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Inhalt:
Allgemeines
Reale Schaltung
Bauteileauswahl und Dimensionierung
Messung und Meßergebnisse
Fazit
 Verwandte Themen:
Meßwerte Emitterschaltung (Transistor)
Meßwerte Katodenbasisschaltung (Röhre)
Meßwerte Sourceschaltung (Feldeffekttransistor)


Allgemeines

In  OPs in der Praxis wurde erklärt, wie eine mit einem OpAmp ausgestattete Elektromezterschaltung aufgebaut ist, wie sie funktioniert und wie man sie berechnet. Nun fehlt noch, was sie in der Praxis zu leisten vermag. An einem exemplarischen Beispiel werden daher nachfolgend Meßergebisse aus der Praxis dargestellt. Dabei geht es ausschließlich um die Audioeigenschaften d.h. darum, wieviele Verzerrungen die Emitterschaltung produziert.


Reale Schaltung

Bei Operationsverstärkerschaltungen spielt die unvermeidliche Fertigungsstreuung der Kenndaten keine große Rolle. Man kann eine solche Schaltung daher sehr gut berechnen und braucht keine Trimmpotis zum Ausgleich irgendwelcher Toleranzen. Für die Testschaltung wurde die Elektrometerschaltung in Bild 1 der Seite  OPs in der Praxis leicht abgeändert, damit man sie mit einer einzigen Betriebsspannung statt der üblichen symmetrischen Versorgung betreiben kann:

Elektrometerverstärker
Bild 1: Elektrometer-Schaltung mit unsymmetrischer Betriebsspannung

Bei einer unsymmetrischen Versorgung benötigt man eine virtuelle Masse. Diese wird durch die beiden Widerstände R1 und R2 erzeugt. Diese beiden Widerstände liefern an ihrem "Ausgang" die Hälfte der Betriebsspannung, die als virtuelle Masse dient. Relativ hierzu ist die eigentliche Masse negativ, sodaß der Operationsverstärker die übliche positive und negative Versorgungsspannung "sieht". Der Elko C2 sorgt für eine wechselspannungsmäßig möglichst gute Ankopplung an die echte Masse.


Bauteileauswahl und Dimensionierung

Um möglichen Masseproblemen durch die Meßverkabelung in Verbindung mit der Stromversorgung aus dem Weg zu gehen, wurde die Schaltung für Betrieb mit einem 9-V-Akku ausgelegt, der eine Nennspannung von 8,4 V besaß. Am einfachsten zu dimensionieren (da absolut unkritisch) sind die der Widerstände R1 und R2. Für den Meßaufbau wurde für beide Widerstände ein Wert von 1 kΩ verwendet, was einen Strom von etwas mehr als 4 mA ergibt, was ein guter Wert für eine Testschaltung ist; bei einer echten Anwendung für Batteriebetrieb würde man diesen Wert natürlich deutlich reduzieren, um den Stromverbrauch zu senken. C2 sorgt für eine gute wechselspannungsmäßige Anbindung der virtuellen an die echte Masse. Für die reine Funktion der Schaltung ist dieser Elko nicht erforderlich, er reduziert aber die Impedanz der virtuellen Masse. Ein 10-μF-Elko ist hierfür absolut ausreichend, ein größerer Wert schadet allerdings nicht.

Für R3, der den Eingangswiderstand bestimmt, wurde ein Wert von 5,11 kΩ gewählt, um für alle vermessenen Schaltungen (egal ob  Röhre,  Sperrschichttransistor oder  FET) gleiche Bedingungen zu haben und damit eine Vergleichbarkeit der Meßergebnisse zu gewährleisten. Die Verstärkung wird über R4 und R5 eingestellt. Wenn man für R4 einen Wert von 10 kΩ festlegt, ergibt sich bei einer gewünschten Verstärkung von v=10 für den Widerstand R5 ein Wert von 1,111 kΩ, wobei der nächste Normwert 1,1 kΩ beträgt. Da die Meßfrequenzen bei 100 Hz und mehr liegen, ist für C3 ein Wert von 10 μF, was eine untere Grenzfrequenz von 15 Hz ergibt, mehr als ausreichend. Insofern ist auch ein Wert von 1 μF für C1 ausreichend, was in Verbindung mit R3 eine untere Grenzfrequenz von 30 Hz ergibt. Der Wert von C4 richtet sich nach dem Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe und betrug für die Messung ebenfalls 1 μF.

