Diese Verbindungsart wird als "unsymmetrisch" bezeichnet. Sie funktioniert recht gut, solange die beiden zu verbindenden Geräte nicht allzuweit voneinander entfernt sind und die Verbindungsleitung nicht unmittelbar an elektrischen Störquellen vorbeigeführt wird. Die Abschirmung bietet dem Innenleiter zwar einen gewissen Schutz, doch ein starkes Wechselstrom-Störfeld wie z.B. das magnetische Streufeld eines Transformators schlägt auf den Innenleiter durch und erzeugt im Verstärker ein lästiges Brummsignal.

Die Impedanz eines typischen dynamischen Mikrofons beträgt etwa 200 Ohm. Einige Verstärker mit passiven Lautstärkestellern oder passiven Frequenzgang- Korrekturgliedern hinter der Ausgangsstufe weisen Ausgangsimpedanzen von einigen Kiloohm auf. Das sind "ideale" Bedingungen, um bereits bei ein paar Metern Leitungslänge Störspannungen "einzufangen".

Häufig sind Mikrofone einige hundert Meter vom Verstärkereingang entfernt. Die Signalspannungen liegen meistens bei 1mV oder weniger. Da das Mikrofonsignal möglichst unbeeinflußt am Verstärker ankommen soll, muß ein Verfahren gesucht werden, das das Eindringen von Brummen, Rauschen oder Hochfrequenz in den Verstärkereingang verhindert. Dieses Verfahren heißt "Symmetrierung".

Der einfachste Weg, die Wirkungsweise einer symmetrischen Verbindung zwischen Signalquelle und Verstärkereingang zu verstehen, ist die Betrachtung des Innenlebens eines dynamischen Mikrofons. Es enthält eine extrem dünne Folienmembran, die mechanisch mit einer sehr leichten Spule gekoppelt ist. Die Spule kann sich im Feld eines kräftigen Permanentmagneten frei bewegen.

Treffen Schallschwingungen auf die Membran, beginnt sie sich im Rhythmus dieser Schallschwingungen zu bewegen, so daß in der Spule eine den Schallschwingungen proportionale Spannung erzeugt wird. Die beiden Enden der Spule führen an die Ausgangsbuchse des Mikrofons (Bild 2), wobei die Ausgangsspannung mit einer Phasendifferenz von 180° zwischen den beiden Kontakten anliegt.

Betrachtet werden soll nun die Eingangsschaltung eines Verstärkers, die als "Differenzeingang" bezeichnet wird und die durch die Transformator-Anordnung nach Bild 3 gegeben ist. Um eine Ausgangsspannung erzeugen zu können, müssen am Trafoeingang zwei Signale anliegen, die in jeder Hinsicht identisch, aber um 180° phasenverschoben sind.

Und das ist genau das, was das Mikrofon liefert. Verbindet man die beiden Mikrofonausgänge mit den Trafoeingängen, hat man eine symmetrische Schaltung hergestellt.

Übertrager ermöglichen auf einfache Art und Weise Impedanzanpassungen zwischen elektronischen Schaltkreisen (Verstärkern) mit unterschiedlichen Impedanzen, beispielsweise zwischen einem niederohmigen Mikrofon und dem angeschlossenen Vorverstärker.

Das Impedanzverhältnis ist eine gebräuchliche Spezifikation vieler Nf-Übertrager; es entspricht dem Quadrat des Windungszahlverhältnisses. Ein Übertrager mit einer Impedanztransformation 600 Ohm : 10 kOhm weist somit ein Windungszahlverhältnis von 1:4,08 auf. Die Spannungsverstärkung beträgt 12,2 dB. Die angegebenen Impedanzwerte sind grundsätzlich die Nominalwerte für Quellen- und Lastwiderstand, mit denen der beste Frequenzgang erreicht wird. Der beste Störabstand wird ebenfalls nur dann erreicht, wenn eine optimale Leistungsanpassung zwischen Quelle und Last gegeben ist.

Diese Aussage ist so gut wie für alle Übertrager wichtig.

Übertrager haben allerdings auch Nachteile: Sie weisen eine Bandpaßcharakteristik auf und erzeugen durch die Magnetisierungskennlinien des verwendeten Eisenkerns zusätzliche Verzerrungen. Es ist sicher nicht weiter verwunderlich, daß Übertrager seit Einführung der Transistoren und der integrierten Schaltungen etwas in den Hintergrund gedrängt wurden.

Viele im Nf-Gebiet und auf dem Audio-Sektor tätige Ingenieure haben jedoch aus ihren Erfahrungen gelernt, daß wesentlich unangenehmere Übertragungsprobleme zu bewältigen sind als einen Gesamtklirrfaktor von 0,001% oder eine Übertragungsbandbreite von Gleichspannung bis hin zu Mikrowellen zu erzielen.

