrippel som finns sprider sig i ett jordplan och störa andra signaler.

Det är ganska enkelt att mäta uteffekten för en linjär förstärkare. Att göra det för en klass D-förstärkare, med switchande utgång, är däremot mer komplicerat. Bland annat måste man använda ett lågpassfilter för att få bort PWM-signalens grundfrekvens, som typiskt är 250kHz.

De flesta audiotestutrustningar är inte gjorda för den frekvensen, även om de har en viss filtrering. Som tur är kan ett enkelt RC-filter med runt 30 kHz brytfrekvens räcka. Med 100 ohm och 47 nF får man en brytfrekvens på 33,86 kHz, vilket är lagom mycket ovanför det hörbara området och ändå inte för nära switchfrekvensen.