Klasse A, AB en D versterkers – wat is het verschil?

De meeste vragen op Alpha Audio gaan over luidsprekers en versterkers. Zowel over het combineren van deze twee als het type speaker én het type versterker wat goed of slecht zou zijn. Over luidsprekers hebben we al geschreven, inclusief de diverse typen luidsprekers. Nu is het tijd om in te gaan op de diverse typen versterkers.

Klasse A, AB en D

Nu moeten we even heel duidelijk zijn: er zijn talloze soorten versterkers. Wij gaan hier in op de drie meest gebruikte. En dan komen we uit op klasse A, AB en D. Ja: er is nog puur klasse B en klasse C en T, maar die worden amper gebruikt. En het is dus niet heel zinvol om dat uit te gaan leggen.

Grofweg zijn er twee soorten eindversterkers: lineaire en schakelende modellen. Lineaire ontwerpen zijn klasse A en AB (en B en C). Klasse D zien we als een schakelende eindversterker. Het is dus géén Digitale versterker… die bestaan, maar zijn niet alleen zeldzaam; ze verdwijnen ook.

Bij een lineaire versterker volgt de transistor het ingangssignaal. Dat kan 180 graden (50% van de input) of 360 graden (100% van de input) zijn. Dit is afhankelijk van het type transistor en hoe deze is ingezet. Een MOSFET of buis kan tijdens de gehele sinus blijven versterken om maar een voorbeeld te noemen.

Bij een schakelende versterker – PWM: puls breedte modulatie – wordt de inkomende sinus in feite in stukjes gehakt en als pulsjes naar de speaker gestuurd. Dat gaat razendsnel bij moderne versterkers. De draaggolf is doorgaans 500 KHz of zelfs hoger.

Boven en onderkant

De basis is gelegd. Er zijn dus lineaire versterkers en schakelende modellen. Een lineaire versterker kun je zien als een traditionele versterker op basis van transistoren of buizen. Het type transistor en buis gaan we even niet op in. Bij de meeste transistorversterkers is er een transistor voor de bovenkant van de sinus en een transistor voor de onderkant. Oftewel: ze pakken 180 graden. We noemen dat ook wel push-pull versterkers. Dit kan ook bij buizen worden toegepast.

Bij klasse A staan de transistors – of dus buizen – altijd vol open. Loopt er geen muziek, dan gaat alles op in hitte. Dus hoewel het gedrag vaak heel vloeiend en prettig is, is het ongelooflijk inefficiënt. Zie het als een rivier die tegen een waterrad aanduwt, maar het waterrad staat vast: het water loopt gewoon door en alle energie gaat verloren. Zonde.

Bij klasse AB is er gekozen voor een andere aanpak. Ook bij deze versterkers is er wederom een transistor voor de boven- en onderkant van de sinus, maar de transistoren staan uit als ze niets te doen hebben. Dit geeft echter wel een probleem: er kan crossoververvorming optreden bij het overname punt: de transistor moet namelijk ‘inschakelen’. En dat kost even tijd, waardoor er vervorming ontstaat op de doorgang. Dat noemen ze ook wel zero-crossing distortion.  

Om dat op te lossen, kan een fabrikant kiezen voor een ‘bias’. De transistor staat simpel gezegd een beetje aan. Dat voorkomt een hard schakelmoment tussen de twee transistoren en voorkomt dus crossoververvorming. Hoe hoog de bias staat, verschilt per fabrikant, model, etc. De eerste vijf watt is wel prettig, aangezien u dan het gros van de tijd in klasse A zult spelen. De versterker gaat dan wel meer verbruiken in rust.

Feedback

Dit is een extreem omstreden punt binnen versterkers: feedback. Of beter: negatieve feedback, of tegenkoppeling. Dit is een techniek om vervorming omlaag te brengen en ook om de controle en bandbreedte van de versterker te vergroten. Oftewel: negatieve feedback verbetert potentieel de prestaties van een versterker en zorgt ervoor dat de versterker beter samenwerkt met een groot scala aan luidsprekers.