Bild 5 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer typischen übertragergekoppelten Schaltung. Wichtig ist die Kenntnis der Zusammenhänge, wie die Elemente der Sekundärseite inklusive der Lastimpedanz als Funktion des Windungszahlverhältnisses auf die Primärseite transformiert oder reflektiert werden. Der ohmsche Widerstand der Wicklung läßt sich nun einmal nicht vermeiden. Die Streuinduktivität einer Windung wird durch den geringfügigen Anteil des magnetischen Flusses repräsentiert, der nicht mit den anderen Windungen verkoppelt ist. Außerdem existiert zwischen den einzelnen Windungen auch noch eine kapazitive Komponente.

Die vom Eingang her gesehene Induktivität des Übertragers begrenzt die untere Grenzfrequenz (Bild 6). Diese Induktivität wird von dem durch die Primärwicklung erzeugten magnetischen Fluß hervorgerufen. Die Induktivität ist näherungsweise dem Quadrat der Windungszahl und der relativen Permeabilität des Eisenkerns proportional.

Die relative Permeabilität ist eine Größe für die magnetische Flußdichte in einem magnetischen Material. Die meisten ferromagnetischen Legierungen weisen Werte zwischen 1000 bis 100.000 auf, d.h. die magnetische Flußdichte ist um den angegebenen Wert größer als die Flußdichte des leeren Raums bei einer konstanten vom magnetischen Fluß durchsetzten Fläche. Leider weisen alle diese magnetischen Kernmaterialien gewisse Sättigungseffekte auf, die hauptsächlich durch den relativ scharf ausgeprägten Knick im Kurvenverlauf der relativen Permeabilität oberhalb einer bestimmten kritischen magnetischen Flußdichte bedingt sind.

Die für einen Übertrager angegebenen Signalspannungen sind im allgemeinen Maximalwerte, die ohne Überschreiten eines definierten Klirrfaktors übertragen werden können. Typisch ist eine Spezifikation bei 20 Hz Signalfrequenz und 1 ... 3% Klirrfaktor.

Bild 7 vermittelt einen Eindruck, wie der magnetische Fluß in dem Eisenkern gegenüber der angelegten Spannung phasenverschoben ist. Gleichzeitig ist auch der Zusammenhang zwischen Signalfrequenz und Fluß dargestellt. Weil der Spitzenwert des magnetischen Flusses umgekehrt proportional zur Signalfrequenz ist, verringert sich bei einer Signalfrequenz von 0 Hz die maximal anlegbare Spannung auf Null.

Fährt man den Übertrager in die Sättigung, verschwinden die in Bild 6 dargestellte hohe Kerninduktivität sowie die von der Sekundärseite reflektierte Impedanz gänzlich. Die Eingangsimpedanz des Übertragers erniedrigt sich, sie wird nur durch den Wicklungswiderstand und die Streuinduktivität der Primärwindung begrenzt. Dadurch treten auf der Primärseite Strombegrenzungseffekte und andere technisch unangenehme Erscheinungen auf.

Eingangsübertrager werden auf Isolation und Gleichtaktunterdrückung hin optimiert. Es gibt sie in zwei unterschiedlichen Kategorien, die vom Signalpegel abhängen. Die Übertrager zur Verarbeitung niedriger Signalpegei dienen beispielsweise zur Ankopplung eines Mikrofons oder einer anderen Signalquelle mit geringer Impedanz und geringer Ausgangsspannung.
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Der Vorteil eines Eingangsübertragers besteht darin, daß er nicht nur eine Impedanztransformation, sondern auch eine Spannungstransformation vornimmt. Übliche Werte für die Spannungstransformation sind 1:2 bis 1:10 (+6... +20dB). Die maximalen Eingangspegel liegen typisch bei -10 ... +8 dBm (0 dBm entspricht einer effektiven Eingangsspannung von 0,775V). Übertrager für hohe Signalpegel können Pegel bis zu +30 dBm verarbeiten; sie dienen hauptsächlich als Leitungsübertrager mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 oder geringfügig höheren Werten wie z.B. 2:1.
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Eingangsübertrager enthalten normalerweise eine oder mehrere statische Abschirmungen, um die Isolation und die Gleichtaktunterdrückung zu verbessern. Zur statischen Abschirmung ist im allgemeinen eine Kupferfolie zwischen Primär- und Sekundärwicklung angeordnet, die geerdet werden kann. Dadurch vermindert sich die kapazitive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung erheblich. Die Kupferfolie läßt sich natürlich auch durch eine andere dünne Metallfolie, z.B. aus Aluminium, oder durch eine einlagige Wicklung ersetzen.

