Klasse-D-Verstärker

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Ein Klasse-D-Verstärker, anglisiert und im allgemeinen Sprachgebrauch Class-D-Verstärker (engl. class-D amplifier), auch schaltender Verstärker, Digitalendstufe oder Digitalverstärker genannt, ist ein Schaltungsprinzip der Endstufe von Audioverstärkern. Kennzeichnend ist, dass ein analoges Audiosignal einer Pulsweitenmodulation (PWM) oder Pulsfrequenzmodulation[1] unterzogen wird. Dadurch kann die Endstufe im Schaltbetrieb arbeiten, wodurch eine vergleichsweise nur sehr geringe Verlustleistung auftritt.

Durch einen Rekonstruktionsfilter (Tiefpass) hinter der Leistungsstufe wird wieder das niederfrequente Signal zurückgewonnen.

Die Klasse D ergibt sich aus der Fortführung der mit Buchstaben gekennzeichneten Verstärkerbetriebsarten. Der gebräuchliche Begriff Digitalendstufe oder Digitalverstärker erweckt den Eindruck, dass eine D-Endstufe die Verstärkung mittels digitaler Signalverarbeitung bewerkstelligt. Tatsächlich ist das generierte Pulsweitensignal zwar ein digitales Signal, aber mit grundsätzlich unendlicher (also analoger) Auflösung auf der Zeitachse.

Klasse-D-Endverstärker für digitale Eingangssignale mit einem digitalen Signalprozessor bis zur Ansteuerung der erforderlichen Leistungs-Schalttransistoren sind jedoch bekannt und beinhalten dann eine größere Funktionalität als nur zu verstärken.[2]

Aufbau und Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Blockdiagramm einer Halbbrücken-PWM-Endstufe

Im Folgenden wird ein Verstärker mit Pulsweitenmodulation (PWM) und analogem Eingang beschrieben. Es gibt weitere Modulationsverfahren, 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 phase shifting. Im Gegensatz zur Class-AB-Gegentaktendstufe, die die Signalamplitude soweit proportional verstärkt, bis sie 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, dessen Pegel von einem Komparator mit dem Pegel des zu verstärkenden Eingangssignals verglichen wird. Die Schalt- oder Arbeitsfrequenz des Class-D-Verstärkers muss so hoch sein, dass mindestens das Nyquist-Kriterium für die höchsten am Eingang vorkommenden Frequenzen erfüllt wird, jedoch auch eine Ausfilterung des NF-Signales mit einfachen Mitteln möglich ist, ohne die Grenzfrequenz zu beeinträchtigen. Der Komparator verwandelt das analoge Tonsignal in eine Rechteckschwingung, wie in dem Blockdiagramm zu erkennen ist. Ist das Dreiecksignal größer als das Tonsignal, springt der Ausgang auf high, ist es kleiner, springt er auf low. Die maximale Impulsbreite ist dabei kleiner als die Zykluszeit der Arbeitsfrequenz und kann somit nie länger als ein Taktzyklus ein- oder ausgeschaltet (high oder low) sein. Das Tonsignal liegt nun im Tastverhältnis des PWM-Signals vor. Der Mittelwert ist dadurch exakt proportional zum Tonsignal. Dieses PWM-Signal wird der Endstufe zugeführt, in welcher die eigentliche Verstärkung stattfindet, bestehend aus zwei Leistungstransistoren im Schaltbetrieb für je eine positive und eine negative Halbwelle.

