Verstärker – Sound oder Präzision? – Verstärkerkonzepte unter der Lupe betrachtet

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17 März 2017
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Transistor oder Röhre,  Class A, B, oder A/B und was ist mit Class D: bei Verstärkerkonzepten gibt es Vorlieben, Ansichten, Unwissen und auch mal Grabenkämpfe um das allein seligmachende Konzept. Dabei wäre die Ausgangslage, das Anforderungsprofil an einen Verstärker eigentlich klar: genau das was vorne reinkommt muss hinten wieder rauskommen, einfach mit mehr Energie dahinter – simple Signalverstärkung. Jedes Verstärkerprinzip hat Stärken und Schwächen. Was in der jeweiligen Audio-Kette die beste Wahl ist hängt von den technischen Umgebungsvariablen ab und letztendlich auch von der Hörpräferenz. Es ist hilfreich, sich die einzelnen Schaltungskonzepte mal etwas genauer anzuschauen. Man umschifft so elegant Mythen und kann nachhaltige Kaufentscheide fällen.

 

Verstärker-Klassen

Zuerst zu der Klassifizierung der Verstärker. Diese ist quasi eine Durchnummerierung der verschiedenen Konzepte und hat mit der Abfolge der Entstehung der einzelnen Schaltungstechniken zu tun. Die Klassifizierung leitet sich nicht aus dem Schaltungskonzept des Verstärkers ab. Das ist besonders bei den Class D Verstärkern klar erkennbar. Diese werden wegen des „D“ fälschlicherweise als digitale Verstärker bezeichnet. Das Funktionsprinzip ist aber analog und basiert auf der Pulsweiten Modulation. Weitere im HiFi Bereich gebräuchliche Klassen sind Class A und Class B oder die Kombination von beidem Class A/B.

 

Anforderungen an einen guten Verstärker

Ein guter HiFi Verstärker hat die Aufgabe das Eingangssignal möglichst linear bis über den hörbaren Frequenzbereich hinaus mit einem hohen Fremdspannungsabstand, verzerrungsfrei und einer hohen Schnelligkeit, sprich Flankensteilheit oder Impulsfestigkeit, zu verstärken. Das sollte auch mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad geschehen, damit möglichst wenig Energie in Wärme umgewandelt und verloren geht. Soweit die Theorie. In der Praxis gibt es doch einige Hürden zu überwinden um dieser theoretischen Sichtweise und somit dem idealen, perfekten Verstärker möglichst nahe zu kommen.

Elektrische Bauteile wie Röhren und Transistoren besitzen nichtlineare Arbeitskennlinien. Um Verzerrungen des verstärkten Signals zu vermeiden sollten diese idealerweise möglichst linear sein auch über den ganzen Frequenzgang des Hörspektrums.

 

Class A Verstärker

Dies ist die älteste Verstärkerart und wurde bereits im Röhrenzeitalter benutzt. Der Arbeitspunkt des Verstärkers liegt in der Mitte des geraden Teils der Kennlinie, um die Verzerrungen möglichst gering zu halten. Da der Arbeitspunkt in der Mitte der Kennlinie liegt ist der Verstärker immer ausgesteuert, das heisst es fliesst immer ein recht hoher Strom. Deshalb sind diese Verstärker nicht sehr energieeffizient und weisen einen schlechten Wirkungsgrad auf. Ein 200 Watt Verstärker erreicht bei Vollaussteuerung einen maximalen Wirkungsgrad von unter 50% und bei 10 Watt reduziert sich dieser sogar auf nur noch 2,5%. Das heisst, dass diese Art von Verstärker mehr Energie in Wärme als in Musik umwandelt, insbesondere auch im Ruhezustand, wenn kein Signal verstärkt wird.

Bild 1: hier ein Beispiel einer mächtigen 160 Watt Class A Mono-Endstufe aus den 90er Jahren von Krell (KMA-160). Die imposanten Kühlrippen verraten es, hier gibt es viel Wärme abzubauen.