Bild 8 verdeutlicht, wie diese Abschirmung die Kapazität zwischen Eingangs- und Ausgangswicklung aufhebt und das Einkoppeln von Gleichtaktsignalen in den Lastwiderstand erheblich vermindert. Zwei Abschirmungen bieten optimale Eigenschaften, wobei jede Abschirmung an der zugehörigen Seite geerdet werden muß (Eingangsabschirmung auf der Primärseite, Ausgangsabschirmung auf der Sekundärseite). Zusätzlich bildet die Kapazität der Abschirmungen mit der Streuinduktivität des Übertragers ein sehr wirksames Filter gegen Hf-Einstreuungen.

Bild 9 zeigt eine typische l:l-Konfiguration für einen quadfilar gewickelten Ausgangsübertrager, der einen unsymmetrischen Verstärkerausgang mit geringer Impedanz an eine symmetrische Last oder Leitung anpaßt. In Bild 9 ist auch die empfohlene kapazitive Kopplung zwischen dem Verstärkerausgang und der Primärwicklung des Übertragers dargestellt. Fließt durch die Primärwicklung des Übertragers ein Gleichstrom, entsteht auch ein Gleichfeld, das die Aussteuerfähigkeit des Übertragers begrenzt und bei tiefen Frequenzen zusätzliche Verzerrungen hervorruft. Geringe Offset-Gleichspannungen an Verstärkerausgängen können deshalb Probleme bereiten, da der ohmsche Widerstand der Wicklungen gering ist.
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In Bild 10 wird gezeigt, wie mit einer Kombination von Ausgangs- und Eingangsübertrager ein schwieriges Anpassungsproblem gemeistert werden kann. In diesem Beispiel soll der Ausgang eines transportablen Misch- pults mit einem anderen System verbunden werden, das 300m entfernt ist. Die Netzstromversorgungen beider Systeme liegen an unterschiedlichen Phasen mit einem Gleichtaktstörsignal gegenüber Erde von etwa 10V. In diesem Fall ist es nahezu unmöglich, eine funktionsfähige Problemlösung ohne den Einsatz von Übertragern zu finden.

Sogenannte Leitungs-Anpaßübertrager werden verwendet, um räumlich weit auseinander stehende Lautsprecher mit einer konstanten Spannung aus einem zentral angebrachten Leistungsverstärker anzusteuern. Bei ELA-Anlagen beträgt die Nennspannung generell 100V. Durch diese Methode werden die Leitungsquerschnitte und die Leistungsverluste minimiert.

Dieses Verfahren ähnelt dem der elektrischen Energieübertragung. Leitungs-Anpaßübertrager weisen auf der Primärseite häufig Anzapfungen auf, da unterschiedliche Lautsprecher zumeist auch unterschiedliche Wirkungsgrade aufweisen. Die wichtigsten Parameter von Übertragern dieser Kategorie sind die übertragbare Leistung und der Frequenzbereich.

Die von Übertragern hervorgerufenen Verzerrungen werden durch die nichtlineare magnetische Kennlinie (Hysterese) des magnetischen Kernmaterials hervorgerufen. In einer Modellvorstellung kann man diesen Umstand so veranschaulichen, als hätte man eine die Verzerrungen erzeugende Stromquelle der Wicklungsinduktivität parallel geschaltet, wie es in Bild 11 dargestellt ist. In Wirklichkeit ist die Induktivität nichtlinear.

Zur Anschauung ist es aber einfacher, eine Unterteilung in lineare und nichtlineare Effekte vorzunehmen. Die Verzerrungsströme teilen sich auf die Eingangs- und Ausgangsseite auf und erzeugen Verzerrungsspannungen an den unterschiedlichen Quell-, Last- und Windungsimpedanzen. Man beachte, daß die Verringerung der Quellimpedanz auch eine Verringerung der Verzerrungen bewirkt.

Wo Licht ist, ist aber auch Schatten. So weisen die Übertrager auch eine Anzahl Nachteile auf. Will man ihre Abmessungen nicht zu groß halten, dürfen die zu übertragenen Spannungen nicht zu gering sein, da sonst insbesondere bei tiefen Frequenzen relativ starke Verzerrungen auftreten. Werden die Übertrager nicht sehr sorgfältig hergestellt, können auch unerwünschte Phasenverschiebungen vorkommen. Hochwertige Übertrager sind außerdem teuer - die Preise liegen in der Größenordnung 100,- bis 200,- DM pro Übertrager.

