Audioverstärkerdesign: Leistung, Impedanz und Rauschen

Grundlagen von Leistungsverstärkern

Audioleistungsverstärker machen etwas täuschend Einfaches: Sie nehmen ein schwaches Leitungspegelsignal (normalerweise etwa 1 Vrms, was 0 dBV ist, wenn Sie die Punktezahl halten) und treiben eine Lautsprecherlast — typischerweise 4 bis 8 Ω — so stark an, dass tatsächlich Luft bewegt wird. Der wahre Trick besteht darin, Dutzende oder sogar Hunderte von Watt durch diese Schwingspulen zu drücken und gleichzeitig die Verzerrung gering zu halten und Ihren Verstärker nicht in eine Raumheizung zu verwandeln.

Die meisten Ingenieure unterschätzen, wie viel Strom Sie an der Ausgangsstufe bewegen müssen. Es geht nicht nur um Spannungsschwankungen.

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Berechnungen der Ausgangsleistung

Lass uns über Zahlen sprechen. Bei einem Verstärker der Klasse AB folgt die maximale Ausgangsleistung dieser Beziehung:

In der Praxis kann man eigentlich nicht von Schiene zu Schiene pendeln. Bei Konstruktionen der Klasse AB werden in der Regel nur etwa 10% der Versorgungsschienen erreicht, weshalb$V_{peak} \approx 0.9 V_{supply}$eine vernünftige Schätzung ist. Wenn du fester drückst, fängst du an, hässlich zu schneiden.

Hier ist ein funktionierendes Beispiel mit einer ±18-V-Versorgung (das sind insgesamt 36 V auf den beiden Schienen), die eine 8-Ω-Last antreibt:

Nicht viel Strom, aber genug für Nahfeldmonitore oder eine Einrichtung im Schlafzimmer. Wenn du herausfinden musst, wo dein Verstärker anfängt abzuschalten oder wie hoch deine tatsächliche Spitzenspannung ist, erspart dir der Amplifier Clipping Calculator etwas Algebra.

Die Spannungsverstärkung bei Leistungsverstärkern liegt normalerweise zwischen 26 und 34 dB — genug, um ein Leitungspegelsignal ohne übermäßiges Rauschen auf den Pegel der Lautsprecher zu bringen. Überprüfe dein Verstärkungsbudget noch einmal mit dem Leistungsverstärker-Verstärkungsrechner, bevor du dich auf Widerstandswerte festlegst.

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Anpassung der Lautsprecherimpedanz

Verstärker werden für bestimmte Lasten eingestuft, und das ist wichtiger, als die meisten Menschen denken. Wenn Sie die Impedanz senken, fordern Sie die Ausgangsstufe auf, mehr Strom für den gleichen Spannungshub zu liefern:

Angenommen, Sie haben einen Verstärker mit einer Nennleistung von 100 W bis 8 Ω. Das heißt, es schwingt nach$V_{peak} = \sqrt{2 \times 100 \times 8} = 40V$Peak. Schließen Sie nun einen 4-Ω-Lautsprecher an. Derselbe Spannungshub, aber die Leistung verdoppelt sich auf 200 W, da sich auch der Strom verdoppelt. Sie ziehen jetzt eine Spitzenleistung von 10 A durch diese Ausgangstransistoren.

Ihre Transistoren müssen diesen Strom verarbeiten, sonst stoßen sie den magischen Rauch aus. Prüfen Sie die SOA-Kurven (Safe Operating Area) im Datenblatt. Ich habe zu viele durchgebrannte Endstufen gesehen, weil jemand davon ausgegangen ist, dass „es wahrscheinlich in Ordnung sein wird“.

Lautsprecherempfindlichkeit ist die andere Hälfte der Lautheitsgleichung. Sie wird normalerweise in dB/W/m angegeben — wie laut der Lautsprecher bei einem Meter bei einer Eingangsleistung von einem Watt spielt. Der Schalldruckpegel an Ihrer Hörposition ergibt sich wie folgt:wobei$S$die Empfindlichkeitsbewertung ist. Ein typischer Lautsprecher mit 90 dB/W/m, der 100 W gespeist wird, erreicht bei einem Meter einen Schalldruckpegel von 110 dB. Das ist übrigens laut genug, um ziemlich schnell Gehörschäden zu verursachen.

