Sind Audioverstärker analoge oder digitale Geräte?
Die ersten kommerziellen digitalen Audioaufnahmen wurden 1971 veröffentlicht, und seitdem verstärken die Zuhörer diese Aufnahmen, um sie über Lautsprecher und Kopfhörer zu genießen. Heutzutage ist das meiste Audio, das die Leute hören, digital (selbst mit dem Wiederaufleben analoger Audio-Vinyl-Schallplatten), was die Frage aufwirft, ob Verstärker digitale Geräte sind oder noch analog sind.
Sind Audioverstärker analoge oder digitale Geräte? Verstärker können über digitale Audioeingänge und/oder -ausgänge verfügen, sind aber von Natur aus analoge Geräte. Möglicherweise ist eine Analog-Digital-Audiokonvertierung erforderlich, und einige Verstärker verwenden Digitaluhren. Dennoch ist der Verstärkungsprozess analog und verwendet analoge Eingangssignale, um analoge Ausgangssignale mit höherer Amplitude zu steuern.
In diesem Artikel werden wir die inhärent analoge Natur verschiedener Audioverstärkerdesigns diskutieren. erklären die Unterschiede zwischen analogem und digitalem Audio und gehen auf die Rolle und Funktionalität von Digital-Analog-Wandlern (DACs) ein.
Analoges vs. digitales Audio
Bevor wir die analoge Natur der Audioverstärkung wirklich verstehen können, sollten wir die Unterschiede zwischen analogem und digitalem Audio verstehen.
Erstens ist Audio eine Darstellung von Klang.
Was ist Sound?
Schall selbst besteht aus mechanischer Wellenenergie. Schallwellen im hörbaren Bereich des menschlichen Gehörs schwingen im Bereich von 20 Hz – 20.000 Hz.
Die mechanischen Schallwellen beeinflussen die lokale Druckänderung vom Umgebungsdruck in einem Medium. Sie sind eine stufenlos variable physikalische Größe.
Der Begriff „analog“ bezieht sich auf Messungen und Darstellungen von kontinuierlich variablen physikalischen Größen. Sie sind „analog“ zu physikalischen Schallwellenformen. Schall ist also eine kontinuierlich variable Messung des Drucks in einem Medium; Analoges Audio ist eine Darstellung dieses variierenden Drucks in Form von elektrischer Energie (Spannung).
Da der Klang innerhalb von 20 Hz bis 20.000 Hz definiert wird, wird analoges Audio innerhalb desselben Bereichs definiert.
Werfen wir einen Blick auf die Ähnlichkeiten zwischen Sound und analogem Audio. In diesem Beispiel nehmen wir eine 1 kHz (1.000 Hz) Sinuswelle, die jede Millisekunde einen Zyklus abschließt.
Wie wir in der unten abgebildeten Schallwelle sehen, haben wir einen einzigen Wellenzyklus, der in 1 ms stattfindet. Die Amplitude der Welle wird in Druckabweichung vom Umgebungsdruck des Mediums gemessen. Es kann in Druckeinheiten (oft in der SI-Einheit Pascal) oder als Dezibel des Schalldruckpegels (dB SPL) angegeben werden.
Die Welle erreicht einen Höhepunkt des maximalen Drucks (max. Kompression) und einen Tiefpunkt des minimalen Drucks (max. Verdünnung).
Jeder Teil der Welle oberhalb der gepunkteten Mittellinie stellt einen Anstieg des lokalen Drucks im Vergleich zum Umgebungsdruck dar. Jeder Teil der Welle unterhalb der gepunkteten Mittellinie stellt eine Abnahme des lokalisierten Drucks dar.
Wenn wir uns ein analoges 1-kHz-Sinuswellen-Audiosignal ansehen, sehen wir eine auffallende Ähnlichkeit mit der 1-kHz-Schallwelle, die es darstellt.
