Digitális erősítők a házi-mozikban

Bevezetés.

A D-osztályú „digitális” erősítőket először a nagyteljesítményű erősítők hatásfokának javítása érdekében kezdték el fejleszteni. Az ok nagyon prózai volt, a „pénz”. A koncertturnék kamionszám utaztatott kellékei között tetemes helyet foglalnak el és főleg súlyt képviselnek a sok ezer wattnyi hangteljesítményt előállító erősítők. Minden megtakarított köbméter tér és kilogramm súly szállítási- és installációs költségmegtakarítást jelent.

A nagy félvezetőgyártók belépése a fejlesztésbe azonban megváltoztatta a helyzetet. Ha ezek a cégek már súlyos pénzeket költenek egy új technológia kifejlesztésébe, akkor azt azért teszik, hogy az előállított új elektronikai áramkörök sok-sok profitot termelve minél több termékbe minél nagyobb darabszámban épüljenek be a legkülönbözőbb alkalmazásokba. A digitális erősítők esetében is a multimédiás PC illetve szórakoztatóelektronikai piac jelentette a vonzó lehetőséget, amikor körülbelül két éve ezek a gyártók megjelentek első kész megoldásaikkal.

Mára már az üzletek polcain vannak az első házi-mozi készülékek, melyekben ott vannak ezek az áramkörök, és a gyártók nagy büszkeséggel hirdetik, hogy erősítőjük „digitális”, mert ugye marketing is van a világon.

Az analóg erősítők.

Annak érdekében, hogy megvilágítsuk a digitális erősítők előnyeit a hagyományos analóg erősítőkhöz képest, röviden tekintsük át ez utóbbiak működését és jellegzetességeit.

Bármilyen meglepő a korszerű analóg erősítők működési elve nem sokban tér el a lassan 100 éve 1907-ben az amerikai Lee-de Forest által felfedezett legegyszerűbb elektroncsővel, a triódával megépíthető erősítő működésétől. Ennek lényege, hogy a trióda anódjára kapcsolt néhányszor százvoltos egyenfeszültség és a fűtött katód hatására elektronáramlás jön létre a csőben, melyet a rácsra kapcsolt negatív feszültség nagyságával szabályozni lehet. Minél „negatívabb” a rácsfeszültség, annál jobban „záródik” az elektronáramlás útja, és fordítva, minél „pozitívabb” a rács feszültsége, annál jobban „nyit” a cső.

Ha az anóddal sorba egy úgynevezett munkaellenállást teszünk (ahogy az a kapcsolási ábrán látható), akkor azon az anódáram nagyságával egyenesen arányos nagyságú feszültség esik (Ohm törvénye szerint U = R × I). A munkaellenálláson eső feszültség levonódva az anódfeszültségből adja az egyszerű erősítő kimeneti feszültségét. (A rácsfeszültség és a kimeneti feszültség összefüggését mutatja a függvénygörbe.) Ha most az úgynevezett munkapont körül kicsit csökken (negatívabbá válik) a rácsfeszültség, akkor csökken az anódáram és az összefüggés szerint nő a kimeneti feszültség, és viszont, ha kicsit nő a rácsfeszültség, a kimeneti feszültség csökken. Az ilyen erősítőben a bemeneti illetve kimeneti jel változása ellentétes előjellel megy végbe, vagyis úgymond az erősítő fázist fordít.

Az A-osztályú, egyfokozatú triódás feszültségerősítő működése

Az erősítés mértékét a bemeneti jelszint-változás hatására létrejövő kimeneti jelváltozás illetve e két érték hányadosa adja. A triódás egyfokozatú erősítő erősítésének nagysága függ a trióda karakterisztikájától (meredekségétől) és a munkaellenállás nagyságától. Például, ha a trióda meredeksége 2 mA/V és a munkaellenállás 10 kOhm, akkor a kapcsolás erősítési tényezője (A = 0,002 × 10000) húsz, vagyis a rácsfeszültség 0,5 voltos megváltozására a kimeneti feszültség 10 voltot változik. Így működik az A-osztályú, egyfokozatú triódás feszültségerősítő.

Az analóg erősítők két tulajdonságát érdemes megemlíteni, melyek a digitális erősítőkre nem, vagy legalábbis másként érvényesek. Az egyik a torzítás, a másik a hatásfok illetve az ezzel összefüggő melegedés.

