Versterkerklassen

Het leveren van veel vermogen is geen eenvoudige klus voor een versterker. Er is zowel spannings- als stroomversterking nodig om voldoende vermogen aan de aangesloten luidsprekers te kunnen leveren. Luidsprekerboxen hebben immers maar een rendement van enkele procenten en dat betekent dat voor het produceren van voldoende geluidsdruk in een huiskamer toch zeker enkele watts nodig zijn. Bij concerten en openluchtmanifestaties wordt heel wat meer gevraagd, daar gaat het al gauw om kilowatts.

Voor de vermogensversterking in een eindversterker zijn in de voorbije decennia diverse concepten ontwikkeld om met behulp van transistoren of FET’s een kwalitatief hoogwaardig
uitgangssignaal te produceren en/of het rendement van de eindtrap te verbeteren (Buizenversterkers laten we in dit verhaal buiten beschouwing).
Bij de opzet van de uitgangstrap moet de ontwerper rekening houden met de specifieke eigenschappen van de toegepaste halfgeleiders. Zouden we kunnen werken met ideale transistoren of FET’s, dan was de constructie van een goede versterker veel gemakkelijker. Maar helaas hebben alle halfgeleiders last van niet-lineariteit bij de signaalversterking en dat geeft vooral bij het verwerken van analoge signalen grote problemen. Dankzij een goed gedimensioneerde terugkoppeling kan men dit probleem minimaliseren. Verder kunnen afhankelijk van de gekozen configuratie nog andere nare bijverschijnselen optreden, zoals de beruchte crossover-vervorming.

Ook de warmteproductie is vooral bij grotere versterkers een punt waarmee rekening moet worden gehouden. Dit kan verstrekkende thermische gevolgen hebben (zoals verloop van de ruststroominstelling en thermische modulatievervorming). Gewoonlijk worden eindversterkers ingedeeld in verschillende klassen die betrekking hebben op de configuratie van het uitgangsgedeelte. Dat bepaalt namelijk in hoge mate de efficiëntie en kwaliteit, omdat hier de eigenlijke vermogensversterking plaats vindt.

Het aantal versterkerconfiguraties wordt aangeduid met de letters van het alfabet, waarbij de letter niet meteen iets zegt over de werkingswijze. Men is ooit begonnen bij de eerste letter...

Klasse A

We beginnen hier met de meest eenvoudige, maar tevens een van de beste configuraties voor hoogwaardige audioreproductie, de klasse-A eindtrap. In de basisopzet kunnen we hiervoor een gewone emittervolger gebruiken (figuur 1). De ruststroom door de transistor is gelijk aan de maximale uitgangswisselstroom, zodat de transistor midden in zijn werkgebied is ingesteld en alleen meer of minder geleidt bij aansturing door een wisselspanning. Het rendement is heel laag, 25% bij maximale uitsturing en bij geringe signaalgrootte nog kleiner.

Eén van de bekendste klasse-A versterkers: de Sugden A21SE

Door gebruik te maken van een symmetrische opzet met twee transistoren kan het rendement verbeterd worden, maar ook hiermee is maximaal 50% haalbaar.

Figuur 1. Bij een klasse-A-eindtrap is het rendement zeer laag, maar daarvoor is crosssover wel geheel afwezig.

Klasse B

Bij de klasse-B configuratie wordt gebruik gemaakt van twee transistoren die elk precies de helft van de periodetijd geleiden. In de rustsituatie loopt er helemaal geen stroom door de transistoren. Het rendement van een klasse-B-eindtrap bedraagt circa 78%, maar het grote nadeel hiervan is de overnamevervorming die ontstaat op de momenten dat de twee transistoren het van elkaar moeten overnemen. Door de scherpe knik in het onderste deel van de overdrachtscurve zullen de twee periodehelften niet goed op elkaar aansluiten en ontstaat de beruchte crossover-vervorming, een aantasting van de signaalvorm die zeer goed hoorbaar is.

NAD Masters series meerkanaals-eindversterker

Om dit probleem op te lossen, heeft men klasse A en B gecombineerd tot klasse AB. Dit is een klasse-B-configuratie waarbij er een kleine ruststroom loopt, zodat de eindtrap bij geringe vermogens toch in klasse A staat te werken. Dit wordt bij het merendeel van alle eindversterkers tegenwoordig nog toegepast, in een aantal varianten. Het rendement blijft ongeveer gelijk aan dat van klasse-B.