Der Unterschied zwischen dem analogen Audiosignal und der Schallwelle, die es darstellt, ist die Art der Energie, aus der sie bestehen.
Schall besteht aus mechanischer Wellenenergie und wird im Druck gemessen. Audio besteht aus elektrischer Energie und seine Amplitude wird in Spannung gemessen.
Wie die Schallwelle, die es darstellt, hat das analoge Audiosignal in jedem Zyklus einen Höhepunkt und einen Tiefpunkt.
Die Spitze stellt die maximale positive Spannung und den vorwärtsfließenden Strom dar. Der Trog stellt die maximale negative Spannung und den rückwärts fließenden Strom dar.
Jeder Teil der Welle oberhalb der gepunkteten Mittellinie repräsentiert positive Spannung und vorwärts fließenden elektrischen Strom. Jeder Teil der Welle unterhalb der gepunkteten Mittellinie stellt negative Spannung und rückwärts fließenden elektrischen Strom dar.
Die wichtigste Erkenntnis ist, dass sowohl Ton- als auch analoge Signale stufenlos variabel sind.
Die Spannung / der Strom eines analogen Audiosignals kann auf die maximalen Fähigkeiten des Verstärkers verstärkt werden, der mit der Verstärkung beauftragt ist. Natürlich gibt es alle möglichen Probleme, die bei der Verstärkung eines analogen Signals zu beachten sind (die Menge an Verstärkung, die Menge an Rauschen, Verzerrung, Quelle / Lastimpedanz, Anstiegsrate usw.), die wir in Kürze behandeln werden. Im Moment ist es wichtig zu wissen, dass die elektrische Natur analoger Audiosignale sie verstärkbar macht.
Lassen Sie uns nun über digitales Audio sprechen.
Digitales Audio ist effektiv eine Darstellung von analogem Audio in einem digitalen Format. Anstatt kontinuierlich variabel zu sein, nimmt digitales Audio Samples oder „Schnappschüsse“ des Audios über die Zeit und weist eine Amplitude zu jede Probe.
Die Anzahl der Samples pro Sekunde in digitalem Audio wird als Abtastrate bezeichnet. Zwei gängige Abtastraten sind:
- 44,1 kHz (44.100 Abtastungen pro Sekunde)
- 48 kHz (48.000 Abtastungen pro Sekunde)
Die Anzahl der potentiellen Amplituden, die jedes Sample haben kann, wird durch die Bittiefe des digitalen Audiosignals definiert.
Die Bittiefe ist nicht linear wie die Abtastrate, sondern exponentiell. Für jedes zusätzliche Bit in der Bittiefe eines Signals gibt es eine zusätzliche 1 oder 0 in einer Kette von 1s und 0s.
1-Bit hat zwei potenzielle Werte in einer 1-Wort-Wortlänge: 1 oder 0
2-Bit hat 4 mögliche Werte in einer Wortlänge von 2 Wörtern: 00; 01; 10 oder 11
3-Bit hat 8 Potentialwerte in einer Wortlänge von 3 Wörtern: 000; 001; 010; 011; 100; 101; 110; 111
Und so weiter und so fort.
Die beiden gebräuchlichsten digitalen Audio-Bittiefen sind:
- 16-Bit (216 oder 65.536 verschiedene Amplitudenwerte)
- 24-Bit (224 oder 16.777.216 verschiedene Amplitudenwerte)
Die gleiche 1-kHz-Sinuswelle in digitalem Audio (bei 48 kHz 24-Bit-Auflösung) würde ungefähr so aussehen:
Abtastrate: 48 kHz
Bit-Tiefe: 24-Bit
Die gestrichelte Linie stellt das beabsichtigte analoge Signal dar. Die Balken stellen die digitalen Samples und die Amplituden der Samples dar.
Digitales Audio ist also nicht kontinuierlich. Es nähert sich dem Analogen an, hat aber diskrete Werte.
