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Gedanken und Wissen über (Audio-) Operationsverstärker

Manche Fach-Fragen kann man nicht in einem Satz beantworten. Zum Beispiel, warum diese Operationsverstärker (Kurzform OP-Amp's) bei Edel-Hifi so verrufen sind oder waren.

Und darum muß ich etwas weiter ausholen. - Dieser Artikel ist weder wissenschaftlich noch physikalisch 100% korrekt, er soll vielmehr zum Verstehen beitragen. Wer es wirklich genauer wissen möchte, lese bitte die 1660 Seiten von Dr.Tietze-Dr.Schenk über Halbleiter (ab Seite 500 steht es in Absatz 5.2 und dann die nächsten 50 Seiten).
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Die Erfinder des Transistors
Ein frühes Germanium Exemplar

1947-Der Kristall-Verstärker wird entdeckt

Alles fing etwa 1947 in den Bell-Laboratorien in den USA an. Drei Physiker entdeckten ein Halbleiter-Phänomen und untersuchten diesen bis dahin unbekannten Effekt. Sie entdeckten und erfanden ........ den "Transistor".

Der hieß aber anfänglich nur der "Kristallverstärker".
Es dauerte Jahre, bis die Redakteure der amerikanischen Hifi-Zeitschriften die Funktion verstanden hatten. Andere sprachen nämlich von einem Strom-Ventil (current valve) und was es sonst noch für Erklärungen dafür gab.
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Eigentlich war es ganz einfach : Wenn man durch einen Anschluß (die sogenannte Basis) etwa 1 Milli-Ampere (Steuer-) Strom fließen ließ, floß durch zwei weitere Anschlüsse dieses Kristalls das Hundertfache an (Last-) Strom, also etwa 100 Milli-Ampere. Reduzierte man den Basis-Strom auf 0, floß auch kein Last-Strom mehr. Man konnte damit den "Last-Stromfluß" von Null bis zum Maximum kontinuierlich steuern.

Und dieses "Kristall" verbrauchte dann auch überhaupt keinen Strom mehr - also keine Wärme-Verluste wie bei der Röhre, die dann ja weiter glühte. Das war genial.
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Es gab und gibt aber keine Vorteile ohne Nachteile

Eine saubere unverzerrte Sinus-Kurve
hier nur ganz leicht unsymmetrisch verzerrt
oder hier völlig übersteuert bzw. gekappt

Doch mit zunehmender Frequenz wurde diese "Verstärkung" weniger. Und mit zunehmender Temperatur wurde diese "Verstärkung" ebenfalls weniger. Für den Einsatz in Audio-Verstärkern gab es da noch etwas, das Rauschen, das noch hinzu kam.

War die Versorgungsspannung zu niedrig und/oder die Verstärkung des Signals zu hoch, dann wurde ein Sinuswellen-Signal (oder die Musik) einfach oben und unten verzerrt oder gar ganz gekappt.

Und unterhalb von 0,7 Volt, also für unsere kleinsten Audio-Signale vom Plattenspieler oder vom Mikrofon zum Beispiel, funktionierte der Transistor erstmal überhaupt nicht. Es gab da eine sogenannte Sperrspannung und ein Darstellungs- Diagramm für den zulässigen bzw. überhaupt möglichen "Arbeitsbereich", die sogenannte "Kennlinie". Um all diese Hürden oder Schwächen mußten die Ingenieure ihre Technik (das sind die Elektronik-Schaltungen) drum herum entwickeln.
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Vom anfänglichen Germanium zum Silizium

Mit zunehmender Forschung dieser Halbleitereffekte probierte man verschiedene Substanzen aus, wie die reagieren und blieb beim Silizium hängen. Ein Teil der Probleme war weg, insbesondere die sehr hinderliche Temperaturabhängigkeit der Germanuim Transistoren.
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Und jetzt wurde experimentiert und optimiert. Es gab da nämlich eine Transistor- Kennlinie, die man beachten mußte. So konnte man mit diversen Tricks Audio-Verstärker bauen, die auch kleinste Spannungen sauber verstärken, obwohl das ja eigentlich nicht gehen könnte. Und man konnte erstaunlich hohe Ströme steuern, mit denen man auch große Lautsprecher versorgen konnte.

Die entwickelten Transistoren wurden nach der angelaufenen Produktion (in sehr großen Stückzahlen) dann entweder im Werk oder beim Kunden selektiert, in die verschiedenen Verstärkungsstufen und das im Transistor erzeugte Halbleiterrauschen einsortiert. Das waren wichtige Kriterien.
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Die Gegenkopplung in Verstärkerstufen

Sehr ähnlich wie bei der Röhre verstärken Transistoren die höheren Frequenzen immer weniger (schlechter) bis zu einer bestimmten Grenzfrequenz. Das kann man bei Audio-Verstärkern nicht gebrauchen und darum koppelt man mehrere Transistoren zu einer sogenannten "Verstärkerstufe" mit einer sehr hohen "Leerlaufverstärkung" und bremst dann die effektive Verstärkung mit einer invertierten Signalrückführung an den Eingang der Stufe. So erreicht man eine lineare Stufen-Verstärkung mit einem engen Toleranzbereich - zum Beispiel im Bereich von 20 bis 20.000 Hz von ±0,5dB.

