Klasse-D-Verstärker – Wikipedia

Blockschaltbild eines einfachen Schalt- oder PWM (Klasse-D)-Verstärkers.
Hinweis: Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Signalperioden nicht maßstabsgetreu dargestellt.

Audioverstärker basierend auf digitaler Umschaltung

EIN Klasse-D-Verstärker oder Schaltverstärker ist ein elektronischer Verstärker, bei dem die verstärkenden Bauelemente (Transistoren, normalerweise MOSFETs) als elektronische Schalter und nicht als Bauelemente mit linearer Verstärkung wie bei anderen Verstärkern arbeiten. Sie arbeiten durch schnelles Hin- und Herschalten zwischen den Versorgungsschienen, wobei sie von einem Modulator gespeist werden, der Pulsbreite, Pulsdichte oder verwandte Techniken verwendet, um den Audioeingang in eine Pulsfolge zu codieren. Das Audio entweicht durch einen einfachen Tiefpassfilter in den Lautsprecher. Die Hochfrequenzimpulse werden gesperrt. Da die Ausgangstransistorpaare nie gleichzeitig leitend sind, gibt es außer dem Tiefpassfilter/Lautsprecher keinen anderen Weg für den Stromfluss. Aus diesem Grund kann der Wirkungsgrad 90% überschreiten.

Geschichte[edit]

Der erste Class-D-Verstärker wurde in den 1950er Jahren vom britischen Wissenschaftler Alec Reeves erfunden und 1955 erstmals so genannt. Das erste kommerzielle Produkt war ein Kit-Modul namens X-10, das 1964 von Sinclair Radionics herausgebracht wurde eine Ausgangsleistung von nur 2,5 Watt. Der Sinclair X-20 im Jahr 1966 produzierte 20 Watt, litt jedoch unter den Inkonsistenzen und Einschränkungen der zu dieser Zeit erhältlichen Germanium-basierten BJT-Transistoren (Bipolar-Junction-Transistor). Als Ergebnis waren diese frühen Klasse-D-Verstärker unpraktisch und erfolglos. Praktische Klasse-D-Verstärker wurden später durch die Entwicklung der siliziumbasierten MOSFET-Technologie (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ermöglicht. 1978 stellte Sony mit dem TA-N88 das erste Klasse-D-Gerät mit Leistungs-MOSFETs und einem Schaltnetzteil vor. In der Folge gab es zwischen 1979 und 1985 eine rasante Entwicklung in der VDMOS-Technologie (Vertical DMOS). Die Verfügbarkeit kostengünstiger, schnell schaltender MOSFETs führte Mitte der 1980er Jahre zum Erfolg von Class-D-Verstärkern.^[1] Die erste integrierte Schaltung auf Basis eines Class-D-Verstärkers wurde 1996 von Tripath herausgebracht und fand breite Anwendung.^[2]

Grundbetrieb[edit]

Klasse-D-Verstärker arbeiten, indem sie eine Folge von Rechteckimpulsen mit fester Amplitude, aber unterschiedlicher Breite und Trennung oder variierender Anzahl pro Zeiteinheit erzeugen, die die Amplitudenänderungen des analogen Audioeingangssignals darstellen. Der Takt des Modulators kann sich mit einem eingehenden digitalen Audiosignal synchronisieren, wodurch die Notwendigkeit entfällt, das Signal in ein analoges Signal umzuwandeln. Der Ausgang des Modulators wird dann verwendet, um die Ausgangstransistoren abwechselnd ein- und auszuschalten. Es wird sorgfältig darauf geachtet, dass das Transistorpaar niemals zusammen leitet, da dies zu einem Kurzschluss zwischen den Versorgungsschienen durch die Transistoren führen würde. Da die Transistoren entweder vollständig “ein” oder vollständig “aus” sind, verbringen sie sehr wenig Zeit im linearen Bereich und verbrauchen sehr wenig Leistung. Dies ist der Hauptgrund für ihre hohe Effizienz. Ein einfacher Tiefpassfilter, bestehend aus einer Induktivität und einem Kondensator, bietet einen Weg für die tiefen Frequenzen des Audiosignals und lässt die hochfrequenten Impulse zurück. In kostensensiblen Anwendungen wird der Ausgangsfilter manchmal weggelassen. Die Schaltung stützt sich dann auf die Induktivität des Lautsprechers, um zu verhindern, dass die HF-Komponente die Schwingspule aufheizt.

