Wie arbeitet ein Class-D-Verstärker?

Analoge Leistungsverstärker können auch mithilfe von Schaltverstärkern aufgebaut werden, indem ein analoges Signal zunächst mit einem Analog-digital-Umsetzer (ADU/ADC) in ein pulsweitenmoduliertes Schaltsignal umgewandelt wird. Das digitale Signal wird dann verstärkt und mit Hilfe eines  passiven Tiefpass-Filters wieder in eine sich stetig veränderliche Spannung zurückgewandelt. Diese Methode wird bei Audioverstärkern als Class-D-Verstärker bezeichnet.  Anders als bei konventionellen Verstärkern im Class-A- oder Class-B-Betrieb verstärkt der Class-D-Verstärker keine lineare Spannung. Stattdessen arbeiten die Transistoren der Leistungsstufe als sehr schnelle Schalter, die wie in der digitalen Welt üblich nur zwei Zustände kennen – den geöffneten und den geschlossenen: Null und Eins. Um die hohe Schaltgeschwindigkeit zu erreichen, werden an dieser Stelle häufig Power-MOSFETs verwendet. Schaltendstufe müssen mit einem binären Signal angesteuert werden. Ein Rechtecksignal mit einer Frequenz im nicht hörbaren Bereich (0,5 bis 2 Megahertz) dient dabei als Träger des Steuersignals. Dieses bestimmt die Häufigkeit des Ein-, und Ausschaltvorgangs der Transistoren. Das Ergebnis ist ein frequenzgleiches Signal am Ausgang aber mit größerer Amplitude. Bei der Übertragung von Musik muss der Träger noch zusätzlich mit dem Audiosignal moduliert werden. Dafür wird häufig ein Sigma-Delta-Modulator verwendet. Als Konverterschaltung wandelt dieser ein beliebiges, bandbegrenztes analoges Signal in ein digitales 1-Bit-Ausgangssignal. Das Ausgangssignal wird dabei durch das Eingangssignal in der Pulsdichte moduliert, das modulierte Signal anschließend von der Schaltentstufe übertragen und dabei verstärkt. Um abschließend die hohe Trägerfrequenz aus dem Signal zu Filtern wird ein zusätzlicher Tiefpassfilter integriert. Wichtig bei der Konstruktion digitaler Verstärker ist die Ansteuerung der Schalttransistoren um Störungen (unterschiedliche Ein- und Ausschaltzeiten, Kurvenformverzerrungen, Versorgungsspannungsstörungen) durch nicht lineares Schaltverhalten zu vermeiden. Deswegen  sollte gewährleistet sein, dass die Schalttransistoren möglichst immer im idealen Bereiche arbeiten. Die Vorteile einer Schaltendstufe liegen in der geringeren Verlustleistung und damit einem hohen Wirkungsgrad, der über 90 Prozent liegen kann. Außerdem sind selbst bei kleinen Baugrößen und geringem Gewicht – es werden keine Kühlkörper oder Netztrafos benötigt – hohe Endleistungen möglich. Eine voll digitalisierte Signalkette ermöglicht es zudem, den geringen Rauschabstand digitaler Medien bis zum Lautsprecher zu transportieren. Über die klanglichen Eigenschaften lässt sich aber nach wie vor vortrefflich streiten. Der vermeintlich sterile und kühle Klang digitaler Signalbearbeitung eilt ihr nach wie vor voraus.

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