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Class-D-Verstärker, Schaltverstärker

Mit Class-D wird ein bestimmtes Schaltungsdesign von Audio-Verstärkern bezeichnet, die ein PWM-Signal (englisch PWM = Pulse Width Modulation, Pulsbreitenmodulation) erzeugen und daher auch als PWM-Verstärker bekannt sind.

Es hat sich vielerorts heute eingebürgert, „Class-D“ mit „digital“ zu übersetzen. Technikhistorisch war „D“ jedoch als Kategorie an der Reihe, nachdem die Buchstaben „A“, „B“ und „C“ bereits für andere Verstärkerklassen vergeben waren, die früher aufkamen. Heute nutzen einige Class-D-Designs intern auch Digitaltechnik. Dies kann durch die Zusatzeigenschaft „digitally controlled“ (digital kontrolliert) ausgedrückt werden. Das PWM-Signal am Verstärkerausgang ist dabei in jedem Fall als ein Analogsignal zu sehen, welches nach Tiefpassfilterung direkt zur Ansteuerung eines Lautsprechers verwendet werden kann.

Da auch von Schaltverstärkern gesprochen wird und tatsächlich die Ausgangsstufe entweder „An“ oder „Aus“ ist, liegt die vereinfachende Analogie zur Digitaltechnik aber nahe: Bei dieser wird ebenfalls mit binären Werten (0/1 - Aus/An) gearbeitet (dazu weiter unten mehr). Ein wesentliches Merkmal der Digitaltechnik - die festgelegte Anzahl von Stufen bei Fehlen von Zwischenwerten (die Wortbreite, z. B. 16 Bit) - gibt es bei Class-D-Schaltungen aber nicht. Bei ihr sind (zumindest theoretisch) unendlich viele Zwischenstufen möglich, auch wenn in der Praxis sicherlich Restriktionen auftreten.

Eine Class-D Schaltung lässt sich schematisch in drei Bereiche unterteilen:

  1. Der erste Bereich besteht aus dem Eingang für das Audiosignal, einem (Dreiecks-) Signal-Generator und einem sogenannten Komparator (Comp).

  2. Die eigentliche Schalt-Verstärkungsstufe enthält einen Controller und die Transistoren (in der Regel MOSFETs), die das vom Komparator kommende PWM-Signal verstärken.

  3. Das Tiefpass-Filter (hohe Frequenzen werden herausgefiltert, siehe Impedanz), welches das am Eingang generierte Signal (die Trägerfrequenz) wieder herausfiltert.

 

Schematische Darstellung Class-D:

Schmatische Darstellung Class-D

zu 1.) Der Generator erzeugt eine Dreieck-(oder Sägezahn-)Welle mit fixer Frequenz, die wesentlich höher als die höchste zu verstärkende Audiofrequenz (zum Nyquist-Theorem, siehe auch Aliasing, Jitter) sein muss. Übliche Werte liegen zwischen 100 kHz und 1 MHz. Das hochfrequente Dreiecksignal wird nun durch das eingehende Audiosignal moduliert: Der Komparator (Comp) vergleicht zunächst die Spannungswerte des Audiosignals mit dem des Dreiecksignals und schaltet dann seinen Ausgang an oder aus - abhängig davon, welches der beiden Signale gerade eine höhere Spannung aufweist.

Das Ergebnis dieser sogenannten Puls-Weiten-Modulation (PWM) ist eine Rechteckwelle mit der gleichen Frequenz wie das Dreieckssignal und mit unterschiedlich breiten Rechtecken, den Pulsbreiten. Letztere bilden die Informationen über Amplitude und Frequenz des Audiosignals ab.