Bild 2: Kennlinie mit Arbeitspunkt und Prinzip Schaltung eines Class A Verstärkers. Der Arbeitspunkt – d.h. die Nulllinie – befindet sich im linearen Teil der Kennlinie.

Bild 3: Sauberes Ausgangssignal eines Class A Verstärkers.

Dafür sind aber die Verzerrungen sehr klein und die Impulsfestigkeit ist auch sehr gut. Um die Impulsfestigkeit und die hohen Ausgangsleistungen zu gewährleisten benötigen diese Verstärker sehr grosse und leistungsfähige Transformatoren und entsprechende Elkos in den Netzteilen. Auch sehr voluminös sind die Kühlkörper, auf denen die Leistungstransistoren montiert sind, um die erzeugte Wärme abzuführen. Dies führt zu sehr grossen und schweren Geräten. Es gibt in der audiophilen Gemeinde viele Liebhaber für diesen Schaltungsaufbau.

Im Zeitalter der angestrebten Energieeffizienz stehen Class A Verstärker wegen der hohen Verlustleistung in einem schlechten Licht da. Reine Class A Verstärker trifft man daher nicht häufig an. Und wenn, dann oft als Röhrenverstärker mit geringer Ausgansleistung (7 bis 30 Watt), seltener mit Leistungen bis 200 Watt.

 

Class B Verstärker

Ein Class B Verstärker arbeitet als sogenannter Gegentaktverstärker. Das heisst ein Transistor verstärkt die positive und der andere die negative Halbwelle des Nutzsignals. Die Arbeitspunkte (Nulllinie) dieser Transistoren liegen im nicht linearen Teil der Kennlinie und die Halbwellen müssen am Verstärkerausgang wieder zusammengefügt werden, was zu sogenannten Übernahmeverzerrungen führt. Durch den Schaltungsaufbau ist der Verstärker zwar effizienter mit einem Wirkungsgrad von ca. 80% bei Vollaussteuerung und ca. 17% bei 10 Watt. Aber die Verzerrungen müssen durch Gegenkopplung reduziert werden um einen klanglich brauchbaren Verstärker zu bekommen.

Bild 4: Kurve mit Arbeitspunkt eines Class B Verstärkers, sehr gut sieht man wie sich der Arbeitspunkt im nichtlinearen Teil der Kurve befindet. Dies führt dann zu den Übernahmeverzerrungen, welche im nachfolgenden Bild sichtbar sind.

Bild 5: Verzerrtes Ausgangssignal eines Class B Verstärkers.

Class A/B Verstärker

Diese Schaltung kombiniert die beiden oben vorgestellten Verstärkerkonzepte. Man verwendet im kleinen Leistungsbereich eine Class A Schaltung und im höheren Bereich arbeitet der Verstärker im Class B Betrieb. Dadurch hat man vor allem im kleinen Signalbereich minimalste Verzerrungen und dank dem fliessenden Übergang von A nach B und der Gegenkopplung auch mit höherer Aussteuerung Übernahmeverzerrungen welche kleiner sind als 0.03%, was einem sehr guten Wert entspricht. Dies erkauft man sich aber mit etwas kleinerer Verstärkung wegen der Gegenkopplung, was allerdings mit einer weiteren Verstärkerstufe wieder ausgeglichen wird.

Das Class A/B Konzept ist das heute am meisten verbreitete Schaltungslayout bei analogen HiFi Verstärkern. Diese unbestrittenen und omnipräsenten Arbeitstiere dominieren den Markt – zumindest bei hochwertigen HiFi-Anwendungen!

Bild 6: Ein Beispiel einer Class AB Endstufe, die CA-M400 von Classé

Bild 7: Auf dieser Kennlinie sind die beiden Arbeitspunkte A und B eingezeichnet und daneben die Prinzip Schaltung. Durch die richtige Einstellung der Ruheströme damit die Übergänge fliessend werden und entsprechende Gegenkoppelung können die Verzerrungen sehr klein gehalten werden.