Als Operationsverstärker IC1 wurde eine Hälfte des Typs TL072 verwendet, bei dem 2 Operationsverstärker in einem Gehäuse untergebracht sind. Dabei handelt es sich um einen sehr preisgünstigen (Stand Juni 2010 0,15 Euro), relativ rauscharmen und sehr gut erhältlichen OpAmp, der von verschiedenen Herstellern hergestellt wird.

Die Bauteile der Testschaltung im Überlick:
   Ub8,4 V
IC11/2 TL072
R11 kΩ
R21 kΩ
R35,11 kΩ
R410 kΩ
R51,1 kΩ
C11 μF
C210 μF
C310 μF
C41 μF



Messung und Meßergebnisse

Die Testschaltung wurde mit einem 9-V-Akku mit einer Nennspannung von 8,4 V versorgt. Verwendet wurde als Signalquelle das Ausgangssignal einer qualitativ hochwertigen, externen Soundkarte mit 24 Bit Auflösung und 96 kHz Abtastrate. Bevor jemand wegen der digitalen Technik die Nase rümpft, sollte er sich in Bild 2 das Ausgangsspektrum dieser Signalquelle ansehen: Ein amplitudenstabiles Sinussignal mit einer Dämpfung der ersten Oberwelle (auch k2 genannt) von -103,5 dB entsprechend 0,0007% Klirrfaktor und der zweiten Oberwelle (auch k3 genannt) von -101,5 dB entsprechend 0,0008% Klirrfaktor sind mit rein analogen Mitteln nur extrem schwer zu erreichen.


Spektrum des Eingangssignals
Bild 2: Spektrum des Eingangssignals

Für die Messung wurde die Eingangsspannung mit einem passiven Spannungsteiler so eingestellt, daß der Ausgangsspannungshub (also Spitze zu Spitze) exakt 2810 mV betrug. Bei einem sinusförmigen Eingangssignal von 100 Hz mit einer Amplitude von 281 mVss, was einen Ausgangsspannungshub von 2810 mVss nach sich zog, ergab sich das in Bild 3 gezeigte Spektrum.

Spektrum bei Ausgangssignal 2810 mVss
Bild 3: Spektrum bei Ausgangssignal 2810 mVss

Das Ausgangssignal sieht nahezu genauso aus wie das Eingangssignal (siehe Bild 1). Im Gegensatz zu Verstärkerschaltungen mit einem einzigen aktiven Element sind keine zusätzlichen Spektrallinien hinzugekommen. Bei 300 Hz, also der 2. Oberwelle (k3) ist lediglich ein ganz geringer Anstieg sichtbar; der Originalwert des Eingangssignals ist hier als blauer horizontaler Balken eingezeichnet. Weil der Anstieg sehr klein ist, kann man nicht einfach den Meßwert aus dem Diagramm ablesen und in einen Prozentwert umrechnen. Den Klirrfaktor k3 kann man wie folgt berechnen: Der Generator besitzt eine Dämpfung der 2. Oberwelle von 101,5 dB gegenüber dem 100-Hz-Signal, was bezogen auf das Ausgangssignal von 2810 mVss einer Spannung von 0,0084 mVss entspricht. Der Verstärker liefert am Ausgang eine ganz leicht verstärkte 2. Oberwelle mit einem Pegel von -96,5 dB, was einer Spannung von 0,015 mVss entspricht. Der Verstärker erhöht also den Pegel der schon im Generatorsignal vorhandenen 2. Oberwelle um die Differenz zwischen diesen beiden Spannungswerten, nämlich um 0,0066 mVss. Bezogen auf das 100-Hz-Signal entspricht das gerade einmal einem Klirrfaktor k3 von 0,00023%.

Wer die Diagramme des Generatorsignals und des Ausgangssignals des Verstärkers ganz genau vergleicht, wird auch bei der 4. Oberwelle (k5) einen ähnlich geringen Anstieg feststellen wie bei der 2. Oberwelle. Wenn man nachrechnet, kommt man auf einen Klirrfaktor k5 von 0,00014%.

Spektrum bei Ausgangssignal 500 mVss
Bild 4: Spektrum bei Ausgangssignal 500 mVss

Verringert man die Eingangsspannung und damit auch die Ausgangsspannung, reduzieren sich die ohnehin sehr geringen Verzerrungen noch weiter. Bei einem Ausgangsspannungshub von 500 mVss sind sie derart gering, daß sie mit den vorhandenen Meßmitteln nicht mehr nachweisbar sind: Es wurden keine neuen Frequenzen hinzugefügt, und bei keiner Oberwelle ist der Pegel höher als erwartet. Kurz gesagt sind abgesehen von den weitgehend konstant gebliebenen Brummeinstreuungen alle Pegel des Generatorsignals um 15 dB reduziert, wobei durch die Pegelabsenkung einige Spektrallinien des Generatorsignals unter die Nachweisgrenze gerutscht sind. Wundern Sie sich daher nicht, wenn nicht mehr alle im Generatorsignal sichtbaren "Zipfel" in Bild 4 erscheinen.

