Dynamikumfang von Schaltverstärkern

[Grasso]

Dissi, Du hast zumindest teilweise recht, denn das Nullpunkt- wäre ein Rauschproblem. Schaltverstärker haben aber auch ein Linearitätsproblem: Wir haben ja schon festgestellt, daß Schaltverstärker unterhalb ihres Schaltumfangs kontinuierlich arbeiten. In diesem Arbeitsbereich sind sie genauso zu behandeln wie analoge Verstärker, mit der Ausnahme, daß wegen der durch die Pegel/Pulsbreite/Pegel-Umwandlung hart begrenzten Bandbreite Gegenkopplung schwieriger wird. Um kleine Pegel nicht zu verschlucken, bleibt nur noch ein Ruhestrom, was einem Schaltverstärker natürlich viel von seiner Exotik nähme. Aber auch die Ausgangstransistoren sollten sorgfältig ausgesucht sein.

[JFA]

durch die Pegel/Pulsbreite/Pegel-Umwandlung hart begrenzten Bandbreite Gegenkopplung schwieriger wird.

Da ist keine Bandbreite hart begrenzt. Gegenkopplung ist trotzdem schwierig, weil sich in der Schaltung einige Lauf-/Totzeiten verbergen, die Schleifenverstärkung also kleiner -1 wird und damit instabil.

Aber frei nach dem Motto "Wenn der Berg nicht zum Propheten kommt, muss der Prophet zum Berg kommen" nutzt man das heutzutage aus und lässt den Verstärker absichtlich bei der erwünschten Schaltfrequenz oszillieren.

[Grasso]

Da ist keine Bandbreite hart begrenzt.

Oberhalb der halben Modulationsfrequenz tritt Aliasing auf. Da kann man nicht mehr gegenkoppeln. Das ist eine absolute Grenze.

Gegenkopplung ist trotzdem schwierig, weil sich in der Schaltung einige Lauf-/Totzeiten verbergen,

Ja.

die Schleifenverstärkung also kleiner -1 wird und damit instabil.

Nein. Die Schleifenverstärkung ist das Maß der Gegenkopplung (zum Beispiel 10), nämlich die Leerlaufverstärkung (zum Beispiel 1000) geteilt durch die Verstärkung (zum Beispiel 100). Sie soll bei traditionallen Verstärkern kleiner als 1 werden, also verschwinden, bevor die Phase des Verstärkers gegensinnig wird, damit es nicht schwingt. Jetzt zeige ich eine Grafik aus dem Datenblatt für den Klasse-D TDA8920B:

Bei 20 Watt Ausgangsleistung ist der Klirr bei 100 Hz fast zehnmal geringer als bei 1000 Hz. Also scheint der Verstärker seine Leerlaufverstärkung mit einem Tiefpaß erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 150 Hz zu filtern. Er tut dies, damit er erst bei der gewünschten Modulationsfrequenz schwingt und nicht schon tiefer.

Klirr plus Rauschen nehmen hier unterhalb 1 Watt Ausgangsleistung mit dem Kehrwert der Ausgangsspannung zu und betragen bei -2 BelWatt -6 Bel. Wenn man linear extrapoliert, kommt man bei -8 BelWatt auf 0 Bel Störspannung. Wenn die Extrapolation stimmt, dann darf der Lautsprecher nicht mehr als 8 Bel je Watt machen, um den Verstärker nicht zu entlarven.

[JFA]

Oberhalb der halben Modulationsfrequenz tritt Aliasing auf.

Wenn Du damit glücklich bist. Ich sage, schon ab 1/3. Allerdings abhängig von der Aussteuerung.

Da kann man nicht mehr gegenkoppeln.

Doch.

Das ist eine absolute Grenze.

Nein.

Die Schleifenverstärkung ist das Maß der Gegenkopplung (zum Beispiel 10), nämlich die Leerlaufverstärkung (zum Beispiel 1000) geteilt durch die Verstärkung (zum Beispiel 100). Sie soll bei traditionallen Verstärkern kleiner als 1 werden, also verschwinden, bevor die Phase des Verstärkers gegensinnig wird, damit es nicht schwingt.

Das fett gedruckte und die von mir erwähnte "-1" stehen in einem gewissen zusammenhang...

Jetzt zeige ich eine Grafik aus dem Datenblatt für den Klasse-D TDA8920B:

Das ist schön, aber wo sind denn jetzt die angemahnten Nachteile von Schaltverstärkern? Der gezeigte ist halt eine mistige Implementation.

[Grasso]

Doch.

Ich kann mir nicht vorstellen, wie man oberhalb der halben Modulationsfrequenz Verzerrungen mittels Gegenkopplung verringern können soll. Ich würde sagen, da ist die Phase im Brötchen, und ohne Phase keine Gegenkopplung.