Ein Class-D-Verstärker ist entweder als Halbbrücke mit zwei Transistoren aufgebaut oder mit vier Transistoren als Vollbrücke (H-Brücke), bestehend aus zwei gegeneinander arbeitenden Halbbrücken (BTL von bridge terminated load). Manche Typen haben eine wählbare Konfiguration, wie das auch bei AB-Verstärkern üblich ist. Ein Vollbrückenverstärker hat auf Grund der höheren Leit- und Schaltverluste einen niedrigeren Gesamtwirkungsgrad[3], benötigt jedoch weder eine symmetrische Versorgungsspannung noch Koppelkondensatoren. Die Transistoren einer Halbbrücke schalten dabei grundsätzlich mit jedem Taktzyklus um (ein Transistor für den Schaltzustand high, der andere für low). Um den Audiopegel null zu erzeugen, schalten die Transistoren mit 50 % duty cycle aus- und ein. Um ein Audiosignal maximaler Amplitude zu beschreiben, muss im Scheitel der Schwingung immer ein Transistor die maximale Zeit und der andere Transistor die minimal mögliche Zeit einschalten. Der obere Transistor hat aufgrund der oft erforderlichen Bootstrap-Ansteuerung nicht die Möglichkeit, dauernd einzuschalten und die Brücke muss deswegen periodisch kurzzeitig auf low umschalten, auch wenn das Signal wegen Übersteuerung durch die Betriebsspannung begrenzt ist.

Um einen Kurzschluss durch gleichzeitiges Schalten beider Transistoren auszuschließen, wird zwischen Einschalten des oberen und Ausschalten des unteren Transistors eine Zeitverzögerung (Totzeit) eingefügt. Durch diese Verzögerung kommt es in der Frequenzauflösung zu Verlusten. Ist die Totzeit länger als erforderlich, gibt es währenddessen einen undefinierten Ausgangspegel, was zu Verzerrungen führt. Viele D-Verstärker verfügen daher über eine Totzeitsteuerung, um diese so gering wie möglich zu halten.Aus diesem Grund wird versucht, die Totzeit und die Schaltzeiten so klein wie möglich zu halten (Größenordnung 10 ns).[4][5][6][7][8]

Der MOSFET IRF6645 hat beispielsweise eine Anstiegszeit von 5,0 ns (rise time) und eine Abfallzeit (fall time) von 5,1 ns,[9] exemplarisch der IRFI4212H-117P eine Anstiegszeit von 8,3 ns und eine Abfallzeit von 4,3 ns.[10]

Das impulsbreitengesteuerte Rechtecksignal enthält wegen seiner Schaltflanken sehr hohe Frequenzen und muss in der Regel mittels eines LC-Tiefpasses von den höheren Frequenzanteilen außerhalb des Audiospektrums befreit werden. Zur Kostenoptimierung und dennoch günstigeren Messwerten bei den Störspektren kommen auch filterlose Modulationsverfahren und die Frequenzspreizung zur Anwendung, wodurch die Störungen über einen größeren Frequenzbereich gestreut werden.[11][12] Solche sogenannte Spread-Spectrum-Class-D-Verstärker benötigen je nach Ausgangsleistung und Länge der Verbindung zum Lautsprecher keinen Tiefpassfilter am Ausgang, sondern nutzen die Induktivität des Lautsprechers als Tiefpass.[13]

Integrierte Schaltungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Neben dem diskreten Schaltungsaufbau mit single-MOSFETs, Dreieckgenerator und Komparator bzw. phase shifter gibt es auch integrierte Modulatoren, Treiber oder ganze Class-D-Verstärker. Die schlechten Parameter der Anfangszeit der D-Endstufen sind überwunden und man erreicht vergleichbare Klirrfaktor-Werte und Unempfindlichkeit gegenüber Betriebsspannungsschwankungen wie mit AB-Verstärkern, jedoch bei vergleichsweise sehr hohem Wirkungsgrad bei kleinen bis großen Ausgangsleistungen sowie geringem Leerlaufverbrauch. So benötigt der TPA3255[14] lediglich 2,5 Watt im Leerlauf, hat bei einer Ausgangsleistung von bis zu 600 W einen Wirkungsgrad von 90 % und zeigt von 100 Milliwatt bis über 100 Watt einen Klirrfaktor + Störspannungsabstand von <0,02 % (0,006 % bei 1 Watt / 1 kHz). Die Unterdrückung der Schwankungen der Betriebsspannung (PSRR) beträgt >65 dB. Die Arbeitsfrequenz beträgt etwa 450 kHz.

