Dr Sound Verstärker - stark, stärker, verstärkt: Ein Audiosignal wird, bis es über den Lautsprecher unser Ohr erreicht, auf seinem Weg von verschiedensten Umformungen bestimmt. Diese beginnen am Eingang des Hi-Fi-Gerätes und enden vor dessen Ausgang. Was geschieht dort alles?

Die Verstärkerschaltung ist ein tragendes Element der Nachrichtentechnik und damit auch der Audio-HiFi-Branche. In diesem Artikel werden wir Ihnen einiges zu diesen Schaltungen und Anwendungen darstellen. Dabei erheben wir keinen Anspruch auf Vollständigkeit, es bleibt im Rahmen eines Überblickes. Erläutert werden die Begriffe, die in unseren Gerätetests verwandt werden, eine Erklärung des eigentlich physikalischen Prozesses würde hier den Rahmen sprengen.

Zu den ersten breitenwirksam genutzten Verstärkerelementen zählt die Elektronenröhre. Ihre technischen Eigenschaften sind bis heute, wenn sie mit dem adäquaten Schaltungsaufwand betrieben wird, hervorragend. Ihre Ablösung übernahm der Transistor, der energie- und schaltungs­effizienter eingesetzt werden konnte. Seine Bauformen wurden immer weiter entwickelt und so kann man bis heute auf verschiedene, für spezielle Anwendungen besonders geeignete Typen zurückgreifen, zu denen eine Reihe von sogenannten Feldeffekttransistoren (FET) zählen. Große komplexe Schaltungen erfordern aufgrund der Gehäusebauformen der Transistoren mehr Platz. Genauso wie es mit der Röhre war, die mehr Platz einnahm als eine Handvoll Transistoren, übernahmen später die integrierten Schaltungen (IC-Integrated Circuit) in Form von kleinen schwarzen Kunststoffblöcken, die mit vielen kleinen, silbernen Beinchen ausgestattet sind, die Herrschaft auf den Platinen.

Verschiede­ne Röhren, Transistoren, FETs und OPVs im Größenvergleich

Wir beschränken uns hier auf die Operationsverstärker (OPV), die auf weniger als einem Quadratzentimeter viele Miniaturtransistoren und weitere Bauteile zu einer fertig einsetzbaren Schaltung vereinen. Sie sind die logische Konsequenz aus den gesteigerten Anforderungen an die Effizienz gepaart mit geringerem Platzbedarf bei höherer Schaltungsdichte und Energieverbrauchsoptimierung. Ganz nebenbei verhindern die kurzen Schaltungswege im OPV Anfälligkeiten für Störungen von außen. Es gibt auch OPVs, die weiterhin ohne IC auskommen und ebenfalls in einem kleinen Gehäuse untergebracht sind. Sie sind zum Teil schon mit den neuesten Generationen von Transistoren und anderen Bauteilen den Small Surface Devices (SMD)* ausgestattet. Auch diese SMD-Bauteile ermöglichen gegenüber ihren Vorgängern wiederum eine erhöhte Packungsdichte im Schaltungsdesign, und das bei geringe­ren Verlustleis­tungen. Sie stehen den typischen Kleinsignaltransistoren in nichts nach.

Es ist leider eine typische Angewohnheit der Menschheit, Dinge abzulehnen, die neu sind und anders aussehen als die, die sich im bisherigen Bewusstsein eingeprägt haben. Viele Hi-Fi-Freunde vertrauen bis heute den Transistoren nicht und klammern sich an die Röhre wie an die letzte Rettungsboje. Der gleiche Argwohn wird den SMDs entgegengebracht. Alles zu Unrecht, denn es kommt immer darauf an, wie die Bauteile eingesetzt werden. Viele HiFi-Geräte wuchern nach außen mit ihren glimmenden Kolben, sind in Wirklichkeit jedoch nur Pseudo-Hybriden. Sie haben mit einem reinen Röhrengerät meist nur wenige Bauteile gemein und klingen zudem deutlich verfärbter. Meist bieten sie nicht die notwendige Anodenspannung, um die Röhre in einem linearen Arbeitsbereich zu betreiben, in der sie so sauber arbeitet, dass sie keinen Eigenklang entwickelt. Wenn ein reines Röhrengerät eine eigene Soundästhetik aufweist, liegt das auch an den Ein- und Ausgangsüber­tragern (Trafos, die Signalleis­tungen umwandeln, siehe Dr. Sound 1/2012, S. 34), einen weiteren Anteil daran tragen die Auskoppelkondensatoren.