Der Aufbau einer Class-D-Leistungsstufe ist in etwa vergleichbar mit dem eines synchron gleichgerichteten Abwärtswandlers (eine Art nicht isoliertes Schaltnetzteil (SMPS)), arbeitet aber rückwärts. Während Abwärtswandler normalerweise als Spannungsregler fungieren, eine konstante Gleichspannung an eine variable Last liefern und nur Strom liefern können (Ein-Quadranten-Betrieb), liefert ein Klasse-D-Verstärker eine sich ständig ändernde Spannung an eine feste Last, wobei Strom und Spannung kann das Vorzeichen unabhängig ändern (Vierquadrantenbetrieb). Ein Schaltverstärker darf nicht mit Linearverstärkern verwechselt werden, die ein SMPS als Gleichstromquelle verwenden. Ein Schaltverstärker kann jede Art von Stromversorgung verwenden (zB eine Autobatterie oder ein internes SMPS), aber die entscheidende Eigenschaft ist, dass der Verstärkungsprozess selbst durch Schalten funktioniert. Im Gegensatz zu einem SMPS hat der Verstärker eine viel wichtigere Aufgabe, um unerwünschte Artefakte vom Ausgang fernzuhalten. Feedback wird aus den gleichen Gründen wie bei herkömmlichen analogen Verstärkern fast immer verwendet, um Rauschen und Verzerrungen zu reduzieren.

Die theoretische Leistungseffizienz von Klasse-D-Verstärkern beträgt 100 %. Das heißt, die gesamte ihm zugeführte Leistung wird an die Last abgegeben, keine wird in Wärme umgewandelt. Dies liegt daran, dass ein idealer Schalter in seinem “Ein”-Zustand den gesamten Strom leiten würde, aber keinen Spannungsverlust darüber hätte, sodass keine Wärme abgeleitet würde. Und wenn es ausgeschaltet ist, würde es die volle Versorgungsspannung haben, aber es fließt kein Leckstrom und es würde auch keine Wärme abgeführt. Leistungs-MOSFETs in der Praxis sind keine idealen Schalter, aber praktische Wirkungsgrade von weit über 90 % sind üblich. Im Gegensatz dazu werden lineare Verstärker der AB-Klasse immer sowohl mit durchfließendem Strom als auch mit Spannung betrieben, die über den Leistungsbauelementen anliegt. Ein idealer Class-B-Verstärker hat einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad von 78 %. Class-A-Verstärker (rein linear, mit den Geräten immer “on”) haben einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad von 50% und einige Versionen haben Wirkungsgrade unter 20%.

Terminologie[edit]

Der Begriff “Klasse D” wird manchmal als “digitaler” Verstärker missverstanden. Während einige Klasse-D-Verstärker tatsächlich durch digitale Schaltungen gesteuert werden können oder digitale Signalverarbeitungsvorrichtungen enthalten, verarbeitet die Leistungsstufe Spannung und Strom als Funktion der nicht quantisierten Zeit. Die kleinste Menge an Rauschen, Timing-Unsicherheit, Spannungswelligkeit oder jede andere Nichtidealität führt sofort zu einer irreversiblen Änderung des Ausgangssignals. Dieselben Fehler in einem digitalen System führen nur dann zu falschen Ergebnissen, wenn sie so groß werden, dass ein eine Ziffer repräsentierendes Signal bis zur Unkenntlichkeit verzerrt wird. Bis dahin haben Nichtidealitäten keinen Einfluss auf das übertragene Signal. Im Allgemeinen werden digitale Signale sowohl in Amplitude als auch in Wellenlänge quantisiert, während analoge Signale in einer (zB PWM) oder (normalerweise) keiner Menge quantisiert werden.