Verstärker mit digitalem Signaleingang[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit digitalen Signalprozessoren ist es möglich, die meisten Audio-Funktionen digital auszuführen. Daher liegt es nahe, einen solchen mit einer D-Endstufe zu kombinieren. Das Eingangssignal ist dann ein serielles Digital-Signal (zum Beispiel ein Pulscode), das von einem Signalprozessor oder einer spezialisierten digitalen Modulatorschaltung in ein Ansteuersignal für die Endstufe umgewandelt wird. Neben der schon beschriebenen Pulsweitenmodulation wird auch die Delta-Sigma-Modulation benutzt. Wegen der durch die digitale Verarbeitung bedingten Quantisierungsfehler im Endstufensignal 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.[15]

Vorteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Leistungsaufnahme verschiedener (idealer) Gegentakt-Endverstärker
Wirkungsgrad verschiedener (idealer) Gegentakt-Endverstärker

Class-D-Verstärker zeichnen sich sowohl bei Netz- als auch bei Batteriebetrieb durch sparsameren Verbrauch und geringere Abwärme aus. Da somit kleinere Kühlkörper, bei integrierten Schaltungen sogar ein Verzicht auf Kühlkörper möglich sind, ergibt sich ein kompakterer Aufbau. Der theoretisch ideale Class-D-Verstärker hat einen leistungsunabhängigen Wirkungsgrad von 100 %. Der Wirkungsgrad idealer (Gegentakt-)Analogverstärker hingegen liegt bei Vollaussteuerung zwischen 78,5 % (Class-B) und 50 % (Class-A), der aber im Teillastbereich (bei Class-B linear mit der Ausgangsspannung, bei Class-A quadratisch mit der Ausgangsspannung) weiter abfällt und entsprechend ein Vielfaches der Ausgangsleistung an Abwärme erzeugt. Reale Class-D-Verstärker weisen bei Vollaussteuerung Wirkungsgrade von 85 bis 94 % auf, wobei selbst im Niederlastbereich bei 1 % der maximalen Ausgangsleistung noch Wirkungsgrade über 60 % möglich sind.[16]

Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei nicht rückgekoppelten Class-D-Verstärkern kommt es durch lastbedingte Schwankungen der Versorgungsspannung zu Verzerrungen des Ausgangssignals, da die Versorgungsspannung sowohl die Verstärkerschaltung als auch die Last versorgt. Bei nicht vollständig geglätteter Versorgungsspannung zeigen sie ein Brummen. Daher besitzen die meisten D-Verstärker ebenso wie AB-Verstärker eine Gegenkopplung. Ferner können, wenn dieses nicht sorgfältig entkoppelt und abgeschirmt wird. Class-D-Verstärker haben ein Phasenrauschen bzw. einen eingeschränkten Rauschspannungsabstand, was durch besondere Maßnahmen verringert wird.

Durch den hochfrequenten Schaltbetrieb entstehen Störsignale bei der PWM-Frequenz und ihren Harmonischen, welche sowohl innerhalb des Verstärkers als auch über die Lautsprecherleitungen zu Störungen in anderen Baugruppen führen und die erhöhte Entstörmaßnahmen zur Vermeidung von Funkstörungen und Einhaltung der Elektromagnetischen Verträglichkeit erforderlich machen.

Anwendungsbereich[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Class-D-Verstärker finden Anwendung als Audioverstärker hauptsächlich im Bereich von Beschallungsanlagen mit hoher Leistung, als Modulationsverstärker bei amplitudenmodulierten Rundfunksendern sowie zur drahtlosen Stromversorgung medizinischer Implantate.[17] Ein weites Anwendungsfeld sind Aktivboxen (besonders Subwoofer). D-Endstufen werden überall dort eingesetzt, wo bei kleiner Leistung ein hoher Wirkungsgrad wichtig ist, z. B. bei Endstufen akkubetriebener Geräte wie Mobiltelefone und MP3-Spieler.

Auch Sinus-Wechselrichter und -Frequenzumrichter arbeiten im Prinzip wie ein Class-D-Verstärker in Vollbrückenschaltung.

