background image

DESCRIPTION

The ZXCD1000 provides complete control and

modulation functions at the heart of a high efficiency

high performance Class D switching audio amplifier

solution. In combination with Zetex HDMOS MOSFET

devices, the ZXCD1000 provides a high performance

audio amplifier with all the inherent benefits of Class D.

The ZXCD1000 solution uses proprietary circuit design

to realise the true benefits of Class D without the

traditional drawback of poor distortion performance.

The combination of circuit design, magnetic

component choice and layout are essential to realising

these benefits.

FEATURES

>90% efficiency

4 / 8

drive capability

Noise Floor -115dB for solution

Flat response 20Hz - 20kHz

High gate drive capability ( 2200pF)

Very low THD + N 0.2% typical full 90% power, full

band ( for the solution)

Complete absence of crossover artifacts

OSC output available for sync in multi-channel

applications

Available in a 16 pin exposed pad QSOP package

APPLICATIONS

DVD Players

Automotive audio systems

Home Theatre

Multimedia

Wireless speakers

Portable audio

Sub woofer systems

Public Address system

The ZXCD1000 reference designs give output powers

up to 100W rms with typical open loop (no feedback)

distortion of less than 0.2% THD + N over the entire

audio frequency range at 90% full output power. This

gives an extremely linear system. The addition of a

minimum amount of feedback (10dB) further reduces

distortion figures to give < 0.1 % THD + N typical at

1kHz.

From an acoustic point of view, even more important

than the figures above, is that the residual distortion is

almost totally free of any crossover artifacts.

This

allows the ZXCD1000 to be used in true hi-fi

applications. This lack of crossover distortion, sets the

ZXCD1000 solutions quite apart from most other

presently available low cost solutions, which in general

suffer from severe crossover distortion problems.

ZXCD1000

ISSUE 2 - APRIL 2002

1

HIGH FIDELITY CLASS D AUDIO AMPLIFIER SOLUTION

Output Power

1W

5W

10W

THD + N (%)

Distortion v Power

8

open loop at 1kHz.

The plot shows Distortion v Power into an 8

load at

1kHz. This plot clearly demonstrates the unequalled

performance of the Zetex solution. Typical distortion of

0.05% at 1W can be seen with better than 0.15% at 10W.

Truly world class performance.

background image

ISSUE 2 - APRIL 2002

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS

Terminal Voltage with respect to GND

VCC

20V

Power Dissipation

1W

Package Thermal Resistance (

⍜ja)

54

ЊC/W

Operating Temperature Range

-40

ЊC to 70ЊC

Maximum Junction Temperature

125

ЊC

Storage Temperature Range

-50°C to 85

ЊC

Stresses beyond those listed under “Absolute Maximum Ratings” may cause permanent damage to the device.

These are stress ratings only, and functional operation of the device at these or any other conditions beyond

those indicated in the operational sections of the specifications is not implied. Exposure to absolute maximum

conditions for extended periods may affect device reliability.

ZXCD1000

2

SYMBOL

PARAMETER

CONDITIONS

LIMITS

UNITS

MIN

TYP

MAX

V

CC

Operating Voltage Range

12

16

18

V

I

ss

Operating Quiescent

Current

V

CC

= 12V

V

CC

= 18V, 16V

45

50

mA

mA

F

osc

Switching Frequency

C

osc

= 330pF

150

200

250

kHz

F

osc(tol)

Frequency Tolerance

C

osc

= 330pF

+/-25

%

Vol OutA/B

Low level output voltage

No load

100

mV

Voh OutA/B

High level output voltage

No load

7.5

V

T

Drive

Output Drive Capability

(OUT A / B Rise/Fall)

Load Capacitance

= 2200pF

50

ns

5V5tol

Internal Rail Tolerance

1µF Decoupling

5.23

5.5

5.77

V

9VA/Btol

Internal Rail Tolerance

1µF Decoupling

8.32

8.75

9.18

V

Audio A / B

Input Impedence

1.35k

1.8k

2.3k

Triangle

A / B

Input Impedence

1.35k

1.8k

2.3k

Audio A / B

Bias Level

2.95

3.1

3.25

V

Triangle

A / B

Bias Level

2.95

3.1

3.25

V

Osc A / B

Amplitude

0.89

1.05

1.2

V

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

TEST CONDITIONS (unless otherwise stated) VCC = 16V, TA = 25ЊC

background image

ZXCD1000

ISSUE 2 - APRIL 2002

3

Audio A

Triangle A

Osc A

Dist

Cosc

Osc B

Triangle B

Audio B

Gnd

Out B

Gnd2

9VB

VCC

9VA

Out A

5V5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Figure 1

Pin Connection Diagram

Pin number

Pin Name

Pin Description

1

Audio A

Audio Input for Channel A

2

Triangle A

Triangle Input for Channel A

3

Osc A

Triangle Output

4

Dist

No connection

5

C

osc

External timing capacitor node (to set the switching frequency)