Signalmodulation[edit]

Die 2-Level-Wellenform wird mithilfe von Pulsweitenmodulation (PWM), Pulsdichtemodulation (manchmal als Pulsfrequenzmodulation bezeichnet), Sliding-Mode-Steuerung (im Fachhandel häufiger als “selbstoszillierende Modulation” bezeichnet) abgeleitet.^[3]) oder zeitdiskrete Modulationsformen wie Delta-Sigma-Modulation.^[4]

Die einfachste Methode zur Erzeugung des PWM-Signals ist die Verwendung eines Hochgeschwindigkeitskomparators (“C” im obigen Blockschaltbild), das eine hochfrequente Dreieckswelle mit dem Audioeingang vergleicht. Dies erzeugt eine Reihe von Impulsen, deren Tastverhältnis direkt proportional zum Momentanwert des Audiosignals ist. Der Komparator steuert dann ein MOS-Gatter an Treiber, der wiederum ein Paar Hochleistungsschalter (normalerweise MOSFETs) ansteuert. Dies erzeugt eine verstärkte Nachbildung des PWM-Signals des Komparators. Der Ausgangsfilter entfernt die hochfrequenten Schaltkomponenten des PWM-Signals und gewinnt die Audioinformationen zurück, die der Lautsprecher Kann benutzen.

DSP-basierte Verstärker, die direkt aus einem digitalen Audiosignal (zB SPDIF) ein PWM-Signal erzeugen, verwenden entweder einen Zähler, um die Pulslänge zu messen^[5] oder implementieren ein digitales Äquivalent eines auf Dreieck basierenden Modulators. In beiden Fällen beträgt die von praktischen Taktfrequenzen gebotene Zeitauflösung nur einige Hundertstel einer Schaltperiode, was nicht ausreicht, um ein geringes Rauschen zu gewährleisten. Tatsächlich wird die Pulslänge quantisiert, was zu einer Quantisierungsverzerrung führt. In beiden Fällen wird eine negative Rückkopplung innerhalb der digitalen Domäne angewendet, wodurch ein Rauschformer gebildet wird, der im hörbaren Frequenzbereich ein geringeres Rauschen aufweist.

Designherausforderungen[edit]

Schaltgeschwindigkeit[edit]

Zwei wesentliche Designherausforderungen für MOSFET-Treiberschaltungen in Klasse-D-Verstärkern bestehen darin, die Totzeiten und den Linearmodus so kurz wie möglich zu halten. “Totzeit” ist die Zeit während eines Schaltübergangs, wenn beide Ausgangs-MOSFETs in den Sperrmodus getrieben werden und beide “aus” sind. Totzeiten müssen so kurz wie möglich sein, um ein genaues, verzerrungsarmes Ausgangssignal aufrechtzuerhalten, aber zu kurze Totzeiten führen dazu, dass der einschaltende MOSFET beginnt zu leiten, bevor der MOSFET, der sich ausschaltet, aufgehört hat zu leiten. Die MOSFETs schließen die Ausgangsstromversorgung effektiv durch sich selbst in einem Zustand kurz, der als “Shoot-Through” bekannt ist. In der Zwischenzeit müssen die MOSFET-Treiber die MOSFETs auch so schnell wie möglich zwischen den Schaltzuständen ansteuern, um die Zeitdauer eines MOSFET im linearen Modus zu minimieren – dem Zustand zwischen Abschaltmodus und Sättigungsmodus, in dem der MOSFET weder vollständig eingeschaltet noch vollständig ist aus und leitet Strom mit einem erheblichen Widerstand, wodurch eine erhebliche Wärme entsteht. Treiberausfälle, die Shoot-Through und/oder zu viel Linearmodus ermöglichen, führen zu übermäßigen Verlusten und manchmal zu einem katastrophalen Ausfall der MOSFETs.^[6] Es gibt auch Probleme bei der Verwendung von PWM für den Modulator; Wenn sich der Audiopegel 100 % nähert, kann die Impulsbreite so schmal werden, dass die Reaktionsfähigkeit der Treiberschaltung und des MOSFET in Frage gestellt wird. Diese Pulse können nur wenige Nanosekunden lang sein und können zu den oben genannten unerwünschten Bedingungen des Durchschusses und/oder des linearen Modus führen. Aus diesem Grund können andere Modulationsverfahren wie die Pulsdichtemodulation dem theoretischen Wirkungsgrad von 100 % näher kommen als PWM.

