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In diesem Artikel wird der Unterschied zwischen den verschiedenen Arten von Audioverstärkern erläutert, eingehend die Funktionsweise von Klasse-D-Verstärkern beschrieben und veranschaulicht, wie sie den Wirkungsgrad steigern sowie den Leistungsbedarf und die Größe reduzieren.
Audioschaltkreise für Handsets und tragbare IoT-Geräte erfordern als wichtige Merkmale eine niedrige Leistungsaufnahme, eine kompakte Größe und eine geringe Wärmeabgabe. Audioverstärker sind jedoch häufig ineffiziente Wärmeerzeuger, die sperrige Kühlkörper benötigen. Klasse-D- bzw. Digitalverstärker bieten eine gute Lösung für die Verringerung von Platz- und Leistungsbedarf.
Was die Schaltnetzteile für Spannungsversorgungsgeräte waren, sind die Klasse-D-Verstärker für die Audio-Wiedergabe. Ohne Klasse-D-Verstärker werden Audioeingänge als pulsweitenmodulierte Signale (PWM) kodiert, die Netzgeräte zwischen den Zuständen „Ein“ und „Aus“ schalten. Leistung wird dabei nur während der Übergänge abgegeben.
Diese „digitalen“ Verstärker erhöhen den Wirkungsgrad von Audioverstärkern um ein Vielfaches. Das führt zu einer geringeren Abwärme und physischen Größe. Zudem haben sich im Zuge jüngster Entwicklungen die Modulationsmuster so geändert, dass an den Ausgängen keine Tiefpassfilter mehr benötigt werden – was Größe und Komplexität noch weiter sinken lässt.
Analoge Leistungsverstärker
Bei der Entwicklung analoger Leistungsverstärker stand die Optimierung der Wiedergabetreue bei gleichzeitiger Erhöhung des Verstärkerwirkungsgrads im Vordergrund. Verstärker werden mit den Buchstaben A, B, AB bzw. C klassifiziert. Die Klassifizierung basiert auf ihrem Betriebs- oder Arbeitspunkt und dem Anteil des Eingangssignalzyklus, über den sie leiten (Abbildung 1).
Abbildung 1: Betriebspunkt und Signalleitung bei analogen Verstärkern der Klasse A, B, AB und C. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)
Klasse-A-Verstärker (links oben) leiten während des gesamten Zyklus des Eingangssignals. Am mittleren Punkt der Eingang-Ausgang-Betriebseigenschaften erfolgt ein Biasing. Die Signaltreue ist hervorragend, aber weil der Verstärker immer eingeschaltet ist (auch wenn kein Eingangssignal anliegt), ist der Wirkungsgrad meist klein.
Klasse-B-Verstärker (links unten) sollen den Wirkungsgrad durch Biasing des Verstärkers bei Abschaltung verbessern. Der Verstärker leitet nur für die Hälfte des Eingangszyklus. Normalerweise ist der Schaltkreis in einer Push-Pull-Topologie konfiguriert, um sowohl positive als auch negative Eingangsübergänge zu verstärken. Wenn kein Signal anliegt, leitet der Verstärker nicht. Das erhöht seinen Wirkungsgrad. Dieser Vorteil wird mit einem Verlust an Signaltreue erkauft. Sie ist Folge einer Übergangsverzerrung, die an den Übergangspunkten der Eingangspolarität auftreten kann.
Dem Problem der Übergangsverzerrung lässt sich durch leichte Verschiebung des Bias-Punktes des Verstärkers nach oben begegnen. Daraus resultiert der Klasse-AB-Verstärker (rechts oben). Dieser Verstärkertyp wird ebenfalls allgemein in einer Push-Pull-Konfiguration eingesetzt. Der Klasse-AB-Verstärker ist der gängigste Verstärkertyp bei der Audioverstärkung.
Der Klasse-C-Verstärker (rechts unten) ist so ausgelegt, dass er nur über einen sehr kleinen Teil des Eingangszyklus leitet. Es bietet einen hohen Wirkungsgrad, dafür über eine schlechte Signaltreue. Diese Verstärker finden Anwendung in RF-Systemen, bei denen die Ausgangslast ein Schwingkreis ist, der die richtige Wellenform wieder herstellt.
