Digitális erősítők a házi-mozikban

A PCM jelről, PWM jelre alakító modulátor a digitális erősítő kulcseleme. Az audiojel végig digitális tartományban marad egészen a hangsugárzó előtti szűrőig. Analóg erősítést nem alkalmaznak és az impulzusszélesség modulált jel egy passzív alul-áteresztő szűrőn keresztül közvetlenül a hangsugárzókra kerül. Az így fenntartott teljes egészében digitális jellánc révén az analóg erősítők torzításától mentes, kiváló minőségű audiojel jut a hangsugárzókhoz. A digitális erősítő tekinthető teljesítményerősített D/A átalakítónak, kiegészítve egy passzív alul-áteresztő szűrővel.

Kétcsatornás digitális erősítő blokkvázlata

A működést tekintve, általában a modulátorra jutó 24 bites PCM digitális jel mintavételi gyakorisága, a bejövő jel mintavételi frekvenciájától függően annak 2, 4 vagy 8 szorosára felkonvertálódik egy interpolációs szűrőben tipikusan 352,8 vagy 384 kHz-re, mely a modulátor belső mintavételi frekvenciája. A modulátor ezt a jelet alakítja PWM jellé, mely azonos kapcsolási frekvenciával rendelkezik. Ez az átalakítás még nem lineáris és a gyártók különböző szabadalmaztatott korrekciós algoritmusokkal (pl. digitális visszacsatoló hurokkal) érik el a kívánt jelpontosságot és kis torzítást. A digitális erősítők torzítását ugyanis nem elsősorban a belőlük kinyert teljesítmény határozza meg, hanem az áramkörök zaja és a PCM-ről, PWM-re alakítás pontossága. Persze nagy teljesítmény „kivétele” esetén itt is számít a kimeneti kapcsoló áramkörök és szűrő okozta torzítás, de közel sem olyan mértékben, mint egy analóg erősítőnél.

TI TAS5100A teljesítmény kimenti fokozata és a kapcsolók alkotta H-híd

Az impulzusszélesség modulált jelből úgynevezett PWM teljesítményfokozatok állítják elő a kellő teljesítményt minden hangsugárzóhoz. Ez a fokozat tulajdonképpen nagyteljesítményű kapcsolókból áll, melyek a PWM jelnek megfelelően közvetlenül a tápegység feszültségét és áramát kapcsolgatják váltakozó irányban az LC elemekből felépülő alul-áteresztő szűrőn keresztül a hangsugárzóra. És ez a kulcsa a közel 90%-os hatásfoknak és az ebből adódóan csekély hőtermelésnek, mely feleslegessé teszik a helyigényes hűtést és a szükségtelen teljesítménybetáplálást. A H-hídba kapcsolt (lásd az ábrát), kapcsolóként funkcionáló, általában N-csatornás DMOS teljesítménytranzisztorokon ugyanis ideális esetben vagy nem folyik áram (ha nyitva vannak), vagy kapcsolópontjaik között nincs feszültségkülönbség (ha zárva vannak), s így nem is léphet fel rajtuk teljesítmény. Az ideális kapcsolótól eltérően persze van ezeknek az elemeknek is valami csekély belső- és átvezetési ellenállása, melyek révén fellép egy minimális teljesítményveszteség, de ez az analóg erősítőkhöz képest elhanyagolható.

Aki hallott már négyszög impulzust, az tudja, hogy egy elég borzalmasan torz hangban volt része. A torzítást azok a hallható tartományba eső felhangok okozzák, melyek a négyszög impulzus alap harmonikusából (mely egy tisztán szinuszos összetevő) négyszög jelet formálnak. Az impulzusszélesség modulált PWM jel is ilyen állandóan változó szélességű négyszögimpulzusok sorozata, de ennek frekvencia-összetevői javarészben olyan magas tartományba esnek, hogy azt az emberi fül nem hallja. Ha viszont ezt a jelet egy a magas frekvenciákat nem, de az alacsonyabb frekvenciákat áteresztő (vagyis alul-áteresztő) szűrőn engedjük át, annak kimenetén az emberi fül számára hallható hangtartományt kapunk. A teljesítményfokozat kimeneti jele egy ilyen másodfokú, valahol 20 kHz körül vágni kezdő, LC alul-áteresztő szűrőn át jut a hangsugárzóra. Ezt a szűrőt szokták „simító” szűrőnek is nevezni.