XXL-TEST: Yamaha Digitalverstärker MX-D1/Controller YPC-1 (2/3)

Technik/Aufbau

Einsatzgebiete des Digitalverstärkers

In der heutigen "digitalen" Welt werden die Endstufeneinheiten bei dem Großteil gerade der hochwertigen Komponenten immer noch in analoger Form ausgeführt. Digitale Endstufen gibt es zwar oft, aber dann meist in aktiven Subwoofern, wo eine extrem kraftvolle Basswiedergabe gefragt ist, oder, aus Platzgründen, in DVD-Receivern. Diese sollen im Slimline-Design Noblesse ausstrahlen, um die kompakte Bauform zu ermöglichen, greifen die Konstrukteure auf digitale Endstufen zurück. Wenige Hersteller trauten sich bislang, auch in hochwertigen AV-Verstärkern/-Receivern digitale Endstufen anzubieten. Ein sehr gelungenes Projekt, dazu auch noch bezahlbar, ist der Harman Kardon DPR-2005. Er konnte mit tadellosen akustischen Eigenschaften positiv auffallen, erreichte jedoch noch nicht die Performance ausgezeichneter analoger Modelle. 

Hauptunterschied digitaler - analoger Verstärker

Der Hauptunterschied liegt beim digitalen im Vergleich zum analogen Verstärker darin, dass die Leistungstransistoren bei Digitalverstärkern im Schaltbetrieb arbeiten. Mit "Schaltbetrieb" ist gemeint, dass sie entweder an oder aus sind  - beim analogen Verstärker können die Leistungstransistoren hingegen beliebige Zwischenzustände annehmen. Vorteil der digitalen Technologie ist, dass innerhalb des Transistors nur wenig Verlustwärme aufkommt, was die bereits in der Einleitung erwähnte hohe Effizienz ermöglicht. 

Bei einem analogen Verstärker wird das analoge Eingangssignal im Idealfall (!) ohne Veränderung auf die zum Betrieb der angeschlossenen Lautsprecher gebrauchte Leistung verstärkt. Beim digitalen Verstärker dagegen werden die Momentanwerte des analogen Eingangssignals (wenn eine analoge Verbindung/2-Kanal Cinch besteht, wie es z.B. beim MX-D1/YPC-1 der Fall ist, der passive Controller verfügt nur über analoge Cincheingänge und nicht über digitale Schnittstellen) abgetastet und in ein digitales Pulssignal konvertiert, welches wiederum mit Hilfe eines Tiefpassfilters zu einem Analogsignal zurückgewandelt wird. Bei einem analogen Signal ändert sich der Momentanwert permanent zwischen Null und einem maximalen Wert. Das digitale Signal besteht hingegen aus einer Reihe von Pulsen (0 oder 1) zeitlich unterschiedlicher Länge. Der große Unterschied zwischen analogen und digitalen Verstärkern ist die Art der Signalverstärkung.

Aufgabe des Leistungsverstärkers

Die Aufgabe des Leistungsverstärkers lautet stark vereinfacht: Er muss die relativ kleine Ausgangsleistung des DVD- oder CD-Spielers im Milliwattbereich so "verstärken", das die passiven Boxen gemäß ihrer Belastbarkeit angesteuert werden und eine ansprechende Lautstärke, gepaart mit hoher Klangreinheit, die Ergebnisse sind. 

Die Energie zur Verstärkung des Signals entnimmt der Verstärker dem Netz mit 220 V Wechselstrom. Mit solch hohen Spannungen fangen  Lautsprecher aber nichts an: Sie benötigen hohe Ströme im Niedrigvoltbereich. Also muss die hohe Netzspannung in die für die Lautsprecher geeignete niedrigere Spannung umgewandelt, "transformiert" werden. Dies leistet ein Transformator im Netzteil des Verstärkers. Er besteht aus einem geschlossenen Eisenkern und zwei Spulen, die um seine Schenkel gewickelt sind. Auf der Netzseite sind es viele Windungen eines dünneren, auf der Niedervoltseite weit weniger Wicklungen eines dickeren Kupferdrahtes. 

