Gedanken und Wissen über (Audio-) Operationsverstärker
Manche Fach-Fragen kann man nicht in einem Satz beantworten. Zum Beispiel, warum diese Operations- verstärker (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 drei Erfinder des Transistors
- Ein frühes Germanium Exemplar
1947-Das Kristall-"Ventil" 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 weiter 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 dann gezielt entwickelten Audio-Transistoren wurden nach der (in sehr großen Stückzahlen) angelaufenen Produktion dann entweder im Werk oder beim Kunden selektiert, einmal in die verschiedenen Verstärkungsstufen und zum Zweiten in das im Transistor erzeugte Halbleiterrauschen. Das waren zwei wichtige Kriterien.
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Die Gegenkopplung in Verstärkerstufen
Sehr ähnlich wie bei der Röhre verstärken Transistoren die höheren Frequenzen immer weniger (also 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 diese effektive (Stufen-) 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-Druck 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 sogenannten "Operations-Verstärkers". Auch hier konnte man wieder nach Rauschen und Strombelastbarkeit selektieren und es wurden hunderte von Typen in unterschiedlichen Qualitäten angeboten.
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Viele unterschiedliche Operations-Verstärker
- Single Opamp
- Dual Opamp
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. Im Vorverstärker brauchte er 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, ein Grundig Tuner dagegen liefert aber nur 0,3 Volt Signalspannung.
Das B251 Service-Manual spricht von den diskret aufgebauten Operationsverstärkern 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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Und noch ein OP-Amp, der "OTA"
Bei den "normalen" Operationsverstärkern wurde die (gewünschte) Verstärkung über die Gegenkopplung fest eingestellt. Das war in 90% aller Anwendungsfälle ausreichend und vernünftig. Es gab aber Situationen (oder Anwendungen), da sollte die Verstärkung der OP-Amp Verstäkerstufe stufenlos und fließend regelbar sein. Und dafür wurde der OTA (der operational transconductance ampilifier) entwickelt. Mittels eines Steuerstroms war die Spannungsverstärkung des OP-Amps in weiten Bereichen (quasi von 0 an bis zum Maximalstrom) regelbar.
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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 das Schau-Bild (die Zeichnung) hier auch gar nicht verstehen. Alleine die Komplexität in diesem kleinen Gehäuse 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 den beiden Beispiel-Fotos des Revox Verstärkers B251 hier weiter oben drüber sieht man ganz deutlich den erheblichen Aufwand, die Funktionen eines OP-Amps mit Einzelbauteilen / Transistoren nachzubilden.
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Die Hifi-Religion hilft immer wieder ......
Im Sommer 2022 wurde mir eine PDF-Datei von der Firma "bursonaudio" aus Melburne / Australien zugeleitet. Dort wird auf Deutsch (Übersetzung von hifituning aus Berlin) ein dermaßen dummes Zeug verbreitet, dem die ganzen amerikanischen und indischen Sekten in nichts nachstehen.
Der Operationsverstärker habe eine unzulängliche Qualität und deren nachgebauter (australischer) diskreter Ersatz OP-Amp sei "viel besser". Vor allem würde er erst nach ca. 100 Stunden seine volle Qualität entfalten ..... und was das sonst noch für ein Unsinn steht. Soetwas hatte ich noch nie gelesen. Auch sei die Einbaulage kritisch und der diskrete (Ersatz-) Verstärker müsse unbedingt senkrecht betrieben werden.
Ich kam mir vor wie auf einem anderen Stern. Kein Wort davon, daß fast 99% aller Studiomischpulte in kleinen und großen Aufnahmestudios und in den Rundfunkstudios ausschließlich mit OP-Amps arbeiten. Und diese Musik, die zudem noch digitalisiert wurde, "würde" durch diese senkrecht eingebauten (nachgebauten) Operationsverstärker deutlich hörbar verbessert ??? Aha.
Die Macher dort in DownUnder hatten anscheinend noch nie eine Schaltung eines Audio- Op-Amps gesehen, bei dem die Verstärkerstufen alle gleichspannungsgekoppelt sind. Darum braucht es dort im OP-Amp keine Elkos, von denen sie auf ihrem Nachbau jetzt nur die teuersten Typen eingesetzt hatten.
In der ELektor steht ein Artikel über die verglichenen und gemessenen Qualitäten von Audio Kondensatoren und dort steht so ziemlich am Ende :
Der beste oder gar der ideale Kondensator ist der, der nicht gebraucht wird.
Eigentlich fehlt nur noch der Hinweis, daß der Strom - wie das Wasser - immer von oben nach unten fließt. Da diese PDF Datei aus 2007 stammen soll, kann also Corona da noch keinen schädlichen Einfluß gehabt haben.
So weit der Eindruck von : "Die nackte Wahrheit über Operationsverstärker".
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