Klang von mobilen Geräten Lautsprecher auslasten ohne zu überlasten

Dem Trend zu immer kleineren Geräten wird die Klangqualität bei der Audiowiedergabe geopfert. Der Platz für Lautsprecher im Gehäuse schrumpft immer mehr. Dennoch sollen die teuren Mobilgeräte nicht „billig“ klingen. NXP besinnt sich einer Technik, die bisher in hochwertigen Aktivboxen eingesetzt wurde, um die Basswiedergabe zu verbessern und die winzigen Schallwandler vor Überlastung zu schützen.

Stromgegenkopplung wurde in den 70er- und 80er-Jahren in Aktivboxen eingesetzt, um die Membranbewegung der Basslautsprecher zu regeln. Damit konnte die Bewegung der Schwing-spule linearisiert werden, so dass Lautsprecher mit kleinen Membranflächen große Hübe vollführen konnten. Derartig geregelte Lautsprecher konnten auch sehr tiefe Frequenzen verzerrungsfrei wiedergeben. Philips bezeichnete dieses Prinzip, bei dem der Strom durch die Schwing- spule des Basslautsprechers gemessen wird, als Motional Feedback (MFB). Diese Methode ist einfach zu realisieren, da sie keine Änderungen am Lautsprecher bzw. spezielle Lautsprecherkonstruktionen wie z.B. Doppelschwingspulen oder Beschleunigungssensoren/Mikrofone in den Lautsprechern erfordert.

Die dem Strom in der Schwingspule proportionale Spannung wird mit dem Eingangssignal verglichen. Das sich daraus ergebende Fehlersignal wird gegenphasig auf den Eingang des Verstärkers rückgekoppelt und sorgt so dafür, dass der Strom durch die Schwingspule dem Eingangssignal folgt.

Digitales MFB-IC für mobile Geräte

Im Audio-Verstärker-IC TFA9887 wendet NXP das MFB-Prinzip an, um den winzigen, in Mobiltelefonen, Smartphones, Tablet-PCs und Notebooks verbauten Lautsprechern mehr Bass zu verleihen - jetzt allerdings in digitaler Form realisiert (Bild 1). Die Regelung der Membranbewegung bei den winzigen Lautsprechern ermöglicht es gleichzeitig, die Lautsprecher vor Beschädigung durch Überlast und Übertemperatur zu schützen.

Bis an ihr Maximum können die Lautsprecher dadurch ausgelastet werden, ohne durch zu hohe Signalamplituden gefährdet zu werden. Der Regelkreis fungiert zugleich auch als Leistungsbegrenzer, der die Signalspitzen dämpft.

Die Temperaturmessung  erfolgt über die Temperaturabhängigkeit des Drahtwiderstandes der Schwingspule. Sie ermöglicht, die räumlich beengt platzierten Lautsprecher abhängig von den Umgebungsbedingungen maximal auszulasten. NXP zählt sechs Vorteile dieses im TFA9887 eingesetzten digitalen MFB-Verfahrens auf:

  • Lautsprecherschutz bei maximaler Auslastung.
  • Automatische Anpassung an die akustischen und thermischen Umgebungsbedingungen.
  • Die Regelung stellt sicher, dass die Lautsprechermembrane nur innerhalb der zulässigen Grenzen bewegt wird.
  • Die direkte Temperaturmessung der Schwingspule verhindert Überlastung.
  • Die Regelung verhindert Verzerrungen infolge Begrenzung auch bei sinkender Akkuspannung.
  • Erweiterte Bandbreite im Bassbereich.

Der Verstärker TFA9887 findet in einem Wafer Level Chip Size Package (3,19 × 2,07 × 0,6 mm3) mit 29 Lotkugeln Platz. Als Monoverstärker ist er für eine Leistungsabgabe von 2,65 W an 4 Ω ausgelegt.

Dank der Stromgegenkopplung können am Ausgang 0,5-W-Lautsprecher angeschlossen und mit voller Leistung angesteuert werden (Bild 2). Ein DC/DC-Aufwärtswandler im TFA9887 sorgt dafür, dass der Verstärker selbst bei 3,6 V Akkuspannung die maximale Leistung abgeben kann.