Class D Verstärker

Die Class D Verstärker arbeiten nach einem ganz anderen Prinzip. Oft werden Class D Verstärker auch als digitale Verstärker bezeichnet, was nicht korrekt ist, da das „D“ nicht für digital steht. Man hat einmal mit der Klassifizierung bei A angefangen und es hat sich so ergeben, dass die Pulsweiten-Verstärker dann den Buchstaben D bekommen haben. Wie eben gesagt arbeiten diese Verstärker nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation. Dies ist grundsätzlich eine analoge Arbeitsweise, die folgendermassen funktioniert.

Das Eingangssignal wird einem sogenannten Komparator zugeführt an welchem ein Generator mit einem sägezahnförmigen Signal angelegt ist. Dieses hat eine um ein vielfaches höhere Frequenz als das Eingangssignal, in der Regel zwischen 100kHz und 1MHz. Die Frequenz und Amplitude werden konstant gehalten. Im Komparator werden nun die beiden Signale miteinander verglichen. So wird der Ausgang ein oder ausgeschaltet je nach dem welches Signal gerade den höheren Pegel hat. Am Ausgang entsteht ein Rechtecksignal mit gleichbleibender Amplitude aber mit unterschiedlich breiten Rechtecken. Diese Methode nennt man Pulsweiten Modulation, weil die Pulse (Rechtecke) unterschiedlich lange Breiten (Weiten) haben. In diesen unterschiedlich langen Pulsen stecken nun die Informationen – Frequenz und Amplitude – des Nutzsignals.

Bild 8: Bei jedem Berührungspunkt des Nutzsignals mit dem Dreieckssignal wird ein Wert im Komparator erzeugt, dadurch entstehen die unterschiedlichen Breiten des Rechtecksignals (unten rot).

Dieses Rechtecksignal steuert nun die nachfolgende Verstärkerstufe, indem abwechselnd für den positiven und negativen Teil des Rechtecksignals ein Transistor voll geöffnet oder geschlossen wird. Dadurch, dass die Transistoren jeweils entweder ganz geschlossen oder voll geöffnet sind ist diese Schaltungstechnik so effizient, dass ein Wirkungsgrad von 90 bis 95% über den gesamten Leistungsbereich erreicht werden kann. Bei den vorher besprochenen Class A und AB Konzepten sind die Verstärkertransistoren immer irgendwie geöffnet, so dass immer ein Strom fliesst und Energie verbraucht wird.

Bild 9, Blockschaltbild eines Class D Verstärkers. Das Audiosignal wird im Komparator durch das Dreieckssignal in ein Pulsweiten Signal gewandelt. In diesem sind die ganzen nutzbaren Informationen enthalten und steuert danach den Verstärkerteil nur so viel wie notwendig ist. Am Ausgang werden die hochfrequenten Anteile durch einen LC-Tiefpass ausgefiltert und zurück bleibt das verstärkte Audio Signal.

Negative Eigenschaften von einfachen Class D Schaltungen

Ein Problem hat diese Class D Schaltungstechnik. Beim Umschalten der Transistoren zwischen positiver und negativer Halbwelle müssen für eine kurze Zeit beide Transistoren ganz geschlossen sein, ansonsten entsteht ein Kurzschluss mit verehrenden Folgen. Diese tote Zeit ist historisch gesehen die Hauptlimitierung der Class D Verstärker Technologie. Im Interesse der Sicherheit, wird die Totbandzeit oft länger gehalten als dies wirklich notwendig ist um die Bauteiltoleranzen der Massenproduktion, sowie Temperaturdrift und Bauteilalterung auszugleichen und folgeschwere Kurzschlüsse zu vermeiden. Übliche Totbandzeiten bewegen sich zwischen 15 bis 45 Nanosekunden (= 0, 000 000 045 Sekunden). Dies erscheint auf den ersten Blick eine vernachlässigbare Grösse zu sein, aber für die überwiegende Mehrheit der Class D Verstärker auf dem Markt, ist diese Totbandzeit das Hauptkriterium für die klanglichen Kompromisse. Die lange Todbandzeit produziert nicht nur unangenehme Verzerrungen, sondern provoziert die Ingenieure zu einem verstärkten Einsatz von Rückkoppelungsschaltungen, um die Verzerrungen zu kompensieren. Ein verstärkter Einsatz von gegenphasiger Rückkoppelung verringert zwar die zu den Standardmessgrössen gehörenden harmonischen Verzerrungen (THD), erhöht aber die nicht zu den Standardmessparametern gehörenden Intermodulationsverzerrungen (TIM). Diese Intermodulationsverzerrungen sind zum grossen Teil für die flache Klangbühne, die geringe Auflösung und das Fehlen des runden Klangs in den hohen Mitten und hohen Frequenzen verantwortlich und somit für den typischen, harschen Klang von Class D Verstärkern.

