Mit den sogenannten Digitalverstärkern schliesst sich die Lücke zur voll digitalen Wiedergabekette. Mit ihnen ist es möglich, das Signal vom Mikrofon bis zu den Lautsprechern digital zu übertragen. Doch nicht nur das – die Vorteile von Digitalverstärkern sind durchs Band überzeugend: hoher Wirkungsgrad, grosse Leistungsausbeute bei minimalen Baugrössen und die geringe Wärmeerzeugung sprechen für sich. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von High-Power PA-Endstufen für den Live Betrieb bis zu Miniaturendstufen in Computer-Soundkarten.

Zur richtigen Zeit

Die Audiotechnik im Allgemeinen und die Wiedergabetechnik im Besonderen sind einem rigorosen Wandel unterzogen. Die komplette Digitalisierung der Wiedergabekette wird konsequent weitergeführt, was zu immer kleineren, multimedial vernetzten Geräten führt. Nach den Wiedergabemedien hält nun die Digitalisierung bei den Verstärkern, dem letzten Glied in der elektronischen Kette, Einzug. Die Zeiten der voluminösen, kraftstrotzenden Verstärkerschlachtschiffe, die im Winter auch gerne mal als veritabel Heizstufe herhalten, scheinen gezählt. Digitale Verstärker, die dank digitaler Signalverarbeitung einen Wirkungsgrad von über 90 % aufweisen, die sich in Chipform kostengünstig produzieren lassen und aufgrund des geringen Stromverbrauchs auch mobil eingesetzt werden können, werden die Zukunft darstellen.

Um lange Kabelwege mit analogen Signalen zu vermeiden, werden Digitalverstärker vermehrt direkt in den Lautsprecher eingebaut. Die US-Marktforschungsfirma Forward Concepts rechnet bis im Jahr 2003 mit einem Anteil von Aktivlautsprechern mit integriertem Digitalverstärker im Audio- und PC-Bereich von 65 %. Auch wenn diese Zahl vorerst etwas hoch erscheint, ist das Potenzial tatsächlich riesig, kommen doch gleich drei dynamische Marktsegmente zusammen: Die Audio-Industrie möchte die rein digitale Elektronikkette realisieren, sei es nun im professionellen oder Heimbereich.

Die Hersteller von PC- und Mobilgeräten aller Art benötigen dringend einen kleinen, verlustarmen Verstärker für Multimediaanwendungen in Settopboxen, UMTS-Handies, u.ä. Im Surroundbereich lassen sich die fünf oder gar sieben Kanäle wohl mit kleinen, per Infrarot angesteuerten Aktivlautsprechern wirklich konsumentenfreundlich realisieren. Mehrkanal-Verstärkerboliden werden überflüssig. Grosse Halbleiterhersteller wie Texas Instruments arbeiten zurzeit mit Hochdruck an der Entwicklung bzw. Weiterentwicklung von digitalen Verstärkerchips, die schon heute mit Leistungen bis 50 Watt pro Kanal auftrumpfen können. Doch wie arbeitet ein Digitalverstärker überhaupt?

Die Schaltendstufe

Ein Digitalverstärker setzt sich zusammen aus einem DSP-Kontroller (Modulator), einer Schaltendstufe und dem passiven Ausgangsfilter.

Der einfachste Fall eines digitalen Verstärkers besteht aus der Hintereinanderschaltung eines Modulators, der ein mit dem Audiosignal modulierte Steuersignal ausgibt, einer Schaltendstufe sowie einem passiven Ausgangsfilter. Anders als bei einem konventionellen Verstärker im Klass-A- oder Klass-B-Betrieb wird in einem Digitalverstärker allerdings keine lineare Spannungsverstärkung vorgenommen.

In der Leistungsstufe arbeiten die Transistoren als sehr schnelle Schalter, die wie in der digitalen Welt üblich nur zwei Zustände kennen - den geöffneten und den geschlossenen. Als Schalttransistoren werden in der Regel Power-MOS-FET verwendet, da diese die erforderliche hohe Schaltgeschwindigkeit erreichen.

Die Schaltendstufe muss mit einem geeigneten binären Signal angesteuert werden. Als Träger des Steuersignals fungiert ein Rechtecksignal mit einer Frequenz im unhörbaren Bereich (circa 0.5 – 2MHz). Die Trägerfrequenz bestimmt die Häufigkeit des Ein-/Aus-Schaltvorgangs der Transistoren. Am Ausgang hat man wieder ein Signal mit derselben Frequenz aber nun mit einer viel höheren Amplitude. Um Musik zu übertragen, muss der Träger nun noch mit dem Audiosignale moduliert werden.