Bij tegenkoppeling wordt een signaal van de uitgang afgetapt en terug naar de input gebracht. Hoe dit precies gedaan wordt, verschilt per fabrikant. Iedere fabrikant heeft daar zijn eigen ideeën bij en oplossingen voor. Het is dus niet zo zinvol om dat uit te diepen.

Eén van de versterkers die het zeer bijzonder heeft toegepast en die we graag hier even noemen, is de Benchmark AHB2 die zowel feedback als feed-forward toepast in het ontwerp.

De uitkomst van tegenkoppeling is – mits goed uitgevoerd – meer stabiliteit, betere respons, meer bandbreedte en lagere vervorming. Wel gaat dit ten koste van wat gain. Maar daar valt mee te leven.

Veel liefhebbers vinden echter dat feedback een versterker droger en wat saaier maakt en dat het stereobeeld er kleiner van wordt… opmerkelijk, gezien de literatuur. Toch moeten we erkennen dat dit soms wel het geval is. En feit is: we kunnen in metingen zien welke fabrikanten veel of weinig feedback gebruiken: de ruisvloer is doorgaans een stuk rustiger bij versterkers die veel negatieve feedback toepassen. Het meet dus wel degelijk beter dan een versterker zonder tegenkoppeling…

Schakelen maar!

Wederom een zeer omstreden onderwerp: klasse D. Immers: deze ‘digitale‘ versterker klinkt plat, koud en ruw. Toch?

Nee! Allereerst is klasse D niet digitaal. Het is gewoon een analoge versterker, echter is de onderliggende techniek anders. Namelijk PWM: Pulse Width Modulation. In feite schakelt een klasse D versterker de voeding op basis van het muzieksignaal. Er wordt dus ‘gesampled’ en op basis daarvan stuurt de versterker PWM-pulsen uit. Hoe snel een klasse D samplet en schakelt is afhankelijk van de fabrikant. Doorgaans mogen we stellen dat sneller beter is. Hypex zit rond de 500 KHz. Texas Instruments heeft een model dat zelfs op een GHz werkt.

De verwarring met digitaal zal vooral komen door de naam: klasse D. D=digitaal… Echter: is alleen klasse A dan Analoog? Hoe zit het dan met B? En C? en T? Precies: het gaat niet op.

Toch moet er wel ‘gesampled’ worden bij klasse D. En die ‘samples’ worden gebruikt voor het schakelen van de voeding. En dat gaat in feite met aan of uit. Alleen de duur van het aan en uit  (of negatief) wordt aangepast. Maar is het dan direct digitaal… nee.

Filteren

Nu zit er een hoogfrequente schakelfrequentie in het signaal. Dat moet er natuurlijk uit. Net als wat andere ‘troep’. Kortom: er moet bij een klasse D versterker altijd gefilterd worden. Voorheen ging dat in de uitgangstrap. En dat maakt de klasse-D versterkers erg berucht: de frequentierespons was door dit filter afhankelijk van de impedantie van de speaker. En dat gaf soms nogal gekke resultaten.

Dit probleem is inmiddels opgelost. Ook wordt de bandbreedte beter en beter. De nieuwe generaties – denk aan Hypex Nilai en Purifi Eigentakt – hebben bandbreedtes tot 60 kHz. Dat is ruim voldoende voor het gros van de gebruikers.

Strak!

Nu meten klasse D versterkers doorgaans extreem goed als het gaat om ruisvloer en vervorming. Nagenoeg altijd beter dan klasse A en AB. En toch vindt menig liefhebber ze niet zo muzikaal als een traditionele transistor. Is een klasse D té strak en ‘clean’? Of is er nog iets anders aan de hand?

Afrondend

We hopen dat u nu iets meer weet over de diverse versterkertechnieken. En waar de grootste verschillen zitten.

We willen graag nog meegeven dat er vooral slechte en goede versterkers zijn. De klasse zegt eigenlijk heel erg weinig over de karakteristiek. Een klasse A kan heel kil klinken. Een Klasse AB kan ook ruw klinken door een slechte bias. En een Klasse D kan de sterren van de hemel spelen, omdat de implementatie goed is gedaan.

Staar u dus niet blind op de ‘specs’ van een versterker. Geloof uw oren en zorg vooral voor een goede combinatie met uw luidspreker.