Class D Verstärker lassen sich preiswert und kompakt bauen. Sie finden daher breit in preiswerten bis billigen Audiogeräten Anwendung. Fertige Class D Module kann man preiswert bei Komponentenherstellern ordern und in die eigenen Geräte einbauen. Diese primär auf Preis und Kompaktheit getrimmten Module offenbaren die klanglichen Schwächen von einfachen und mittelmässigen D-Konzepten schonungslos. Das schlechte D-Image in der audiophilen Gemeinde kommt nicht von ungefähr, da solche Module auch bei eher besseren HiFi-Marken zum Einsatz kommen.

 

Aber es geht auch anders – innovative, moderne Class D Konzepte.

Das Entwicklerteam vom Kanadischen Verstärker Spezialisten Classé löst das Problem mit proprietären Schaltungen und DSP-Tools, so dass das Totbandzeit Problem mit Präzision und Konsistenz für jede Endstufe gewährleistet ist. Beim Einschalten analysiert und regelt die Steuerschaltung die Totbandzeit für jedes Ausgangspaar. Auf diese Weise werden Bauteiltoleranzen für jeden einzelnen Verstärker berücksichtigt, ebenso wie jede mögliche potentielle Drift, die über die Zeit auftreten kann (Wärme, Alterung der Bauteile). Um die sogenannte „Rückkoppelungslose“ Signalverarbeitung zu optimieren, wird die Totbandzeit für die gesamte Endstufe auf unter 3 Nanosekunden sicher eingestellt, bevor dann die Rückkoppelungsschleife mit der kleinsten erforderlichen Stärke geschlossen wird um die Gesamtleistung noch zu optimieren. Die 384 kHz-Schaltfrequenz wird durch ein einfaches phasenlineares Ausgangsfilter weit oberhalb des Audiobandes herausgefiltert. Nicht so wie bei einfachen Verstärkern mit hoher Totbandzeit, wo die Filterung nur knapp oberhalb des Audiobandes beginnt um das Klangergebnis zu verbessern. Das Ergebnis des Classé Class D Konzepts ist eine faszinierend breite und tiefe Klangbühne mit erweiterten hohen Frequenzen, welche eine musikalisch detaillierte Öffnung in den mittel- und Hochtonlagen deutlich macht.

Bild 10: Classé Sigma MONO Innenansicht, hier fehlen der grosse Ringkerntrafo und die Elkos, welche man von grossen Endstufen her kennt und trotzdem verfügt die Endstufe über beachtliche 350 Watt Ausgangsleistung. Neben der Class D Technik kommt auch ein Schaltnetzteil zum Einsatz. Eine weitere Classé Entwicklung. Bei Schaltnetzteilen gilt die gleiche Geschichte, wie mit Class D: preiswert, kompakt gepaart mit hoher Effizienz. Billig gebaut erkauft man sich diese Vorteile mit einer unsauberen und nicht problemlosen Stromversorgung. Classé Schaltnetzteile sind aufwändig konstruiert, arbeiten mit Power Corrector Factor (mit der Spannung korrelierter Stromfluss) und garantieren eine Impulsfeste und saubere Stromversorgung der Endstufen Sektion. Klares Leistungsindiz: 350 Watt RMS an 8 Ohm und Leistungsverdoppelung an 4 Ohm (700 Watt – RMS = strengere Messmethode als bei der üblichen Spitzenwertmessung, die um den Faktor 1.41 höhere Werte ergibt).

