Eine neue Generation von Klasse-D-Audioverstärkern mit Digitaleingang und Plug&Play erreicht eine Audioqualität, die herkömmlichen analogen Klasse-D-Verstärkern weit überlegen ist. Noch wichtiger ist jedoch, dass Klasse-D-Verstärker mit Digitaleingang zusätzliche Vorteile wie weniger Stromverbrauch, geringere Komplexität, weniger Rauschen und niedrigere Systemkosten bieten.

Elektronikhersteller verwenden in der Regel hocheffiziente, filterlose Klasse-D-Verstärker mit analogem Eingang, um den Leistungsbedarf von tragbaren Audio-Lautsprechern in Mobiltelefonen, Tablet-Computern, Home-Monitoring-Geräten und Smart Speakers zu koordinieren. Diese Klasse-D-Verstärker können direkt an eine Batterie angeschlossen werden, was Verluste und den Bauteileaufwand minimiert. Die Verstärker erreichen zudem ein Netzstörunterdrückungsverhältnis (PSRR) von 80 dB, was wichtig ist, um hörbare 217-Hz-Störgeräusche bei demodulierten GSM-Signalen zu vermeiden.

Klasse-D-Verstärker mit Analogeingang erfordern in der Regel einen D/A-Wandler und einen Leistungstreiberverstärker auf dem Anwendungsprozessor (Abbildung 1), was die Kosten und den Strombedarf erhöht und zusätzliches Rauschen am Lautsprecherausgang verursacht. Diese Klasse-D-Verstärker erfordern zudem ein sorgfältiges Leiterplattendesign, um Beeinträchtigungen durch Signaleinkopplungen auf den analogen Leiterbahnen zu vermeiden.

Abbildung 1: Herkömmliches System mit Klasse-D-Lautsprecherverstärkern mit Analogeingang. Der D/A-Wandler und Leistungstreiberverstärker auf dem Anwendungsprozessor erhöht die Kosten und den Strombedarf und verursacht zusätzliches Rauschen am Lautsprecherausgang.

Klasse-D-Audioverstärker mit Digitaleingang sind gegen die meisten Problemen beim Leiterplattendesign immun. Einkanalige Klasse-D-Verstärker können an entfernten Stellen auf einer Leiterplatte platziert werden, um die Leitungsführung für die Lastanschlüsse der Hochstrombatterie und der Lautsprecher zu minimieren. Diese Verstärker benötigen keinen D/A-Wandler und Leistungstreiberverstärker wie bei Klasse-D-Lösungen mit Analogeingang. Das senkt die Platz- und Systemkosten und vereinfacht das Systemdesign.

Vereinfachtes Systemdesign

Die meisten Verstärker mit Digitaleingang akzeptieren pulscodemodulierte (PCM) oder I2S-Daten, für die drei Leitungen erforderlich sind: BCLK, LRCLK und DIN. Für das PCM-Datenformat ist weder ein Modulator noch ein Upsampling der Daten auf dem Anwendungsprozessor erforderlich (Abbildung 2). Einige ältere Implementierungen von Verstärkern mit PCM-Eingang sind zudem auf einen sauberen Mastertakt (MCLK) angewiesen, um einen jitterfreien Abtasttakt zu generieren. Neuere Verstärker mit PCM-Eingang wie der MAX98357, MAX98360 und MAX98365 benötigen hingegen keinen MCLK-Eingang mehr, was die Anzahl der Pins, die Leistungsaufnahme und die Komplexität der Leiterplatte reduziert.

Abbildung 2: Ein System mit einem Klasse-D-Lautsprecherverstärker mit PCM-Eingang benötigt drei Leitungen, kommt aber ohne Modulator oder Upsampling der Daten auf dem Anwendungsprozessor aus.

Ältere Verstärker mit Digitaleingang bieten eine einstellbare Abtastrate und/oder Bittiefe, die mitunter eine komplexe Programmierung des Verstärkers erfordern. Neuere Generationen von Verstärkern mit Digitaleingang erkennen hingegen eine breite Palette von Abtastraten und Bittiefen automatisch und konfigurieren sich selbst, ohne Programmierung.

Bei Mehrkanalanwendungen reduziert der Klasse-D-Audioverstärker mit Digitaleingang die Anzahl der externen Kondensatoren und Leiterbahnen. PCM-Eingänge benötigen nur BCLK-, LRCLK- und DIN-Leitungen, um Stereo- oder 8-Kanal-TDM-Daten bereitzustellen. Zum Vergleich: Ein Klasse-D-Stereo-Verstärker mit Analogeingang erfordert in der Regel zwei differentielle Eingangssignale (vier Leitungen), die mit AC-Kopplungskondensatoren verbunden werden müssen (siehe Abbildungen 1 und 2).