Figuur 2. Bij een klasse-B-opzet geleidt elke transistor gedurende de halve sinusperiode. Problemen ontstaan hier rond de nuldoorgang.

Klasse G,H en D

G en H

Ho, wacht even! Zijn we niet een paar klassen vergeten? Ja, maar dat doen we hier bewust. De klassen C, E en F bestaan ook, maar zijn eigenlijk alleen geschikt voor hoogfrequenttoepassingen, dus dat valt enigszins buiten het kader van dit audioverhaal. En de opzet van klasse D wijkt zodanig af van A en B dat we daar dadelijk apart naar gaan kijken. Nu dus eerst de klassen G en H, die een belangrijk punt gemeenzaam hebben.

Arcam Solo Movie 5.1 maakt gebruik van klasse G versterking

Bij beide wordt de voedingsspanning namelijk aangepast aan de grootte van de uitsturing. Bij klasse G (figuur 3) wordt de voedingsspanning continu meegeregeld met de gewenst grootte van het uitgangssignaal. Met behulp van moderne schakelende voedingen is zo’n `meelopende` voeding betrekkelijk eenvoudig te realiseren, hoewel natuurlijk een goede regeling noodzakelijk is om de voeding snel genoeg te laten reageren op het  uitsturingsgedrag van de eindtrap.

Figuur 3. Klasse G maakt gebruik van een meelopende voeding waarvan de spanning continu wordt aangepast aan de signaalgrootte.

Bij klasse H (figuur 4) gebeurt in principe hetzelfde als bij klasse G, alleen wordt hier de voeding niet continu gevarieerd, maar zijn er een aantal voedingsspanningen (meestal twee) waartussen wordt geschakeld. Op deze wijze kan vooral bij grotere vermogens de dissipatie in de eindtrap behoorlijk worden gereduceerd.

Figuur 4. Klasse H beperkt zich tot het omschakelen tussen enkele verschillende voedingsspanningen, in dit geval twee.

Klasse D

De ‘D’ heeft bij dit versterkerconcept niets te maken met ‘digitaal’, dat is toeval. Het gaat hierbij om een schakelende versterker die met pulsbreedte-modulatie werkt (figuur 5). Het ingangssignaal wordt vergeleken met een driehoek en een comparator schakelt vervolgens de eindtrap naar de positieve of negatieve voedingsspanning. Dit gebeurt met een zeer hoge schakelfrequentie die gewoonlijk 10x of nog hoger is dan de audio-bandbreedte (dus 200 kHz of hoger).

De breedte van de pulsen varieert op deze wijze mee met de grootte van het ingangssignaal. Als nu achter de eindtrap een laagdoorlaatfilter wordt geplaatst, dan wordt het pulsbreedtesignaal geïntegreerd en blijft een analoog signaal over met dezelfde vorm (maar wel versterkt) als het ingangssignaal. Doordat de eindtrap alleen maar hoeft te schakelen, is het rendement zeer hoog. Er kleven echter ook een aantal nadelen aan deze werkwijze. Het is erg moeilijk om de signaalvorm vrij van vervorming te houden, er is een fors uitgangsfilter noodzakelijk en er moeten drastische maatregelen worden genomen om stoorsignalen naar buiten toe te beperken. Voor een vervormingsarme versterking moet in elk geval een (analoge of digitale) tegenkoppeling worden toegepast.

Figuur 5. Klasse D bestaat uit een pulsbreedtemodulator met vermogensuitgang en laagdoorlaatfilter.

Klasse S en T

Ofschoon het principe van de klasse-D-versterker ook al enkele decennia oud is, is dit type eindtrap voor hifi-toepassingen nooit echt doorgebroken. Gebrek aan goede halfgeleiders (snelle vermogens-FET’s) en te veel vervorming waren hiervan de voornaamste oorzaken. Intussen hebben diverse fabrikanten variaties op dit thema bedacht die ze vaak van een eigen benaming hebben voorzien. Zo heeft Crown de klasse-I-versterker bedacht, Sony heeft zijn S-master-technologie ontwikkeld en Tripath heeft zijn klasse-T-versterker ontworpen. Helaas is hiermee de mooie alfabetische volgorde verloren gegaan ten koste van fabrikanten-afkortingen.