Elektromagnetische Interferenz[edit]

Die Schaltleistungsstufe erzeugt sowohl hohe dV/dt als auch dI/dt, die immer dann zu Strahlungsemissionen führen, wenn irgendein Teil der Schaltung groß genug ist, um als Antenne zu wirken. In der Praxis bedeutet dies, dass die Verbindungsdrähte und -kabel die effizientesten Strahler sind. Daher sollten die größten Anstrengungen unternommen werden, um zu verhindern, dass Hochfrequenzsignale diese erreichen:

• Vermeiden Sie kapazitive Einkopplungen von Schaltsignalen in die Verkabelung.
• Vermeiden Sie induktive Einkopplungen von verschiedenen Stromschleifen der Endstufe in die Verkabelung.
• Verwenden Sie eine ununterbrochene Masseebene und gruppieren Sie alle Anschlüsse, um eine gemeinsame HF-Referenz für Entkopplungskondensatoren zu haben
• Beziehen Sie die äquivalente Serieninduktivität von Filterkondensatoren und die parasitäre Kapazität von Filterinduktivitäten in das Schaltungsmodell ein, bevor Sie Komponenten auswählen.
• Wo immer ein Nachschwingen auftritt, lokalisieren Sie die induktiven und kapazitiven Teile des Resonanzkreises, die es verursachen, und verwenden Sie parallele RC- oder serielle RL-Snubber, um den Q-Wert der Resonanz zu reduzieren.
• Lassen Sie die MOSFETs nicht schneller schalten als nötig, um die Effizienz- oder Verzerrungsanforderungen zu erfüllen. Verzerrungen werden durch negatives Feedback leichter reduziert als durch schnelleres Schalten.

Netzteildesign[edit]

Class-D-Verstärker stellen eine zusätzliche Anforderung an ihre Stromversorgung, nämlich dass sie die von der Last zurückkommende Energie aufnehmen kann. Reaktive (kapazitive oder induktive) Lasten speichern während eines Teils eines Zyklus Energie und geben einen Teil dieser Energie später wieder ab. Linearverstärker führen diese Energie ab, Klasse-D-Verstärker geben sie an die Stromversorgung zurück, die sie irgendwie speichern können sollte. Darüber hinaus übertragen Halbbrücken-Klasse-D-Verstärker abhängig vom Vorzeichen des Ausgangsstroms Energie von einer Versorgungsschiene (zB der positiven Schiene) auf die andere (zB der negativen). Dies geschieht unabhängig davon, ob die Last ohmsch ist oder nicht. Die Versorgung sollte entweder auf beiden Schienen genügend kapazitiven Speicher haben oder diese Energie zurück übertragen können.^[7]

Aktive Geräteauswahl[edit]

Die aktiven Geräte in einem Klasse-D-Verstärker müssen nur als gesteuerte Schalter fungieren und müssen nicht besonders linear auf den Steuereingang reagieren. Üblicherweise werden Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren verwendet. Vakuumröhren können als Leistungsschaltgeräte in Class-D-Audioverstärkern verwendet werden. ^[8]

Fehlerkontrolle[edit]

