Audio Verstärkerklassen

 

 

Verstärker werden entsprechend ihrer Konstruktions- und Betriebseigenschaften in Klassen eingeteilt.

 

Nicht alle Verstärker sind gleich und es gibt eine klare Unterscheidung in der Art und Weise, wie ihre Endstufen konfiguriert und betrieben werden. Die Haupteigenschaften eines idealen Verstärkers sind Linearität, Signalverstärkung, Wirkungsgrad und Ausgangsleistung, aber in realen Verstärkern gibt es immer einen Kompromiss zwischen diesen verschiedenen Eigenschaften. In der Regel werden in den Endstufen von Audioverstärkersystemen große Signal- oder Leistungsverstärker eingesetzt, um eine Lautsprecherlast anzutreiben. Ein typischer Lautsprecher hat eine Impedanz zwischen 4Ω und 8Ω, daher muss ein Leistungsverstärker in der Lage sein, die hohen Spitzenströme zu liefern, die zur Ansteuerung des niederohmigen Lautsprechers erforderlich sind.

Eine Methode zur Unterscheidung der elektrischen Eigenschaften verschiedener Verstärkertypen ist die „Klasse“, und als solche werden die Verstärker entsprechend ihrer Schaltungskonfiguration und Betriebsweise klassifiziert. Der Begriff Verstärker-Klassen wird also verwendet, um zwischen den verschiedenen Verstärkertypen zu unterscheiden. Verstärkerklassen stellen den Umfang des Ausgangssignals dar, der innerhalb der Verstärkerschaltung über einen Betriebszyklus variiert, wenn er durch ein sinusförmiges Eingangssignal angeregt wird. Die Klassifizierung der Verstärker reicht vom rein linearen Betrieb (für den Einsatz in der High-Fidelity-Signalverstärkung) mit sehr niedrigem Wirkungsgrad bis hin zum völlig nichtlinearen Betrieb (bei dem eine getreue Signalwiedergabe nicht so wichtig ist), aber mit einem viel höheren Wirkungsgrad, während andere einen Kompromiss zwischen beiden darstellen.

Verstärkerklassen werden hauptsächlich in zwei Grundgruppen eingeteilt. Die ersten sind die klassisch gesteuerten Leitungswinkelverstärker, die die gebräuchlicheren Verstärkerklassen A, B, AB und C bilden, welche durch die Länge ihres Leitungszustandes über einen Teil der Ausgangswellenform definiert sind, so dass der Transistorbetrieb der Endstufe irgendwo zwischen „fully-ON“ und „fully-OFF“ liegt. Die zweite Gruppe von Verstärkern sind die neueren sogenannten „schaltenden“ Verstärkerklassen von D, E, F, G, S, T usw., die digitale Schaltungen und Pulsweitenmodulation (PWM) verwenden, um das Signal ständig zwischen „fully-ON“ und „fully-OFF“ umzuschalten und den Ausgang hart in die Sättigungs- und Abschaltbereiche der Transistoren zu treiben. Die am häufigsten konstruierten Verstärkerklassen sind diejenigen, die als Audioverstärker verwendet werden, hauptsächlich Klasse A, B, AB und C, und um die Dinge einfach zu halten, werden wir uns diese Arten von Verstärkerklassen hier näher ansehen.

 

Verstärker der Klasse A

Verstärker der Klasse A sind vor allem wegen ihres einfachen Aufbaus die gebräuchlichste Verstärkerklasse. Klasse A, bedeutet wörtlich „die beste Klasse“ der Verstärker, vor allem wegen ihrer geringen Signalverzerrungen und ist wahrscheinlich die mit dem besten Klang von allen hier genannten Verstärkerklassen. Ein Verstärker der Klasse A hat die höchste Linearität gegenüber den anderen Verstärkerklassen und arbeitet als solcher im linearen Teil der Kennlinie.

Im Allgemeinen verwenden Verstärker der Klasse A denselben einzelnen Transistor (Bipolar, FET, IGBT usw.), der in einer Common Emitterkonfiguration für beide Hälften der Wellenform angeschlossen ist, wobei immer Strom durch dern Transistor fließt, auch wenn er kein Basissignal hat. Das bedeutet, dass die Endstufe, ob mit einem Bipolar-, MOSFET- oder IGBT-Baustein, nie vollständig in ihren Cut-Off- oder Sättigungsbereich gefahren wird, sondern in der Mitte ihrer Lastlinie einen Basis-Vorspannungspunkt hat. Damit schaltet der Transistor nie „AUS“, was einer seiner Hauptnachteile ist.