Digitales Audio ist großartig, aber es hat eine definierte Decke (alle 1 über seine Wortlänge). Der Dynamikumfang eines digitalen Audiosignals wird durch die Differenz zwischen seinem größten und kleinsten „Wort“ (Amplitude) definiert, aber die digitale Information selbst kann nicht wirklich verstärkt werden.
Wie funktioniert die Verstärkung?
Um zu verstehen, ob Verstärker analog oder digital sind, ist es wichtig, die Grundlagen der Funktionsweise der Verstärkung zu verstehen.
Ziel oder Verstärkung ist natürlich, den Pegel eines Audiosignals idealerweise zu erhöhen, ohne die Form seiner Wellenform zu verändern (zu verzerren).
Um dies zu tun, regelt ein Verstärker effektiv die Leistung, die er von der Stromquelle (direkte Steckdose, Stromkonditionierer, externes Netzteil usw.) erhält (und speichert).
Der Verstärker verwendet die Wellenform des Eingangsaudiosignals, um zu steuern, wie viel oder wie wenig seiner gespeicherten Leistung ausgegeben wird. Mit anderen Worten, die Eingangsschaltung eines Verstärkers steuert den Ausgangskreis in Echtzeit.
Dies gilt für einfache Operationsverstärker, Transistoren in ihren linearen Bereichen und Vakuumröhren/-ventile. Dies gilt auch für die komplexeren Verstärkerdesigns (Klasse A, A / B, B, D usw.). Es gibt eine Vielzahl von Verstärkerdesigns, die auf einem oder mehreren dieser aktiven Bauelemente basieren, die alle das Eingangssignal verwenden, um eine Stromquelle zu modulieren, um ein verstärktes Ausgangssignal zu erzeugen.
Wenn wir es mit einem echten Verstärker zu tun haben (einem, der entwickelt wurde, um das Signal zu verstärken, um es lauter zu machen), erzeugen die relativ kleinen Variationen in der Eingangsstufe relativ große Variationen in der Ausgangsstufe.
Warum sind Verstärker analog?
Nun, wie im vorherigen Abschnitt über Analoges vs. digitales Audiohat digitales Audio eine Decke, die durch seine Bittiefe definiert wird. Wir können die digitale Signalverarbeitung verwenden, um die maximale diskrete Amplitude und / oder die minimale diskrete Amplitude anzupassen (beides würde den Dynamikbereich beeinflussen), aber wir können das Signal nicht wirklich „verstärken“.
Analoge Signale, die im Wesentlichen Wechselströme in einem Stromkreis sind oder auf einem analogen Medium (Band, Vinyl usw.) gespeichert sind, können in Spannung, Strom und Leistung verstärkt werden. Zum Beispiel sind Mikrofonpegelsignale etwa 1 bis 100 Millivolt AC (-60 bis -20 dBV). Sie werden in der Regel über einen Mikrofonvorverstärker, nominal 1,228 Volt (+4 dBu), bis Line-Level verstärkt. Um einen Lautsprecher richtig anzutreiben, müssen Line-Level-Signale (von Mischpulten, DACs, Vorverstärkern usw.) oft über 50 bis 100 Volt (34 bis 40 dBV) oder mehr liegen.
Darüber hinaus sind alle oben aufgeführten aktiven Komponenten analog. Sie werden auf die eine oder andere Weise durch das Eingangssignal (Wechselspannung) moduliert und verwenden dieses modulierende Signal, um den Stromfluss von der Stromquelle zu steuern. Die Variationen des Eingangssignals (des Audios) werden effektiv bei höheren Amplituden am Verstärkerausgang wiedergegeben.
Sowohl Röhren- als auch Transistorverstärker (Halbleiter) verwenden analoge Komponenten in ihren Verstärkungsstufen.