Klanglich deutlich schlimmer als harmonische Verzerrungen sind jedoch Intermodulationsverzerrungen. Es handelt sich dabei um Summen- und Differenzfrequenzen, die beim Einspeisen eines Signals mit mehr als nur einer Frequenz entstehen. Für den Test wurde dem 100-Hz-Eingangssignal ein weiteres Signal mit 120 Hz hinzugefügt, das 1/4 der Amplitude besaß (also -12 dB).

Intermodulationsverzerrungen bei 2810 mVss
Bild 5: Intermodulationsverzerrungen bei 2810 mVss

Aufgrund der nicht absolut geraden Kennlinie treten im Ausgangssignal neben dem um Faktor 10 verstärkten Eingangssignal nicht nur die jeweiligen Oberwellen der beiden Eingangsfrequenzen auf (also 200 / 240 Hz, 300 / 360 Hz, 400 / 480 Hz usw.), sondern auch deren Summen- und Differenzfrequenzen. Als Differenzfrequenz tritt in erster Linie 120 Hz - 100 Hz = 20 Hz mit gegenüber dem 100-Hz-Signal um 93,5 dB abgeschwächt ist. Das so enstandene 20-Hz-Signal wiederum besitzt Oberwellen und interagiert zusätzlich mit allen anderen vorhandenen Frequenzen. Letztendlich werden also einige Frequenzen zusätzlich erzeugt, die selbstverständlich nicht erwünscht sind und zu mehr oder weniger großen Klangbeeinträchtigungen führen. Der Pegel der Differenztöne ist beim TL072 jedoch äußerst gering. Am augenfälligsten sind neben dem 20-Hz-Differenzton die Spektrallinien bei 60 und 80 Hz. Bei 140 Hz kann man eine weitere Spektrallinie ausmachen, die durch Intermodulation entstanden ist. Im Bereich der Oberwellen der beiden Eingangssignale sieht man beim ganz genauen Hinschauen zwar kleine "Zipfel", aber ihr Pegel liegt unterhalb von ca. 110 dB. Zum Vergleich: Der Dynamikumfang einer Audio-CD beträgt "nur" 96 dB. Das Intermodulationsverhalten ist als sehr gut zu bezeichnen. Wie gut es ist, sieht man dann, wenn man es mit demjenigen von  Sperrschichttransistoren,  FETs oder gar  Röhren vergleicht.

Die Dokumentation der Messung des Intermodulationsverhaltens bei 500 mVss erübrigte sich, da bei um 15 dB abgesenktem Pegel die Intermodulationsprodukte derart gering waren, daß sie im oder unter dem Bereich der Nachweisgrenze der Meßeinrichtung lag.


Fazit

Die mit einem integrierten Operationsverstärker ausgestattete Elektrometerschaltung arbeitet selbst bei großem Ausgangshub extrem linear und besitzt trotz des für die Messung benutzten billigen Feld-Wald-und-Wiesen-OpAmps einen sehr geringen Klirrfaktor. Die Intermodulationsverzerrungen sind dabei ebenfalls sehr gering. Für eine derart einfache und kostengünstige Schaltung sind die Ergebnisse überragend. Aufgrund der hervorragenden Werte ist es nicht verwunderlich, daß OpAmps der TL07x-Baureihe (also insbesondere die populären TL071, TL072 und TL074)in Audioschaltungen nach wie vor breite Verwendung finden, zumal sie extrem preisgünstig sind. "Alt aber gut" (und zwar wirklich gut!) könnte man auch sagen.

Wünscht man noch bessere Werte, kann man versuchen, einen OpAmp mit noch besserem Verzerrungsverhalten zu finden. Aus klanglichen Gründen ist dies jedoch nicht erforderlich, da kein Mensch wirklich in der Lage ist (d.h. Nachweis über doppelten Blindversuch), einen Klirrfaktor von weniger als 0,001% zu hören oder Intermodulationsprodukte wahrzunehmen, deren Pegel um 100 dB oder mehr unter dem Nutzsignal liegen. Verstärkerstufen mit einem einzigen aktiven Element wie  Sperrschichttransistoren,  Feldeffekttransistoren oder  Röhren sind absolut keine Alternative, da alle diese Schaltungen ganz erheblich mehr Klirr- und vor allem Intermodulationsverzerrungen erzeugen.
  

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