Class-D-Endstufe (Verstärkerprinzip)

Eine Class-D-Endstufe verstärkt, indem sie ihre Ausgangstransistoren nur zwei Zustände einnehmen lässt: voll durchgeschaltet oder gesperrt. Das Musiksignal steckt dann im Verhältnis von Ein- zu Aus-Zeit einer sehr schnellen Schaltfolge, und ein Tiefpassfilter hinter der Ausgangsstufe glättet diese Folge zu einer stufenlosen Spannung für den Lautsprecher. Der Buchstabe zählt die älteren Betriebsarten A, B und AB fort; mit „digital" hat er nichts zu tun.

Ausführliche Erklärung

Was die älteren Klassen anders machen

In den linearen Betriebsarten arbeitet der Ausgangstransistor wie ein regelbarer Widerstand. Er lässt von der festen Versorgungsspannung genau so viel durch, wie das Signal gerade verlangt, und die Differenz fällt an ihm selbst ab. Aus dieser Differenz wird Wärme, und zwar in jedem Augenblick, in dem das Signal unter dem Maximum liegt — also fast immer.

Class A hält die Ausgangstransistoren über die ganze Signalperiode leitend und ist damit die gutmütigste und die verschwenderischste Bauart. Class B lässt jedem Transistor nur eine Halbwelle und spart Strom, handelt sich am Nulldurchgang aber eine eigene Verzerrung ein. Class AB legt einen kleinen Ruhestrom darüber und ist die verbreitete Lösung im klassischen Verstärkerbau geblieben. Alle drei teilen dieselbe Obergrenze: Selbst im theoretischen Bestfall setzt eine Class-B-Stufe rund 78 Prozent der aufgenommenen Leistung in Ausgangsleistung um, und bei den geringen Pegeln, in denen Musik und Filmton die meiste Zeit laufen, liegt der reale Wert weit darunter. Der Rest steht als Wärme im Gerät.

Wie das Schalten das Signal abbildet

Ein Modulator vergleicht das Eingangssignal fortlaufend mit einer schnell laufenden Dreieckspannung. Liegt das Signal darüber, schaltet die Ausgangsstufe ein, andernfalls aus. Heraus kommt eine Rechteckfolge mit fester Taktfrequenz, deren Pulsbreite dem Momentanwert des Signals folgt: Pulsweitenmodulation, im Audiobereich meist mit einigen hundert Kilohertz Schaltfrequenz und damit weit oberhalb des Hörbaren.

Der Gewinn steckt in der Verlustrechnung. Ein durchgeschalteter Transistor führt viel Strom bei sehr kleiner Spannung, ein gesperrter viel Spannung bei fast keinem Strom — und Verlustleistung ist das Produkt aus beidem. Nennenswert verloren geht deshalb nur während der kurzen Flanke dazwischen, in der beide Größen gleichzeitig anliegen. Wirkungsgrade oberhalb von 90 Prozent sind damit erreichbar.

Das Ausgangsfilter hängt am Lautsprecher

Die Rechteckfolge selbst kann kein Lautsprecher brauchen. Ein Tiefpass aus Spule und Kondensator entfernt die Schaltfrequenz und lässt das Audiosignal stehen. Dieses Filter arbeitet allerdings gegen die Impedanz der angeschlossenen Box, und die ändert sich über der Frequenz. Je nach Auslegung verschiebt sich der Frequenzgang im Hochton also mit dem, was angeschlossen ist. Aufwendige Umsetzungen umgehen das, indem sie den Lautsprecher in ihre Regelung einbeziehen; einfache Geräte zeigen den Effekt deutlicher.

Die Versorgungsspannung liegt im Signalweg

Weil die Ausgangsstufe die Versorgungsspannung durchschaltet, erscheint jede Schwankung dieser Spannung unmittelbar am Ausgang. Das Netzteil gehört hier zum Signalweg und ist kein bloßes Zulieferteil. Manche Architekturen gehen einen Schritt weiter und stellen die Lautstärke über die Höhe dieser Spannung ein, statt am Signal zu regeln — der Weg, den Equibit geht.