Willst du vorhersagen, wie laut dein Setup tatsächlich sein wird? Gib deine Zahlen in den Rechner für die Lautsprecherempfindlichkeit ein und passe sie an deinen tatsächlichen Hörabstand an.

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Verstärkerklassen im Vergleich

Verschiedene Verstärkertopologien gehen unterschiedliche Kompromisse ein. So schneiden sie ab:

Klasse AB: Der Standard

Die Klasse AB ist das Arbeitspferd der Audioverstärkung. Sie belasten die Ausgangstransistoren mit einem kleinen Ruhestrom — in der Regel 10 bis 50 mA pro Gerät — gerade genug, um die Crossover-Verzerrungen zu eliminieren, die bei reinen Klasse-B-Geräten auftreten würden. Das Ergebnis ist ein deutlich besserer Wirkungsgrad als bei Klasse A (die Energie verschwendet, als ob sie aus der Mode käme), während die Verzerrung beachtlich gering gehalten wird.

Hier ist etwas, das die Leute verunsichert: Die Verlustleistung in Klasse AB ist bei maximaler Ausgangsleistung tatsächlich niedriger als bei moderaten Pegeln. Im schlimmsten Fall tritt die Verlustleistung bei$V_{out} = 0.64 V_{supply}$auf, nicht bei voller Leistung. Dimensionieren Sie Ihre Kühlkörper für diesen Zustand, nicht für die maximale Nennleistung.

Klasse D: Die moderne Wahl

Verstärker der Klasse D verwenden Pulsweitenmodulation, um die Ausgangstransistoren fest ein- oder auszuschalten. Kein linearer Bereich, keine massive Dissipation. Der typische Wirkungsgrad liegt bei 85— 95%, weshalb jetzt jeder tragbare Bluetooth-Lautsprecher und jedes Autoradiosystem die Klasse D verwendet.

Der Effizienzrechner der Klasse D schätzt Ihre Effizienz auf der Grundlage von MOSFET-RDS (on) und Ruhestrom. Schaltverluste spielen ebenfalls eine Rolle, aber bei den meisten Designs unter einer Schaltfrequenz von 500 kHz dominieren die Leitungsverluste.

Der Haken: Sie benötigen einen LC-Ausgangsfilter, um das Audio aus dem PWM-Signal zu rekonstruieren. Dieser Filter erhöht die Kosten, den Platzbedarf auf der Platine und macht das Design etwas komplexer. Sie erzeugen auch HF-Hash mit der Schaltfrequenz, was ein sorgfältiges PCB-Layout und manchmal zusätzliche EMI-Filterung erfordert.

Integrierte Class-D-Chips wie der TPA3116 oder der MAX9744 erledigen das meiste für Sie — sie enthalten den Ausgangsfilter und wurden für EMI optimiert. Sofern Sie nicht gerade etwas wirklich Spezielles entwickeln, beginnen Sie mit einer integrierten Lösung.

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Kopfhörerverstärker

Kopfhörerverstärker stehen vor einer völlig anderen Designherausforderung. Sie steuern hochohmige Lasten (zwischen 32 Ω für Verbraucherdosen und 600 Ω für Studiomonitore) mit relativ niedrigen Versorgungsspannungen an. Die gute Nachricht ist, dass Sie viel weniger Strom benötigen. Die schlechte Nachricht ist, dass die Ausgangsimpedanz und das Rauschen viel kritischer werden.

Lassen Sie uns ein Beispiel durcharbeiten. Angenommen, Sie möchten 110 dB SPL von einem 300-Ω-Kopfhörer mit einer Nennempfindlichkeit von 100 dB/mW erwarten. Erforderliche Leistung:

§4 §

Das ist nicht viel Leistung, aber der Spannungssprung ist erheblich:

§5 §

Du kannst das für deine speziellen Kopfhörer mit dem Headphone Power Calculator herausfinden. Darin erfahren Sie sowohl die Spannungs- als auch die Stromanforderungen.