Bestimmung der Verstärkung

Egal von welcher Schaltung wir hier ausgehen, an ihnen können verschiedene Parameter bestimmt werden. Für alle veränderlichen Verstärkerschaltungen kann das Verhältnis der Verstärkung in dB (Dezibel)* bestimmt werden. Meist wird dies mit dem englischen Begriff Gain gekennzeichnet. Im Hi-Fi-Bereich bieten viele Geräte wie Vorverstärker (Preamps) oder Vollverstärker diese Möglichkeit, während z. B. Monoblockend­stufen dies bis auf wenige Ausnahmen nicht anbieten. Auch bei Phonovorstufen gibt es Modelle, die mit oder ohne veränderlicher Verstärkung arbeiten können. Ohne die Möglichkeit einer Veränderung ist der Verstärkungsfaktor voreingestellt. Die Bandbreite gibt an, in welchem Übertragungsbereich der Verstärker eine möglichst lineare Signalanhebung durchführt. Ein weiterer wichtiger Begriff ist die Slew-Rate. Sie steht für die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangs eines Verstärkers und wird in Volt pro Mikro­sekunde (V/µs) angegeben. Damit wird angezeigt, wie schnell der Ausgang eines Verstärkers seine Spannung ändern kann. Dadurch wird auch bestimmt, welche größtmögliche Frequenz mit welcher maximalen Amplitude ausgegeben werden kann.

Die Grafik zeigt, mit welchem Verstärkungsverhältnis (Gain) und über welche Bandbreite ein Verstärker arbeitet

Spannungsverstärkung

Die Spannungsverstärkung wird überall dort eingesetzt, wo es notwendig ist, ein Audio­signal mit einer geringen Signalspannung auf ein Spannungsniveau zu verstärken, das gegenüber Störungen von außen weniger anfällig ist. Zudem bietet es nachgeschalteten Baugruppen eine bessere Voraussetzung zur Signalweiterverarbeitung. Das wird deutlich, wenn man sich einmal vor Augen hält, wie klein die Signalspannungen im Audiobereich sind. Audiosignale aus dem Bereich des Mikrovolts (µV) oder des Millivolts (mV) können nach mehrfacher Verstärkung am Ausgang eines Leistungsverstärkers bis zu 50 Volt (V) und mehr erreichen. Es wird deutlich, das dies nur über verschiedene Stationen der Verstärkung geschehen kann. In dem Zusammenhang fällt auch gern die Begrifflichkeit des Verstärkungsfaktors. So erfolgt eine Verdoppelung einer Signalspannung bei einem Verstärkungsfaktor von 2, d. h. sie ändert ihren Betrag von z. B. 1 V auf 2 V, was in diesem Fall einer Pegelanhebung von 6 dB entspricht. Ein veränderlicher Widerstand, so wie ihn häufig ein Lautstärkeregler darstellt, wird dazu eingesetzt, um den Verstärkungsfaktor von außen zu verändern. Dabei ist eine Signalanhebung von 60 dB, was einem Verstärkungsfaktor von 1 000 entspricht, keine Seltenheit.

Der Standard-OPV NE5532 als Spannungsverstärker und ein Streichholz als Größenvergleich

Keine Spannungsverstärkung

Es gibt viele Anwendungsfälle, in denen es nicht notwendig oder erwünscht ist, den Signalpegel anzuheben, also keine Spannungsverstärkung vorzunehmen. Dies wird mit Impedanzwandlern oder Pufferverstärkern erreicht. Im Allgemeinen handelt es sich dabei um die bereits beschriebenen Verstärkerschaltungen, mit dem Unterschied, dass sie den fest eingestellten Verstärkungsfaktor von 1 aufweisen und damit dem Signal eine Anhebung von 0 dB zufügen. Ihr Eingang ist selbst sehr empfindlich (hochohmig), ihr Ausgang dagegen bietet ein sehr robustes Signal an (niederohmig). Diese Schaltung birgt den Vorteil, eine rückwirkungsfreie Entkoppelung zum Ursprungssignal bereitzustellen und nachfolgenden Audioschaltungen wie Klangregelungen oder angeschlossenen Geräten eine sogenannte niederohmige Quelle zur Verfügung zu stellen. Sie stellen aber keine galvanische Trennung her, das kann nur ein Übertrager. Niederohmig steht hier stellvertretend für die Fähigkeit, bei gleichbleibender Spannung einen hohen Stromfluss „aus der Quelle“ gewährleisten zu können. In dem Zusammenhang fällt auch die Begrifflichkeit Stromverstärkung/Anpassung.