 

 

Um eine hohe Linearität und Verstärkung zu erreichen, ist die Endstufe eines Klasse-A-Verstärkers ständig „EIN“ (leitend) vorgespannt. Damit ein Verstärker als „Klasse A“ klassifiziert werden kann, muss der Nullsignal-Leerstrom in der Endstufe gleich oder größer dem maximalen Laststrom (in der Regel ein Lautsprecher) sein, der zur Erzeugung des größten Ausgangssignals benötigt wird. Da ein Klasse-A-Verstärker im linearen Teil seiner Kennlinien arbeitet, durchläuft das einzelne Ausgabegerät volle 360 Grad der Ausgangswellenform. Dann ist der Verstärker der Klasse A einer Stromquelle äquivalent.

Da ein Verstärker der Klasse A im linearen Bereich arbeitet, sollte die DC-Vorspannung der Transistoren richtig gewählt werden, um einen korrekten Betrieb und geringe Verzerrungen zu gewährleisten. Weil das Ausgabegerät jedoch immer „ON“ ist, führt es ständig Strom, was einen kontinuierlichen Leistungsverlust im Verstärker bedeutet. Durch diesen kontinuierlichen Verlust an Leistung erzeugen Verstärker der Klasse A enorme Wärmemengen, die zu ihrem sehr niedrigen Wirkungsgrad von ca. 30% beitragen, was sie für Hochleistungsverstärker unpraktisch macht. Auch wegen des hohen Leerlaufstroms des Verstärkers muss das Netzteil entsprechend dimensioniert und gut gefiltert sein, um ein Brummen und Rauschen des Verstärkers zu vermeiden. Aufgrund des geringen Wirkungsgrades und der Überhitzungsprobleme von Class-A-Verstärkern wurden daher effizientere Verstärkerklassen entwickelt.

 

Verstärker der Klasse B

Klasse-B-Verstärker wurden als Lösung für die Effizienz- und Erwärmungsprobleme des Klasse-A-Verstärkers entwickelt. Der Basisverstärker der Klasse B verwendet zwei komplementäre Transistoren entweder bipolar oder FET für jede Hälfte der Wellenform, wobei die Ausgangsstufe in einer „Push-Pull“-Anordnung konfiguriert ist, so dass jedes Transistorbauelement nur die Hälfte der Ausgangswellenform verstärkt.

Im Verstärker der Klasse B gibt es keinen DC-Basisvorspannungsstrom, da sein Ruhestrom Null ist, so dass die Gleichstromleistung klein ist und somit der Wirkungsgrad wesentlich höher ist als beim Verstärker der Klasse A. Der Preis für die Verbesserung des Wirkungsgrades liegt jedoch in der Linearität des Schaltgerätes.

 

 

Wenn das Eingangssignal positiv wird, leitet der positive vorgespannte Transistor, während der negative Transistor „AUS“ geschaltet wird. Wenn das Eingangssignal negativ wird, schaltet der positive Transistor „AUS“, während der negative vorgespannte Transistor „EIN“ schaltet und den negativen Teil des Signals leitet. Der Transistor leitet also nur die Hälfte der Zeit, entweder bei positivem oder negativem Halbzyklus des Eingangssignals. Wir sehen, dass jedes Transistorbauteil des Klasse-B-Verstärkers nur bei einer Hälfte oder 180 Grad der Ausgangswellenform in strengem Zeitwechsel leitet, und die beiden Hälften werden miteinander kombiniert, um die volle lineare Ausgangswellenform zu erzeugen.

Dieses Push-Pull-Design des Verstärkers ist mit ca. 50% offensichtlich effizienter als Klasse A, aber das Problem mit dem Class B-Verstärkerdesign ist, dass es aufgrund des Totbandes zwischen -0,7V bis +0,7V Verzerrungen am Nulldurchgang der Wellenform erzeugen kann. Wir erinnern uns aus dem Transistor-Tutorial, dass es eine Basis-Emitter-Spannung von etwa 0,7 Volt braucht, um einen Bipolartransistor zum Leiten zu bringen. In einem Verstärker der Klasse B wird der Ausgangstransistor also erst dann in den Betriebszustand „EIN“ geschaltet, wenn diese Spannung überschritten wird.

Das bedeutet, dass der Teil der Wellenform, der innerhalb dieses 0,7-Volt-Fensters liegt, nicht genau wiedergegeben wird, was den Klasse-B-Verstärker für Präzisions-Audioverstärker-Anwendungen ungeeignet macht. Um diese Übernahmeverzerrung (auch bekannt als Crossover Verzerrung) zu überwinden, wurden Verstärker der Klasse AB entwickelt.

