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Grundlagen der HiFi-Technik XIII (13) - Verstärker

Zum Verständnis ist es wichtig, das hier ist der Wissensstand von 1984 bis 1988. Die Verstärker-Technik hat danach noch mehrere große Sprünge hingelegt. Der Inhalt des Kompendiums steht hier.

Diese Artikel erschienen einzeln als innen eingeheftete Beilage in fast jeder Ausgabe der stereoplay ab 1984 (die blauen Seiten). Nach dem 56. Artikel gab es 1988 ein Kompendium als Sonderausgabe, in dem alle Artikel komplett enthalten waren.

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Wie Transistoren Wechselspannung verstärken

Die Eintakt-A-Schaltung, der Emitterfolger (Bild 1), bei der die Ausgangsspannung der Eingangsspannung folgt (Folge 6/1984), verstärkt (nur) den Strom. Der Wert der Ausgangswechselspannung ist jedoch gleich dem der Eingangsspannung.

Zum Verstärken von Spannungen benutzen die Entwickler eine andere Grundschaltung. Der Transistor besitzt hierbei nicht nur im Emitterkreis einen Widerstand, sondern auch im Kollektorkreis (Bild 2).

Ist am Basisanschluß eine Wechselspannung Ue vorhanden, dann steht die gleiche Spannung - um 0,6 Volt verschoben - auch am Emitterwiderstand Re an:
U = U

Das funktioniert genauso wie beim Emitterfolger auch. Der Emitterstrom Ie und der Kollektorstrom Ic unterscheiden sich nur geringfügig:
I. = Ic + "b

Da Ic wegen der hohen Stromverstärkung des Transistors sehr viel größer ist als Ib, kann man Ib vernachlässigen:

Fließt über den Emitterwiderstand der Wechselstrom

dann muß er auch durch den Kollektorwiderstand Rc fließen. Dort entsteht dann die Wechselspannung
urc = ic Rc

Weil ic dem Emitterstrom ie entspricht, kann man auch schreiben:

Die Wechselspannung ure ist aber gleich der Eingangsspannung ue:
U = -i- R rc Re c

Die Verstärkung V einer Schaltung ist definiert als Quotient aus Ausgangsspannung und Eingangsspannung. Im Fall des Transistorverstärkers also:

Festlegung der Verstärkung dieser einen Stufe

Durch Wahl des Verhältnisses von Re zu Rc kann der Entwickler somit die Verstärkung der Transistorstufe festlegen.

Vom Bezugspunkt (Masse) aus betrachtet, tritt zwischen Eingang und Ausgang der Schaltung nicht nur ein Verstärkungseffekt auf, sondern auch eine Phasenumkehr.

Die Summe aus Urc und Ua muß immer gleich der Batteriespannung Ubatt sein. Vergrößert sich die Spannung Urc, dann verringert sich daher der Wert von Ua. Wird Urc kleiner, steigt Ua um denselben Betrag an. Die Ausgangsspannung Ua der Verstärkerschaltung ist daher bezüglich der Phasenlage invers zur Eingangsspannung. Daher lautet die Verstärkungsformel ganz korrekt:

Warum Koppelkondensatoren ?

Sowohl beim Emitterfolger als auch beim einstufigen Transistorverstärker besteht zwischen Ausgang und Eingang ein Unterschied in der dem Wechselspannungssignal überlagerten Gleichspannung. Um diesen Potentialunterschied zu eliminieren, müssen bei beiden Schaltungen Koppelkondensatoren dafür sorgen, daß die unerwünschte Gleichspannung von der Signalwechsel-spannung getrennt wird.

Die Kondensatoren Ct, C2 bilden zusammen mit den Eingangswiderständen und dem Lastwiderstand Hochpässe (vergleiche Folge 3). Um auch noch sehr tiefe Frequenzen passieren zu lassen, müssen die Koppelkondensatoren große Kapazitätswerte aufweisen.

Frequenzabhängige Phasenverschiebungen lassen sich allerdings in den meisten Fällen trotzdem nicht ganz vermeiden. Je nach Qualität der verwendeten Kondensatoren können sogar nichtlineare Verzerrungen (Klirr, IM) auftreten.

Die ganzen Formeln werden noch eingepflegt . . .

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Wie Differenzverstärker funktionieren

Eine in der HiFi-Technik sehr verbreitete Schaltung, die Wechsel- und Gleichspannung gleichermaßen verstärkt, ist der Differenzverstärker (siehe Bild 4).

Die Grundschaltung eines solchen Verstärkers enthält drei Transistoren: T1? T2, T3. Im Ruhezustand (\J{ = U2) ist die Differenz dU gleich Null. Die Kollektorströme Icl und Ic2 sind gleich. Sie fließen, um die jeweiligen Basisströme geringfügig vergrößert, als Emitterstrom Ie durch den gemeinsamen Emitterwiderstand Re.

