Aufbau eines Klasse-D Audioverstärkers

Der Kern des Typ-D Verstärkers

Konventionelle Audioverstärker nutzen verschiedene Transistorschaltungen um ein Eingangssignal zu verstärken. Problematisch sind neben dem schlechten Wirkungsgrad eines konventionellen Verstärkers auch das Auftreten von Verzerrungen. Dabei wurde meistens ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und den harmonischen Verzerrungen eingegangen – je höher die Verlustleistung, desto weniger Verzerrungen [vgl. 1, Tab.5.13-1]. Ein Klasse-D Verstärker basiert auf dem Prinzip mehrerer getakteten Schalter und einer sogenannten Pulsweitenmodulation (PWM). 
Die Schalter werden sehr oft durch zwei Halbbrücken zu einer sogenannten H-Brücke kombiniert. Die Abbildung [Abb. 1] verdeutlicht den Aufbau einer solchen Schaltung. In der Mitte, zwischen allen Schaltern, befindet sich mit \(R_L\) der Lastwiderstand, welcher den späteren Lautsprecher repräsentiert.

  • [1] Andreas Friesecke. Die Audio-Enzyklopädie – Ein Nachschlagewerk für Tontechniker. De Gruyter Saur, 2 Edition, 2014
Abb. 1 - Aufbau einer H-Brücken Schaltung

Unterschiedliche Taktungsarten

Die H-Brücke lässt sich auf unterschiedliche Arten ansteuern. Die wohl bekannteste und einfachste Möglichkeit, beschreibt die Gleichzeitig, Beidseitige Taktung (GBT). Dabei werden im ersten Takt die Schalter \(S_1\) und \(S_3\) geschlossen. \(S_2\) und \(S_4\) bleiben geöffnet. Der Strom fließt entsprechend Abbildung [Abb. 2.1] durch die angeschlossene Last \(R_L\). Der zweite Takt invertiert den vorherigen. Dabei werden \(S_1\) und \(S_3\) geöffnet und Schalter \(S_2\) und \(S_4\) geschlossen. Der Strom fließt, wie in Abbildung [Abb. 2.2] dargestellt, in umgekehrter Richtung durch die angeschlossene Last \(R_L\). Diese Art der Ansteuerung bringt jedoch einen entscheidenden Nachteil mit sich: Egal welcher Takt anliegt, es fließt immer ein Strom durch die Last \(R_L\). Damit kann keine „echte“ Null gestellt werden, da sich diese durch Mittelwertbildung der beiden PWM-Signale einstellt. Um dieses Problem zu lösen kann die \(\frac{T}{2}\)-versetzte Taktung angewandt werden. Zur Realisierung dieser Ansteuerung werden zwei zusätzliche Takte eingeführt. Die Takte 1 und 2 der Gleichzeitig Beidseitigen Taktung werden beibehalten, zwischen diesen wird dem Strom jedoch ein „Freilaufpfad“ angeboten, indem zum einen \(S_1\) und \(S_4\), zum anderen \(S_2\) und \(S_3\) in den neu eingeführten Takten schließen. Die Abbildungen [Abb. 2.3] bis [Abb. 2.6] veranschaulichen den Stromfluss, sowie den im 2. und 4. Takt eingeführten „Freilaufpfad“.