Sony S-Master Pro versterker

Bij de S-master-techniek heeft Sony een aantal technieken gecombineerd om de klasse-D-opzet geschikt te maken voor huiskamer-hifi-toepassingen. De omzetting van het binnenkomende signaal naar een pulsbreedte-gerelateerd signaal noemt men hier complementary pulse length modulation (C-PLM).
Uitgebreide aandacht wordt besteed aan het onderdrukken van jitter. Hiertoe wordt gebruik gemaakt van een extreem nauwkeurig kloksignaal en een circuit (clean data cycle) dat de plaats van de uitgangspulsen indien nodig corrigeert (zie figuur 6).

Figuur 6. Blokschematische opzet van een S-master-versterker van Sony.

Een bijzonderheid bij de Sony-benadering is zeker de volumeregeling. Bij een normale klasse-D-opzet staat aan de uitgang altijd de volledige blokgolf met een waarde van 50 tot 100 V (top-top). Vooral bij kleinere uitgangssignalen is het heel moeilijk om de restanten van de blokgolf geheel verwijderd te houden uit het gefilterde signaal. Bij de Sony-opzet wordt het volume geregeld door het aanpassen van de voedingsspanning van de eindtrap. Hierdoor gaat geen informatie verloren bij kleine signalen Dit werkt over een bereik van 50 dB.

De firma Tripath heeft een technologie ontwikkeld die naar eigen zeggen de signaalkwaliteit van klasse-A- en AB-ontwerpen combineert met een hoog rendement van 80 tot 90%.
Daartoe maakt men gebruik van een combinatie van analoge en digitale circuits, gecombineerd met digitale algoritmes die het ingangssignaal moduleren met een hoogfrequent schakelpatroon. De door Tripath ontwikkelde algoritmes zijn afgeleiden van adaptieve en voorspellingsalgoritmes die in de telecommunicatie al worden toegepast.

Sonic Impact Super T-amp met klasse-T versterker

Bij de Tripath-versterker is het grootste deel van de analoge en digitale elektronica ondergebracht in één IC (afhankelijk van het vermogen met of zonder eindtransistoren). In figuur 7 is de blokschematische opzet afgebeeld. Het ingangssignaal wordt eerst gebufferd door een ingangstrap. Vervolgens gaat dit naar het blok Digital Power Processing dat de adaptieve signaalprocessor bevat, een digitale conversie-functie, muteschakeling, overbelastingsbeveiliging en foutdetectie. Via de kwalificatielogica wordt dan de vermogenseindtrap aangestuurd, waar via een uitgangsfilter de luidspreker op wordt aangesloten.
Dankzij de speciale algoritmes kan de processor in de klasse-T-versterker bij de aansturing van de eindtrap rekening houden met de specifieke eigenschappen van de toegepaste vermogenstransistoren. Hierbij wordt gelet op het niet-ideale schakelgedrag, misaanpassing tussen de complementaire uitgangstransistoren, dode-tijd-vervorming en de resterende
energie van de oscillator in de audioband.

Figuur 7. Klasse T van Tripath is een intelligente uitwerking van het klasse-D-principe, waarbij een processor voortdurend het ingangssignaal monitort en de schakelsignalen
bijstuurt.

De schakelfrequentie bij klasse T wordt voortdurend aangepast in de grootte van het ingangssignaal. Bij lage ingangsniveaus ligt ze vrij hoog, op circa 1,2 MHz. Dit komt de signaalkwaliteit ten goede. Bij stijgend ingangsniveau daalt de frequentie geleidelijk om het rendement te verhogen. Bij volle uitsturing ligt de schakelfrequentie uiteindelijk bij circa 200 kHz. Daarnaast wordt ook nog een soort noise-shaping toegepast op de toppen van het uitgangssignaal om de signaalvorm te verbeteren. Al deze maatregelen zorgen er samen voor dat de klasse-T-versterker een klankindruk levert die doet denken aan audiofiele analoge versterkers.

De toekomst

Met het oprukken van digitale audio zal uiteindelijk ook de eindtrap in een digitale variant in menige consumentenversterker te vinden zijn. De reden: efficiënter, kleiner en goedkoper te produceren. Of deze ontwikkeling ook zal doorzetten in het high-end-gebeuren, is nog moeilijk in te schatten. Op dit moment zijn er nog maar enkele digitale kwaliteitsversterkers op de markt.