6

Osc B

Triangle Output (for slave ZXCD1000 in stereo application)

7

Triangle B

Triangle Input for Channel B

8

Audio B

Audio Input for Channel B

9

Gnd

Small Signal GND

10

OUT B

Channel B PWM Output to drive external Bridge MOSFETs

11

Gnd2

Power GND (for Output Drivers)

12

9VB

Internal Supply Rail (Decouple with 1µF Cap)

13

VCC

Input Supply Pin (Max = 18V)

14

9VA

Internal Supply Rail (Decouple with 1µF Cap).

15

OUT A

Channel A PWM Output to drive external Bridge MOSFETs

16

5V5

Internal Supply Rail (Decouple with 1µF Cap)

Pin Description

background image

ISSUE 2 - APRIL 2002

ZXCD1000 Class D controller IC

A functional block diagram of the ZXCD1000 is shown

in Figure 2. The on chip series regulators drop the

external VCC supply (12V-18V) to the approximate 9V

(9VA/9VB) and 5.5V (5V5) supplies required by the

internal circuitry.

A triangular waveform is generated on chip and is

brought out at the OscA and OscB outputs. The

frequency of this is set (to ~200kHz) by an external

capacitor (Cosc) and on chip resistor. The triangular

waveform must be externally AC coupled back into the

ZXCD1000 at the TriangleA and TriangleB inputs.

AC coupling ensures symmetrical operation resulting

in minimal system DC offsets. TriangleA is connected

to one of the inputs of a comparator and TriangleB is

connected to one of the inputs of a second comparator.

The other inputs of these two comparators are

connected to the AudioA and AudioB inputs, which are

anti-phase signals externally derived from the audio

input. The triangular wave is an order higher in

frequency than the audio input (max 20kHz). The

outputs of the comparators toggle every time the

TriangleA/B and the (relatively slow) AudioA/B signals

cross.

ZXCD1000

4

Oscillator & Ramp

Generator

Internal 5V5

Internal 9V

PWM

Comp A

PWM

Comp B

Pre-

Driver

Pre-

Driver

O/P

Driver

O/P

Driver

Audio A

Audio B

V

CC

Co

s

c

Out A

Out B

5V5

9VB

9V

A

T

ria

ngle

B

T

ria

ngle

A

Osc

B

Osc

A

Di

st

Gn

d

G

nd2

1

2

3

4

5

6 7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Osc

Buffers

Figure 2.

Functional Block Diagram

background image

With no audio input signal applied, the AudioA/B

inputs are biased at the mid-point of the triangular

wave, and the duty cycle at the output of the

comparators is nominally 50%. As the AudioA/B signal

ascends towards the peak level, the crossing points

with the (higher frequency) triangular wave also

ascend. The comparator monitoring these signals

exhibits a corresponding increase in output duty cycle.

Similarly, as the AudioA/B signal descends, the duty

cycle is correspondingly reduced. Thus the audio input

Pulse Width Modulates the comparator outputs. This

principle is illustrated in Figures 3a, b, c and d. The

comparator outputs are buffered and used to drive the

OutA and OutB outputs. These in turn drive the speaker

load (with the audio information contained in the PWM

signal) via the off chip output bridge and single stage

L-C filter network.

The ramp amplitude is approximately 1V. The AudioA,

AudioB, TriangleA and TriangleB inputs are internally

biased to a DC voltage of approximately VCC/5. The

mid - point DC level of the OscA and OscB triangular

outputs is around 2V. The triangular wave at the Cosc

pin traverses between about 2.7Vand 3.8V and the dist

pin exhibits a roughly square wave from about 1.4V to

2V. (The above voltages may vary in practice and are

included for guidance only).

