Förstärkarfunderingar - Digitala förstärkare, finns det?

Inledning

De så kallade ”digitala” surroundförstärkarna/receivrarna har varit på frammarsch en tid; vi diskuterar, hör och läser om dem men meningarna om hur de fungerar och vad det är som (som det påstås) gör dem digitala är delade. Marknadsföringen drar sitt strå till stacken och den ger ofta sken av att den digitala bitströmmen från cd- eller dvd-spelaren skulle slingra sig genom allehanda kretsar och ta sig ända fram till förstärkardelen där ivrigt väntande ”digitala” förstärkare ser till att förstärka denna bitström. Ut från förstärkaren ska det då tydligen komma en jättestark digital bitström som sedan på något mystiskt vis blir en lika stark analog ljudsignal innan den skickas ut genom högtalarkablarna. Kan det verkligen stämma att man i dessa surroundförstärkare/receivrar skulle förstärka digitala bitströmmar som till exempel PCM-, AC3- eller DTS-bitströmmar och är en jättestark ”etta” eller ”nolla” bättre än en normal eller svag?

Denna artikel kommer till viss del att handla om vad som egentligen döljer sig under skalet på ”digitala” surroundförstärkare/receivrar men framför allt kommer den att handla om vad som inte finns där och vad de inte gör. Detta kan kanske upplevas som konstigt men då den teknik som används förändras och utvecklas i snabb takt samt att olika tillverkare kan ha vitt skilda lösningar så är det svårt att täcka in allt i en kort artikel. Syftet blir i stället att öka förståelsen för vad tekniken innebär samt att en gång för alla ta kål på de vanföreställningar som florerar och som till viss del medvetet eller omedvetet sprids av tillverkarna själva. 

Kan man förstärka ettor och nollor?

Själv trodde jag att starka och svaga ettor försvann tillsammans med skolans gamla betygssystem men de verkar ha hittat nya användningsområden. I skolan så kunde faktiskt en stark etta eller en stark fyra vara bättre än en motsvarande svag eftersom man fick en viss vägledning om hur nära man var nästa gräns. En stark etta kunde alltså övergå till en svag tvåa som sedan utvecklades till en stark tvåa som i sin tur blev en svag trea och så vidare. I den digitala elektroniska världen så är dock en etta alltid en etta oavsett hur stark eller svag signalen den färdas med är och de är alla exakt lika mycket värda för mottagaren. En serie ettor och nollor som färdas med en stark signal bär alltså inte på mer eller bättre information än motsvarande serie ettor och nollor som färdas med en svag signal.

Däremot så kan det ibland vara nödvändigt att återskapa en serie ettor och nollor, innan signalen de färdas med tynar bort, för att därefter skicka dem vidare med förnyad klarhet. Det är i dessa fall inte ettorna och nollorna som förstärks utan endast den elektriska spänningen på den signal som bär på informationen och som alltså måste förstärkas innan den sjunkit så lågt att mottagaren inte längre kan avgöra om det är en etta eller nolla som anländer. Detta är nödvändigt då digitala bitströmmar ska skickas mycket långa sträckor, till exempel inom telekommunikationsområdet och det är alltså inget som berör det vi diskuterar här.

Svaret på frågan i rubriken är alltså: ”Nej, det kan man inte” men man kan vid behov återskapa eller återgenerera dem.

Årskurs sju till nio gick jag i den digitala klassen!

Både skolan och förstärkare är indelade i olika klasser och själv gick jag en gång i tiden i klasserna 7D, 8D och 9D. Den första gruppen ungdomar fick heta klass 7A, nästa klass 7B och så vidare ända till klass 7F, inget konstigt med det och ingen fick för sig att kalla klass 7D för den ”digitala” klassen bara för att vi fick ordningsbokstaven ”D”. På samma sätt så började man ordna in de sätt man kan konstruera förstärkare på i olika klasser. Den första fick heta klass A, den andra klass B och så vidare och det finns idag förstärkarklasser högt upp i alfabetet. På 50-talet började man ta fram den klass som fick ordningsbokstaven D eftersom man redan hade använt klass A, B och C. Klass D var alltså bara nästa bokstav i ordningen och det fanns ingen speciell tanke med detta. Klass D-förstärkare har använts flitigt sedan 70-talet men på grund av mycket hög distorsion och andra problem vid högre frekvenser så har användningsområdet varit begränsat och de har återfunnits i till exempel subbasar.