Single-ended- und Push-Pull-Verstärker sind analog, ebenso wie die Klassen A, B, A/B, C und sogar Klasse D (obwohl es Verwirrung um diese Klasse gibt, die wir später besprechen müssen) zusammen mit all den anderen weniger bekannten Klassen.
Mikrofon- und Phonovorverstärker, die fast alle entweder Klasse A oder A / B sind, verstärken ihre Signale auf analogem Wege. Leistungsverstärker sind typischerweise entweder A, B, A / B oder D und verstärken auch Audiosignale.
Selbst spannungsgesteuerte Verstärker (VCAs), die keine echten Verstärker sind, da sie nur Dämpfung bieten, werden analog (Spannung) gesteuert.
Digital-Analog-Wandler (DACs)
Der Verstärkungsprozess von Verstärkern ist also von Natur aus analog, aber viele Verstärker haben digitale Audioein- und -ausgänge. Was ist der Deal?
Nun, digitales Audio hat seine Vorteile. Neben seiner Leichtigkeit und Vergebung beim Bearbeiten, Mischen und anderweitigen Manipulieren (es gibt keine Rückgängig-Taste beim Spleißen von Band), ist digitales Audio für den Verbraucher unglaublich beliebt geworden. Von CDs über digitale Wiedergabegeräte wie Smartphones und Computer bis hin zum Streaming ist digitales Audio König.
Analoges Audio ist also für die Verstärkung notwendig und ist letztendlich das, was in und aus Klang umgewandelt wird (Mikrofone, Tonabnehmer wandeln Klang in analoges Audio um, während Kopfhörer und Lautsprecher analoges Audio in Klang umwandeln). Umgekehrt eignet sich digitales Audio viel besser zum Arbeiten und Speichern.
Daher die Allgegenwart von Digital-Analog-Wandlern (DACs) und Analog-Digital-Wandlern (ADCs).
Wenn ein Verstärker über digitale Audioeingänge verfügt, verfügt er wahrscheinlich kurz darauf über einen DAC, um das digitale Audio zur Verstärkung in analoges Audio umzuwandeln. Dies ist häufiger bei Leistungsverstärkern der Fall, die mit der Verstärkung von Line-Pegel-Signalen auf Lautsprecherpegel beauftragt sind, da Line-Pegel Standard für die digitale Audiokonvertierung ist.
Es gibt „direkte digitale“ Verstärkeroptionen, die auf diese Umwandlung verzichten und das digitale Audiosignal direkt in ein analoges Steuersignal für den Verstärker umwandeln. Diese sind jedoch selten – mehr zu diesen Verstärkern im folgenden Abschnitt.
In ähnlicher Weise verfügen einige Verstärker (insbesondere Vorverstärker, die Phonopegelsignale auf Line-Pegel bringen sollen) über digitale Audioausgänge. Diese Ausgänge verfügen über ADCs, um das verstärkte analoge Audio in digitales Audio mit entsprechender Auflösung umzuwandeln.
Kopfhörerverstärker verfügen häufig über integrierte DACs, und eigenständige DACs werden in der Regel speziell für die Verwendung mit Kopfhörern vermarktet.
Sind Class-D-Verstärker digital?
Es gibt erhebliche Verwirrung in Bezug auf Klasse-D-Verstärker, die zu den Komplikationen im Gespräch über analoge / digitale Verstärker beitragen.
Zunächst einmal ist es ein allgemeines Missverständnis, dass das „D“ in Class D Verstärker für „digital“ steht; das tut es nicht. Vielmehr kommt das D in Klasse D als Buchstabe nach C (nach Klasse A, B und C kommt Klasse D).
Davon abgesehen ist etwas Wahres an der Vorstellung, dass Class-D-Verstärker „digital“ sind (wenn auch nicht vollständig). Lassen Sie uns verstehen, wie Klasse-D-Verstärker funktionieren, um unser Verständnis zu vertiefen.