ZXCD1000

ISSUE 2 - APRIL 2002

5

Audio A/B

Triangle A/B

PWM Comparator

O/P

Audio A/B

Triangle A/B

Comparator O/P

(Duty Cycle = 50%)

O/P

Audio A/B

Triangle A/B

Comparator O/P

(Duty Cycle = 75%)

Audio A/B

Triangle A/B

Comparator O/P

(Duty Cycle = 25%)

Figure 3b.

Figure 3a.

Figures 3a,3b,3c and 3d

The audio input Pulse Width Modulates the comparator output.

Figure 3c.

Figure 3d.

background image

ISSUE 2 - APRIL 2002

ZXCD1000

6

Figure

4

Zetex

Class

D

25W

Mono

Open

Loop

Solution

background image

Class D 25W Mono Open Loop (Bridge Tied Load - BTL) Solution – Circuit Description

Proprietary circuit design and high quality magnetics

are necessary to yield the high THD performance

specified. Deviation from the Zetex recommended

solution could significantly degrade performance.

The speaker is connected as a Bridge Tied Load (BTL).

This means that both sides of the speaker are driven

from the output bridge and therefore neither side of the

speaker connects to ground. This allows maximum

power to be delivered to the load, from a given supply

voltage.

The supply voltage for this solution is

nominally 16V for 25W into a 4

⍀ load.

A schematic diagram for the solution is shown in

Figure 4. The audio input is AC coupled and applied to a

low pass filter and a phase splitter built around the

NE5532 dual op-amp. One of these op-amps is

configured as a voltage follower and the other as a X1

inverting amplifier. This produces in phase and

inverted signals for application to the ZXCD1000. The

op-amp outputs are AC coupled into the ZXCD1000

Audio A and Audio B inputs via simple R-C low pass

filters (R16/C3 and R15/C7). The op-amps are biased to

a DC level of approximately 6V by R11 and R12.

The Pulse Width Modulated (PWM) outputs, OutA and

OutB, which contain the audio information, are AC

coupled and DC restored before driving the Zetex

ZXM64P03X and ZXM64N03X PMOS and NMOS

output bridge FET’s. AC coupling is via C17, C18, C19

and C20. DC restoration is provided by the D2(A1a)/R4,

D1(A4a)/R2 and D3(A1a)/R6, D4(A4a)/R9 components.

This technique allows the output stage supply voltage

to be higher than the high level of the OutA and OutB

outputs (approximately 8.5V),

whilst still supplying

almost the full output voltage swing to the gates of the

bridge FET’s (thereby ensuring good turn on). This can

be exploited to yield higher power solutions with

higher supply voltages – this is discussed later.

The resistor/diode combinations (R5/D2(A16b),

R3/D1(A4b), R7/D3(A1b) and R8/D4(A4b)) in series with

the bridge FET gates, assist in controlling the switching

of the bridge FET’s. This design minimises shoot

through currents whilst still achieving the low

distortion characteristics of the system.

The purpose of the special inductors in conjunction

with the output capacitors C23, C24, C25 and C26 is to

low pass filter the high frequency switching PWM

signal that comes from the bridge. Thus the lower

frequency audio signal is recovered and is available at

the speakerA and speakerB outputs across which the

speaker should be connected. Zetex can offer advice on

suitable source for the specialist magnetics.

The optional components R17 and C3 form a Zobel

network. The applicability of these depends upon the

application and speaker characteristics. Suggested

values are 47nF and 10 ohms

Efficiency

The following plots show the measured efficiency of

the Zetex solution at various power levels into both 4

and 8

loads. As a comparison, typical efficiency is

plotted for a class A-B amplifier. They clearly

demonstrate the major efficiency benefits available

from the Zetex class D solution.

ZXCD1000

ISSUE 2 - APRIL 2002

7

Figure 5

background image

ISSUE 2 - APRIL 2002

ZXCD1000

8

Class D Mono Open Loop solution (Bridge Tied Load - BTL) Solution - Demonstration board

The circuit design shown in figure 4 is available as a

demonstration board to enable evaluation of the circuit

excellent performance. Full bill of materials (BOM) and

Gerber files are also available. The demonstration

board part number is ZXCD1000EVMOL. Layout and

component selection are critical to maximising

performance from this solution, the demonstration

board and circuit can be used as a guide to facilitate

design of production circuits. Zetex applications can

advise if any circuit modifications are required for

specific requirements.

The board can be used to demonstrate the ZXCD

amplifier capability with output power typically of 25W

into 4

⍀ or 8⍀ load depending on chosen supply

voltage. Operating instructions are included in the

demonstration board literature.