Das fett gedruckte und die von mir erwähnte "-1" stehen in einem gewissen zusammenhang...

O.k., trotzdem stimmt Dein gesamter Satz inhaltlich nicht.

Das ist schön, aber wo sind denn jetzt die angemahnten Nachteile von Schaltverstärkern? Der gezeigte ist halt eine mistige Implementation.

Na, das Rauschen ist ein Dither, damit man den Murks an der Hörschwelle vor allem im Präsenzbereich nicht hört. Wenn ich mir den Klirr bei 6000 Hz bei hohen Pegeln angucke, frage ich mich aber, ob der Dither das Pegelverschlucken an der Hörschwelle wirklich komplett übertönt. Alle Schaltverstärker haben diese prinzipiellen Probleme bei Nachtlautstärken, manchmal vielleicht unhörbar weil besser implementiert und mit ineffizienteren Lautsprechern. Aber doch so häufig, daß man es wissen sollte, wenn man tief nach HiFi graben will.

[JFA]

und ohne Phase keine Gegenkopplung.

Hä?

trotzdem stimmt Dein gesamter Satz inhaltlich nicht.

Da hätte ich jetzt aber gerne eine Begründung zu.

Na, das Rauschen ist ein Dither, damit man den Murks an der Hörschwelle vor allem im Präsenzbereich nicht hört.

Meinst Du, dass die das Rauschen absichtlich beimischen?

[Grasso]

Wenn man keine Phase feststellen kann (weil es drunter und drüber geht) kann man auch nicht gegenkoppeln.

Da hätte ich jetzt aber gerne eine Begründung zu.

Du schriebst:

Gegenkopplung ist trotzdem schwierig, weil sich in der Schaltung einige Lauf-/Totzeiten verbergen, die Schleifenverstärkung also kleiner -1 wird und damit instabil.

Die Schleifenverstärkung kommt --gedanklich vom Tiefton aus gestartet-- von sagen wir zehn. Zu hohen Frequenzen hin wird sie geringer, kann aber nie null oder gar minus eins erreichen, denn schon bei einer Schleifenverstärkung von 1 ist die Gegenkopplung verschwunden. Drehen wir die Konvention um und starten vom Tiefton aus bei minus zehn, dann ist die Schleifenverstärkung schon kleiner als minus eins. Das ist stabil, solange die Phasendrehung nicht größer als zwei wird.

Meinst Du, dass die das Rauschen absichtlich beimischen?

Ja

[JFA]

Wenn man keine Phase feststellen kann (weil es drunter und drüber geht) kann man auch nicht gegenkoppeln.

Gegenkoppeln kann man immer, nur manchmal macht es keinen Sinn mehr. Ich müsste jetzt aber auch mal nachschauen, wie das Verhalten bei "Aliasing" ist (es ist aber - ich wiederhole mich - nicht das gleiche Aliasing wie bei zeitdiskreten Systemen, weil es kein Sampling gibt).

Die Schleifenverstärkung kommt --gedanklich vom Tiefton aus gestartet-- von sagen wir zehn. Zu hohen Frequenzen hin wird sie geringer, kann aber nie null oder gar minus eins erreichen, denn schon bei einer Schleifenverstärkung von 1 ist die Gegenkopplung verschwunden.

1.) Die Schleifenverstärkung ist das Produkt aus Verstärkung der Strecke sowie Verstärkung der Gegenkopplung. Nicht der Gegenkopplung alleine
2.) Mit komplexen Zahlen hast Du es nicht so, stimmts? Eine Verstärkung von -1 ist: Betrag der Verstärkung 1, Phase 180°. Verstärkung kleiner als -1 ist: Betrag der Verstärkung > 1, Phase immer noch 180°

Die Stabilität ist damit eher vereinfacht beschrieben, aber das macht hier nichts.

[Grasso]

1.) Die Schleifenverstärkung ist das Produkt aus Verstärkung der Strecke sowie Verstärkung der Gegenkopplung. Nicht der Gegenkopplung alleine

Aha. Danke.

2.) Mit komplexen Zahlen hast Du es nicht so, stimmts? Eine Verstärkung von -1 ist: Betrag der Verstärkung 1, Phase 180°. Verstärkung kleiner als -1 ist: Betrag der Verstärkung > 1, Phase immer noch 180°

Ich las letztens etwas über Zahlentheorie, da gibt es nur natürliche Zahlen, also 1, 2, 3, 4, ....

[JFA]

Also entweder liegst Du mal wieder falsch, oder das ist brillante Satire. Such Dir eins aus.