Die Spannung am Widerstand Rc (infolge Icl) steuert den PNP-Transistor T3; dessen Kollektorstrom Ia erzeugt am Widerstand Ra die Spannung Ura. Bei entsprechender Dimensionierung von Rc und Ra ist Ura gerade so groß, daß sie die negative Betriebsspannung U_ kompensiert und die Ausgangsspannung Ua genau 0 Volt beträgt.

Vergrößert sich U1, dann entsteht bei konstanter Spannung U2 eine positive Differenzspannung dU. Die Basis-Emitterspannung von Tt ist größer als diejenige von T2. Daher steigt Ic1 an, und Ic2 sinkt um denselben Betrag. Die gestiegene Spannung an Rc steuert T3 weiter auf. Ia vergrößert sich, und die Ausgangsspannung Ua wird positiv. Entsprechendes gilt im umgedrehten Fall - U2 größer als U1.

Weil der Effekt der Differenzverstärkung sowohl bei Gleichspannung als auch bei Wechselspannung funktioniert, kommen nach diesem Prinzip arbeitende Verstärker ohne Koppelkondensatoren aus. Zwischen Eingang und Ausgang der Schaltung gibt es keinen Gleichspannungssprung, es sei denn, die Eingangswechselspannung enthält noch einen Gleichspannungsanteil. Den verstärkt der Differenzverstärker natürlich mit.

Operationsverstärker - die Universalbauteile

Differenzverstärker gibt es auf dem Bauteilemarkt als integrierte Schaltungen. Sie enthalten neben dem eigentlichen Verstärker noch Hilfsschaltungen, die dafür sorgen, daß der Verstärker bei Kurzschluß am Ausgang nicht zerstört wird und daß zu hohe Eingangsspannungen dem Verstärker nicht schaden.

Nach außen hin entspricht die Funktionsweise dieser ICs genau der eben beschriebenen Differenzverstärkerschaltung. Wird die Spannung am einen Eingang positiv gegen die des anderen, dann wird auch die Ausgangsspannung positiv. Techniker sprechen daher vom nichtinvertierenden Eingang, der andere ist dann der invertierende Eingang.

Ein einfaches Symbol = ein Dreieck

Um nicht immer das komplizierte Innenleben eines Differenzverstärkers in Schaltplänen zeichnen zu müssen, haben sich die Elektroniker ein einfaches Symbol dafür einfallen lassen (s. Bild 5).

Das Dreieck soll die Verstärkerwirkung symbolisieren. Der invertierende Eingang ist mit dem Minuszeichen, der nichtinvertierende mit dem Pluszeichen markiert.

Für die von diesem Symbol repräsentierte Gruppe von Bauelementen hat sich der Name Operationsverstärker eingebürgert (englisch: operational amplifier, oder kurz : op-amp). Die Bezeichnung rührt daher, daß derartige Schaltungen in Analogrechnern dazu benutzt werden, mathematische Operationen mit Spannungen durchzuführen.

op-amps sind sehr einfach zu handhaben

Integrierte Operationsverstärker lassen sich trotz der Komplexität ihres Innenlebens wie einfache Bauteile handhaben. Daher greifen viele HiFi-Entwickler auf sie zurück, wenn es gilt, Verstärkungsaufgaben mit wenig
Aufwand zu lösen. Manche High-End-Tüftler trauen allerdings den Halbleiterherstellern nicht über den Weg und bauen ihre Operationsverstärker nach alter Väter Sitte diskret (aus Einzelbauteilen) auf. Den Vorteil sehen sie darin, daß sie den Klang durch gezielte Schaltungsänderungen optimieren können. Änderungen an der Innenschaltung integrierter op-amps sind dagegen unmöglich.

Wie op-amps Signale verstärken

Die Differenzverstärkung V0 eines Operationsverstärkers errechnet sich aus dem Verhältnis von Ausgangsspannung zur Eingangsdifferenzspannung:
oder: U0 = V0 dU

Leerlaufverstärkungsfaktoren bis über 1 Million

Der Verstärkungsfaktor V0 liegt bei integrierten op-amps in der Größenordnung 100.000 bis weit über 1.000.000. Für den Einsatz in HiFi-Verstärkern sind Faktoren zwischen 10 und 100 notwendig. Daher reduzieren Schaltungstechniker die Verstärkung der op-amps durch Gegenkopplung.

Der nichtinvertierende Operationsverstärker erhält das Eingangssignal am nichtin-vertierenden Eingang. Die Gegenkopplung erfolgt vom Ausgang her über einen Spannungsteiler zum invertierenden Eingang.

Eine flexible Schaltungstechnik

Durch richtige Wahl der Widerstandswerte läßt sich jeder Verstärkungsfaktor einstellen.

Weil beim nichtinvertierenden op amp die Eingangsspannung am hochohmigen Basisanschluß des Eingangstransistors liegt, wird die Signalquelle kaum belastet. Daher eignet sich diese Schaltung gut für hochohmige Verstärkereingänge.