A működés során láttuk, hogy az analóg erősítő munkapontja körüli „munka-egyenesen” bekövetkező bemeneti jelváltozás hozza létre a kimeneti jelváltozást. Ha ez a munka-egyenes nem „tökéletesen” egyenes (márpedig nem az), akkor a kimeneti jel hullámalakja sem lesz tökéletes, azaz torzulni fog. A torzítás miatt az eredeti jel összetevőihez olyan nem kívánt felhangok (un. harmónikusok) adódnak, melyeket a hallgató zajként értékel. A torzítás mértéke ráadásul többnyire attól függ, hogy mekkora teljesítményt „veszünk ki” az erősítőből. Ha egy analóg erősítőt a névleges maximális teljesítményén használunk, akkor az általa okozott %-ban mért úgynevezett teljes harmonikus torzítás akár a háromszorosára is nőhet ahhoz az értékhez képest, amit a fél-teljesítményen történő használatkor mérhetünk.

Mindenki, aki látott már közelről ilyen erősítőt és meg is érinthette, azt tudja, hogy elég „forró élmény”. És ez nem csak azért van, mert a cső katódját „fűtik” – mert a fűtést nem igénylő tranzisztoros analóg erősítők is melegszenek – hanem azért, mert bizony az analóg erősítők a betáplált elektromos energia jelentős részét nem hasznosítható hővé alakítják. Ennek oka, hogy az analóg erősítők aktív elemén (az elektroncsövön, a bipoláris vagy térvezérlésű tranzisztoron) keresztül mindig folyik áram és végpontjai (a triódánál például az anód és katód) között van valamilyen feszültségkülönbség. Ennek az áramnak és feszültségnek a szorzatával megegyező teljesítménymennyiség alakul át hővé. Ennek a hőnek az elvezetéséhez van szükség a nagyméretű hűtőbordákra, ventillátorok által mozgatott lebegőre és mindehhez sok-sok helyre. Ráadásul a javarészben haszontalanul betáplált energia előállításához is nagyobb tápegységre, transzformátorra stb. van szükség.

A digitális erősítők.

Az analóg illetve digitális erősítő működésének összehasonlítása érdekében képzeljük el a következőket:

Van egy tartályunk, amiből a vizet egy csövön keresztül engedjük ki, de szabályozni szeretnénk a kifolyó víz elfolyási sebességét. Ezt kétféle módon tehetjük meg. Az egyik megoldás, hogy egy „csapot” teszünk a csőre, melyet záró irányba forgatva szűkíthetjük, illetve nyitó irányba forgatva tágíthatjuk az átfolyási keresztmetszetet. Ha azt akarjuk, hogy gyorsabban folyjék le a víz, nyitjuk, ha azt hogy lassabban, zárjuk a csapot (ez az analóg szabályzás). A másik megoldás szerint a csőbe egy gyorsan kapcsolható nyitó-záró „szelepet” iktatunk, melyet mondjuk egy másodperc alatt egyszer nyitunk és egyszer zárunk. Ha gyorsan akarjuk elfolyatni a vizet, az egy másodpercen belül hosszabb ideig nyitott a szelep mint ameddig zárt (hosszabb a nyitási és rövidebb a zárási időszakasz), míg ha lassabb elfolyást akarunk elérni rövidebb a nyitási és hosszabb a zárási időszakasz (ez a digitális szabályzás).

Nagyjából az előző „vizes példa” digitális szabályzásához hasonlóan működik a D-osztályú digitális erősítő is. A működést az alábbi ábra alapján érthetjük meg. A hanghullámokat alkotó szinusz hullám digitális mintavett megfelelőjét, a pulzus kód modulált (PCM) jelet mutatja az ábra legfelsőbb idődiagramja. A PCM jelben minden egyes mintának van egy egész számmal leírt amplitúdója. Az ugyanazon hullámnak megfelelő, azonos mintavételi gyakoriságú (frekvenciájú) impulzusszélesség modulált (PWM) jelet mutatja az ábra alsó idődiagramja. A PCM jel impulzus magasságával szemben minden egyes PWM minta nagyságát az impulzus szélességével írunk le.

A PCM és PWM jelek

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.

Az alábbiakban közreadok még néhány diagrammot a TEXAS INSTRUMENTS TAS5000 + TAS5100A TDAA digitális erősítő rendszerének jellemzőiről és egy képet az ezt alkalmazó PANASONIC SA-XR25860 házi-mozi erősítőről, mely 74mm-es magassága ellenére csatornánkénti 100 Watt teljesítmény leadására képes.

THD+zaj a kimeneti teljesítmény függvényében

THD+zaj a frekvencia függvényében

Frekvencia-átvitel

Hatásfok

A digitális erősítő egy panelen

PANASONIC SA-XR25