Strategien zur Verbesserung des Wirkungsgrades dieser analogen Verstärker zielen darauf ab, die Leitungsphase des Verstärkers auf die kleinstmögliche Dauer zu reduzieren (wie beim Klasse-C-Verstärker).
Klasse-D-Grundlagen
Beim Klasse-D-Verstärker wird ein anderer Ansatz verfolgt. Er arbeitet wie ein Schaltnetzteil (Abbildung 2).
Abbildung 2: Ein Klasse-D-Verstärker wandelt den analogen Eingang in eine PWM-Wellenform um, um FET-Schalter auf vollständig „Ein“ oder „Aus“ zu steuern. Der Tiefpassfilter des Ausgangs stellt die analoge Wellenform am Lautsprecher wieder her. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)
Der Klasse-D-Verstärker wandelt das analoge Eingangssignal in eine pulsweitenmodulierte (PWM) Wellenform um. Die PWM-Wellenform steuert die Push-Pull-FET-Endstufe bei jedem Impuls auf vollständig „Ein“ oder „Aus“. Ist einer der FETs eingeschaltet („Ein“), ist der durch ihn fließende Strom hoch, die Spannung jedoch sehr klein. Leistung wird also nur während der kurzen Übergänge zwischen Ein- und Aus-Status abgegeben. Ist der FET ausgeschaltet („Aus“), ist die Spannung analog dazu hoch, der Strom jedoch nahezu null. Auch hier erfolgt die Leistungsabgabe nur während der Statusübergänge.
Die Konvertierung der analogen Wellenform in eine PWM-Wellenform erfolgt durch Anlegen der analogen Wellenform an einen Eingang eines Komparators und gleichzeitiges Anlegen einer Dreiecks- oder Anstiegswellenform in der gewünschten Schaltfrequenz an den anderen Eingang (Abbildung 3). Die obere Kurve stellt die Eingangswellenform dar – in diesem Fall eine 10-kHz-Sinuswelle, die an einen Eingang eines Komparators angelegt wird. Die mittlere Kurve ist eine 250-kHz-Dreieckswelle, die auf den anderen Eingang des Komparators angelegt wird. Der Ausgang des Komparators ist die in der unteren Kurve gezeigte PWM-Wellenform. Die Pulsweite variiert mit der Amplitude des Eingangssignals.
Abbildung 3: Die Erzeugung eines PWM-Signals aus dem analogen Eingang erfordert das Eingangssignal (oben) und eine Dreiecks- oder Anstiegsfunktion (Mitte). Beide werden dann an die Eingänge eines Komparators angelegt, um ein PWM-Signal mit Pulsweiten zu erzeugen, die in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignal variieren (unten). (Bildquelle: Digi-Key Electronics)
Der Ausgang der FET-Push-Pull-Leistungsstufe ist ebenfalls ein PWM-Signal. Das wird an einen einfachen L-C-Tiefpassfilter (Induktor/Kondensator) angelegt, um die verstärkte analoge Wellenform wiederherzustellen. Die Frequenz der Dreieckswelle muss viel höher als die Eckfrequenz des Tiefpassfilters sein.
Eine Alternative zu PWM ist die Pulsdichte- bzw. Deltamodulation (PDM). Bei der PDM kommt eine Reihe von Rechteckimpulsen kurzer Dauer zum Einsatz, deren Dichte als Funktion der Amplitude des analogen Eingangs variiert. Sie wird mittels Sigma-Delta-Modulation erzeugt.
Die Verstärkung des Klasse-D-Verstärkers wird von der Busspannung beeinflusst. Er hat zwar eine schlechte Betriebsspannungsunterdrückung, wird jedoch mittels Rückkopplung um den Verstärker korrigiert. Das wird im Blockdiagramm von Abbildung 2 veranschaulicht, in dem die Rückkopplung aus dem Filtereingang stammt.
Der größte Vorteil von Klasse-D-Verstärkern ist ihr hoher Wirkungsgrad von über 90 %. Das ist viel mehr als beim besten analogen Verstärker, dem Klasse-AB-Verstärker, der einen Wirkungsgrad von 50 bis 70 % aufweist.