 

Verstärker der Klasse AB

Wie der Name schon sagt, ist der Class AB-Verstärker eine Kombination aus den oben genannten Verstärkern vom Typ „Klasse A“ und „Klasse B“. Klasse AB-Verstärker sind derzeit eine der am häufigsten verwendeten Arten von Audio-Endstufen. Der Klasse-AB-Verstärker ist eine Variante eines Klasse-B-Verstärkers wie oben beschrieben, mit der Ausnahme, dass beide Geräte gleichzeitig am Übergangspunkt leiten, wodurch die Probleme der Übernahmeverzerrung des Klasse-B-Verstärkers beseitigt werden.

Die beiden Transistoren haben eine sehr kleine Vorspannung, typischerweise bei 5 bis 10% des Ruhestroms, um die Transistoren knapp über ihrem Cut-Off-Punkt vorzuspannen. Dann ist das leitende Gerät, entweder bipolar oder FET, für mehr als einen halben Zyklus „EIN“, aber viel weniger als einen vollen Zyklus des Eingangssignals. Daher ist in einem Class-AB-Verstärkerdesign jeder der Gegentakttransistoren für etwas mehr als den halben Leitungszyklus der Klasse B, aber viel weniger als der gesamte Leitungszyklus der Klasse A leitend. Mit anderen Worten, der Leitungswinkel eines Class-AB-Verstärkers liegt zwischen 180 und 360 Grad, abhängig vom gewählten Bias-Punkt, wie dargestellt.

 

 

Der Vorteil dieser kleinen Vorspannung, die von Seriendioden oder Widerständen geliefert wird, besteht darin, dass die durch die Klasse-B-Verstärkereigenschaften verursachte Crossover Verzerrung überwunden wird, ohne die Ineffizienzen des Klasse-A-Verstärkerdesigns. Der Verstärker der Klasse AB ist also ein guter Kompromiss zwischen Klasse A und Klasse B in Bezug auf Wirkungsgrad und Linearität, mit Unwandlungswirkungsgraden von ca. 50% bis 60%.

 

Verstärker der Klasse C

Der Verstärker der Klasse C hat den größten Wirkungsgrad, aber die schlechteste Linearität aller hier genannten Verstärkerklassen. Die Klassen A, B und AB gelten als lineare Verstärker, da die Ausgangssignale Amplitude und Phase linear auf die Eingangssignale Amplitude und Phase bezogen sind. Verstärker der Klasse C sind jedoch stark vorgespannt, so dass der Ausgangsstrom für mehr als die Hälfte eines sinusförmigen Eingangssignalzyklus Null und der Transistor im Leerlauf ist. Mit anderen Worten, der Leitungswinkel für den Transistor ist deutlich kleiner als 180 Grad und liegt in der Regel im Bereich von 90 Grad. Während diese Form der Transistorvorspannung dem Verstärker einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad von ca. 80% verleiht, führt sie zu einer sehr starken Verzerrung des Ausgangssignals. Daher sind Verstärker der Klasse C nicht für den Einsatz als Audioverstärker geeignet.

 

 

Aufgrund der starken Audioverzerrung werden Verstärker der Klasse C häufig in Hochfrequenz-Sinus-Oszillatoren und bestimmten Arten von Hochfrequenzverstärkern eingesetzt, bei denen die am Ausgang des Verstärkers erzeugten Stromimpulse durch den Einsatz von LC-Schwingkreisen im Kollektorkreis in komplette Sinuswellen einer bestimmten Frequenz umgewandelt werden können.
Verstärkerklassen Zusammenfassung. Wir haben gesehen, dass der Ruhe-DC-Betriebspunkt (Q-Punkt) eines Verstärkers die Klassifizierung des Verstärkers bestimmt. Durch die Einstellung der Position des Q-Punktes auf halber Höhe der Lastlinie der Verstärkerkennlinie arbeitet der Verstärker wie ein Klasse-A-Verstärker. Durch Verschieben des Q-punktes nach unten verwandelt sich der Verstärker in einen Verstärker der Klasse AB, B oder C. Also kann ein Verstärkers in Bezug auf seinen DC-Betriebspunkt wie folgt klassifiziert werden:

 

Verstärkerklassen und Wirkungsgrad

 

 

Neben den Audioverstärkern gibt es eine Reihe von hocheffizienten Verstärkerklassen, die verschiedene Schalttechniken zur Reduzierung der Verlustleistung und zur Steigerung des Wirkungsgrades verwenden. Einige der unten aufgeführten Verstärkerklassen verwenden RLC-Resonatoren oder mehrere Versorgungsspannungen, um die Verlustleistung zu reduzieren, oder sind digitale DSP-Verstärker (Digital Signal Processing), die Pulsweitenmodulation (PWM)-Schalttechniken verwenden.