Digital börjar med bokstaven D

Det hade varit mycket bättre om bokstaven D hade varit upptagen den där gången på 50-talet så att man istället hade kallat förstärkaren för klass E eller något annan bokstav. Nu blev det i vilket fall som helst bokstaven D och det passar framför allt marknadsförarna som handen i handsken eftersom ordet ”digital” börjar just med denna bokstav samt att ”digital” fortfarande är ett kraftfullt och säljande ord.

Redan i början på 80-talet när cd-formatet var nytt så började man marknadsföra högtalare med fyrkantiga element eftersom de skulle vara extra lämpade för att återge den nya ”digitala” musiken. I broschyrerna fick man se bilder på digitala bitströmmar som var precis lika fyrkantiga som högtalarelementen och det syntes ju på lång väg att ett runt högtalarelement inte skulle göra signalen rättvisa. Jag ska ovilligt erkänna att jag själv har ett par sådana högtalare i garderoben och även om jag var mycket tveksam till försäljningsargumenten redan på den tiden så hade jag inte tillräckligt med motargument för att helt avfärda dem; 1 - 0 till försäljarna den gången alltså.

Som ni säkert har gissat vid det här laget så innehåller alltså de så kallade ”digitala” surroundförstärkarna/receivrarna inga digitala förstärkare utan helt enkelt bara förstärkare av klassen D. Som redan nämnts så står bokstaven D inte för digital utan det råkade bara vara nästa lediga bokstav i ordningen och denna förstärkarklass, likt alla andra förstärkarklasser, har inget intresse av att förstärka digitala signaler utan endast analoga.

Hur fungerar då en klass D-förstärkare?

Klass D-förstärkare har utgångstransistorer precis som vilken annan förstärkare som helst och skillnaden ligger snarare i vilken typ av insignal som förstärkaren matas med. En klass D-förstärkare matas med en insignal som kan liknas vid ett pulståg bestående av pulser med olika längd och arbetar i och med detta med endast två lägen på utgångstransistorerna, nämligen "på" eller "av". Utsignalen från förstärkaren är, bortsett från de försämringar som uppstår i själva processen, samma pulståg fast då i förstärkt form. Detta arbetssätt gör dem dock inte till "digitala" förstärkare eftersom allt de gör är att, likt alla förstärkare, förstärka den signal som de matas med. Det inkommande pulståget är inte heller det digitalt eftersom en digital signal alltid är en siffermässig representation av data som av en mottagare ska tolkas enligt vissa givna regler. Pulståget bär istället på högst analog information, det vill säga på den analoga ljudsignal som senare ska skickas vidare direkt till högtalarna.

Som jag berättat om tidigare (se artikeln ”I signalernas värld - Analog och digital, vad menas med det?”) så är en signal inte digital bara för att den för ögat råkar se fyrkantig ut och pulståget är, trots sitt fyrkantiga utseende, bärare av en analog information.

Till skillnad från de analoga signaler vi är vana vid där en kontinuerligt varierande elektrisk spänning anger amplituden i varje punkt så använder man här endast två diskreta spänningsvärden för att generera pulståget. Pulstågets två diskreta amplitudvärden (elektriska spänningar) kan alltså inte användas för att överföra information om den analoga ljudsignalens kontinuerligt varierande amplitud utan något annat måste användas.