Bild 11: Moderne Class D Konzepte können durchaus die Qualität einer Class A Endstufe erreichen und trotzdem sehr Energieeffizient sein.

Hochwertige Class D Konzepte, wie das Classé Beispiel zeigt, können tatsächlich als digitale Verstärker gelten. Das analoge Eingangssignal wird digitalisiert und ein DSP Rechner übernimmt die Signalsteuerung. So werden ultrapräzise Verstärker mit einem weitgefächerten, luftigen Klangbild Realität. Gepaart mit ebenso präzisen Lautsprechern, wie den neuen Bowers & Wilkins 800 D3 Modellen, ergibt sich ein faszinierendes Klangerlebnis welches bis dato für fast nicht möglich gehalten wurde: fein, transparent und präzis, ohne die oft gehörte Class D Klanghärte. Voraussetzung ist, dass die gespielte Aufnahme ebenfalls von exzellenter Qualität ist, denn man hörte jede im Studio gemachte Manipulation, schlechtes wird schonungslos entlarvt. Für Klassikliebhaber, wie der Autor, das ultimative Hörerlebnis. Zugegeben, dies ist eine subjektive Meinung, die nicht für jeden Hörer zutreffen muss. Aber wir haben heute ein breit gefächertes Angebot an unterschiedlichen Verstärker und Lautsprecher Konzepten, welche die unterschiedlichen Klangvorstellungen bedienen. Die neuen Class D Konzepte erfüllen auch auf der energietechnischen Seite heutige Bedürfnisse und Ansprüche. Wegen der Kompaktheit fügen sich diese Verstärker auch problemlos in moderne Wohnlandschaften ein, da sie auch unsichtbar untergebracht werden können.

 

Fazit

Das Class D Konzept von Classé zeigt, wie ein Verstärkerkonzept des 21. Jahrhunderts aussieht. Konsequent umgesetzt (wie im Classé Vollverstärker 2200i) bliebt das digitale Quellsignal bis kurz vor dem Lautsprecher in der digitalen Domäne. In Anbetracht dessen, dass nur noch Geräte für zwei analoge Quellformate (Vinyl und UKW-Radio) aktiv verkauft werden, ein überlegtes, geradliniges Konzept. Das heisst nicht, dass die rein analogen Verstärkerkonzepte nun grundsätzlich überholt sind. Auch hier wurden in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer wieder Klangverbesserungen realisiert, die Marke in Bezug auf Präzision nach oben geschoben. Aber nicht alle Entwickler streben einen präzisen, originalen Klang an. Vielmehr kann mit analogen Schaltungskniffen auch ein bestimmter Sound angestrebt werden. Dies geht dann meist in Richtung „warm“ klingend, was in der Regel mit einer leichten Unschärfe im Zeitbereich einher geht und weniger mit einem nicht linearen Frequenzgang. Auch K2 Klirr, den wir nicht zwingend als unangenehm empfinden, beeinflusst das Klangbild, kreiert vor allem bei Röhrenverstärkern den typischen, unsinnigerweise oft als musikalisch (siehe Emotionen und Spezifikationen) bezeichneten Sound. Wo nun die Präferenzen liegen, muss jeder Musikliebhaber selber entscheiden. Moderne präzise Klassikaufnahmen sind ideal auf einer D-Kette zu hören. Pop-Produktionen aus den letzten Jahren mit im Mastering eingedampfter Dynamik (siehe Loudness War), überzogenen Höhen und künstlich aufgepeppten Singstimmen klingen über analoge Ketten wesentlich angenehmer: Beispiel Album „Adele 25“ auf Vinyl mit weniger Dynamikkompression.