Der Verstärker arbeitet natürlich nicht dauernd unter Höchstlast. Deshalb unterscheiden wir die Nennleistung von der Musikleistung. Die zweite ist höher als die erste, der Verstärker kann also kurzzeitig mehr leisten. Er schafft das, indem er kurzzeitig Strom in Kondensatoren zwischenspeichert. Kondensatoren sind extreme Kurzzeitspeicher, Langzeitspeicher kennen wir bis heute in der ganzen Elektrotechnik leider nicht. Je größer nun die Kondensatoren sind, desto größere Strommengen können kurzzeitig zwischengespeichert und dann auch kurzzeitig abgerufen werden, wenn z.B. sich die Musik zu einem Fortissimo steigert. 

In den Eingangsteil des vom Niedrigvoltteil des Transformators bzw. kurzfristig zusätzlich von der in den Kondensatoren gespeicherten Energie gespeisten Verstärkers gelangen die Ausgangssignale des DVD-Players. Diese Signale werden durch kleine Ströme und Spannungen dargestellt. Herzstück des Verstärkers bilden Transistorschaltungen. Sie machen aus kleineren Ströme größere, so wie sie fürs Lautsprechersystem gebraucht werden. Transistoren selbst sind mikroelektronische Bauelemente und deshalb klein und leicht. 

a) der analoge Verstärker

Bei einem analogen Verstärker wird das analoge Eingangssignal proportional in ein Ausgangssignal verstärkt – dazu müssen die Endstufentransistoren genau in der Stärke angesteuert werden, die aufgebracht werden muss, um das gewünschte Ausgangssignal zu erreichen. Jeder beliebige Zwischenwert zwischen "geschaltet" oder "nicht geschaltet" kann angenommen werden. 

b) der digitale Verstärker

Bei einem digitalen Verstärker dagegen besteht das Signal nur aus 2 definierten Zuständen – Entweder geschaltet oder nicht geschaltet – was sich in „Pulsen“ niederschlägt. Es sind keine Zwischenwerte wie beim analogen Verstärker, der jeden beliebigen Zwischenwert darstellen kann, möglich. Die Transistoren dienen als „Schalter“ bei einem Digitalverstärker und sind entweder komplett durchgeschaltet (Puls) oder komplett ausgeschaltet (kein Puls). Vorteil der digitalen Technologie ist, dass innerhalb des Transistors nur wenig Verlustwärme aufkommt, was die bereits in der Einleitung erwähnte hohe Effizienz ermöglicht. 

Vorteile digitaler Verstärker

Bei einem analogen Verstärker variiert das Signal zwischen Null und einem Maximalwert. Die Endstufentransistoren agieren als zu veränderte Widerstände, die stets in einer Art und Weise angesteuert werden, dass auf der Ausgangsseite das Eingangssignal möglichst nahe am Original abgebildet wird. Wenn die Transistoren nicht vollständig durchgeschaltet werden, entsteht ein Verlust an nutzbarer Energie, der in Form von Wärme (Verlustwärme) abfällt. Dies hat zwei Nachteile: Zum einen wird die Effizienz (rund 50 % bei analoger Signalverstärkung) massiv eingeschränkt, und zum anderen sorgt das hohe Maß an Verlustwärme auch für eine deutliche Erwärmung des Verstärkers. Um diese Wärmeentwicklung in einem erträglichen Rahmen zu halten, müssen bei analogen Verstärkereinheiten ausgeklügelte Maßnahmen zur Kühlung getroffen werden. Man unterscheidet hier zwischen aktiver und passiver Kühlung. Die aktive Kühlung umfasst einen Ventilator, welcher temperaturgesteuert eingreift, um die Betriebstemperatur wieder in den normalen Bereich zurückzuführen. Beherrschendes Element ist die passive Kühlung, die bei billigen Verstärkern durch Blechkühlkörper und bei höherwertigen Modellen durch extrudierte Aluminiumkühlkörper dargestellt ist. Der Alu-Kühlkörper ist teurer, leitet die Wärme aber effektiver ab - ganz besonders, wenn er zusätzlich schwarz lackiert ist. Damit die Kühlkörper auch ihre Wirkung voll entfalten und grenzwertigen Temperaturen entgegenwirken können, müssen sie relativ groß dimensioniert sein, gerade bei leistungsfähigen Verstärkern. Dies wiederum hat zur Folge, dass das Gehäuse des analogen Verstärkers recht ausladend sein muss. 