Ein hoher Wirkungsgrad ermöglicht eine kleinere physische Größe und unter Umständen sogar den Wegfall von Kühlkörpern und -lüftern. Bei mobilen Geräten schlägt sich der höhere Wirkungsgrad in einer längeren Batterielebensdauer nieder. Der Wirkungsgrad variiert in direkter Abhängigkeit von den Abgabeleistungspegeln und fällt mit sinkender Leistung.
Klasse-D-Verstärker – Topologien
Es gibt zwei allgemeine Topologien, die bei Klasse-D-Verstärkern zum Einsatz kommen. Die einfachere von beiden ist der in Abbildung 4 gezeigte Halbbrückenschaltkreis.
Abbildung 4: Die zwei häufig verwendeten Klasse-D-Topologien: Halb- und Vollbrückenkonfiguration. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)
Die Vollbrückentopologie, die als Brigde-Tied Load (BTL) bezeichnet wird, bietet den Vorteil einer im Vergleich zur Halbbrückenkonfiguration höheren Ausgangsleistung bei gleicher Versorgungsspannung. Bei der Halbbrücke schwingt der Filtereingang entweder zwischen den positiven oder den negativen Stromschienen. Beim BTL hingegen befindet sich die Last zwischen der positiven und negativen Schiene, wodurch sich gleichzeitig die an die Last angelegte Spannung verdoppelt und damit die Leistungsabgabe vervierfacht. Der BTL-Betrieb ermöglicht zudem den Einsatz einer einzelnen unipolaren Spannungsversorgung.
Filterlose Klasse-D-Verstärker
Mit dem als AD-Modulation bezeichneten traditionellen Klasse-D-Schaltsystem moduliert das Tastverhältnis die rechteckige Wellenform so, dass ihr Durchschnittswert der analogen Signalspannung des Eingangs entspricht. Die BTL-Ausgänge ergänzen einander. In diesem Ausgang gibt es keinen signifikanten Gleichtakt-Schaltanteil. Aufgrund des Durchschnittswertes der PWM-Schaltung gibt es jedoch eine Gleichtakt-DC-Spannung. Weil dieser DC-Spannungspegel an beiden Seiten der Last anliegt, erhöht er nicht die Leistungsabgabe an diese Last.
Ohne Eingang schaltet der Verstärker bei seiner PWM-Nennfrequenz und einem Tastverhältnis von 50 % an der Last. Dadurch fließt ein signifikanter Strom und wird viel Leistung an die Last abgegeben. Der L-C-Filter wird benötigt, um den Strom zur Erhöhung des Wirkungsgrades auf eine „Welligkeit“ zu senken. Je niedriger dieser Welligkeitsstrom ist, desto höher ist der Wirkungsgrad, weil die Leistungsabgabe an der Last und die Leitungsverluste über RDS(ein) der Ausgangs-FETs geringer sind.
Bei einem alternativen Modulationsmuster, das häufig als BD- oder filterlose Modulation bezeichnet wird, kommt ein Schaltsystem zum Einsatz, das das Tastverhältnis der Differenz des Ausgangssignals so moduliert, dass ihr Durchschnittswert dem analogen Eingangssignal entspricht. Die BTL-Ausgänge sind miteinander in Phase, wenn sie sich im Leerlauf befinden, und nicht komplementär. Das hat eine Spannungsdifferenz von null über die Last zur Folge, was seinerseits die Ruhestromaufnahme minimiert, ohne dass dafür ein Filter benötigt wird. Bei der BD-Modulation gibt es keinen signifikanten Gleichtaktanteil im Ausgang. Dieses Modulationsmuster baut auf die Eigeninduktivität des Lautsprechers und die Bandfiltercharakteristik des menschlichen Ohrs zur Wiederherstellung des Audiosignals.