 

Neueste SMD-Technik bieten OPVs – hier als Impedanzwandler mit kleinsten Abmessungen

Es wird also mehr elektrische Energie bei gleicher Spannung zur Verfügung gestellt. Wichtig ist diese Anpassung, um Nachfolgeschaltungen ohne zusätzliche Spannungsverstärkung zu betreiben, also auch keinen weiteren hochohmigen Eingang, der anfällig für Rauschen etc. ist. Diesbezüglich kommt häufig der Begriff Leistungsanpassung vor, da der Ausgangswiderstand gleich dem Eingangswiderstand ist. Als Anmerkung: An einem hoch­ohmigen Ausgang wäre dagegen schnell mit einem sich über längere Leitungsstrecken abschwächenden Signal zu rechnen, welches dann erst wieder verstärkt werden müsste – mit Konsequenzen. Deshalb werden niederohmige Ausgänge an HiFi-Geräten favorisiert. Ausnahmen bilden einige Abtastsysteme für Schallplatten.

An den Ein- und Ausgängen

Symmetrier-, Desymmetrier-, Differenzverstärker – das sind Fachbegriffe, die häufig in Verbindung mit den Ein- und Ausgängen an Geräten in Verbindung gebracht werden. Auch sie basieren auf den bisher besprochenen Verstärkern, sie existieren meist in Form der Impedanzwandlung oder mit einem fest eingestellten Verstärkungsfaktor bzw. dem Gegenteil davon: dem Dämpfungsfaktor. Sehr oft bedient man sich der praktischen Möglichkeiten, die OPVs bieten, um Symmetrier- und Differenzverstärker aufzubauen. Der Symmetrierverstärker erzeugt aus einem unsymmetrischen Signal das symmetrische Signal für die Audioübertragung. Am Geräteeingang übernimmt der Desymmetrierverstärker das ankommende Signal wieder und erzeugt unter der Auslöschung der eventuell induzierten Störanteile ein unsymmetrisches Quellsignal. Manche Geräte nutzen aber intern die symmetrische Signalführung weiter.

Im Hi-Fi-Bereich fast ausgestorben: die Übertrager. Es gibt sie in sehr vielen Bauformen

Das Prinzip ist sehr gut geeignet, um die induzierten Störungen auf langen Leitungen auszulöschen und Brummschleifen zu verhindern. Es gibt daneben auch die symmetrische Übertragung mit Trafos, auch Übertrager genannt (siehe Dr. Sound 1/2012, S. 34), die gleichzeitig eine galvanische Trennung der Geräte bereitstellen. Das erfordert besonders sauber produzierte und magnetisch abgeschirmte Trafos. Viele sprechen ihnen Vorteile zu, aber nur der Rundfunk ist verpflichtet, sie zu benutzen. Kritiker meiden die symmetrische Übertragung aufgrund der teilweise mangelhaft ausgeführten Gleichtaktunterdrückung, im englischen Common Mode Rejection Ratio (CMRR), und der zusätzlichen Verstärkungsstufen im Signalweg. Die CMRR zeigt an, wie gut Störungen auf der Signalleitung an einem symmetrischen Eingang unterdrückt werden. Da OPVs und diskrete Schaltungen auch intern minimale Abweichungen besitzen, kann die Unterdrückung von Störungen nicht unendlich groß sein.