Bei einem digitalen Verstärker dagegen ist das Signalniveau „0“ oder „1“ und die Leistungselemente schalten in 2 Betriebszustände (Ein/Aus). Falls bei einem Digitalverstärker der Schaltzustand „1“ ist ( Strom fließt vom Netzteil zu den Lautsprechern), sind die Schaltelemente in der Endstufe komplett durchgeschaltet. Dies bedeutet vereinfacht gesagt, dass ein sehr geringer Widerstand zwischen dem Netzteil und dem Verbraucher (Lautsprecher) herrscht - so entsteht kaum Verlustleistung und somit auch kaum Wärmeentwicklung, was zur Folge hat, dass man keine Überdimensionierung der Kühlkörpereinheiten vornehmen muss. Dadurch kann das Gehäuse elegant und kompakt gehalten werden. Im Gegensatz zum digitalen Prinzip besteht bei analogen Verstärkern bauartbedingt immer ein gewisser Widerstand zwischen Netzteil und Verbraucher - der Digitalverstärker mit einem typischen Wirkungsgrad von ca. 90% sticht sein analoges Pendant (Wirkungsgrad ca. 50 %) locker aus. 

Unterschiedliche Grundprinzipien digitaler Endstufen

Bei Digitalverstärkern unterscheidet man zwei verschiedene Arbeitsweisen: Die Pulsbreitenmodulation (PWM), bei der der analoge Momentanwert durch die Breite des Pulses (Zeitdauer) abgebildet wird, und Pulse Density Modulation (PDM), bei der der analoge Momentanwert durch die Anzahl der Pulse abgebildet wird. Der MX-D1 arbeitet nach dem PWM-Prinzip, das folgende Vorteile bietet:

1) PWM hat ein deutlich kleineres Störspektrum im  höheren Frequenzbereich als PDM.
2) Die Antwortzeit des Systems - damit  die Verzögerung vom Eintreffen eines Eingangssignals bis Ausgabe des Ausgangspegels gemeint - ist bei PWM deutlich kleiner als bei PDM. 
3) PDM ist in starkem Maße von der negativen Rückkopplung abhängig. Fast zu 100%. Zu viel Negative Feedback (negative Rückkopplung) wirkt sich auch  bei einem analogen Verstärker negativ auf den Klang aus. 

Der Yamaha MX-D1

Yamaha hat einen extremen Aufwand betrieben, um den MX-D1 in jeder Hinsicht auf Highend-Niveau zu heben. Zunächst kennzeichnen zwei Merkmale den leistungsstarken Digitalverstärker:

Doppel-Mono-Aufbau

1. Doppel-Mono-Aufbau: Für den linken und den rechten Kanal hält der MX-D1, wie auch oben auf dem Bild zu erkennen,  unterschiedliche Kammern bereit. Eine eigene Kammer steht für den Eingangssignal-Schaltkreis, für das Ausgangs-Terminal-Board und für das Netzteil zur Verfügung, damit elektrische und elektromagnetische Interferenzen auf ein Minimum beschränkt werden. 

2. MOSFET-Leistungsendstufen (MOS ist die Abkürzung für Metal Oxide Semiconductor, hierbei handelt es sich um sehr leistungsfähige Transistoren). Ein Transistor ist ein Halbleiter-Bauelement und wird zum Schalten und Verstärken von elektrischen Spannungen und Strömen eingesetzt. Es gibt bipolare und unipolare Transistoren, in der HiFi- und AV-Verstärkertechnik sind die unipolaren Versionen, auch FET (Feldeffekt-Transistor) genannt, von Bedeutung. Als "unipolar" werden sie bezeichnet, weil gegensätzlich zum bipolaren Pendant je nach Typ entweder nur Defektelektronen (Löcher) oder Elektronen, nicht aber beides am Stromtransport beteiligt sind. Der FET hat drei Anschlüsse, Source (Zufluss, Quelle), Gate (Tor) sowie Drain (Abfluss). Bei der MOSFET Version, die hier im MX-D1 Verwendung findet, ist ein weiterer Anschluss, Bulk (Substrat), vorhanden. Dieses Terminal wird bei Einzeltransistoren bereits intern mit Source verbunden und nicht separat hinausgeleitet. Die Funktionsweise: Durch ein elektrisches Feld, hervorgerufen durch eine Steuerspannung zwischen Gate und Source, wird die Leitfähigkeit des Kanals Source-Drain gesteuert. Die große Differenz zum bipolaren Transistor besteht in der bei niedrigen Frequenzen beinahe leistungslosen Ansteuerung des FET, nur eine Steuerspannung braucht man.  Vorteile des speziellen MOSFET Transistors sind die schnelle Schaltzeit sowie  stabile Verstärkungs- und Antwortzeiten.