Der Modulator

Ein Sigma-Delta-Konverter liefert ein mit dem Audiosignal moduliertes Ansteuersignal für die Schaltendstufe. Moduliert wird die Pulsdichte.

Der Träger wird, um das Musiksignal zu übertragen, mit dem Audiosignal moduliert. Man benutzt dazu einen Sigma-Delta-Modulator AD-Wandler oder einen Konverter, der aus einem Multibit-Signal eine Pulsbreitenmodulation errechnet. Ein Sigma-Delta-Modulator ist eine Konverterschaltung, die ein beliebiges, bandbegrenztes analoges Eingangssignal in ein digitales 1-bit Ausgangssignal wandelt. Das Ausgangssignal wird dabei durch das Eingangssignal in der Pulsdichte moduliert. Das Bild unten zeigt ein typisches SDM-Signal. Alle gängigen AD-Wandler arbeiten heute mit einem Sigma-Delta-Modulator, die deutlich präziser arbeiten als Multibitwandler.

Wird als AD-Wandler ein Sigma-Delta-Modulator (SDM) verwendet, liegt das Steuersignal bereits in idealer Form vor. Gerade die 1-Bit DSD Technik der SACD kann davon direkt profitieren, da sie sich perfekt für die Ansteuerung einer Schaltendstufe eignet. Mutibit PCM-Signale der CD- oder DVD-Standards müssen hingegen erst konvertiert werden.

Als Pulsbreitenmodulation bezeichnet man die Modulation der Pulsweite in Abhängigkeit der Audiosignalamplitude. Oder anders ausgedrückt: Die Information des Audiosignals wird in der Pulsbreite der Trägerfrequenz repräsentiert. Wird nun das modulierte Signal von der Schaltendstufe übertragen, erfährt das Audiosignal gewissermassen im Huckepack Betrieb der Trägerfrequenz eine Leistungsverstärkung.

Das Ausgangsfilter

Der Amplitudenverlauf ist aufgrund des Ausgangsfilters lastabhängig. Das Diagramm zeigt den Amplitudengang des TACT Millennium an 8, 4 und 2 Ohm.

Nach der Schalterstufe filtert man die hohe Trägerfrequenz, welche idealerweise im Megahertzbereich liegt, mit einer einfachen Tiefpassstufe. Übrig bleibt das reine Audiosignal, welches nun an den Ausgangsklemmen des Verstärkers anliegt. Theoretisch könnte diese Tiefpassfunktion auch gleich der Lautsprecher übernehmen, doch verkäme dann das Lautsprecherkabel zu einem Kurzwellensender, da die Trägerfrequenz im Hochfrequenzbereich liegt. Digitalverstärker brauchen daher eine extrem sorgfältige Abschirmung, um keinen unerwünschten Elektrosmog zu erzeugen.

Das passive Ausgangsfilter ist aber zugleich ein gewichtiger Nachteil von Digitalverstärkern. Es treten ähnliche Probleme auf wie mit dem Ausgangstrafo von Röhrenendstufen. Der Einfluss des Filters lässt sich nicht ganz vom Audiosignal fernhalten, was im Hochtonbereich den Dämpfungsfaktor verringert. Die Bandbreite der LC-Tiefpassstufe ist zudem abhängig von der Lastimpedanz des Lautsprechers. Ist die Impedanz des Lautsprechers im oberen Frequenzspektrum niederohmig wie bei Elektrostaten, treten im Amplitudenverlauf Nichtlinearitäten bis ins Audioband auf.

Technische Hürden

Der Schlüssel zu einem erfolgreichen digitalen Verstärker liegt in der Ansteuerung der Schalttransistoren. Das ankommende Signal, ob analog oder als digitales PCM muss erst in ein adäquates PWM-Steuersignal konvertiert werden. Eine reale Schaltendstufe produziert zudem Störungen, die dem Ausgangsignal überlagert sind. Diese Störungen rühren hauptsächlich vom nichtlinearen Schaltverhalten der Transistoren her.

Dazu gehören: unterschiedliche Ein- bzw. Ausschaltzeiten, Kurvenformverzerrungen und Versorgungsspannungsstörungen 

Der Trick bzw. die Schwierigkeit liegt nun darin, eine «intelligente» Ansteuerung der Schalttransistoren zu finden, welche das nicht lineare Verhalten kompensiert bzw. gar nicht erst entstehen lässt. Die Ansteuerung muss gewährleisten, dass die Schalttransistoren immer im idealen Bereich arbeiten. Das Timing und die Flankensteilheit des Steuersignals sind absolut entscheidend und erfordern sehr viel Fachwissen und Know-How.