Figur 1 - Pulsbreddsmodulering, klass D-förstärkare samt pulsbreddsdemodulering

 

 

PWM = Pulse Width Modulation (pulsbreddsmodulering)

 

Tekniken som löser detta kallas pulsbreddsmodulering, eller kort och gott PWM, och innebär att ljudsignalens amplitud i en viss tidpunkt istället får representeras av längden på en viss puls i det genererade pulståget. Längden på pulserna i pulståget varierar alltså kontinuerligt och kan anta ett oändligt antal värden inom ett begränsat område som i sin tur bestäms av en genererad triangelvåg som den analoga ljudsignalen hela tiden jämförs med (se figurerna 1 och 2). Detta pulståg bestämmer sedan hur länge respektive utgångstransistor skall vara "av" respektive "på". Den kontinuerligt varierande pulsbredden, dvs. tiden, är en analog storhet, inte digital, och förstärkaren arbetar därmed på samma sätt och lika ”analogt” som till exempel en klass AB-förstärkare.

Återigen, att pulserna i det genererade pulståget ”hoppar” mellan två olika elektriska spänningsvärden gör inte signalen eller förstärkaren digital. Det är viktigt att understryka att det pulståg som förstärks inte har någon som helst koppling till de ettor och nollor som via S/PDIF-ingången anländer i den digitala PCM-, AC3- eller DTS-bitströmmen som man matar surroundförstärkaren/receivern med från cd- eller dvd-spelaren. Dessa bitströmmar är genuint digitala och de "ettor" och "nollor" de bär på är en siffermässig representation av data som av mottagande DSP eller DAC ska tolkas och processas enligt vissa förutbestämda regler beroende på vilken typ av bitström det gäller.

Figur 2 nedan visar på ett enkelt sätt vad som händer i den komparator som ingår i figur 1 ovan. Den svarta kurvan som matas in på komparatorn ena ingång symboliserar den oförstärkta analoga ljudsignalen som vi i slutändan vill mata högtalarna med. Denna jämförs i komparatorn med den röda triangelvågen som matas in på den andra ingången och som rör sig mellan amplituderna  V_t och -V_t. Komparatorn arbetar på så sätt att när triangelvågens amplitud är högre än amplituden hos den analoga ljudsignalen så genereras en positiv spänning på utgången ( V_t) och när triangelvågens amplitud är lägre än amplituden hos den analoga ljudsignalen så genereras en negativ spänning på utgången (-V_t) vilket resulterar i det blå pulståg som visas i samma figur. Bredden på pulserna i det resulterande pulståget kan alltså anta ett oändligt antal värden inom det område som avgränsas av triangelvågen. Notera att bilden, för att enkelt kunna visa vad som händer, inte är skalenlig. I verkligheten så är triangelvågens frekvens enormt mycket högre och ligger i storleksordningen >500 kHz, att jämföra med ljudsignalens 0-20kHz.

Figur 2 - Svart = analog ljudsignal, Röd = genererad triangelvåg,

Blå = resulterande pulståg

 

Varför använder man då klass D-förstärkare?

Det var när behovet av små och strömsnåla förstärkare för den bärbara elektroniken uppstod som utvecklingen av klass D-förstärkare tog fart på riktigt. I stort sett all hemelektronik som kräver små förstärkare, till exempel platta teveapparater och mobiltelefoner använder denna förstärkarteknik. Även annan teknik som hörapparater är utrustade med klass D-förstärkare. Andra användningsområden har blivit surroundförstärkare/receivers som på grund av de nya ljudformaten kräver att allt fler och allt kraftigare förstärkare stoppas in i samma begränsade utrymme. Detta skulle inte vara möjligt om man inte samtidigt kunde minimera värmeutvecklingen.

För att generalisera så kan man kort säga att det för en tillverkare är lämpligt att använda klass D-förstärkare i de fall då man måste ta extra hänsyn till storlek, värmeutveckling eller tillverkningskostnad.

Eftersom klass D-förstärkaren bara arbetar med två spänningsvärden så uppnår man en mycket högre verkningsgrad vilket leder till att det blir mindre spilleffekter över som måste forslas bort i form av alstrad värme. Lägre värmeförluster innebär att den kräver mindre kylning och kan därmed byggas avsevärt mindre i storlek än till exempel en klass A- eller klass AB-förstärkare av motsvarande effekt. Används totalt sett mindre effekt så kan även kraftaggregatet som förser förstärkaren med elektrisk ström byggas mindre vilket gör att tillverkarna kan spara en del pengar på denna typ av förstärkare.