Auch die technischen Basis-Daten lesen sich ungemein interessant:

• Ausgangsleistung: 2x500W/8Ohm RMS
  2x1000W/8Ohm dynamisch

• Übertragungsbereich: 1 Hz – 100000Hz +/- 3dB

• Klirr: weniger als 0,003% bei 1 kHz

• Geräuschspannungsabstand: größer 120dB. Ein gewichteter Wert des Rauschspannungsabstandes, d.h. bei der Messung des Geräuschspannungsabstandes wird berücksichtigt, dass das menschliche Ohr Töne mittlerer Frequenzen von 1.000 bis 5.000 Hz stärker wahrnimmt, als darüber und darunter liegende Töne. Im Messgerät werden die Signale daher durch einen speziellen Filter geleitet, das bei der Messung die vom Ohr wahrgenommenen Frequenzen betont. Der Rauschspannungsabstand oder Fremdspannungsabstand ist ein Wert (Maßeinheit dB), der aussagt, wie hoch der Anteil unvermeidbarer (bauartbedingter) Störgeräusche (z.B. Störspannungen aus Brummen, Rauschen, Prasseln, Knacken etc.) im Signalweg ist. Je höher der Fremdspannungsabstand, desto geringer die Störgeräusche. Ab ca. 80 dB ist der Rauschspannungsabstand bereits ok. 

• Kanaltrennung: größer 100dB. Der MX-D1 ist ein Stereo-Verstärker, im Gegensatz zu AV-Receivern/-Verstärkern werden nur zwei Tonsignale wiedergegeben (links und rechts). Die Kanaltrennung zeigt an, wie gut die beiden beiden Signale voneinander getrennt sind. Bei unzureichender Kanaltrennung kann man Teile des linken Tons im rechten Lautsprecher und umgekehrt hören. So höher also die Kanaltrennung ist, umso exakter ist die Wiedergabe. Die Maßeinheit: Dezibel (dB). 

• Dämpfungsfaktor: größer 200. Bei Verstärkern beschreibt Dämpfungsfaktor das Verhältnis des Wechselspannungswiderstandes (Impedanz) eines Lautsprechers zum Innenwiderstand eines Verstärkers  (Impedanz/Innenwiderstand) nach folgender Formel: 

Dämpfungsfaktor =      Lautsprecherimpedanz
                           -----------------------------
                          dynamischen Innenwiderstand

• Umso höher die Impedanz des Lautsprechers bzw. umso kleiner der Innenwiderstand des Verstärkers ist, umso besser ist der Verstärker in der Lage, unerwünschte Membranschwingungen zu vermeiden. (Nicht gewollte Membranschwingungen sind Folge eines jeden vom Verstärker auf die Schwingspule des Lautsprechers geschickten Impulses als Ausschwingvorgang.) Ist der Dämpfungsfaktor also groß,  kann der Verstärker ein präzises Ein- und Ausschwingverhalten der Lautsprechermembran bewirken, was zu einer präzisen Wiedergabe führt. Bereits Dämpfungsfaktoren ab 50 sind ordentlich. 
  