Wo die Bauart schwach wird

Jeder gute Verstärker korrigiert seine eigenen Fehler über eine Gegenkopplung: Ein Teil des Ausgangssignals läuft an den Eingang zurück und wird von der Vorgabe abgezogen. Wie kräftig diese Korrektur wirkt, hängt an der Verstärkungsreserve der Schaltung, und die fällt zu hohen Frequenzen hin ab. In einer schaltenden Endstufe fällt sie früher ab als in einer linearen, weil die Taktfrequenz eine obere Grenze für die Regelung setzt.

Die Folge zeigt sich ausgerechnet dort nicht, wo die Datenblätter messen. Der Klirrfaktor wird üblicherweise bei einem Kilohertz angegeben, also dort, wo die Korrektur noch voll arbeitet. Musik besteht aber aus vielen gleichzeitigen Tönen, und wo die Korrektur nachlässt, entstehen aus zwei Tönen Summen- und Differenztöne, die zu keinem der beiden gehören und auch nicht harmonisch zum Grundton liegen — Intermodulation. Genau daran arbeiten die aufwendigen Umsetzungen dieser Bauart, und genau daran hängt die alte Beschwerde über den „harten" Klang früher Geräte.

Der zweite Schwachpunkt betrifft die Umgebung. Reste der Schaltfrequenz gelangen über Lautsprecherleitungen und Masse nach außen. In einem Rack mit empfindlichen Eingängen ist das eine Frage der Aufbauplanung geworden, keine Frage des Verstärkers allein.

Was der Wirkungsgrad praktisch ändert

Wirkungsgrad meint an dieser Stelle das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener elektrischer Leistung. Beim Lautsprecher heißt dieselbe Größe etwas anderes, dort geht es um den Anteil, der als Schall den Raum erreicht (Wirkungsgrad und Kennschalldruckpegel).

Aus wenig Verlustwärme folgt ein kleiner Kühlkörper, aus dem kleinen Kühlkörper eine kleine Bauform, und daraus folgen die drei Anwendungen, in denen die Bauart heute dominiert: Aktivsubwoofer, in denen die Elektronik direkt hinter dem arbeitenden Chassis sitzt; Aktivlautsprecher und Soundbars, in denen für ein Netzteil samt Kühlfläche schlicht kein Platz wäre; und vielkanalige Endstufen, bei denen sich die Wärme sonst mit jedem Kanal aufaddiert.

Umsetzungen dieses Prinzips

Das Prinzip gehört keinem Hersteller, und die Spanne zwischen einem Billigmodul und einer sorgfältigen Entwicklung ist größer als der Abstand zwischen den Verstärkerklassen. Purifi liefert Module, deren Fehlerkorrektur ihre Wirkung bis an das obere Ende des Hörbereichs halten soll; Equibit speist das Schaltmuster unmittelbar aus den digitalen Daten und braucht dafür keinen vorgeschalteten Digital-Analog-Wandler.

Häufiges Missverständnis

„D steht für digital." Das ist der verbreitetste Irrtum zu dieser Bauart, und er hält sich, weil viele Geräte tatsächlich digitale Eingänge haben. Die Buchstaben zählen aber nur die Betriebsarten durch: A, B, AB, dann C für Hochfrequenzstufen, die für Audio unbrauchbar sind, und danach war D schlicht der nächste freie Buchstabe. Entscheidend ist, was im Gerät passiert: Die Pulsbreite in einer klassischen Class-D-Stufe kann jeden Zwischenwert annehmen, sie ist stufenlos und damit eine analoge Größe. Ein digitales Signal wäre eine Folge von Zahlen mit endlich vielen Stufen. Es gibt Architekturen, in denen die Ansteuerung wirklich digital bleibt — das ist dann eine Eigenschaft des Signalwegs davor und keine Eigenschaft der Endstufe.