Die meisten Verstärker mit Digitaleingängen benötigen zum einen eine niedrige digitale Versorgungsspannung (1,8 V) und zum anderen eine hohe Lautsprecher-Versorgungsspannung (2,5 V bis 5,5 V). Mit einem Klasse-D-Verstärker mit Einzelspeisung wie dem MAX98357 und dem MAX98360 können das Leiterplattendesign vereinfacht und die Anzahl der Bauteile reduziert werden. Der MAX98365 kann mit einer Einzelversorgung von 3,0 V bis 5,5 V oder aber mit einer Versorgungsspannung von 1,8 V bis 5,5 V und einer weiteren von 3,0 V bis 14,0 V betrieben werden. Dabei ist die Spannung an den digitalen Logikeingängen unabhängig von den Versorgungsspannungen dieser Bauteile. Die Spannung für die Eingangslogik kann zwischen 1,2 V und 5,5 V liegen, sodass keine Logik-Pegelwandler erforderlich sind.

Jitter-Toleranz und Takt-Erzeugung

Klasse-D-Audioverstärker mit Digitaleingang bergen in der Regel neue Herausforderungen beim Takt-Jitter. Für eine gute Audioqualität benötigen die meisten Verstärker mit Digitaleingang relativ niedrige Jitterwerte bei BCLK oder MCLK. Die Jitter-Toleranz wird oft nicht im Datenblatt angegeben; wenn sie angegeben wird, liegt sie typischerweise bei 200 ps (RMS-Jitter). Hohe Taktjitter-Werte beeinträchtigen in der Regel entweder den Dynamikbereich des Verstärkers oder seine Full-Scale-THD+N-Leistung.

In vielen Systemen arbeitet der Referenzoszillator für den Anwendungsprozessor nicht mit einem geeigneten Vielfachen der BCLK, sodass es nicht einfach ist, einen jitterarmen Takt für den Verstärker bereitzustellen. So ist beispielsweise 13 MHz eine gängige Quarzfrequenz für GSM-Telefone, während für Videolösungen häufig eine Frequenz von 27 MHz verwendet wird. Allerdings ist keine der beiden Referenzfrequenzen ein geeignetes Vielfaches der Audio-Abtastraten von 44,1 oder 48 kSPS. Daher wird in diesen Systemen oft eine komplizierte Fractional-N-PLL-Stufe eingesetzt, um den Takt für den Ton zu erzeugen. In einigen Fällen erfordert die Lösung einen separaten Audio-Referenzoszillator, was die Komplexität und den Bauteilaufwand erhöht.

Eine alternative und vorzuziehende Lösung ist ein Verstärker mit Digitaleingang, der einen hohen Taktjitter ohne Beeinträchtigung der Audioleistung tolerieren kann. Ein solcher Verstärker verringert zudem die Komplexität des Systems. Im einfachsten Fall kann ein Cycle-Skipping-Takt zum Generieren von PDM_CLK oder BCLK dienen, was jedoch zu einem außerordentlich großen Jitter führt. Wird aus einem Referenztakt von 13 MHz pro Cycle Skipping ein BCLK von 6,144 MHz (48 kSPS x 128 OSR) erzeugt, beträgt der Peak-Jitter 38,4 ns und der RMS-Jitter 22,2 ns (Abbildung 3). Damit liegt der Jitter um zwei Größenordnungen über dem, was die meisten D/A-Wandler tolerieren.

Diese neuen Klasse-D-Audioverstärker erreichen jedoch auch bei einem derart hohen Taktjitter einen Dynamikbereich von 103 dB. Pro Cycle Skipping kann ein Takt mit einer kleinen Anzahl von digitalen Gattern auf dem Anwendungsprozessor erzeugt werden. Die neuen Geräte kommen ohne Oszillator und Schleifenfilter aus, die sonst bei einer PLL-Lösung erforderlich wären (Abbildung 4).

Abbildung 3: Ein MCLK-Takt mit 12,288 MHz aus einem Cycle-Skipping-Takt mit 25 MHz.

Abbildung 4: Fractional-N PLL im Vergleich zu Lösungen mit Cycle-Skipping-Takt.

Testergebnisse zur Jitter-Toleranz

Die Testergebnisse zeigen, dass sich der Dynamikbereich von MAX98357, MAX98360 und MAX98365 durch den per Cycle Skipping gewonnenen, jitterbehafteten Takt nicht verschlechtert. Diese Bauelemente sind mit diesem Takt sogar um mehr als 20 dB besser als der 120-dB-D/A-Wandler. Weitere Einzelheiten zur Jitter-Toleranz bei Sigma-Delta D/A-Wandlern finden Sie in einem Begleitartikel.1

Abbildung 5: Verschlechterung des Dynamikbereichs mit Cycle-Skipping-Taktjitter von 11,5 ns RMS.

Fazit

Filterlose Klasse-D-Audioverstärker mit Digitaleingang ermöglichen eine einfache Implementierung auf Leiterplattenebene ohne I2C, MCLK, Pegelverschiebung und EMI-Filterung. Sie bieten einen hohen Wirkungsgrad, geringe EMI-Störungen und eine hohe Ausgangsleistung. Die Bauelemente MAX98357 und MAX98360 sind in einem WLP- oder QFN-Gehäuse erhältlich und können eine Ausgangsleistung von 3,2 W erzeugen. Der MAX98365 ist in einem WLP-Gehäuse erhältlich und kann eine Ausgangsleistung von 17,6 W generieren.