Im Vergleich zu anderen digitalen Leistungsverstärkern möchte Yamaha durch technische Eigenentwicklungen gezielt die Klangqualität optimieren. Hier verschiedene Beispiele:

Yamaha YDA-133 Modulator

Yamaha YDA134 Treiber mit MOSFETs

Hier die MOSFETs des MX-D1 im Detail

Weitere Merkmale des MX-D1:

• Active Power Control-System
  Dank einer permanenten Überwachung des Verstärkerausgangsstroms und der aktiven Steuerung der maximalen Dauerleistung und der für Transienten erforderlichen Dynamikleistung ist die Leistung des MX-D1 bei beliebigen Lastimpedanzen zwischen 2 und 8 Ω jederzeit perfekt.

• Constant-Gain PLL-Modulationsschaltkreis
  Bei konventionellen Digitalverstärkern wird das Ausgangssignal von Schwankungen der Netzspannung beeinträchtigt, wenn sich der Stromverbrauch des Verstärkers ändert. Dieses Problem löst der MX-D1 höchst elegant dank eines Modulationsschaltkreises mit PLL (Phase Locked Loop). Bei schwankender Netzspannung erzeugt der Constant-Gain PLL-Modulatorschaltkreis eine kompensierende Pulsbreitenmodulation mit einer für das Eingangssignal geeigneten Geschwindigkeit. Somit wird die Linearität beibehalten, während sich die Rückkopplung dank konstanter Pegelanhebung zu keiner Zeit ändert.

• Rückkopplung
  Digitale Ausgangsimpulse werden in eine geschlossene Rückkopplungsschaltung zurückgeführt. Das verbessert die Leistung des Modulationsschaltkreises sowie die Linearität der Endstufe und sorgt somit für eine minimale Verzerrung bei großen Dynamikumfang. Außerdem wird ein analoges Ausgangssignal, das hinter dem LC-Ausgangsfilter abgegriffen wird, erneut eingespeist,
  um einen höheren Dämpfungsfaktor und einen großen Frequenzbereich zu gewährleisten, die nicht von der Lastimpedanz beeinflusst werden.

• Schutzsystem
  Das Schutzsystem, das einen sicheren Betrieb garantiert, beinhaltet einen extrem schnellen Stromerkennungsschaltkreis, der den Strom einzelner Impulse messen kann. Die Betriebssicherheit wird zudem durch eine Gleichstromerkennung und einen Überlastungsschutz gewährleistet.

• Beschaltete Stromversorgung
  Für den rechten und linken Kanal werden unabhängige, hocheffiziente und rauscharme beschaltete Stromversorgungen auf Schwingkreisbasis von Yamaha eingesetzt. Der Sekundär-Gleichrichterschaltkreis enthält zudem einen induktiv gekoppelten Gleichrichter, der die Probleme konventioneller SEPP-Digitalverstärker (Single-Ended Push-Pull) umgeht. Somit wahrt der MX-D1 jederzeit eine perfekte Symmetrie zwischen positivem und negativem Stromversorgungsstrang, ganz gleich, in welcher Richtung der Ausgangsstrom fließt.

• Ultraschneller Sicherungsschaltkreis
  Sicherer Betrieb durch eine vollständige Absicherung aller kritischen Betriebszustände wie Kurzschluss oder das Auftreten von Gleichspannung. Der Verstärker hat eine extrem schnelle Überstromerkennung (2µS, 2 billionstel Sekunden) im YDA134 LSI, die schon auf einen einzigen zu hohen digitalen Stromimpulspuls reagiert. Im YDA133 Modulator-LSI gibt es zusätzlich eine Sicherungslogik, die die Kombination kritischer Betriebszustände erkennt.

• Verschachtelte Gegenkopplung
  Die digitalen Impulse werden über eine Digital/Analog übergreifende Gegenkopplung auf den Eingang des Verstärkers zurückgeführt: Das hat eine Verbesserung der Linearität des Ausgangssignals und eine Verbesserung der Linearität des Modulators zur Folge. Beides verringert die Verzerrungen und erhöht den Dynamikumfang. Die Schaltung arbeitet mit hoher Gegenkopplung, ohne diese Art der Gegenkopplung würde der Verstärker durch seine große Phasendrehung nicht stabil arbeiten.