Class-D-Verstärker verwenden Pulsweitenmodulation (PWM), oft mit einem Dreiecks- oder Sägezahnoszillator und einem Komparator-Operationsverstärker, um ihre Ausgänge zu steuern.
Das Eingangsaudiosignal wird effektiv in einen Strom von Impulsen in einem „PWM“ -Signal umgewandelt, das dem Eingangsaudiosignal entspricht. Diese Pulse bilden im Wesentlichen eine hochfrequente Rechteckwelle mit unterschiedlichen Pulsbreiten.
Die Impulse, die mit einer festen Frequenz aufgenommen werden, haben variable Breiten. Größere Eingangssignalamplituden erzeugen breitere/längere Impulse, während niedrigere Eingangs-Audiosignalamplituden schmalere/kürzere Impulse erzeugen. Mit anderen Worten, größere Eingangssignalamplituden erzeugen größere Tastverhältnisprozentsätze (der Prozentsatz der „Ein“-Zeit in einem bestimmten Impuls).
Die Frequenz der Impulse (Schaltfrequenz) der Pulsweitenmodulatoren in Class-D-Verstärkern liegt zwischen 250 kHz und 1,5 MHz für eine optimale Auflösung. Ein Faktor von mindestens dem 12-fachen der oberen Audio-Grenzfrequenz wird empfohlen, und 20 kHz • 12 = 240 kHz, so dass 250 kHz eine sichere untere Grenze für den gesamten hörbaren Bereich ist.
Die Uhr, die diese Schaltfrequenz beibehält, ist oft digital, was ein möglicher Verwirrungspunkt ist.
Bei niedrigeren Frequenzen, wie denen im hörbaren Bereich (20 Hz – 20.000 Hz), wird die Amplitude des resultierenden Signals durch die Zeit bestimmt, in der sich die PWM in einem bestimmten Zeitraum in der Position „Ein“ oder „Aus“ befindet.
Im Ruhezustand (kein Signal) beträgt das Tastverhältnis der Schaltfrequenz 50% oder gleichmäßig aufgeteilt auf „on“ und „off“. Wenn das Eingangsaudiosignal positiver wird, erhöht sich das Tastverhältnis. Wenn das Eingangsaudiosignal negativer wird, nimmt das Tastverhältnis ab.
Anders ausgedrückt: Das PWM-Signal ist entweder maximal oder minimal (Rechteckwelle). Da seine Impulse jedoch eine so hohe Frequenz haben, sind die hörbaren Ergebnisse bei niedrigen Frequenzen die gleichen.
Das aktive ElemVerstärker eines Klasse-D-Verstärkers fungieren als Schalter und sind typischerweise MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), obwohl auch Röhren und Bipolartransistoren verwendet werden können. Das PWM-Signal löst diese Schalter mit sehr schnellen Raten ein und aus, die wiederum höhere Spannungen / Ströme von der Stromversorgung des Verstärkers leiten und blockieren.
Die Tatsache, dass das PWM-Signal als Ein-/Aus-Trigger fungiert, ist ein weiterer Verwirrungspunkt, da Ein/Aus (0s und 1s) ein Kernkonzept der digitalen Technologie ist.
Die Verstärkungsschaltung verstärkt also effektiv das PWM-Signal, das das Eingangsaudiosignal darstellt. Ein Tiefpassfilter wird am Ausgang eines Klasse-D-Verstärkers verwendet, um die Hochfrequenzimpulse vom Ausgang zu entfernen, wobei nur das verstärkte Signal erhalten bleibt.
Hoffentlich ist das nicht zu verwirrend. Ich habe mein Bestes getan, um die Grundlagen der Klasse-D-Verstärkung zu erklären, ohne zu sehr ins kleinste Detail zu gehen.
Nun, ich glaube, die wirkliche Verwirrung über Class-D-Verstärker kommt von folgendem Punkt: Digitale Audiosignale können auch in PWM-Signale umgewandelt werden. Durch diese Wahrheit können Class-D-Verstärker auch digitales Audio an ihrem Eingang verstärken.