Wie Verstärker die Lautsprecherkabel austricksen

Heutige HiFi-Verstärker sind von Hause aus verzerrungsarm, weisen linealglatte Frequenzgänge auf und bieten astronomisch hohe Dämpfungsfaktoren. Schade nur, daß viele Lautsprecher davon nichts sehen, weil das zwischen Verstärker und Lautsprecher liegende Kabel optimalen Klang verhindern kann. Auch bezüglich Widerstand und Induktivität sehr gute Kabel können bei entsprechender Länge manchmal zu klanglichen Einbußen führen.

Da gäbe es einen Trick

„Wieso muß eigentlich die Gegenkopplung am Verstärkerausgang enden?" fragten sich findige Ingenieure angesichts der Kabelprobleme.

„Muß sie ja gar nicht", war die Antwort, und schon stand der Grundgedanke des Verstärkers mit sense-Anschluß (englisch: fühlen) fest (siehe Bild 7).

Über eine separate Leitung ist die Gegenkopplung (im Bild der invertierende Eingang) direkt mit den Lautsprechereingangsklemmen verbunden. Der Laststrom Ij fließt vom Hauptausgang des Verstärkers über ein gewöhnliches (dickes) Lautsprecherkabel zur Box.

Infolge des Kabelwiderstandes und der Induktivität entstehen Verluste. Weil jedoch der Gegenkopplungswiderstand über die (dünne) sense-Leitung seine Spannung direkt am Lautsprecher abgreift, kann der Verstärker die Verluste durch entsprechend höhere Ausgangsspannung einfach kompensieren.

Wie Phonoentzerrer Frequenzgänge gerade biegen

Die Spannung, die der Schneidstichel bei der Schallplattenherstellung erhält, entspricht im Frequenzgang nicht mehr der Spannung, die das Aufnahmemikro ursprünglich abgegeben hat. Die Bässe sind stark abgesenkt, damit die Spielzeit nicht unter zu großen Baßamplituden (und der dadurch nötigen hohen Rillensteigung bzw. Auslenkung) leidet.

Im Hochtonbereich treten nur sehr kleine Amplituden auf, wodurch die Gefahr besteht, daß das Signal im Rillenrauschen untergeht. Daher hebt der Schneideverstärker den Hochtonbereich an.

Der Trick - die frequenzabhängige Gegenkopplung

Spielt ein Tonabnehmer die so vorverzerrten Signale der Schallplatte ab, dann muß der Phonoverstärker für korrekte Entzerrung sorgen. Sein Frequenzgang muß daher spiegelbildlich zur dieer sogenannten Schneidkennlinie verlaufen. Verstärkerentwickler erzielen solche „krummen" Frequenzgänge durch frequenzabhängige Gegenkopplung des Verstärkers.

Die Verstärkung des in Bild 8 gezeichneten invertierenden Verstärkers ist

Der Widerstand R2 besteht bei der Entzerrerschaltung für diese Kennlinie aus einer Kombination von Einzelwiderständen und Kondensatoren. Im Baßbereich, bei dem die Absenkung beim Schneiden durch hohe Verstärkung wettgemacht werden muß, sind die Kondensatorimpedanzen hochohmig. Die Reihenschaltung aus R2a und R2b bestimmt mit ihrem hohen Gesamtwiderstand die Verstärkung.

Mit steigender Frequenz nimmt die Impedanz von C2a allmählich ab (oberhalb 50 Hertz), und die Gesamtverstärkung der Schaltung sinkt.

C2b besitzt weniger Kapazität als C2a und bleibt hochimpedant. Ab 500 Hertz ist C2a so niederimpedant geworden, daß sein Scheinwiderstand gegen den Widerstand von R2b vernachlässigbar klein ist. R2a kann man sich daher als kurzgeschlossen denken, und R2b bestimmt alleine die Verstärkung.

Für Frequenzen über 2100 Hertz wird C2b allmählich niederimpedant und senkt die Verstärkung des Entzerrers erneut ab. Auf diese Art entsteht die Entzerrerkennlinie.

Besondere Bedeutung für die Genauigkeit der Entzerrung hat die Bauteiletoleranz. Daher kommen in hochwertigen Phonostufen nur engtolerierte oder gar nach Kapazität selektierte Kondensatoren zum Einsatz. Wichtig ist auch eine möglichst geringe Temperaturdrift der Kondensatoren, sonst verändert der Verstärker während der Anwärmphase seinen Klang.

Günther Mania

(Anmerkung: Es fehlt noch jeder Kommentar über die Alterung von Kondensatoren und deren Einfluß aus so gut wie alles.)
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In der nächsten Folge:
Die wichtigsten Begriffe aus der Meßtechnik - Klirr, IM, Differenzverzerrungen, Fremdspannung, Geräuschspannungsab-stand - und ihre Hörbarkeit.

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