 

Schematische Darstellung Puls-Weiten-Modulation:

Schematische Darstellung Puls-Weiten-Modulation

Die Amplitude und die Frequenz des PWM-Signals sind also konstant, die Musikinformation steckt ausschließlich in der Pulsweite.

zu 2.) Das PWM-Signal wird nun, vermittelt über einen Controller, durch die Transistoren verstärkt. Dabei werden die Transistoren voll durchgeschaltet - sie sind entweder ein- oder ausgeschaltet aber niemals, wie bei Class-A / -AB üblich, „halb“ geöffnet. Hierin liegt der Grund für die hohe Effizienz dieses Schaltungsdesigns: Ist der Transistor geschlossen, fließt kein Strom. Ist er (ganz) offen und somit quasi widerstandslos, fließt der Strom, aber es kann zu keinem nennenswerten Spannungsabfall kommen. Somit ist in beiden Fällen die Verlustleistung sehr gering - die Effizienz von Class-D Verstärkern liegt in der Praxis bei 90 % bis 95 %. Übliche Class-AB-Designs erreichen meist nur 50%, Class-A sogar lediglich 20 % bis 25 %.

Das Schalten der Transistoren muss zeitlich sehr genau erfolgen und es muss streng darauf geachtet werden, dass zu keinem Zeitpunkt beide Transistoren (Annahme: je einer für die positive und die negative Halbwelle des Signals) gleichzeitig geöffnet sind. Sonst würde es zu einem Kurzschluss kommen und der dann fließende hohe Strom hätte die Zerstörung der Bauteile zur Folge.

Um dies zu vermeiden, wird bewusst eine Zeitverzögerung - die sogenannte „dead time“ - in die Schaltung eingebaut, die dafür verantwortlich ist, dass für einen sehr kurzen Augenblick beide Transistoren geschlossen sind. Die Dauer der dead time ist nun aber wiederum für die Audio-Performance ganz entscheidend - je länger diese währt (wir befinden uns im Nanosekunden-Bereich), desto höher fallen auch die Klirrwerte (THD) aus. Dies ist also ein klassisches Optimierungsproblem: Einerseits sollte für eine hohe klanglich Güte die dead time gegen Null streben, andererseits muss sichergestellt werden, dass immer nur ein Transistor „ON“ ist.

zu 3.) Da das Audio-Eingangssignal auf eine Trägerfrequenz (die Dreieckwelle) moduliert wurde, muss am Ausgang eine Filterung des PWM-Signals vorgenommen werden, die diese Trägerfrequenz wieder vom Musiksignal abzieht - genauer gesagt: herausfiltert. Üblicherweise wird hier ein passives LC-Filter (ein induktives Bauelement, siehe Impedanz) genommen. Reste des Trägers im Musiksignal gilt es zu vermeiden. Aber auch, wenn diese nicht mehr hörbar sind, können sie stören - indem sie die Lautsprecherkabel in (Sende-)Antennen verwandeln. In modernen Class-D Verstärkern ist der Effekt aber kaum noch vorhanden.

Vorteile der Class-D Technik:

  • Es entsteht kaum Verlustleistung, die Effizienz ist also sehr hoch.
  • Durch diese hohe Effizienz kann die Stromversorgung kleiner dimensioniert werden - dadurch resultiert ein Platz- und Kostenvorteil.
  • Des Weiteren können (meist teure) Kühlkörper wesentlich kleiner ausfallen oder sogar ganz gespart werden. Daraus folgt, dass das Gehäusedesign ebenfalls nicht zwingend üppig ausfallen muss- ein weiterer Kostenvorteil.

Nachteile der Class-D Technik:

  • Häufig werden Class-D Schaltungen als klanglich nicht ebenbürtig im Vergleich zu solchen mit Class-A oder Class-AB-Technik angesehen. Die Hauptursache für ein nicht-lineares Verhalten dürfte in Timing-Fehlern zu sehen sein - bei dieser „Hochfrequenztechnik“ geht es um Werte im Nanosekunden-Bereich und Fehler, die hier entstehen, verursachen letztlich Verzerrungen. Es gibt aber auch High-End-Anwendungen, die klanglich sehr überzeugen können. Auch bei Class-D kommt es schließlich auf die saubere Umsetzung des jeweiligen Schaltungsdesigns an. Das Konzept als solches ist nicht unbedingt schlechter.

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