A very important feature of the Zetex solution is that

the residual distortion is almost totally free of any

crossover artifacts. This lack of crossover distortion

sets the ZXCD1000 solutions quite apart from most

other presently available low cost solutions, which in

general suffer from severe crossover distortion

problems.

It is well known that this kind of distortion is particularly

unpleasant to the listener. The two scope traces of

Figure 7 clearly show the lack of such artifacts with the

Zetex solution

Figure 7a

ZETEX Class D Solution. (10W into 4

)

Note lack of Crossover Artifacts

Figure 7b

Typical Class D Solution.

Note Large Crossover Artifacts

Figure 6

Mono solution demonstration board

background image

Other Solutions - Stereo, Closed Loop and Higher Powers.

STEREO

It is possible to duplicate the above solution to give a 2

channel stereo solution. However if the oscillator

frequencies are not locked together, a beat can occur

which is acoustically audible. This is undesirable. A

stereo solution which avoids this problem can be

achieved by synchronising the operating frequencies

of both ZXCD1000’s class D controller IC’s, by slaving

one device from the other. This is illustrated in Figure 8.

Great care must be taken when linking the triangle

from the master to the slave. Any pickup can cause

slicing errors and result in increased distortion. The

best connection method is to run two tracks, side by

side, from the master to the slave. One of these tracks

would be the triangle itself, and the other would be the

direct local ground linking the master pin9 ground to

the slave pin 9 ground.

A demonstration board, ZXCD1000EVSOL, is available

for a stereo 25W solution.

ZXCD1000

ISSUE 2 - APRIL 2002

9

MASTER

SLAVE

Figure 8 Frequency synchronisation for stereo applications

background image

ISSUE 2 - APRIL 2002

ZXCD1000

10

Figure

9

50W

Master

Channel

with

feed

back

background image

Class D 50W Mono Bridge Tied Load (BTL)

Solution with Feedback – Circuit Description

With the addition of feedback (hence closed loop

solution) it is possible to obtain even better THD

performance. A schematic diagram for this is shown in

Figure 9. Again proprietary circuit and special

magnetic design is necessary to yield the high THD

p e r f o r m a n c e a n d d e v i a t i o n f r o m t h i s c o u l d

significantly reduce performance.

Much of the circuitry is the same as described for the

open loop solution. The main differences being a

consequence of using the feedback circuitry. The audio

input is ac coupled and applied to an op-amp (1/2 of U3)

configured as a non–inverting amplifier with a gain of

approximately 4. Feedback is applied differentially

from the bridge outputs via the other half of U3

op-amp. A portion of the single ended output from this

op-amp is subtracted from the output of the

non-inverting op-amp output above. Overall negative

feedback is applied due to the polarity and connection

of the signals involved.

The audio signal from the above circuitry is applied to a

phase splitter as was done for the open loop solution.

This is built around the other 5532 dual op-amp (U2).

One of these op-amps is configured as a voltage

follower and the other as a X1 inverting amplifier. This

produces in phase and inverted signals for application

to the ZXCD1000 Audio A and Audio B inputs

respectively.

The output circuitry downstream of the ZXCD1000 is as

described for the open loop solution. In order to

support the 50W output power of this solution a 25V

rail is required for a 4

⍀ load. The MOSFETs used are

SOT223 packaged (ZXM64N035G and ZXM64P035).

Further information on this design is available through

Zetex applications.

Higher Power Solutions

With some modifications the applications solutions

can be extended to give output power up to 100W. The

main differences being the supply voltage, the TO220

MOSFETs, and the output magnetics. The magnetics

for 100W are necessarily larger than required for

25/50W in order to handle the higher load currents. For

100W operation the supply voltage to the circuit is

nominally 35V with a 4

⍀ load. However the maximum

supply voltage to the ZXCD1000 class D controller IC is

18V, hence a voltage dropper is required. This could be

done, for example, as in the open loop solution

described previously. A 100W circuit is shown on

figure 10. This features a 35V bridge supply TO220

MOSFETs (ZXM64N035L3 and ZXM64P035L3) and

also proposed protection circuits for over current and

over temperature and an alternative anti pop circuit.

Further information on this 100W reference design can

be obtained through Zetex applications.