Damit diese Verstärkerstufe keine Temperaturabhängigkeit besitzt, wird hier und da noch etwas kompensiert mit weiteren Transistoren, die Übersteuerung des Eingangs wird abgeblockt und ein Kurzschluß am Ausgang führt zur Abschaltung der Verstärkung bzw. des ganzen Verstärkers, auch wieder mit ein paar mehr Transistoren.

Auf einmal sind es 10 oder 15 Transistoren, die diesen "Job" machen sollen.
Bei zunehmendem Konkurrenz- und damit zunehmendem Preis-Druck mußte man sich etwas einfallen lassen und das waren die sogenannten integrierten Schaltungen ("IC" steht für "integrated circuit"). Die Halbleiterfirmen, die damals wie Pilze aus dem Boden schossen, kombinierten "eine Handvoll" Transistoren in nur noch ein einziges kleines Plastik-Gehäuse - zum Beispiel mit 8 Anschlüssen (Beinchen) und publizierten die technischen Daten dieses "Operations-Verstärkers". Auch hier konnte man wieder nach Rauschen und Strombelastbarkeit selektieren und es wurden Typen unterschiedlicher Qualitäten angeboten.
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Viele unterschiedliche Operations-Verstärker

Solch ein Operationsverstärker hat also eine Rauschzahl und eine Leerlaufverstärkung und eine Grenzfrequenz und einen Strombedarf usw. usw. Der Laboringenieur einer Verstärker- "schmiede" kann sich aus einer riesen Anzahl verschiedenster Hersteller und Typen seine OP-Amps aussuchen.

Die technischen Daten der Datenblätter muß er erstmal glauben. Da fing das mit dem Image und dem Vertrauen in die Hersteller wie Motorola und Fairchild und Texas Instruments usw. an. Die zählten zu den seriösen Firmen. Als später die fernöstlichen Hersteller - insbesondere die aus PRC (= Volksrepublik China)- den Markt überfluteten, mußten die Kollegen im Wareneingang von nun an alles selbst akribisch prüfen.

Ganz am Anfang stand es nicht gut mit diesen Rauschzahlen. Die OP-Amps für extrem niederpeglige und empfindliche Phono-Eingänge und Mikrofon-Verstärker rauschten zu viel, sodaß die Ingenieure doch lieber auf eigene diskrete Verstärkerstufen vertrauten.
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der Revox B251 Vollverstärker (1983)
diskret aufgebauter OP-Verstärker
integrierter OP-Verstärker

Gleich beim ersten Blick auf den großen Revox- Schaltplan fällt auf, in den Eingängen sind jede Menge an Transistoren eingesetzt, in den Klangregelstufen und in den Leitungs- und Ausgangsverstärkern dominieren die integrierten Operationsverstärker (Op-Amps) als IC-Versionen.

Der Entwickler hatte sich 1982 ganz bestimmt etwas dabei gedacht. Er brauchte eine recht hohe Übersteuerungsfestigkeit und ein extrem niedriges Rauschen bei niedrigsten Eingangssignalen. Er hatte und hat ja so gut wie keinen Einfluß darauf, welche Programm-Quellen der Endkunde in seiner Hifi-Anlage verwendet. Das Revox Bandgerät A77 zum Beispiel liefert gut und gerne 1,5 Volt Signalspannung, der Grundig Tuner dagegen liefert aber nur 300 Millivolt Ausgangspegel.

Das B251 Service-Manual spricht von den diskret aufgebauten Operations- verstärkern an den Eingängen (die sind also vom Entwickler selbst gestaltet) und den integrierten Operationsverstärkern an den Ausgängen.

Das war alles am Anfang der 1980er Jahre und hat sich inzwischen erheblich verbessert. Die aktuellen analogen OP-Amps "verdauen" einen wesentlich größeren Eingangsspannungs- Schwankungsbereich des Eingangssignals, sie regeln das intern verlustfrei und verzerrungsarm aus.
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Wo lagen und liegen die Vorteile der Operationsverstärker ?

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Hinter diesen 8 "Beinchen" dieses "OP-Amp's" verbergen sich 24 Transistoren. Schaun Sie mal auf das Schaltbild. Sie müssen es auch nicht verstehen. Aleine die Komplexität soll damit veranschaulicht werden.

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So sieht der Halbleiter/Elektronik-Ingenieur das Innenleben eines OP-Amps


Mit Hilfe solcher analogen integrierten Bausteine ließen und lassen sich analoge Verstärker-Stufen sehr einfach, preiswert und ganz gezielt aufbauen. In den (integrierten) Packungen (Gehäusen) sind jede Menge an Transistoren integriert, die fast alle auftretenden bzw. möglichen Schwierigkeiten mit einzelnen Transistoren kompensieren.


Wichtiger ist jedoch, daß man den gewünschten oder benötigten Verstärkungsfaktor dieser einen Verstärkerstufe problemlos mit nur 2 Widerständen sehr genau und unabänderlich bestimmen kann. In dem Beispiel des Revox Verstärkers B251 hier oben drüber sieht man ganz deutlich den erheblichen Aufwand, die Funktionen eines OP-Amps mit Einzelbauteilen / Transistoren nachzubilden.
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