P uls

w eiten

m odulation

Funktionsprinzip einer PWM

Die Pulsweitenmodulation (PWM) basiert auf der Möglichkeit die Pulsbreite eines Rechtecksignals bei einer festen Frequenz \(f_s\) zu variieren. Abbildung [Abb. 1] illustriert ein Rechtecksignal, welches mit einer Frequenz \(f_s\) oszilliert. Ein „normales“ Rechtecksignal hat eine Pulsbreite von \(D=50\,\%\), sprich die positive Versorgungsspannung liegt im Verhältnis zur negativen Versorgungsspannung genau gleich lang an. Wird die Pulsbreite variiert, entsteht ein Signal mit unterschiedlich langer positiver/negativer Versorgungsspannung. Im Beispiel von Abbildung [Abb. 1] liegt die positive Versorgungsspannung für \(75\,\%\) der Periodendauer \(T\) an. Die negative Versorgungsspannung hingegen für \(25\,\%\).

Pulsweite eines Rechtecksignals
Abb. 1 - Rechtecksignal, Pulsbreite

Anwendung der PWM bei einem Klasse-D Verstärker

Damit ein Audiosignal verstärkt werden kann, muss dieses in ein PWM-Signal umgewandelt werden. Zu diesem Zweck kann ein analog oder digital realisierter Komparator verwendet werden. Dieser vergleicht den positiven Eingang \(In_p\) mit dem negativen Eingang \(In_n\) und schaltet seinen Ausgang \(Out\) zwischen zwei Werten \(W_{min}\) und \(W_{max}\) entsprechend der nachfolgenden Gleichung:

\begin{equation*} {Out \,=}\qquad \left\{ \begin{aligned} W_{min}: In_p < In_n \\ W_{max}: In_p \geq In_n   \end{aligned} \right. \end{equation*}

Abbildung [Abb. 2] visualisiert diesen Vorgang für einen Komparator mit einem Sinussignal am negativen Eingang \(In_n\) und einem hochfrequenten Sägezahnsignal am positiven Eingang \(In_p\). Zur Vermeidung von Aliasfrequenzen muss bei der Auslegung auf das Abtasttheorem nach Nyquist-Shannon geachtet und eine Frequenz \(f_s > 2\cdot f_{max}\) gewählt werden. Zudem kann auch ein Dreicksignal als Modulationsträger gewählt werden. Da dieses Prinzip sowohl analog, als auch digital aufgebaut werden kann, wurde zur Illustration in Abbildung [Abb. 2] ein Sägezahnsignal gewählt. Dieses lässt sich digital als einfacher Zähler umsetzen.