Verstärkergegenkopplung

Eine Gegenkopplung wirkt sich nicht grundsätzlich negativ auf den Klang aus. Sie dient der Linearisierung des Verstärkungsverhaltens durch Verminderung der Verzerrungsanteile. Auch Bauteiltoleranzen werden dadurch ebenfalls besser ausgeglichen. Im Prinzip wird ein Teil des Ausgangssignals eines Verstärkers auf dessen Eingang wieder zurückgeführt. Diese Rückantwort-Gegenkopplung, im englischen Feedback genannt, zeigt dem Verstärker an, ob er noch ideal arbeitet. Dabei hilft eine mehr oder minder aufwendige Regelkreisschaltung. In komplexen Verstärkerschaltungen können an vielen einzelnen Stationen des Audiosignals Gegenkopplungen auftreten. Wenn in einer Verstärkerschaltung mehrere Gegenkopplungszweige vorliegen, nennt man dies eine verteilte Gegenkopplung. Dieser Regelschritt bringt aber immer eine Verringerung der Verstärkungsleistung mit sich. Bei Röhrenverstärkern bedingt eine stärkere Gegenkopplung auch stets einen Mehraufwand an Röhren, denn die eigentliche Verstärkungsleistung dieser ist geringer. Weil man aber den Ausgangsübertrager nicht so einfach mit einbeziehen kann, kommt bei Röhrenschaltungen häufiger eine sehr geringe Gegenkopplung zur Anwendung.

Zu den bekannten Problemen der Gegenkopplung zählen die extrem schnell und kurzzeitig auftretenden „Überschwinger“ im Einschwingverhalten am Ausgang des Verstärkers. Schließlich bedarf es etwas Zeit, bis der gegengekoppelte Verstärker auf einen sehr steilflankigen Impuls an seinem Eingang reagieren kann. Hier spielt es eine Rolle, wie schnell das Gegenkopplungs­signal vom Ausgang des Verstärkers wieder an dessen Eingang zurückgeführt werden kann, damit dieser Impuls den Ausgang nicht zum Überschwingen bringt. Hier ist es wichtig, die obere Grenzfrequenz und damit die Bandbreite des Verstärkers sehr weit zu halten, was aber immer im Wechselspiel mit der Dämpfung gegen eine Selbsterregung zum Schwingen steht. Es wird heiß diskutiert, aber die „Über-alles-Gegenkopplung“, die gern als Lösung jeglicher Verstärkerprobleme angeführt wird, kann die kurzzeitigen Impulsübersteuerungen nicht beheben, weil sie zu langsam reagiert. Die daraus resultierenden Verzerrungen hoher Frequenzanteile im Audiosignal sind als solche nicht hörbar, können aber durch Intermodulationen tieffrequentere Audiosignale beeinflussen.

Leistungsverstärkung

Die Leistungsverstärkung ist eine Schaltungsart, die vorrangig darauf ausgelegt ist, die Stromaufnahme angeschlossener Lasten zu befriedigen. Sie muss also in erster Linie eine hohe Stromverstärkung aufweisen und ist somit der letzte Schaltungsabschnitt z. B. in einem HiFi-Vollverstärker oder einer Endstufe, um den Lautsprecher anzutreiben. Der Vollständigkeit halber sei hier erwähnt, dass es in den eben genannten Geräten noch eine sogenannte Treiberstufe vor der eigentlichen Ausgangsschaltung gibt, die die Aufgabe einer leichteren Spannungsverstärkung übernimmt. Im Allgemeinen sind dies reine Stromverstärker, wie die schon weiter oben beschriebenen Impedanzwandler, die auch für Kleinsignale eingesetzt werden. Im weiteren Sinne sprechen wir jetzt von der Endstufenschaltung, die auch Leistungsverstärker genannt wird, weil sie immer Spannung und Strom gleichzeitig steigern kann und das Produkt daraus eine elektrische Leistung darstellt (P ist gleich U mal I).

Die Kennlinien von Transistor und Röhre zeigen an, in welchem Bereich sie linear arbeiten

Class A

Klassisch gesehen ist Class A eine „Eintaktschaltung“, in der ein Leistungstransistor oder eine Leistungsröhre die Verstärkung zum Antrieb des Lautsprechers oder Kopfhörers übernimmt. Es gehört hier zum besonderen Aufwand, sicherzustellen, dass im Bereich der linearen Kennlinie gearbeitet wird, sonst steigen die Verzerrungen. Die Leistungsausbeute ist begrenzt auf die Fähigkeiten des verstärkenden Bauteils und beim Transistor durch die hohe Basisvorspannung und die damit einhergehende hohe Ruhestromregelung. Diese erzeugt eine hohe Verlustleistung, weil der Transistor schon in einer hohen Grundverstärkung arbeitet. Damit liegt er aber im Bereich seiner linearen Kennlinie und das Ergebnis klingt besser. Andererseits lässt dies weniger Spielraum, um noch mehr „Verstärkung“ zuzulassen, deshalb ist die Leistungsausbeute geringer.