„Class D ist die Sparversion." Diese Lesart stammt aus den Anfangsjahren, als die Bauart über Autoradios und billige Aktivsubwoofer in den Markt kam und dabei hörbar schlechter war als ein ordentlicher linearer Verstärker. Heute steckt sie ebenso in Geräten der obersten Preisklassen. Die Klasse sagt, wie die Ausgangsstufe arbeitet, und sie sagt nichts über die Sorgfalt der Umsetzung.

Nicht zu verwechseln mit

• Vollständig digitale Verstärkung: Dort entsteht das Schaltmuster unmittelbar aus den digitalen Daten, ohne analoge Zwischenstufe. Die Endstufe schaltet in beiden Fällen; der Unterschied liegt davor.
• Schaltnetzteil: Auch eine Stromversorgung kann schaltend arbeiten. Ein linearer Verstärker mit Schaltnetzteil ist trotzdem kein Class-D-Gerät — zwei getrennte Baugruppen.
• Class G und Class H: Dort bleibt die Ausgangsstufe linear, und geschaltet wird nur die Versorgung.
• Wirkungsgrad des Lautsprechers: Dasselbe Wort für eine andere Größe — ein Verstärker mit 95 Prozent Wirkungsgrad speist einen Lautsprecher, der davon wenige Prozent in Schall umsetzt.
• Gallium-Nitrid-Ausgangsstufen: Eine Bauteiltechnik innerhalb dieser Klasse, keine eigene Klasse.

In der Planung

Ein dediziertes Kino mit elf Kanälen, die Technik im Nebenraum in einem geschlossenen Schrank, keine aktive Kühlung vorgesehen. Zuerst steht die Frage, wie viel Dauerverlustleistung dieser Schrank abführen kann — sie entscheidet, was überhaupt hineindarf, und sie steht vor jeder Gerätefrage.

Aus der Antwort ergibt sich die Verfahrenswahl. Lineare Endstufen setzen bei den mittleren Pegeln eines Filmabends den größeren Teil der aufgenommenen Leistung in Wärme um; bei elf Kanälen summiert sich das zu einer Heizung, die eine Zwangsbelüftung samt ihrem Geräusch nach sich zieht. Schaltende Endstufen lösen diesen Teil der Aufgabe und eröffnen damit erst die Möglichkeit, die Technik hinter einer Tür verschwinden zu lassen. Was sie nicht lösen, ist die Aufbauplanung: Lautsprecher- und Signalleitungen wollen getrennt geführt werden, wie unter Kabelwege und EMV-Trennung beschrieben.

Die Modellwahl steht am Ende dieser Kette, und dort zählt die Ausführung mehr als der Buchstabe. Wie viel Leistung je Kanal überhaupt gebraucht wird, klärt der Weg über Zielpegel, Hörabstand und Kennschalldruckpegel unter Verstärkerleistung.

Verknüpfte Inhalte

Wie viel Leistung ein Projekt überhaupt braucht, klärt Verstärkerleistung; warum die Last dabei so wichtig ist, Impedanz. Die zweite Antwort auf dasselbe Wärmeproblem — lineare Endstufe mit nachgeführter Versorgung — steht unter Class G und Class H, die Bauteiltechnik, mit der heute an den Schaltverlusten gearbeitet wird, unter Gallium-Nitrid-Ausgangsstufen. Zwei benannte Umsetzungen sind Purifi und Equibit.

Quellen

Die Systematik der Betriebsarten, die theoretische Wirkungsgradgrenze der linearen Klassen und der Zusammenhang zwischen nachlassender Gegenkopplung und steigender Verzerrung folgen der Standard-Verstärkerliteratur; Pulsweitenmodulation, Ausgangsfilter und die Folgen für den Geräte- und Rackbau ebenso. Beide Werke lagen für diesen Eintrag nicht am Objekt vor.