Klasse-D-Verstärker

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Ein Klasse-D-Verstärker (engl. class-D amplifier) oder schaltender Verstärker, auch Digitalendstufe oder Digitalverstärker genannt, ist ein elektronischer Verstärker, der unter anderem als Leistungsverstärker oder als Endstufe verwendet wird. Kennzeichnend ist, dass das Audiosignal mittels eines geeigneten Verfahrens – beispielsweise durch Pulsweitenmodulation (PWM) – in eine Folge von Pulsen gebracht wird. Dadurch kann die Endstufe im Schaltbetrieb gefahren werden, wodurch die Schaltelemente (praktisch immer Transistoren) entweder maximal leitend oder maximal isolierend sind (also nur zwei Zustände kennen) – das sind (im Gegensatz zu den in konventionellen Klasse-A-, -B- oder -AB-Verstärkern benutzten Zwischenzuständen des linearen Betriebs) die beiden Arbeitsbereiche, in denen nur wenig Verlustleistung erzeugt wird. Durch einen Rekonstruktionsfilter (Tiefpass) hinter der Leistungsstufe wird ein dem Eingangssignal entsprechender kontinuierlicher Spannungsverlauf erzeugt.

Die gebräuchliche Bezeichnung Digitalendstufe oder Digitalverstärker erweckt den falschen Eindruck, dass ein PWM-Verstärker „nur“ ein digitales Signal verstärken müsste. Tatsächlich bedeutet die Entwicklung eines Verstärkers für digitalen Signale bis zur Ansteuerung der erforderlichen Leistungs-Schalttransistoren eine Herausforderung an analoge Schaltungsentwickler.[1]

Anwendungsbereiche[Bearbeiten]

Übliche Einsatzbereiche finden diese Verstärker als Audioverstärker mit hoher Leistung bei hoher Energieeffizienz, hauptsächlich im Bereich von Beschallungsanlagen („PA-Anlagen“) und als Modulationsverstärker bei amplitudenmodulierten Rundfunksendern. Weiterhin überall dort, wo bei kleiner Leistung ein hoher Wirkungsgrad wichtig ist, z. B. in Endstufen für Kopfhörer in akkubetriebenen Geräten wie Mobiltelefonen und MP3-Spielern. Aufgrund der Kombination von geringer Anforderung an die Bandbreite und des im Vergleich zu höheren Frequenzen erhöhten Leistungsbedarfs finden sie auch Anwendung in Verstärkern für Subwoofer. Eine weitere Nutzung ist die Endstufe von Sinusspannungswechselrichtern hoher Leistung.

Aufbau[Bearbeiten]

Blockdiagramm einer PWM-Endstufe

Im Folgenden wird ein Verstärker mit Pulsweitenmodulation (PWM) und analoger Ansteuerung beschrieben. Es gibt verschiedene andere analoge und digitale Verfahren bzw. Verfeinerungen, denen jedoch gemeinsam ist, dass ein Signal mit nur zwei Spannungszuständen entsteht, das im zeitlichen Mittel dem Eingangssignal entspricht. Beispiele sind die Pulsdichtemodulation (Pulsfrequenzmodulation), Delta-Sigma-Modulation oder Sliding-Mode-Regelung.

Im Gegensatz zur Klasse-AB-Gegentaktendstufe, die ein Signal analog zum Originalsignal soweit verstärken kann, bis es die maximal vom Netzteil zur Verfügung stehende Spannung erreicht, arbeitet die PWM-Endstufe nach einem anderen Prinzip: Ein symmetrisch arbeitender Dreiecksgenerator schwingt mit einer typischen Frequenz von ca. 250 kHz bis zu einigen MHz. Das anliegende Tonsignal wird von einem Komparator mit dem Dreiecksignal verglichen. Durch den Aufbau als Komparator verändert die Schaltung das analoge Tonsignal in eine Rechteckschwingung, wie in nebenstehender Abbildung zu erkennen ist.

