mini|HiFi-Endstufe von McIntosh Laboratory mit 2 × 300 Watt an 4 Ohm mini|Innenansicht eines Audio-Leistungsverstärkers mit Schaltnetzteil für den Betrieb am 12-V-Bordnetz von Personenkraftfahrzeugen mini|Professionelle PA-Endstufe für Rockkonzerte etc., mit 2 × 700 Watt an 4 Ohm oder 2 × 1200 Watt an 2 Ohm Als Endstufe wird die letzte elektronisch aktive (d. h. verstärkende) Stufe eines Leistungsverstärkers bezeichnet, bevor das verstärkte Signal zur Last gelangt. Oft wird auch das gesamte Gerät bzw. die Baugruppe „Leistungsverstärker“ als Endstufe bezeichnet. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird unter dem Begriff meist ein Gerät als Teil einer Stereoanlage oder PA-Anlage zur Tonwiedergabe verstanden, der Begriff bezieht sich fachlich aber auf alle Arten der elektronischen Verstärkung, z. B. auch bei Hochfrequenz-Rundfunksendern.
Die zur Ansteuerung der Endstufen-Bauteile dienenden aktiven Bauteile werden hingegen zuweilen als „Vorstufe“ bezeichnet. Die Begriffe sind historisch aus dem Zeitalter der Röhrenverstärker erwachsen, bei denen sich zu jeder dieser Stufen ein oder mehrere Röhren-Systeme zuordnen ließen.
Klassifizierung Selektive Leistungsverstärker mini|Ein Miniatur-Leistungsverstärker (Booster), um die Ausgangsleistung von Smartphones und ähnlichen Geräten für Kopfhörer oder Mini-Lautsprecher zu verstärken. Die Kantenlänge ist 4 cm, bei einem Gewicht von 16 Gramm liegt die maximale Ausgangsleistung bei ca. 0,1 W an 32 Ohm.
Selektive Leistungsverstärker werden für schmale Frequenzbereiche eingesetzt (z. B. 3,60–3,62 MHz), vorzugsweise in Sendern, um Hochfrequenz-Leistung zur Speisung von Antennen zu erzeugen. Zwischen Verstärker und Antenne wird stets mindestens ein selektiver Filter, im einfachsten Fall ein Schwingkreis, verwendet, um Oberschwingungen zu unterdrücken. Deshalb ist auch keine (Amplituden-)Linearität erforderlich. Diese Endstufen werden meist im C-Betrieb betrieben, um einen hohen Wirkungsgrad um 80 % sicherzustellen. Anwendung finden sie hauptsächlich in Sendern und Ultraschallgebern.
NF-Breitbandverstärker NF-Breitbandverstärker (z. B. 10–50.000 Hz) dienen zur Ansteuerung von Lautsprechern, es sind sogenannte Audioverstärker. Um unerwünschte Oberwellen zu vermeiden (es wird anschließend nicht gefiltert), betreibt man diese (analogen) Endstufen immer in der A- oder AB-Betriebsart und erreicht damit Wirkungsgrade zwischen 20 und 70 %. Haupteinsatzgebiet ist die Elektroakustik.
HF-Breitbandverstärker HF-Breitbandverstärker (z. B. 5–860MHz) werden vorzugsweise als Antennenverstärker und in Kabelanlagen eingesetzt. Neben der Verstärkung ist vor allem die maximale Ausgangsleistung entscheidend, bei der die entstehenden unerwünschten Mischprodukte unter einer bestimmten Grenze bleiben. Die Leistung wird gewöhnlich in dBm angegeben. Typische Werte sind 20–70 dBm (100 mW – 10 kW). HF-Breitbandverstärker arbeiten hauptsächlich im A-Betrieb, für hohe Ausgangsleistungen auch im AB-Betrieb.
Breitbandverstärker für sehr breite Frequenzbereiche Diese Breitbandverstärker, die für sehr breite Frequenzbereiche (z. B. 0–200 MHz) ausgelegt sind, findet man u. a. in Oszilloskopen. Solche gleichspannungsgekoppelten Differenzverstärker ermöglichen einen sehr breiten Frequenzbereich von Gleichspannung bis teilweise in den Gigahertzbereich. Sie weisen einen hohen Eingangswiderstand (typisch 20 MOhm || 10 pF) auf und haben umschaltbare Eingangsempfindlichkeiten. Bei Röhren-Oszilloskopen liefern diese Verstärker die Spannung für die Ablenkplatten der Braunschen Röhre.