Die Ausgangsimpedanz ist hier sehr wichtig. Die klassische Faustregel: Halten Sie die Ausgangsimpedanz Ihres Verstärkers unter 1/8 der Kopfhörerimpedanz, um Abweichungen im Frequenzgang aufgrund der Wechselwirkung mit der Impedanzkurve zu vermeiden. Für 32-Ω-Kopfhörer bedeutet das$Z_{out} < 4\Omega$. Mit den meisten Ausgangsstufen von Operationsverstärkern ist das problemlos möglich, aber bei diskreten Designs muss genau darauf geachtet werden.

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Grundrauschen und SNR

Der Grundrauschen legt die Obergrenze für den Dynamikbereich fest. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist einfach:

§6 §

Ein wirklich gutes Audiosystem erreicht 120 dB SNR. Das ist auf dem neuesten Stand der Technik — das bedeutet, dass Ihr Rauschen buchstäblich ein Millionstel der Amplitude Ihres vollen Signals beträgt. Die meisten Geräte für Privatanwender liegen bei etwa 90—100 dB, was für die meisten Anwendungen immer noch völlig akzeptabel ist.

Lärmquellen

Drei Hauptgeräuschquellen werden Sie beißen:

Johnson-Geräusch kommt von jedem Widerstand in Ihrem Stromkreis. Das ist grundlegende Physik:

§7 §

wobei$k$die Boltzmann-Konstante ist,$T$die Temperatur in Kelvin ist,$R$der Widerstand ist und$B$die Bandbreite ist. Höherer Widerstand bedeutet mehr Lärm. Halten Sie Ihre Impedanzen in empfindlichen Stufen niedrig.

Eingangsrauschen des Operationsverstärkers zeigt sich sowohl als Spannungsrauschen (angegeben in nV/√Hz) als auch als Stromrauschen (in pA/√Hz). Das Spannungsrauschen verstärkt direkt Ihr Signal. Das Stromrauschen fließt durch Ihre Quellenimpedanz und erzeugt ein Spannungsrauschen, das proportional zu dieser Impedanz ist. Hohe Quellenimpedanzen verstärken das Stromrauschen. Stromversorgungsgeräusch werden in Ihren Signalpfad übertragen, wenn Sie nicht aufpassen. Verwenden Sie die richtige LC-Filterung an den Versorgungsschienen und fügen Sie lokale Bypass-Kondensatoren hinzu — ein 10-μF-Elektrolyt parallel zu einer 100-nF-Keramik funktioniert für die meisten Anwendungen. Die Keramik eignet sich für hochfrequente Transienten, während der Elektrolyt für eine hohe Kapazität sorgt.

Der Audio-SNR-Rechner berechnet die Zahlen, wenn Sie Ihren Signal- und Geräuschpegel kennen.

Op-Amp-Auswahl für Audio

Bei geräuscharmen Vorverstärkerstufen sind dies die üblichen Verdächtigen:

Der NE5532 ist die klassische Wahl. Es gibt ihn schon ewig, er kostet fast nichts und liefert ein Eingangsrauschen von 5 nV/√Hz. Die bipolare Eingangsstufe bedeutet, dass Sie einen gewissen Eingangsstrom sehen werden, aber die Leistung ist solide.

Der OPA2134 verwendet JFET-Eingänge für extrem niedrigen Eingangsstrom und sehr geringe Verzerrungen. Das Eingangsrauschen beträgt 8 nV/√Hz — etwas höher als beim NE5532, aber die JFET-Eingänge verursachen fast kein Stromrauschen. Ideal für Quellen mit hoher Impedanz.

Der LM4562 ist bei 2,7 nV/√Hz der Meister im Bereich Low-Noise. Es ist teurer, aber wenn Sie jedes letzte dB SNR benötigen, sind Sie hier genau richtig. Ich habe diese in Präzisionsmessvorverstärkern verwendet, bei denen es wirklich auf Rauschen ankommt.

