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Digitalverstärker / History |
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1976: Sonys TA-N88 erster serienmäßiger Schaltverstärker |
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1999: erster serienmäßiger Digitalverstärker von TACT |
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2000: kompakte Schaltverstärker von B&O |
Die Geschichte der ersten in Serie gefertigten HiFi-Digitalverstärker geht zurück in die Mitte der siebziger Jahre. Wegen der damals verfügbaren langsamen Transistoren konnte sich diese Technik jedoch nicht erfolgreich durchsetzen. Heute, nach der Digitalisierung der Wiedergabemedien (CD, DVD, SACD) hält die Digitaltechnik wieder Einzug bei den Verstärkern, dem letzten Glied in der elektronischen Wiedergabekette.
Die Vorteile der Digitalverstärker sind überzeugend. Neben einem hohen Wirkungsgrad, einer grossen Leistungsausbeute und geringer Wärmeentwicklung bestechen diese Gerät durch geringe Abmessungen und lassen den Designern freie Hand.
Der Begriff Digitalverstärker wird allerdings sehr weit gefasst. Zum einen zählt man hierzu die reinen Schaltverstärker, bei denen nur die Endstufen digital arbeiten, die Eingänge und Vorstufen aber noch analog ausgeführt sind und zum anderen die "echten Digitalen", die direkt mit einem Digitalsignal angesteuert werden können und bis zum Lautsprecherausgang digital funktionieren.
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2000: SM-SX100 Digitalverstärker der Superlative von Sharp |
2002: Sharp beginnt mit der Einführung preiswerter 1-Bit Komponenten |
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Schaltverstärker |
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Schaltverstärker allgemein
Der Schalldruck eines Lautsprechers ist die Folge eines elektrischen Stromes, der durch die Schwingspule des Lautsprechers fließt. Geliefert wird der Strom von Transistoren im Endverstärker.
In herkömmlichen analogen Verstärkern, wird der Stromfluß direkt vom analogen Signal beeinflußt.
Je nach Amplitude der Schwingung fließt mal mehr, mal weniger Strom durch die Transistoren.
Das Problem: Leistung die ein Lautsprecher gerade nicht benötigt, wird in den Transistoren direkt in Wärme umgewandelt.
Aus diesem Grund haben analoge Verstärker große Kühlkörper und schwere Transformatoren.
Schaltverstärker im Detail
In Schaltverstärkern kennen die Transistoren nur zwei (digitale) Zustände. Entweder keinen Strom oder maximalen Strom für den Lautsprecher. In beiden Fällen fällt am Schalter (Transistor) keine Verlustleistung an.
Die Folge: Die gesamte Schaltung bleibt kühl und das Netzteil kann wesentlich kompakter ausgelegt werden.
Die beiden wesentlichen Elemente des Schaltverstärkers sind ein Komparator (Vergleicher) und ein Filter. Der Komparator erzeugt aus dem analogen Eingangssignal eine PWM-Signalform (PWM = Puls Witdh Modulation). Hier wird ein analoges Eingangssignal mit hoher Amplitude in einen breiten Impuls gewandelt, eine kleine Amplitude in einen entsprechend schmalen Impuls. In allen Fällen wird der Endstufen-Transistor entweder ganz eingeschaltet oder ganz ausgeschaltet. Verlusterzeugende Zwischenwerte gibt es nicht.
Aus den hohen rechteckförmigen PWM-Stromimpulsen bildet ein Filter wieder den arithmetischen Mittelwert (Integral), der dem analogen Eingangssignal entspricht. Durch die steilen Flanken der Rechteckimpulse und den hohen Schaltfrequenzen entstehen hochfrequente Störsignale, die entsprechend abgeschirmt werden müssen. Aus diesem Grund erinnert das Innenleben von Schaltverstärkern oft an Konservendosen.
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1-Bit Digitalverstärker |
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1-Bit Digitalverstärker sind die "echten Digitalverstärker", die schon am Eingang ein digitales Signal erwarten. Obwohl diese Spezies der Verstärkertechnik (bis auf wenige Ausnahmen) z. Zt. nur im oberen Preissegment anzutreffen ist, wird sich diese Technologie langfristig auch bei Standard-Verstärkern durchsetzen.Das Hauptelement des Digitalverstärkers ist neben dem Schaltverstärker ein Sigma-Delta-Modulator. Vereinfacht dargestellt erzeugt der Sigma-Delta-Modulator ein mit dem Eingangs-Audiosignal moduliertes 1Bit- Steuersignal, das direkt den Schaltverstärker ansteuern kann. Der Clou der 1-Bit-Technologie besteht darin, dass quasi die "analoge Seele" der originalen Schwingung immer im Datensignal enthalten ist. Dies steht ganz im Gegensatz zum normalen PCM-Multibit-System, wie es im digitalen Ausgangssignal herkömmlicher DVD-Player o.ä. Quellen verwendet wird. Hier wird ja die Signalschwingung abgetastet und in einen Puls Code transferiert, welcher den direkten Zusammenhang mit der Schwingungsform verloren hat.
So eignen sich 1Bit Digitalverstärker besonders gut zum Anschluß von SACD-Playern, da deren DSD-Ausgangssignal (Direct Stream Digital) und das 1Bit-Format des Digitalverstärkers identisch sind. Beide arbeiten mit einer extrem hohen Abtastfrequenz von 2.8224MHz und 1 Bit. Es muss also nichts mehr gewandelt werden - eine Konvertierung ist überflüssig. Das Bitstream-Signal kann also idealerweise mit Lichtgeschwindigkeit vom SACD-Player, ungebremst durch irgendwelche störenden Manipulationen, bis zur Endstufe sausen.
Damit der Sigma-Delta-Modulator auch von den normalen digitalen PCM-Signalen eines DVD-Players o.ä. Quellen angesteuert werden kann, ist eine zusätzliche Rechenschaltung erforderlich, die das PCM-Signal in ein 1Bit DSD-Signal wandelt. Diese Rechenschaltung ist sehr aufwendig und forderte bei der Entwicklung Pionierarbeit.
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Vor- und Nachteile |
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Digitalverstärker bringen eine Menge Vorteile, auch wenn es sich nur um Schaltverstärker handelt. Gegenüber einer herkömmlichen Endstufe im Class-A oder Class-B Betrieb hat die Schaltendstufe einen Wirkungsgrad von über 90%. Das erlaubt schon bei kleinen Baugrössen eine hohe Leistung und geringes Gesamtgewicht, da Kühlkörper und schwere Netztransformatoren nicht benötigt weren.
Bei echten Digitalverstärkern lässt sich durch die volldigitalisierte Elektronikkette 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.
Digitale Verstärker sind weniger träge als herkömmliche Class-A- oder A/B-Verstärker, was sich unmittelbar auf die Klangeigenschaften auswirkt.
Nachteilig wirkt bei echten Digitalverstärkern z.Zt. nur der Preis.
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