Die tatsächliche Leistung des Verstärkers hängt nicht nur vom Inhalt des modulierten PWM-Signals ab. Die Versorgungsspannung moduliert die Ausgangsspannung direkt amplitudenmoduliert, Totzeitfehler machen die Ausgangsimpedanz nichtlinear und das Ausgangsfilter hat einen stark lastabhängigen Frequenzgang. Ein wirksames Mittel zur Bekämpfung von Fehlern, unabhängig von ihrer Quelle, ist negatives Feedback. Eine Rückkopplungsschleife einschließlich der Endstufe kann mit einem einfachen Integrator erstellt werden. Um den Ausgangsfilter einzubeziehen, wird ein PID-Regler verwendet, manchmal mit zusätzlichen integrierenden Termen. Die Notwendigkeit, das eigentliche Ausgangssignal in den Modulator zurückzuspeisen, macht die direkte Erzeugung von PWM aus einer SPDIF-Quelle unattraktiv.^[9] Um die gleichen Probleme in einem Verstärker ohne Rückkopplung zu mildern, muss jedes einzeln an der Quelle behandelt werden. Die Modulation der Stromversorgung kann teilweise aufgehoben werden, indem die Versorgungsspannung gemessen wird, um die Signalverstärkung anzupassen, bevor die PWM berechnet wird^[10] und Verzerrungen können durch schnelleres Umschalten reduziert werden. Die Ausgangsimpedanz kann nur durch Rückkopplung gesteuert werden.

Vorteile[edit]

Der Hauptvorteil eines Klasse-D-Verstärkers besteht darin, dass er effizienter als ein linearer Verstärker sein kann und weniger Leistung als Wärme in den aktiven Geräten abgegeben wird. Da keine großen Kühlkörper erforderlich sind, sind Klasse-D-Verstärker viel leichter als Klasse-A-, B- oder AB-Verstärker, ein wichtiger Aspekt bei tragbaren Beschallungssystemen und Bassverstärkern. Ausgangsstufen, wie sie in Pulsgeneratoren verwendet werden, sind Beispiele für Klasse-D-Verstärker. Der Begriff bezieht sich jedoch hauptsächlich auf Leistungsverstärker, die Audiosignale mit einer Bandbreite deutlich unterhalb der Schaltfrequenz wiedergeben sollen.

Boss Audio Mono-Verstärker. Die Endstufe ist oben links, die Ausgangsdrosseln sind die beiden gelben Ringkerne darunter.

• Heimkino-in-a-Box-Systeme. Diese sparsamen Heimkinosysteme sind fast durchgängig mit Class-D-Verstärkern ausgestattet. Aufgrund der bescheidenen Leistungsanforderungen und des einfachen Designs ist die direkte Konvertierung von digitalem Audio zu PWM ohne Feedback am häufigsten.
• Mobiltelefone. Der interne Lautsprecher wird mit bis zu 1 W betrieben. Klasse D wird verwendet, um die Batterielebensdauer zu verlängern.
• Hörgeräte. Der Miniaturlautsprecher (bekannt als Receiver) wird direkt von einem Klasse-D-Verstärker angesteuert, um die Batterielebensdauer zu maximieren und kann Sättigungspegel von 130 dB SPL oder mehr bieten.
• Aktivlautsprecher
• High-End-Audio ist im Allgemeinen konservativ in Bezug auf die Einführung neuer Technologien, aber Klasse-D-Verstärker sind aufgetaucht^[11]
• Aktive Subwoofer
• Beschallungssysteme. Bei sehr hoher Leistungsverstärkung ist der Leistungsverlust von AB-Verstärkern nicht akzeptabel. Als Class-D sind Verstärker mit mehreren Kilowatt Ausgangsleistung erhältlich. Es sind Class-D-Leistungsverstärker mit einer Nennleistung von 1500 W pro Kanal erhältlich, die jedoch nur 21 kg wiegen.^[12]
• Verstärkung von Bassinstrumenten
• Hochfrequenzverstärker können Klasse D oder andere Schaltmodusklassen verwenden, um eine hocheffiziente HF-Leistungsverstärkung in Kommunikationssystemen bereitzustellen. ^[13]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]