Class-D-Hybrid-Verstärker[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Kombinierung der Energieeffizienz der Class-D-Verstärker mit der Linearität der Class-AB-Verstärker wird erreicht durch eine Verschränkung beider Systeme. Ein mögliches Schaltungsdesign sieht z. B. vor, dass der Laststromkreis des Class-AB-Verstärkers von dem gefilterten Ausgangssignal des Class-D-Verstärkers versorgt wird, wobei beide Verstärker vom Eingangssignal angesteuert werden. Während so quasi sämtliche Nachteile des Class-D-Verstärkers vom Lautsprecher bzw. der Last entkoppelt werden, trägt der Class-AB-Verstärker selber nur noch mit einer anteilsmäßig relativ kleinen Leistung zur Gesamtleistung des Hybridverstärkers bei. Der Class-D-Verstärker alleine hätte beispielsweise (mit einem Wirkungsgrad von 90 %) bei 100 W Ausgangsleistung eine Verlustleistung von 10 Watt, ein Class-AB-Verstärker alleine (mit einem ungünstigen Wirkungsgrad von 50 %) hingegen volle 100 W Verlustleistung. Der hier beschriebene Hybridverstärker kommt mit rund 80 % Wirkungsgrad auf eine Verlustleistung von 30 W.[18]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Eric Gaalaas: Class D Audio Amplifiers: What, Why, and How. Analog Devices, Inc., Juni 2006, abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch).
  2. David Jones: Comparison of feedback implementations for digital audio amplifiers. AspenCore, 4. November 2007, abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch).
  3. Class D Amplifiers: Fundamentals of Operation and Recent Developments. Maxim Integrated Products, Inc., abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch).
  4. Karl Stephan: Analog and Mixed-Signal Electronics. John Wiley & Sons, Inc., Januar 2015.
  5. eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche (Abschnitt 10.12)
  6. Jun Honda, Jonathan Adams: Class D Audio Amplifier Basics. (PDF; 305 kB) Infineon Technologies AG, abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch).
  7. Sergio Sánchez Moreno: Class D audio amplifiers: theory and design. (PDF; 310 kB) (Nicht mehr online verfügbar.) Juni 2005, archiviert vom Original am 16. Mai 2017; abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch). i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.coldamp.com
  8. Class-D-Verstärker, Schaltverstärker. fairaudio HiFi Lexikon, abgerufen am 2. Januar 2017.
  9. IRF6645 DirectFET Power MOSFET. (PDF; 252 kB) Infineon Technologies AG, 5. August 2005, abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch, Datenblatt).
  10. IRFI4212H-117P Digital Audio MOSFET. (PDF; 254 kB) Infineon Technologies AG, 21. August 2006, abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch, Datenblatt).
  11. Texas Instruments ermöglicht deutlich niedrigere Systemkosten bei Consumer-Audioprodukten. Texas Instruments, 24. August 2009, abgerufen am 2. Januar 2017.
  12. Kristin Rinortner: Störspektren bei mehreren Schaltreglern verringern. Vogel Business Media GmbH & Co.KG, 14. Dezember 2010, abgerufen am 2. Januar 2017.
  13. MAX9709 25W/50W, Filterless, Spread-Spectrum, Stereo/Mono, Class D Amplifier. (PDF; 1,3 MB) (Nicht mehr online verfügbar.) Maxim Integrated Products, Inc., 2014, archiviert vom Original am 14. Januar 2012; abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch, Datenblatt). i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/datasheets.maxim-ic.com
  14. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpa3255.pdf Datenblatt des TPA3255 bei Texas Instruments
  15. Matt Felder, Evan Ragsdale: Klasse-D-Verstärker mit Digitaleingang. Hüthig GmbH, 25. März 2013, abgerufen am 2. Januar 2017.
  16. David Jones: TAS5630B 300-W Stereo and 400-W Mono PurePath HD Analog-Input Power Stage. (PDF; 2,6 MB) Texas Instruments, November 2010, abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch, White Paper).
  17. Stefan Stark: A High-Power CMOS Class-D Amplifier for Inductive-Link Medical Transmitters. University College of London, August 2015, abgerufen am 2. Januar 2017 (englisch).
  18. Glen Ballou: Handbook for Sound Engineers. Hrsg.: Audio Engineering Society. Focal Press, 2015, S. 852 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).