Breitbandverstärker Breitbandverstärker lassen sich auch als pulsdauermodulierte Schaltverstärker mit nachgeschaltetem LC-Tiefpass realisieren. Der Tiefpass dient dazu, die Schaltfrequenz von etwa 100–1000 kHz zu unterdrücken. Der Wirkungsgrad liegt oft über 90 %. Anwendungen sind Audioverstärker (Klasse-D-Verstärker im Kilowatt-Bereich) und im weiteren Sinne auch Frequenzumrichter in der Antriebstechnik mit Leistungen bis in den Megawattbereich und einem Frequenzbereich von etwa 10–500 Hz.
Elektronische Schalter Sie werden in Schaltnetzteilen und Schaltreglern eingesetzt. Sie bringen eine mittlere bis hohe Leistung (einige Watt bis in den Kilowattbereich, in der Leistungselektronik mittlerweile auch einige Megawatt). Elektronische Schalter haben hohe Schaltgeschwindigkeiten (typisch größer als 10 A/ns), die Ausgangsspannungen liegen zwischen 0,8 V und 5 kV.
Breitbandverstärker für den Niederfrequenzbereich Betriebsarten mini|Kennlinie einer Verstärkerröhre mit den verschiedenen Arbeitspunkten A, AB, B. Anodenstrom Ia als Funktion der Gitterspannung Ug.
Die meisten Leistungsverstärker für den Audiobereich werden nach ihrer Lage des Arbeitspunktes in der Drainstrom-Gatespannungs-Kennlinie der Verstärkerstufe eingeordnet (siehe Abbildung rechts, dort allerdings bezogen auf eine Elektronenröhre mit den dafür relevanten Größen für Stromstärke und Spannung): A-Betrieb B-Betrieb AB-Betrieb Auch die D-Verstärker finden umfangreich Anwendung, da sie günstig produziert werden können. Weitere Verstärkertypen sind z. B. C, E, G, H.
A-Betrieb Es gibt vier geläufige Schaltungen für sogenannte Klasse-A-Verstärker: ein Spannungsteiler aus einem steuerbaren Bauelement (single ended) und einem Widerstand, ein Spannungsteiler aus einem steuerbaren Bauelement und einer Spule, einem Transformator oder der Last selber, ein Spannungsteiler aus einem steuerbaren Bauelement und einer Stromquelle (die meist durch ein weiteres steuerbares Bauelement implementiert wird) und ein Spannungsteiler aus zwei steuerbaren Bauelementen (push-pull). Die Summe der Ströme durch beide Bauelemente ist (weitgehend) konstant. Bei allen Schaltungen fließt stets Strom durch alle steuerbaren (aktiven) Bauelemente – dies ist das Merkmal, welches mit dem Buchstaben A beschrieben wird. Da kein Bauelement je ganz sperrt, d. h. stromlos wird, treten prinzipiell keine sogenannten Übernahmeverzerrungen auf.
Maximaler Wirkungsgrad, Verzerrungsverhalten und Bauelementeaufwand sind unterschiedlich, der geringe Wirkungsgrad ist ein Nachteil: je nach Ausführung theoretisch maximaler Wirkungsgrad von 6,25 % ( mit Widerstand), 25 % ( mit Stromquelle oder direktgetrieben) oder 50 % (). hoher Ruhestrom von 200 % ( mit Widerstand), 100 % ( mit Stromquelle oder direktgetrieben) oder 50 % () des einfachen Spitzenstroms (Ip). Beim Eintakt-A-Verstärker liegt der Arbeitspunkt in der Mitte des linearen Teils der Kennlinie. Bei einem Röhrenverstärker darf die Gitterspannung nicht positiv werden, da sonst erhebliche Verzerrungen durch Clipping auftreten. Es muss sichergestellt werden, dass zu jeder Zeit ein Kollektor- bzw. Anodenstrom fließt.
Die Übertragungskennlinie eines A-Verstärkers, auch als Gegentaktverstärker, ähnelt einem J-förmigen Bogenausschnitt. Die Fouriertransformation dieser Übertragungsfunktion ergibt eine Dominanz der geradzahligen Oberwellen.