Ist das Dreiecksignal größer als das Tonsignal, springt der Ausgang auf „high“. Ist es kleiner, springt er auf „low“. Das Tonsignal liegt nun im Tastverhältnis des PWM-Signals vor. Der Mittelwert ist dadurch etwa proportional zum Mittelwert des Tonsignals. Dieses PWM-Signal wird der Endstufe (bestehend aus Leistungstransistoren im Schaltbetrieb) zugeführt, in welcher die eigentliche Verstärkung stattfindet.

Durch den hochfrequenten Schaltbetrieb ergeben sich verstärkt Störsignale im Bereich der PWM-Frequenz bzw. deren Oberschwingungen, welche bevorzugt durch die Lautsprecherleitungen abgestrahlt werden und die erhöhte Entstörmaßnahmen und Tiefpassfilter erforderlich machen. Durch die Tiefpassfilterung wird die elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet bzw. Funkstörungen vermieden.

Neben der Möglichkeit zur Filterung der PWM-Schaltfrequenz kann man auch Frequenzspreizung (engl. Spread Spectrum) anwenden, wodurch die Störungen über einen größeren Frequenzbereich gestreut werden. Damit realisierte Klasse-D-Verstärker sind als sogenannte Spread-Spectrum-Klasse-D-Verstärker erhältlich und benötigen am Ausgang keinen Tiefpassfilter [2].

Vorteile[Bearbeiten]

Ein Digitalverstärker hat vor allem einen höheren Wirkungsgrad von typischerweise über 70 %. Daraus leitet sich als Vorteil gegenüber einem analogen Verstärker geringerer Wärmeverlust ab, der über kleinere Kühlkörper abgeführt werden kann. Dem Anwender beschert dies ein kleineres, leichteres und sparsameres Gerät, das insbesondere für den mobilen Einsatz mit einer kleineren Batterie ausgestattet werden kann, oder bei gleicher Batteriekapazität eine längere Standzeit bekommt.

Nachteile[Bearbeiten]

Die Frequenz der Pulsweitenmodulation kann unter Umständen zu Störungen in anderen Baugruppen führen, wenn diese nicht sorgfältig abgeschirmt wird. Bei amplitudenmodulierten Rundfunksendern mit NF-Digitalendstufe kann es hierbei zu unerwünschten Ausstrahlungen kommen. Durch die PWM-Frequenz des Audiosignals ergeben sich Verzerrungen, die als Total Harmonic Distortion (THD) ausgedrückt werden und ihre Ursache in der Intermodulation zwischen Audiosignal und Schaltfrequenz haben. Klasse-D-Verstärker weisen gegenüber anderen Verstärkertypen einen leicht erhöhten THD-Wert von typischerweise um 0,1 %[3] auf.

Digitale Verstärker[Bearbeiten]

Bei schaltenden Verstärkern ist es möglich, die meisten Funktionen digital auszuführen. Das Eingangssignal ist dann meist ein pulscodemoduliertes Signal, das von einem Signalprozessor oder einer spezialisierten digitalen Modulatorschaltung in ein Ansteuersignal für die Endstufe umgewandelt wird. Neben der schon beschriebenen Pulsweitenmodulation wird hier die Delta-Sigma-Modulation benutzt. Wegen der durch die digitale Verarbeitung bedingten Quantisierung des Endstufensignals kommen Verfahren zur Rauschformung zum Einsatz. Erst bei der Ansteuerung der Endstufe wird die digitale Domäne verlassen – daher stellt ein digitaler Verstärker im Prinzip einen „Leistungs-Digital-Analog-Umsetzer“ dar.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Klasse-D-Verstärker – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Comparison of feedback implementations for digital audio amplifiers Artikel auf Audio DesignLine
  2. Datenblatt (PDF; 497 kB) MAX9709, filterloser Spread-Spectrum-Klasse-D-Verstärker mit 25W/50W
  3. Texas Instruments