Lange Zeit galten Class-D-Verstärker als nicht realisierbar für Audio, da man die entstehenden Interferenzen nicht in den Griff bekam. Verfeinerte Verfahren und die Weiterentwicklungen bei Schalttransistoren haben nun das Problem aber entschärft. Die Realisierung eines Digitalverstärkers bleibt aber ein anspruchsvolles Unterfangen.

Verstärker in Chipform

Der Tripath 40 Wat Chip angewendet in einer Soundkarte und im Audioramp Internet Entertainement on Demand System.

Um die hohen Realisierungskosten zu umgehen, wird die Mehrzahl der Hersteller von Massenprodukten und Kleingeräten fix fertige Leistungsverstärker bzw. Treiber für Schaltendstufen in Chipform übernehmen. Entscheidend ist dabei die Erzeugung des geeigneten modulierten Steuersignals. Wie bei jeder noch jungen Technologie mit grossen Zukunftsprognosen versuchen verschiedene Firmen an diesem Punkt einzuhaken und bringen - natürlich von Ihnen patentierten – Lösungsvarianten auf den Markt, die in Lizenz von den Geräteherstellern übernommen werden können. Firmen wie die kürzlich von Texas Instruments aufgekaufte dänische Toccata, die das Herzstück des TACT «Millenniums» entwickelten, der junge Technologiehersteller Tripath oder der ehemalige Lautsprecherhersteller Apogee konzentrieren sich genau auf diese Schlüsseltechnologie.

Apogee nennt sein Verfahren ddx (direct digital amplification) und hat bereits 1997 die ersten Produkte vorgestellt. Der Clou liegt in einem DSP-Verfahren, mittels dessen das ankommende Digitalsignal in ein PWM-Signal umgerechnet wird. Apogee verspricht nun, ihre Lösung produziere bei optimiertem Wirkungsgrad weit weniger Interferenzen als herkömmlich Class-D-Verstärker. Eine flexible Ansteuerung der Schalttransistoren ist dafür verantwortlich. Beim Apogee DDX-Verfahren werden die Schalttransistoren nur dann angesteuert, wenn sie wirklich ein Signal produzieren sollen, während in klassischer Class-D-Technik aus einem positiven/negativen Impuls der Mittelwert gebildet wird.

Gerade bei leisen Passagen reduzieren sich die Interferenzen und die Last für das Ausgangsfilter dadurch beträchtlich. Die DDX-Technologie erreicht bei geringem Leistungsbedarf einen nochmals verbesserten Wirkungsgrad. Erhältlich sind bis jetzt eine Kontrollereinheit für Entwickler von Digitalendstufen, ein 30 Watt Modul in Chipgrösse sowie eine diskret aufgebaute 100 Watt Endstufe.

Auch die junge Technologiefirma Tripath verfolgt mit ihrem Ansatz einen sehr interessanten Weg, die Interferenzen zu eliminieren. Der Witz liegt auch hier in einer intelligenten Ansteuerung der Schalttransistoren. Mit einem lernbaren Algorithmus wird das Verhalten der Schalttransistoren analysiert und in einer Vorausrechnung kompensiert. Tripath positioniert Ihren Verstärkerchip primär für Anwendungen bei Computern und Kleingeräten. Bereits auf dem Markt erschienen ist eine Soundkarte mit 2 x 20 Watt Endstufe; die Firma produziert aber zugleich Treiber-Bausteine, mit denen digitale Verstärker bis zu 500 Watt aufgebaut werden können. Tripath Digitalverstärker findet man zudem in den neuen Apple Cube Computern sowie den Audioramp-Produkten, einem Internet Entertainment on Demand System.

Neue Möglichkeiten

Eine Schaltendstufe hat gegenüber einer herkömmlichen Endstufe, im Class-A- oder Class-B-Betrieb, den Vorteil einer wesentlich kleineren Verlustleistung. Der Wirkungsgrad von über 90 % erlaubt schon bei kleinen Baugrössen hohe Leistung bei geringem Gesamtgewicht, da keine Kühlkörper für die Wärmeabfuhr oder schwere Netztrafos als gewichtiges Energiereservoir benötigt werden.