• Analoge Gegenkopplung
  Diese stellt einen weiten Frequenzbereich bis 100kHz und einen hohen Dämpfungsfaktor sicher. Beides ist durch die Gegenkopplung unabhängig von der angeschlossenen Lautsprecherimpedanz. Die Samplingfrequenz von 352.8kHz für die Erzeugung der analogen Signale wird durch ein besonders hochwertiges klirrarmes LC Filter am Ausgang abgetrennt. Eine Mitkopplung des Signals sorgt dann für die Erweiterung des Frequenzumfangs.

Einsatzmöglichkeiten

Eine große Anschlussauswahl erwartet den Anwender auf der Rückseite des MX-D1 Leistungsverstärkers. Auch symmetrische XLR-Connections sind vorhanden. XLR-Kabel werden z.B. in der Studiotechnik und für Bühnen-Aufbauten genutzt, wenn professionelle Endstufen beispielsweise mit verschiedenen Peripheriegeräten verbunden werden. Vorteile der XLR-Verbindung: Wenn man sich im Vergleich einen Cinch-Stecker anschaut, so ist der XLR-Stecker deutlich fester in seinem Terminal arretiert, was für eine optimale Kontaktsicherheit sorgt. Mittels XLR-Kabeln lassen sich auch lange Verbindungen ohne großartigen Qualitätsverlust überbrücken, ein für Profi-Aufbauten unerlässlicher Vorzug. Es gibt 3 bis 7-polige XLR-Stecker und entsprechende XLR- Kupplungen. Am gängigsten sind die 3-polig ausgeführten Anschlüsse, mit denen ein symmetrisches Signal gesendet wird. Dieses symmetrische Signal (engl. sprachig: "balanced", daher werden XLR-Ausgänge auch gern als Balanced Out" bezeichnet) besteht aus dem normalen Signal und dem gleichen Signal mit negativen Vorzeichen (z.B. bei Zeitpunkt +1V und -1V). Da lediglich die Differenz der beiden Signale verarbeitet wird, haben Störungen wenig Chancen, da diese direkt von außen auf beide Signale wirken und sich so, da es um die Differenz zw. den Signalen geht, aufheben. Die Bezeichnung "XLR" kommt aus dem Amerikanischen und hält die Abkürzungsbuchstaben für eine symmetrische Kabelführung: in seinem Kürzel: "X"ternal, "L"ive, "R"eturn, dies entspricht in Deutsch "Masse", "heiß", "kalt" bzw. "Masse", "+", "-". Hierzulande ist es jedoch Gang und Gäbe, die drei Leiter in der Reihenfolge "heiß", "kalt", "Masse" aufzuzählen. 

Die Einsatzmöglichkeiten des MX-D1 Leistungsverstärkers sind mannigfaltig. Wer das edle Stück nicht simpel - wie wir im Test - zusammen mit dem YPC-1 in einer Highend-Stereolösung nutzen möchte, kann auch eine andere Vorstufe verwenden und, möchte man eine Surroundanlage aufbauen, z.B. für acht Kanäle (Vorn L/R, Center/Subwoofer, Surround L/R, Surround Back L/R) eine Beschallungsanlage der Superlative aufbauen. Eine weitere Variante wäre, den MX-D1 im Zusammenspiel mit einem extrem hochwertigen AV-Verstärker zu betreiben und die MX-D1 dann für den Stereobetrieb zu verwenden. Hierzu wird eine MX-D1 mittels entsprechend hochwertiger Cinchleitungen an die L/R-Vorverstärkerausgänge des AV-Verstärkers gehangen. 

Durch die verschiedenen System-Integrationsmöglichkeiten ist der MX-D1 für vieles gerüstet.

Schaltbare Trigger-Anschlüsse, RS232C-Schnittstelle für Haussteuerungssysteme, Festlegen der Verstärker-ID für Multichannel-Systeme: Der MX-D1 eröffnet flexible Möglichkeiten

Hier ein Beispiel für eine Triggerschaltung für synchrones Power Switching. Das Triggersignal wird immer zum nächsten Verstärker weitergeleitet ("Through"-Einstellung)

Auch in ein RS232c Controlling-System lässt sich der MX-D1 einbauen. An- und Ausschaltvorgang, die Stummschaltung sowie Trigger Out High/Low lassen sich mit einem entsprechenden Controller steuern

Bewertung Technik/Aufbau/Einsatzmöglichkeiten

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