 

Andere gängige Verstärkerklassen

 

• Verstärker der Klasse D – Ein Class-D-Audioverstärker ist grundsätzlich ein nichtlinearer Schaltverstärker oder PWM-Verstärker. Class-D-Verstärker können theoretisch einen Wirkungsgrad von 100% erreichen, da es während eines Zyklus keine Periode gibt, in der sich die Spannungs- und Stromwellenformen überlappen, da der Strom nur durch den eingeschalteten Transistor aufgenommen wird.
• Verstärker der Klasse F – Class-F-Verstärker erhöhen sowohl den Wirkungsgrad als auch die Ausgangsleistung, indem sie harmonische Resonatoren im Ausgangsnetz verwenden, um die Ausgangswellenform in eine Rechteckwelle umzuwandeln. Class-F-Verstärker können hohe Wirkungsgrade von mehr als 90% erreichen, wenn eine unendliches harmonisches Tuning verwendet wird.
• Verstärker der Klasse G – Class G bietet Erweiterungen des Common Class-AB-Verstärkerdesigns. Klasse G verwendet mehrere Stromversorgungsschienen verschiedener Spannungen und schaltet automatisch zwischen diesen um, wenn sich das Eingangssignal ändert. Diese konstante Umschaltung reduziert die durchschnittliche Leistungsaufnahme und damit die Verlustleistung durch Wärmeverluste.
• Verstärker der Klasse I – Der Class I-Verstärker verfügt über zwei Sätze komplementärer Ausgangsschaltgeräte, die in einer parallelen Gegentakt-Konfiguration angeordnet sind, wobei beide Sätze von Schaltgeräten die gleiche Eingangswellenform abtasten. Ein Gerät schaltet die positive Hälfte der Wellenform, während das andere die negative Hälfte ähnlich einem Klasse-B-Verstärker schaltet. Wenn kein Eingangssignal anliegt oder wenn ein Signal den Nulldurchgang erreicht, werden die Schaltgeräte gleichzeitig ein- und ausgeschaltet, wobei ein PWM-Tastverhältnis von 50% die Hochfrequenzsignale aufhebt.
• Um die positive Hälfte des Ausgangssignals zu erzeugen, wird der Ausgang des positiven Schaltgerätes im Tastverhältnis erhöht, während das negative Schaltgerät um den gleichen Wert verringert wird und umgekehrt. Man sagt, die beiden Schaltsignalströme sind am Ausgang verschachtelt, so dass der Klasse-I-Verstärker den Namen „verschachtelter PWM-Verstärker“ trägt mit Schaltfrequenzen über 250kHz.
• Verstärker der Klasse S – Ein Class S Leistungsverstärker ist ein nichtlinearer Schaltverstärker, der ähnlich wie der Class D Verstärker arbeitet. Der Klasse-S-Verstärker wandelt analoge Eingangssignale durch einen Delta-Sigma-Modulator in digitale Rechteckimpulse um und verstärkt sie zur Erhöhung der Ausgangsleistung, bevor sie schließlich durch einen Bandpassfilter demoduliert werden. Da das digitale Signal dieses Schaltverstärkers immer voll „EIN“ oder „AUS“ (theoretisch keine Verlustleistung) ist, sind Wirkungsgrade bis 100% möglich.
• Verstärker der Klasse T – Der Class-T-Verstärker ist ein weiterer Typ von digitalen Schaltverstärkern. Class-T-Verstärker werden heutzutage als Audioverstärker immer beliebter, da es digitale Signalverarbeitungschips (DSP-Chips) und Mehrkanal-Surround-Sound-Verstärker gibt, die analoge Signale in digitale pulsweitenmodulierte (PWM) Signale umwandeln und so die Effizienz des Verstärkers erhöhen. Class-T-Verstärker kombinieren sowohl die verzerrungsarmen Signalpegel von Class-AB-Verstärkern als auch die Leistungseffizienz eines Class-D-Verstärkers.

Wir haben hier eine Reihe von Klassifizierungen von Verstärkern kennengelernt, die von linearen Leistungsverstärkern bis hin zu nichtlinearen Schaltverstärkern reichen, und wir haben gesehen, wie sich eine Verstärkerklasse entlang der Lastlinie unterscheidet. Verstärker der Klassen AB, B und C können bezüglich des Leitungswinkels, θ, wie folgt definiert werden:

 

Verstärkerklasse nach Leitungswinkel