Integrierte Schaltkreise von Klasse-D-Verstärkern
Der TPA3116D2DADR von Texas Instruments ist ein Klasse-D-Stereoverstärker mit einem Wirkungsgrad von > 90 %, der mehrere Ausgangsleistungskonfigurationen unterstützt, darunter 2 Kanäle mit jeweils 50 Watt in einer 4-Ω-BTL-Last bei 21 Volt. Andere Modelle der Familie unterstützen 2 Kanäle mit je 30-Watt in 8 Ω bei 24 Volt und 2 Kanäle mit 15 Watt in 8 Ω bei 15 Volt. Nur das Gerät mit der höchsten Ausgangsleistung benötigt einen Kühlkörper.
Die Geräte unterstützen Schaltfrequenzen von bis zu 1,2 MHz mit AM-Vermeidung zur Verhinderung von Interferenzen. Über ein einzelnes Eingangssteuerelement lassen sich verschiedene AD- oder BD-Modulationsmuster wählen. Inbegriffen sind integrierte Selbstschutzschaltkreise, einschließlich Überspannung, Unterspannung, Übertemperatur, DC-Erkennung und Kurzschluss mit Fehlermeldung Eine typische Konfiguration wird unter Verwendung des TINA-TI-Simulationstools von TI gezeigt (Abbildung 5).
Abbildung 5: Eine Simulation eines Klasse-D-Stereoverstärkers des Typs TPA3116D2DADR von TI mit der ungefilterten (VM3) und gefilterten (VM1) Ausgangswellenform bei BD-Modulation. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)
Der Schaltkreis arbeitet mit einer einzelnen 12-Volt-Versorgung und weist einen Ausgangsleistungspegel von 12,5 Watt in 4 Ω auf. Das virtuelle Oszilloskop zeigt den ungefilterten digitalen Ausgang (VM3) sowie den gefilterten Ausgang (VM1).
Der TPA3126D2DAD von Texas Instruments stellt gegenüber der TPA3116D2-Serie ein Performance-Upgrade dar. Das Gerät ist pinkompatibel mit den älteren IC und punktet mit einer wichtigen Verbesserung: Mittels eines proprietären hybriden Modulationsmusters wird der Leerlaufstrom um 70 % reduziert. Die Verringerung des Leerlaufstroms bei niedrigen Leistungsstufen verlängert die Lebensdauer der Batterie.
Die Entwicklung von Klasse-D-Verstärkern für den Niederleistungsbetrieb muss mit größerer Sorgfalt erfolgen. Wie bereits erwähnt, verhält sich der Wirkungsgrad proportional zum Leistungspegel. Niedrige Leistungspegel bedeuten in der Regel niedrigere Wirkungsgrade. Der TPA2001D2PWPR von Texas Instruments ist ein Klasse-D-Stereoverstärker der dritten Klasse-D-Generation mit 1 Watt pro Kanal. Er bietet einen niedrigen Versorgungsstrom, ein geringeres Grundrauschen und einen höheren Wirkungsgrad. Er wurde auf Basis des filterlosen Klasse-D-Modulationsmusters entwickelt und kommt ohne Ausgangsfilter aus. Das spart Teilekosten und Platinenplatz. Mit einer 5-Volt-Versorgung kann er bis zu 1 Watt pro Kanal in 8 Ω liefern.
Ein Referenzdesign ist als Evaluierungskarte erhältlich: Die TPA2001D2EVM ist ein Plug&Play-fähiger Klasse-D-Audioverstärker (Abbildung 6).
Abbildung 6: Ein Stereoverstärker mit 1 Watt pro Kanal auf Basis des Klasse-D-Verstärkers TPA2001D2. (Bildquelle: Texas Instruments)
Der mit BTL-Topologie arbeitende Verstärker ist im Grunde ein eigenständiges Gerät und benötigt nur wenige externe Komponenten.
Fazit
Klasse-D-Verstärker bieten niedrige Verluste und einen sehr hohen Wirkungsgrad bei hoher Leistung – und das in einem kompakten Paket, was den Einsatz bei portablen und batteriebetriebenen Geräten begünstigt. Dank Standard-ICs lassen sich diese Verstärker schnell und einfach einsetzen. Und jüngste Fortschritte ermöglichen den Verzicht auf Filter, was die Verstärker preiswerter und kompakter macht.