Werden diese Klasse-D-Verstärker, die digitales Eingangsaudio verstärken, als digitale Verstärker betrachtet? Der Fall kann sicherlich gemacht werden, obwohl sie technisch nicht digital sind. Auch hier wird das digitale Audio selbst nicht verstärkt und als digitale Information ausgegeben.
Vielmehr wird das digitale Audio in ein analoges Pulsweitenmodulationssignal umgewandelt. Denken Sie daran, dass die Schaltgeräte (MOSFETs oder andere) analoge Geräte sind, die durch Spannung ausgelöst werden.
Die Verstärkungsstufe eines Klasse-D-Verstärkers ist also analog, unabhängig davon, ob das Eingangssignal analog oder digital ist.
Es gibt noch andere Probleme, die es wert sind, angesprochen zu werden, bevor wir diesen Abschnitt in Bezug auf analoge und digitale Audioeingänge abschließen.
Analoge Signale sind kontinuierlich, so dass es keine grundlegende Begrenzung für die PWM-Wandlungsauflösung (Schaltfrequenz) gibt. Darüber hinaus können analoge Rückkopplungsschaltungen am Ausgang die Welligkeit / Durchhang der Stromversorgung, endliche Schaltverzögerungen und andere Probleme in Echtzeit (keine Latenz) mit fachmännischem Design berücksichtigen.
Digitale Signale sind diskret, d.h. sie haben ihre eigenen Abtastraten. Daher sind der digitale Audioeingang und der digitale Oszillator (für PWM-Komparator) müsste zusammenarbeiten (was typischerweise bedeutet, dass die beiden Raten miteinander multipliziert werden). Die resultierende Schaltfrequenz ist oft unpraktisch, so dass Dithering und Noise Shaping oft erforderlich sind.
Darüber hinaus wird die Latenz das Design weiter verkomplizieren. Obwohl die anfängliche Vereinfachung des Entfernens eines DAC vor der PWM für die „Digitalisierung“ von Class-D-Verstärkern großartig erscheint, machen die daraus resultierenden Designprobleme den Prozess komplizierter und teurer, als es normalerweise wert ist.
Was ist mit digitalen Modellierverstärkern?
Vielleicht wäre dieser Artikel vollständig, ohne digitale Modellierverstärker zu erwähnen. Schließlich haben wir bereits besprochen, dass die Vor- und Leistungsverstärker für Gitarren und andere Instrumente von Natur aus analog sind. Ich dachte, ich würde hier sowieso eine Notiz machen.
Der Begriff „digitaler Modellierverstärker“ bezieht sich streng genommen nicht auf irgendeine Art von Verstärkerschaltung. Vielmehr sind diese Geräte darauf ausgelegt, mit Hilfe der digitalen Signalverarbeitung (DSP) spezifische Töne für Gitarren (und andere Instrumente) zu erzeugen. In dieser Hinsicht können sie eher als Effekte denn als Verstärker betrachtet werden.
Natürlich haben viele Modellierverstärker eingebaute Vor- und/oder Leistungsverstärker. Diese Verstärkerschaltungen sind jedoch analoger Natur.
Der digitale Modellierverstärker nimmt das analoge Signal von der Gitarre / dem Instrument effektiv auf, verstärkt es vor (Vorverstärkerschaltung), wandelt es in digitales Audio (ADC) um, verarbeitet es über einen modellierten Amp-Ton (DSP), wandelt es in analoges Audio (DAC) um, verstärkt es (Leistungsverstärkerschaltung) und treibt den internen oder externen Lautsprecher an, um Klang zu erzeugen.
Amp-Modellierungssoftware hat keine Art von Verstärker. Vielmehr ist es streng DSP, das eine Vielzahl von verschiedenen Tönen bieten kann, um Ihre Instrumente hervorragend klingen zu lassen.
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