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Schutzschaltungen

Jeder Leistungsverstärker, der in der Praxis eingesetzt werden soll, muss geschützt werden. Folgendes können Sie nicht überspringen:

DC-Offset-Schutz ist nicht verhandelbar. Wenn Ihre Ausgangsstufe einen DC-Offset entwickelt — vielleicht aufgrund eines ausgefallenen Transistors oder eines Einschalttransienten —, pumpen Sie Gleichstrom direkt durch die Lautsprecher-Schwingspule. Dadurch wird es entweder durchgebrannt oder zumindest die Position des Kegels verschoben, was zu Verzerrungen führt. Verwenden Sie ein Relais, das den Ausgang überwacht und den Lautsprecher abschaltet, wenn der DC-Offset etwa 50—100 mV überschreitet. Das Relais bleibt beim Einschalten für ein oder zwei Sekunden geöffnet, damit sich die Dinge regeln können. Wärmeschutz hält Sie davon ab, Ihre Ausgabegeräte zu erhitzen. Montieren Sie einen Thermistor oder Temperatursensor am Kühlkörper. Wenn die Temperatur etwa 80 °C überschreitet, reduzieren Sie entweder die Verstärkung oder schalten Sie das Gerät vollständig aus, bis sich alles abgekühlt hat. Ich habe gesehen, dass sich Verstärker ohne diese Funktion buchstäblich von der Platine lösen. Kurzschlussschutz schützt Sie, wenn jemand ein defektes Kabel einsteckt oder ein Lautsprecherkabel das Gehäuse berührt. Implementieren Sie eine Strombegrenzung in der Ausgangsstufe — wenn der Ausgangsstrom Ihren sicheren Grenzwert überschreitet, reduzieren Sie den Antrieb oder schalten Sie ihn aus. Bei einigen Designs werden nur Schnellsicherungen am Ausgang verwendet, was zwar funktioniert, aber bedeutet, dass Sie die Sicherungen nach jedem Fehler austauschen müssen. Der Hochtonschutz ist speziell für Mehrwege-Lautsprechersysteme vorgesehen. Platzieren Sie einen Serienkondensator in einer Linie mit dem Hochtöner, um einen Hochpassfilter erster Ordnung zu erhalten. Dadurch werden niedrige Frequenzen blockiert, die den Hochtöner beschädigen oder zu einer übermäßigen Auslenkung führen könnten. Die Größe der Kappe richtet sich nach der Impedanz Ihres Hochtöners und der gewünschten Übergangsfrequenz.

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Checkliste für das praktische Design

Bevor du dich für ein Design entscheidest oder Boards bestellst, schau dir das an:

• [] Ermitteln Sie die maximale Ausgangsleistung anhand Ihrer Versorgungsspannung und Lastimpedanz — gehen Sie realistisch in Bezug auf Spannungsschwankungen ein
• [] Stellen Sie sicher, dass Ihre Transistoren oder Ihr IC den Spitzenstrom mit einem Abstand von mindestens 1,5 aufnehmen können
• [] Stellen Sie Ihre Spannungsverstärkung ein (normalerweise 26—34 dB für Leistungsverstärker) und wählen Sie Widerstandswerte, die kein übermäßiges Rauschen verursachen
• [] Überprüfe die Anstiegsrate — du benötigst genug Bandbreite für die volle Leistung bei 20 kHz ohne Clipping
• [] Dimensionieren Sie Ihren Kühlkörper für die schlimmste Verlustleistung, die bei Klasse AB bei etwa einem Drittel der vollen Leistung erfolgt, nicht bei maximaler Ausgangsleistung
• [] Berechne dein Grundrauschen und vergewissere dich, dass das SNR 90 dB überschreitet (das entspricht −90 dBV Grundrauschen)
• [] Fügen Sie einen DC-Offset-Schutz mit einem Relais und einem Überwachungskreis hinzu
• [] Entkoppeln Sie Ihre Versorgungsleitungen lokal — 10 μF Bulk plus 100 nF Keramik in jeder IC- und Hochstromstufe

Wenn Sie eines davon verpassen, geht entweder etwas kaputt oder Sie verbringen Stunden damit, zu debuggen, warum Ihr Verstärker so schrecklich klingt.