Analogtipp Die Stromversorgung von Audio-Verstärkern optimieren

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Verschiedene Spannungsregler-Topologien wirken sich unterschiedlich auf die Leistung eines Audioverstärkers aus. Woran liegt es, dass diese Spannungsregler die Audioausgabe verzerren? Dieser Fragestellung will ich in diesem Analogtipp nachgehen.

Als Test diente ein Eva-Kit der Bausteine LT8608S und LT8610. Daran maß ich die Verzerrungen (Klirrfaktor) abhängig von der Frequenz. Die auftretenden „Buckel“ verblüfften mich. Verglichen mit einer Benchtop-Stromversorgung arbeiteten diese Spannungsregler sehr schlecht. Was war der Grund, warum diese Spannungsregler den Audio-Ausgang derart stark verzerrten?

Ich erkannte einen ersten Anhaltspunkt, als ich ein Sinussignal an den Eingang des Audio-Verstärkers anlegte und feststellte, dass der Strom des Spannungsreglers, der vom Audio-Verstärker gezogen wurde, eine gleichgerichtete Vollwellen-Sinuswelle war.

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Der Spannungsregler soll unabhängig vom gezogenen Strom stets einen 5-V-Ausgang garantieren. Wenn sich der Laststrom jedoch schnell veränderte, konnte der Regler das nicht kompensieren. Dies resultierte in einer nicht perfekten DC-Rail mit erkennbarer Spannungswelligkeit. Die Bausteine LT8608S und LT8610 zeigen eine Spannungswelligkeit von 301,5 mV (6,03%) bzw. 248,6 mV (4,97%), also wesentlich mehr, als in dieser Applikation akzeptabel ist.

Diese Welligkeit vermindert den effektiven Spannungspegel des Verstärkers und verzerrt den Ausgang, indem die Spitze des Ausgangssignals abgeschnitten werden.

Die Lösung des Problems: das Einschwingverhalten verbessern

Der Spannungsregler wird von dem sich ständig ändernden, vom Verstärker gezogenen Strom gestresst und kann bei hochfrequenten Störungen an seinen Ausgängen nicht mehr adäquat reagieren. Um dieses Problem zu lösen, muss das Einschwingverhalten verbessert werden. Da die beiden Bausteine LT8608S und LT8610 intern kompensiert sind, bedeutet dies, dass das Steuerungssystem nahezu vollständig innerhalb der Integrierten Schaltung liegt, wir aber dennoch die Kontrolle über das Rückkoppelnetzwerk behalten.

Das Ziel des Rückkoppelnetzwerks ist es, den Spannungsausgang mit der Steuerung zu verbinden, so dass der Regler einen sich schnell ändernden Ausgang nachjustieren kann. Durch das Modifizieren des Vorschaltkondensators (C_ff) lassen sich die hochfrequenten Störungen wesentlich besser regeln, indem die hochfrequente Komponente, die durch den Kondensator und in den Rückkopplungs-Pin läuft, erweitert wird. Damit wird das Einschwingverhalten verbessert, da sich die Durchlasskapazität erhöht. Sie dürfen die Durchlasskapazität jedoch nicht zu stark erhöhen, da dies dazu führen kann, dass der Spannungsregler instabil wird. Ich habe die Werte der Vorschaltkondensatoren von 10 pF auf 100 pF für den LT8608S und von 10 pF auf 47 pF beim LT8610 erhöht.

Mit der modifizierten Rückkoppelschleife führte ich erneut THD-Messungen durch und fand heraus, dass die Störungs-„Beulen“ beseitigt waren! Wie in Bild 1 dargestellt, zeigt der verbesserte Spannungsregler eine einer Labor-Stromversorgung vergleichbare Leistung.

Zusätzlich stellte ich bei dieser Messung fest, dass sich die Spannungswelligkeit signifikant verringert hatte (533 Prozent beim LT8608S bzw. 178 Prozent beim LT8610), wie Bild 2 zeigt.

Um das Tüpfelchen auf das „I“ zu setzen, wollte ich als letztes sehen, wieviel stärker ich den Verstärker treiben kann und er immer noch einen reinen Klang lieferte. Bild 3 zeigt den Verlauf des Klirrfaktors (THD) abhängig vom Eingangssignalpegel. Für beide Regler erhielt ich eine Spannungsmarge über 100 mV_eff. In der Praxis lässt sich ein Lautsprecher so lauter und reiner betreiben. Welch aufregende Entdeckung! (kr)

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* Alexander Goldstein ist Praktikant in der Central Applications Group von Analog Devices in San Jose / USA.

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