Zentnerschwere Verstärkerschlachtschiffe gehen also bald rückenschonend in die Ahnengalerie ein. Nicht umsonst gehören leichtgewichtige, aber leistungsstarke Digitalverstärker (z.B. von Harrison) gerade an grossen Live Anlässen zum Standard. Durch die voll digitalisierte Elektronikkette lässt sich zudem der hohe Rauschabstand der digitalen Medien endlich bis zum Lautsprecher transportieren. Dies gilt vor allem für kleine Lautstärken, wo sich der Rauschabstand von analogen Verstärkern naturgemäss verringert.

Bei digitalen Aktivlautsprechern gehören zugleich die Kabeleinflüsse der Vergangenheit an. Digitale Verbindungen sind im Vergleich zu analogen äusserst unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern.

HiFi-Anwender werden die Klangentfaltung im Bassbereich schätzen. Digitale Verstärker sind weniger träge als herkömmliche Class-A- oder A/B-Verstärker. Da sie als Leistungs-Digital/Analog-Wandler funktionieren, werden sie direkt mit digitalen Quellen betrieben. Ein zusätzlicher DA-Wandler ist überflüssig. Wird der Digitalverstärker in die Lautsprecher eingebaut (wo ein Verstärker eigentlich bereits in der analogen Zeit hingehörte), ergeben sich ganz neue Möglichkeiten für die Einrichtung der heimischen Multimedia-Station: keine Leistungsübertragung zum Lautsprecher, keine monströsen Mehrkanalverstärker für Surround mehr notwendig, der DA-Wandler entfällt, die drahtlose Verbindung von der Quelle zum Lautsprecher wird vereinfacht, da die digitale Übertragung weniger störungsanfällig ist.

HiFi Produkte

Im November 2000 lancierte Sharp in Japan drei preiswerte Komplettanlagen mit 1-Bit Digitalverstärkern.

An der HiFi-Front haben sich bis anhin vor allem TACT , eine Technologieschmiede, die unter dem gleichen Firmendach wie NAD zu Hause ist und der die Aufgabe zukommt, die Technologien von morgen marktreif zu machen, sowie der japanische Konzern Sharp hervorgetan. TACT brachte im Herbst 1998 mit dem «Millennium» den wohl ersten überzeugenden High End Digitalverstärker auf den Markt, während Sharp im Frühjahr 2000 mit dem futuristischen SM-SX100 nachdoppelte. Die beiden arbeiten jeweils mit einer unterschiedlichen Technik. Der TACT konvertiert erst das Multibit-PCM-Signal in eine Pulsbreitenmodulation mit 350 KHz, während der Sharp als erster 1-Bit Verstärker mit Sigma-Delta-Modulator auf das gleiche Single-Bit-Format wie die SACD setzt und als Trägerfrequenz 2,8 MHz verwendet. Beide Verstärker sind im oberen High End-Preissegment positioniert, können aber auch mit absolut überzeugenden Klangeigenschaften aufwarten.

Der TACT Millennium war der erste voll digitale Verstärker auf höchstem Niveau

Sharp hat inzwischen begonnen, die aus den SM-SX100 bewährte Verstärkertechnologie bereits in preiswerte Komplettanlagen einzubauen. Ob die drei Modelle SD-NX10, SD-CX und SD-FX1 auch in Europa erhältlich sein werden, ist noch unklar. Doch zeigt sich ganz klar, dass Sharp voll auf das Konzept Digitalverstärker setzt und mit ihren 1-Bit Verstärkern bereits jetzt einen nicht unwesentlichen Vorsprung gegenüber der Konkurrenz hat. Gerade was die Realisierung des Konzepts für preiswerte Produkte anbelangt.

Fazit

Einen Digitalverstärker auf High End-Niveau zur Serienreife zu bringen ist trotz des einfachen Prinzips nach wie vor eine nicht zu unterschätzende technische Herausforderung. Auf dem HiFi-Markt eingeführt sind erst der TACT Audio Millennium sowie der Sharp SM-SX100H, wobei beide im Hörtest durch eine bestechende Klangentfaltung brillieren. Einiges versprechen darf man sich aus der Kombination der 1-Bit Technik der SACD und Digitalverstärkern, die wie für einander geschaffen sind, arbeiten sie doch mit dem gleichen binären Modulationsverfahren. Ein wahre Welle von Anwendung dürfte bei den Kleingeräten auf uns zukommen. Gerade für iGadgets, Webboxes und alles Portable, was auf geringen Stromverbrauch angewiesen ist, weitet sich ein grosses Marktpotential auf. Die Vorteile von Digitalverstärkern wie Wirkungsgrad, Baugrösse und nahtlose Integration in die digitale Kette kommen hier voll zum Tragen.