The ZXCD1000 class D controller IC is inherently

capable of driving even higher power solutions, with

the appropriate external circuitry. However as stated

above the maximum supply voltage to the ZXCD1000

class D controller IC is 18V and the higher supply

voltages must therefore be dropped. Also due

consideration must be given to the ZXCD1000 output

drive levels and the characteristics of the bridge

MOSFET’s. The latter must be sufficiently enhanced by

the OutA and OutB outputs to ensure the filter and load

network is driven properly. If the gate drive of the

ZXCD1000 is too low for the chosen MOSFET then the

OUTA and OUTB signal must be buffered using an

appropriate MOSFET driver circuit. Additionally,

suitable magnetics are essential to achieve good THD

performance.

Package details

The ZXCD1000 is available in a 16 pin exposed pad

QSOP package. The exposed pad on the underside of

the package should be soldered down to an area of

copper on the PCB, to function as a heatsink. The PCB

should have plated through vias to the underside of the

board, again connecting to an area of copper.

ZXCD1000

ISSUE 2 - APRIL 2002

11

background image

ISSUE 2 - APRIL 2002

ZXCD1000

12

Figure

10

100W

Mono

Class

D

Solution

background image

ZXCD1000 Solution performance figures

Typical performance graphs for the Zetex 25W open

loop solution are shown here for both 4 and 8

loads.

These graphs further demonstrate the true high fidelity

performance achieved by the Zetex solutions.

ZXCD1000

ISSUE 2 - APRIL 2002

13

Output Power

1W

5W

10W

THD + N (%)

f(Hz)

dB

f(Hz)

dB

f(Hz)

dB

THD v Power into 8

at 1kHz

FFT of distortion and noise floor at 1W (8

load)

FFT of distortion and noise floor at 10W (8

load)

Frequency response (8

load)

background image

ISSUE 2 - APRIL 2002

ZXCD1000

14

Output Power

1W

5W

10W

20W

THD + N (%)

dB

f(Hz)

f(Hz)

dB

f(Hz)

dB

FFT of distortion and noise floor at 20W (4

load)

Frequency response (4

load)

Note roll off.

This can be corrected by using an alternative values for

output filter components.

THD v Power into 4

at 1kHz

FFT of distortion and noise floor at 1W (4

load)

background image

ZXCD1000

ISSUE 2 - APRIL 2002

15

background image

Zetex plc

Fields New Road

Chadderton

Oldham, OL9 8NP

United Kingdom

Telephone (44) 161 622 4422

Fax: (44) 161 622 4420

Zetex GmbH

Streitfeldstraße 19

D-81673 München

Germany

Telefon: (49) 89 45 49 49 0

Fax: (49) 89 45 49 49 49

Zetex Inc

700 Veterans Memorial Hwy

Hauppauge, NY11788

USA

Telephone: (631) 360 2222

Fax: (631) 360 8222

Zetex (Asia) Ltd

3701-04 Metroplaza, Tower 1

Hing Fong Road

Kwai Fong

Hong Kong

Telephone: (852) 26100 611

Fax: (852) 24250 494

These offices are supported by agents and distributors in major countries world-wide.

This publication is issued to provide outline information only which (unless agreed by the Company in writing) may not be used, applied or reproduced

for any purpose or form part of any order or contract or be regarded as a representation relating to the products or services concerned. The Company

reserves the right to alter without notice the specification, design, price or conditions of supply of any product or service.

For the latest product information, log on to

www.zetex.com

© Zetex plc 2001

ZXCD1000

ISSUE 2 - APRIL 2002

16

DETAIL "A"

D

A

e

OC

C

L

h x 45

C

b

A

1

SEATING PLANE

1

3

2

H

TOP VIEW

SIDE VIEW

END VIEW

S

.010

BOTTOM VIEW

E

A

2

SEE DETAIL "A"

SEATING

PLANE

EXPOSED PAD

PACKAGE DIMENSIONS

MIN.

.001

.058

.055

E

D

A

2

A

1

A

O

L

B

M

S

Y

.003

.058

.005

.061

DIMENSIONS IN INCHES

NOM.

.061

MAX.

.066

.008

b

.012

.007

c

.010

.150

.154

.157

.194

.189

.196

.005

5

.002

O

C

C

S

0

.007

8

.236

.025 BSC

.013

.025

.228

e

h

L

H

.016

.010

.244

.035

.016

Device

Description

Package

T&R Suffix

ZXCD1000EQ16

Class D modulator

eQSOP16

TA, TC

ORDERING INFORMATION

Information on Zetex reference designs, MOSFETs and demonstration boards can be obtain by contacting Zetex

applications or by visiting www.zetex.com/audio