Die Emitterschaltung ist ein Ausgangspunkt für Class-A-Verstärkerstufenansätze

Class AB

Diese Schaltungsart ist die bekannteste Gegentaktschaltung, weil hier zwei Leistungstransistoren oder Leistungsröhren jeweils einmal die positive und die negative Halbwelle des Audiosignals verstärken. Sie ist die verbesserte Variante der Class-B-Schaltung, die aufgrund von Verzerrungen im Nulldurchgangsbereich am Übergang der beiden Halbwellen eigentlich kaum noch eine Bedeutung im Audiobereich hat. Bei Class AB bekommen im Unterschied zu Class B die Endstufentransistoren an ihrer Basis eine Vorspannung gegenüber dem Eingangssignal zugeführt. Dies ist die häufigste Endstufenlösung in HiFi-Verstärkern. Sie ist gegenüber Class A weitaus leistungseffizienter, aber nicht gänzlich von Verzerrungen befreit. Eine Verbesserung bilden eigene Stromquellen über Leuchtdioden (LED) für die Basis der Transistoren sowie die Erhöhung des Ruhestroms. Das dadurch bessere Verhalten bei den harmonischen Verzerrungen fordert zwar etwas mehr Verlustleistung, die aber noch weit hinter Class A liegt.

Links: Eine typische Class-AB-Schaltung, die das Audiosignal als positive und negative Halbwelle verstärkt. Rechts: Die Schaltung mit Konstantstromquellen (LED) ist für besseren Klang erweitert

Class D

Class D steht für die modernsten und absolut leistungseffizientesten Lösungen im Moment. Dies bieten die PWM-Endstufen, die auch Schaltendstufen genannt werden. An der Stelle, an der sonst linear verstärkende Leistungstransistoren arbeiten, werden hier Schalttransistoren eingesetzt. Es entsteht so gut wie keine Verlustleistung an ihnen, was dem ganzen Endstufenkonzept einen Wirkungsgrad von weit über 90 Prozent verleiht. Ganz grob beschrieben geschieht Folgendes in der Class-D-Endstufe: Damit die Schalttransistoren ein Signal zum Ausgang der Endstufe schalten können, benötigen sie ein Signal mit eindeutigen Ein- und Ausschalt­impulsen. Dieses bietet ein pulsweitenmoduliertes (PWM)-Signal. Das zu verstärkende Audiosignal wird mit einem hochfrequenten Dreiecksignal in einer eigenen Komparator­schaltung (auch eine Anwendung eines OPVs) verglichen. Dabei entsteht am Ausgang des Komparators ein PWM-Signal, dessen Tastverhältnis sich in Abhängigkeit vom Audiosignal verändert. Mit diesem PWM-Signal werden die Schalttransistoren gesteuert, die ein identisches, aber mit Strom weitaus belastbareres Signal ausgeben. Für die Lautsprecher ist das jedoch noch nicht verwertbar, weshalb ein hoch belastbarer, impulsoptimierter Tiefpassfilter dafür sorgen muss, dass die hochfrequenten Rechteckanteile des PWM-Signals ausgefiltert werden. Somit steht nun ein optimal nutzbarer Audioübertragungsbereich für den Lautsprecher zur Verfügung. Sollte die Filterung nicht besonders wirksam ausgelegt sein, können sich im Audiosignal Summen- und Differenztöne bilden. Weiterhin können Störsignale auftreten, die keinerlei harmonischen Bezug zur verstärkten Musik erkennen lassen.

Das Grundprinzip einer Class-D-Endstufe. Sie wird heute aufwendiger umgesetzt

Über den Autor

Erik Schober

Als Musiker und Dirigent verschiedener Orchester und Ensembles weiß ich genau, wie sich live die verschiedenen Instrumente und die menschliche Stimme anhört. Demzufolge habe ich hohe Erwartungen an eine Hifi-Anlage. Diesem schweren Urteil muss sich jeder Lautsprecher und das Zubehör bei mir stellen.

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