Att en klass D-förstärkare har så hög verkningsgrad beror på hur utgångstransistorerna kontrolleras. När utgångstransistorn är i läge "av" så är strömmen (I) genom den teoretiskt noll och förlusteffekten (P) blir då också noll eftersom P=U*I => P=U*0 => P=0. När transistorn är i läge "på" så är istället spänningen (U) över den teoretiskt noll och förlusteffekten blir även då lika med noll eftersom P=U*I => P=0*I => P=0. Ingen förlusteffekt innebär teoretiskt en verkningsgrad på 100 % för denna typ av förstärkare men i praktiken så ligger dock den maximala verkningsgraden på kanske 80-90 %, bland annat beroende av att pulsernas flanker inte är helt vertikala eftersom transistorerna i praktiken måste tillbringa en viss del av tiden mellan lägena "av" och "på".

Viktigt att notera är att hög verkningsgrad eller små värmeförluster inte har någon direkt koppling till hur en förstärkare låter samt att en för tillverkaren billigare konstruktion inte automatiskt innebär att den blir billigare för konsumenten.

Hög verkningsgrad implicerar alltså inte mer välljud utan det är annat i förstärkarkonstruktionen som avgör detta. Fortfarande så är, enligt min personliga mening, en välkonstruerad klass A- eller AB-förstärkare överlägsen när det gäller att generera välljud. De är dock dyrare i drift och har en låg verkningsgrad eftersom konstruktionen i sig alltid leder till höga värmeförluster. Generellt kan man nog säga att klass D-förstärkarna har haft som primärt mål att åtminstone uppnå ett välljud som kan jämföras med det från en klass AB-förstärkare. Teoretiskt ska inte detta vara något problem men det är väldigt kostsamt att nå ända fram bland annat på grund av de dyra och komplicerade filterlösningar som krävs (se LPF i de olika figurerna).

Lågpassfiltret, ett nödvändigt ont

Det som alltid varit ett problem för konstruktörer av klass D-förstärkare är att uppnå acceptabla nivåer hos de distorsionsmätningar som är starkt förknippade med välljud och naturtrohet (detta kan givetvis diskuteras men ligger utanför denna artikels syfte). Dessa är THD-N (Total Harmonic Distortion Noise) och IMD (Intermodulation Distortion). Här spelar den lösning man väljer för lågpassfiltret (LPF), som måste finnas efter det att pulståget har förstärkts (se figur 1), en avgörande roll. Det bästa för ovan mätningar vore att helt skippa filtret eftersom man då skulle kunna uppnå mycket bra värden. Problemet då är att det mycket högfrekventa pulståget i så fall måste transporteras genom högtalarkabeln vilket skulle resultera i extremt höga elektromagnetiska störningar (EMI) där högtalarkabeln agerar antenn. Detta skulle då i sin tur dels kräva både magnetiskt skärmade högtalarkablar och högtalare, dels kräva att filtret i högtalarna anpassas efter just den förstärkare som används vilket naturligtvis inte är ett praktiskt alternativ.

Då återstår bara att placera filtret omedelbart efter förstärkaren vilket alltså resulterar i högre distorsion och därmed sämre mätvärden. EMI-problemen minskas dock, även om de fortfarande skapar vissa konstruktionsmässiga problem. Förutom det så är det svårt att konstruera ett utgångsfilter vars kapacitans och induktans är helt linjär över hela frekvensområdet. Detta gäller alltså klass D i rena surroundförstärkare/receivers och talar man om aktiva högtalare så har man idag helt andra möjligheter att konstruera produkter med bättre mätvärden eftersom man slipper ta hänsyn till mycket av det som annars ställer till problem som till exempel det problematiska lågpassfiltret, långa högtalarkablar etc.