B-Betrieb (AB-Betrieb) Vorteile: Bei eisenlosen Schaltungen oder Verwendung von Transistoren ist kein Anpassungstransformator erforderlich Wenn Transformatoren verwendet werden, fließt durch die Spulen kein Dauergleichstrom, der den Eisenkern einseitig vormagnetisiert. Deshalb können Verzerrungen durch die Krümmung der Hysteresekurve nur bei sehr hoher Aussteuerung oder zu kleinem Eisenkern entstehen Im B-Betrieb (AB-Betrieb) ohne Eingangssignal vernachlässigbare (geringe) Stromaufnahme Hohes Leistungs-Bandbreite-Produkt Gute Verteilung der Verlustleistung (Abwärme) auf mehrere Bauelemente möglich Nachteile: Nur für kleine Leistungen als „Integrierte Schaltung“ (IC) erhältlich Wirkungsgrad von etwa 60 bis über 80 %, je nach Schaltungskonzeption (gestockte Betriebsspannung bei Hochleistungsendstufen üblich, siehe Klasse H) Symmetrische Gegentaktschaltung erforderlich Im B-Betrieb entstehen Verzerrungen (Klirrfaktor/THD) bei kleinen Leistungen Die beiden Betriebsarten unterscheiden sich im Wesentlichen im Ruhestrom: Im B-Betrieb ist dieser null, im AB-Betrieb beträgt er wenige mA um den oben genannten Verzerrungen entgegenzuwirken. Alles andere ist identisch. Ein Transistor wird – je nach Signalstärke – nur bei positiven Halbwellen mehr oder weniger leitend, der andere nur bei negativen Halbwellen des Eingangssignals. Jeder überträgt also lediglich die Hälfte (elektrisch 180 Grad) des Signals. Man nennt diese Anordnung auch , da der eine Transistor Strom in die Last „drückt“ und der andere einen Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung bewirkt, also „zieht“. Im B-Betrieb kann es bei sehr kleinen Signalspannungen vorkommen, dass keiner der beiden Transistoren leitfähig ist. Dann entstehen crossover- oder deadband-Verzerrungen. Dies wird im AB-Verstärker vermieden.
Gegentakt-Endstufe mini|hochkant=1.7|Eisenlose Endstufe mit Komplementär-Transistoren Q4 und Q5
Im nebenstehenden Schaltplan bilden die Transistoren Q4 und Q5 die Gegentaktendstufe mit Eintaktansteuerung und unsymmetrischer Betriebsspannung. Der obere Transistor ist vom Typ NPN und der untere vom Typ PNP, wobei die Bauteile jeweils über entgegengesetzte elektrische Parameter verfügen. Die Dioden D1 und D2 sorgen für die Basisvorspannung, um die Übernahmeverzerrungen zu verringern, wenn sich die Transistoren beim leitenden Zustand abwechseln. Diese Betriebsart der Transistoren wird auch als AB-Betrieb bezeichnet.
D-Verstärker mini|250px|Pulsdauermodulation zur Erzeugung eines annähernd sinusförmigen Verlaufs des Kurzzeitmittelwertes der Spannung – auf träge Verbraucher wirkt dieser Spannungsverlauf wie eine Sinusspannung
In einem Klasse-D-Verstärker werden die Leistungstransistoren mit Hilfe von unterschiedlich langen Impulsen (PDM – Pulsdauermodulation) angesteuert. Sie werden also mit hoher Frequenz (über 100 kHz) ein- und ausgeschaltet (Schaltverstärker) und nicht, wie bei den anderen Klassen, linear betrieben. Dies hat den Vorteil, dass an den Transistoren kaum Verlustleistungen abfallen. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Während der Umschaltphase treten dennoch nicht zu vernachlässigende Umschaltverluste auf, die mit steigender Betriebsfrequenz linear zunehmen. Das geschaltete Ausgangssignal muss, bevor es zum Schallwandler weitergeleitet wird, noch mit einem Tiefpass gefiltert werden. Andernfalls wirken die Lautsprecherkabel für die HF-Schaltfrequenz als Antenne und strahlen starke elektromagnetische Störungen ab, die andere Geräte beeinträchtigen können.
Damit der Schaltungsaufwand für die anschließende Tiefpassfilterung gering gehalten werden kann, liegt die Schaltfrequenz weit oberhalb der höchsten Signalfrequenz. Typische Schaltfrequenzen von NF-Verstärkern im Class-D-Betrieb sind 768 kHz und 1536 kHz (8 × 96 kHz und 16 × 96 kHz). Ausgangstiefpässe sind einfache LC-Filter mit −3-dB-Grenzfrequenzen zwischen 30 und 50 kHz. Der im oberen Audiobereich auftretende Abfall von 0,5 bis 1,5 dB (bei 20 kHz) wird für die Nennimpedanz korrigiert.
Der Aufbau ist als Brückenschaltung ausgeführt. Gängig ist auch die Abkürzung BTL (von engl. Bridge-tied load).
Vorteile: die Leistungsaufnahme steigt etwa proportional zur abgegebenen Leistung Wirkungsgrade weit über 90 % bei Volllast, 35 bis 50 % bei 1 % der maximalen Ausgangsleistung. Vergleich Class B: 70 bis 75 % in Volllast, 3 bis 5 % bei 1 % der maximalen Ausgangsleistung. Nachteile: hohe Treiberleistung erforderlich Konstruktion muss nach HF-Kriterien erfolgen erhöhter Bauelementeaufwand im Vergleich zu A-, B-, AB-, C-Verstärkern bei diskretem Aufbau LC-Tiefpass erforderlich aufwändige Gegenkopplung (vor allem beim Treiben von komplexen Lasten).