PWM-Endstufe

Klasse-D-Verstärker (engl. class-D amplifier) bzw. schaltende Verstärker sind elektrische Verstärker, welche unter anderem als Leistungsverstärker oder als Endstufe Anwendung finden. Kennzeichnend ist, dass das Audiosignal mittels eines geeigneten Verfahrens – wie beispielsweise des Prinzips der Pulsweitenmodulation (PWM) – in eine Folge von Pulsen gebracht wird. Dadurch wird es ermöglicht, die Endstufe im Schaltbetrieb zu betreiben, wodurch die Schaltelemente (praktisch immer Transistoren) entweder maximal leitend oder maximal isolierend sind (also nur zwei Zustände kennen) – dies sind (im Gegensatz zu den in konventionellen Klasse-A-, -B- oder -AB-Verstärkern benutzten Zwischenzuständen des linearen Betriebs) die beiden Arbeitsbereiche, in denen praktisch keine Verlustleistung erzeugt wird. Durch einen Rekonstruktionsfilter (Tiefpass) hinter der Leistungsstufe wird ein dem Eingangssignal entsprechender kontinuierlicher Spannungsverlauf erzeugt.

Die auch anzutreffenden Begriffe Digitalendstufen oder Digitalverstärker werden häufig fälschlich benutzt, da ein Klasse-D-Verstärker nicht unbedingt digital aufgebaut ist. Typischerweise sind Klasse-D-Verstärker analoge Verstärker ^[1].

Anwendungsbereiche

Übliche Einsatzbereiche finden diese Verstärker als Audioverstärker mit hoher Leistung bei hoher Energieeffizienz, hauptsächlich im Bereich von Beschallungsanlagen („PA-Anlagen“). 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.

Aufbau

Blockdiagramm einer PWM-Endstufe

Im Folgenden wird ein Verstärker mit analoger Pulsweitenmodulation (PWM) beschrieben. Es gibt verschiedene andere analoge und digitale Verfahren bzw. Verfeinerungen, denen jedoch gemeinsam ist, dass ein Signal mit nur zwei Spannungszuständen entsteht, dass 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 zu Verfügung stehende Spannung erreicht, arbeitet die PWM-Endstufe nach einem anderen Prinzip: Es schwingt ein symmetrisch arbeitender Dreiecksgenerator mit einer typischen Frequenz von ca. 250 kHz bis zu einigen MHz. Das anliegende Tonsignal wird mit 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 das Dreiecksignal kleiner, dann springt es 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 eigentlichen 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 besteht die Möglchkeit, eine Frequenzspreizung (engl. Spread Spectrum) anzuwenden. Damit werden die Störungen über einen größeren Frequenzbereich gestreut. Damit realisierte Klasse-D-Verstärker sind als sogenannte Spread Spectrum-Klasse-D-Verstärker erhältlich und benötigen am Aussgang keinen Tiefpassfilter ^[2].

Vorteile

Vorteile sind, bedingt durch den höheren Wirkungsgrad, welcher typischerweise über 70 % liegt, geringere Wärmeverluste und damit einhergehend geringerer Energieverbrauch. Durch die geringeren notwendigen Vorkehrungen zur Wärmeabfuhr (Kühlkörper) bedingt sich das erheblich niedrigere Gewicht gegenüber konventionellen Geräten. Bei batteriebetrieben Geräten ergibt sich eine erhöhte Batterielaufzeit.

Nachteile

Es ergeben sich durch die PWM-Frequenz Verzerrungen des Audiosignals, welche 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 höheren THD-Wert auf, welcher typisch um 1 % liegt und bei maximaler Leistung bis zu 10 % betragen kann.

Digitale Verstärker

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

How to maximise power efficiency and minimise noise when using Class-D amplifiers (englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ Comparison of feedback implementations for digital audio amplifiers Artikel auf Audio DesignLine
2. ↑ Datenblatt MAX9709, filterloser Spread-Spectrum Klasse-D-Verstärker mit 25W/50W