Inga omvandlingar sker i en ”digital” surroundförstärkare/receiver

 Detta är ett vanligt påstående och missuppfattning och har man läst hela artikeln så inser man nog att detta inte stämmer. Allt beror på att det genererade pulståget för ögat ser väldigt ”digitalt” ut även om det endast bär på analog information. Man blandar då ihop det med den digitala bitström som anländer via S/PDIF-gränssnittet och tror att det är denna bitström som senare förstärks vilket är ett fullständigt felaktigt antagande. Snarare är det så att surroundförstärkare/receivers utrustade med klass D-förstärkare omvandlar och behandlar signalen fler gånger än de med klass AB-förstärkare.

För till exempel en AC3-bitström som skickas till en traditionell surroundförstärkare/receiver utrustad med en klass AB-förstärkare så ser det ut som i figur 3:

Figur 3 - Surroundförstärkare/receiver med klass AB-förstärkare

Samma AC3-bitström som skickas till en surroundförstärkare/receiver utrustad med klass D-förstärkare kan se ut på två olika sätt beroende på hur pulståget genereras, se figur 4 och 5:

 

Alternativ 1: Pulståget genereras från den analoga ljudsignalen:

Figur 4 - Surroundförstärkare/receiver med klass D-förstärkare, pulståg genereras från den analoga signalen

 

Alternativ 2: Pulståget genereras direkt från PCM-bitströmmen genom en så kallad "PCM-till-PWM-modulator”:

Figur 5 - Surroundförstärkare/receiver med klass D-förstärkare, pulståg genereras genom PCM-till-PWM-omvandlare

 

Räknat från PCM-bitströmmen och bortsett från rena förstärkningar av de olika signalerna så ser antalet omvandlingar ut som följer:

Surroundförstärkare/receiver utrustad med klass AB-förstärkare (figur 3):
1 omvandling (PCM -> analog ljudsignal)

Surroundförstärkare/receiver utrustad med klass D-förstärkare, alternativ 1 (figur 4):
3 omvandlingar (PCM -> analog ljudsignal -> PWM-pulståg -> analog ljudsignal)

Surroundförstärkare/receiver utrustad med klass D-förstärkare, alternativ 2 (figur 5):
2 omvandlingar (PCM -> PWM-pulståg -> analog ljudsignal)

Nu ser vi alltså att när en signal vandrar genom en surroundförstärkare/receiver med klass D-förstärkare så utsätts den för fler omvandlingar, inte färre, jämfört med en surroundförstärkare/receiver utrustad med klass AB-förstärkare.

Sammanfattning

Syftet med artikeln har varit att åtminstone något öka förståelsen för vad som egentligen gömmer sig bakom begreppet ”digital surroundförstärkare/receiver” samt att försöka klargöra för en del missuppfattningar som är vanliga kring dessa. Klass D-förstärkarna utvecklas hela tiden och så även de filterlösningar som idag är något problematiska. Även andra klasser har dykt upp som till exempel klass-N och klass-T. Gemensamt är dock att ingen utav dem används för att förstärka digitala signaler.

• AC3 - Audio Coding #3, en ljudkodningsteknik som används av Dolby Laboratories Inc.
• DAC - Digital-to-Analog Converter, omvandlar digitala signaler till analoga.
• DSP - Digital Sound Processor, digital ljudprocessor.
• DTS - Digital Theater Systems, en ljudkodningsteknik av företaget med samma namn.
• LPF - Lågpassfilter, ett filter som släpper igenom frekvenser under en viss brytfrekvens.
• PCM - Pulse Code Modulation, en metod att överföra analoga signaler i form av binärkod.
• PWM - Pulse Width Modulation, beskrivet i denna artikel.
• Receiver - en surroundförstärkare med inbyggd radiomottagare.
• S/PDIF - Sony / Philips Digital InterFace, ett gränssnitt för överföring av digital information.
• Surroundförstärkare - En ljudprocessor med normalt fem, sex eller sju inbyggda förstärkare.