Sowohl zur Anpassung symmetrischer Ein- bzw. Ausgänge auf unsymmetrische Anschlüsse sowie zur Anpassung unsymmetrischer Ein- bzw. Ausgänge auf symmetrische sind Übertrager in sehr großen Stückzahlen im Einsatz. Sie werden jedoch nach und nach durch Halbleiterschaltungen ersetzt. Das gilt sowohl für Eingangs- wie auch für Ausgangsstufen.

Eine Möglichkeit, eine symmetrische Eingangs- schaltung in Halbleitertechnik zu realisieren, zeigt Bild 14. Der positive Eingang wird gepuffert und über einen Operationsverstärker invertiert. Dessen Ausgangssignal gelangt an einen zweiten invertierenden OpAmp, der das Signal zu dem vom negativen Eingang kommenden Signal addiert.

Da die Gleichtaktsignale am positiven und negativen Eingang mit gleicher Spannung und gleicher Phasenlage auftreten, werden sie durch die Differenzbildung der Eingangsschaltung unterdrückt. Beide Eingänge weisen die gleiche Impedanz auf und lassen sich wegen der hochohmigen Eingangswiderstände sehr leicht gegen Überlastung schützen.

Durch die Toleranzen der Widerstände beträgt die Gleichtaktunterdrückung ohne weiteren Abgleich allerdings nur 50dB. Bei sehr sorgfältigem Abgleich läßt sich mit dieser Schaltung etwa 80dB Gleichtaktunterdrückung erreichen. Durch die Alterung der Bauelemente nimmt die Gleichtaktunterdrückung allerdings mit der Zeit ab.

Die einfachste und preiswerteste aktive Eingangs- schaltung wird durch den Einsatz eines Differenz- verstärkers realisiert. Jeder gewöhnliche Operations- verstärker weist einen Differenzeingang auf und läßt sich dadurch unmittelbar an eine symmetrische Leitung anschließen, wie es in Bild 15 dargestellt ist.

Eine Erklärung zu dem Schaltbild:
Um die bestmögliche Gleichtaktunterdrückung zu erreichen, müssen die vier Widerstände den gleichen Wert aufweisen. Deshalb ist es üblich, für R3 eine Kombination aus Festwiderstand und Trimmpoti vorzusehen, damit sich die Gleichtaktunterdrückung für die tiefen Frequenzen optimieren läßt. Die beiden Kondensatoren müssen ebenfalls den gleichen Wert aufweisen. Zur Optimierung der Gleichtaktunterdrückung bei hohen Frequenzen wird C2 häufig als Trimmer ausgeführt, evtl. mit einem parallelgeschalteten Festkondensator, dessen Wert geringer als der von Cl sein muß.

Unter Zugrundelegung einer Bandbreite von 20kHz, 33kQ-Widerständen und einer Umgebungstemperatur von 25°C beträgt die Rauschspannung -107,4 dBm, was nicht gerade als gut angesehen werden kann. Reduziert man die Werte der Widerstände um den Faktor 10, erhält man bereits eine Reduzierung der Rauschspannung um 10dB - eine stattliche Verbesserung.

Erweitert man die einfache Schaltung des Differenzverstärkers mit einem Paar Pufferverstärker, erhält man einen Differenzverstärker mit den Qualitäten eines Instrumentenverstärkers (Bild 16).

Zur Vereinfachung der Darstellung wurden die beiden Kondensatoren Cl und C2 weggelassen. Die Eingangsimpedanz ist wesentlich höher, und die Einflüsse der Quellimpedanzänderungen sind hier von untergeordneter Bedeutung. Zwar wird durch die beiden Pufferstufen zusätzliches Rauschen erzeugt, durch die Verkleinerung der Widerstandswerte ist jedoch eine Verbesserung des Eigenrauschens der Gesamtschaltung erreichbar.

Fügt man in die Zuleitung zu den Eingangsstufen zusätzliche Widerstände ein, arbeiten beide Eingangsstufen als Verstärker, wobei sich das Eigenrauschen der Schaltung nicht wesentlich erhöht. Durch die zusätzliche Verstärkung wird auch die Gleichtaktunterdrückung um den Wert der zusätzlichen Verstärkung verbessert. Die Verstärkung darf allerdings nicht zu hoch getrieben werden; sie wird durch die Höhe der Leitungspegel und den Clippingeinsatz der Operationsverstärker begrenzt.

Ältere Geräte mit aktiven symmetrischen Ausgangsstufen verwenden im allgemeinen die in Bild 17 dargestellte Anordnung. Das Ausgangssignal wird über eine invertierende Pufferstufe dem Minus-Ausgang zugeführt, durchläuft aber gleichzeitig eine zweite Inverterstufe, die das zweite gegenphasige Signal erzeugt. Zwischen den Ausgängen der Operationsverstärker und dem eigentlichen Ausgang sind zwei Widerstände angeordnet, die jeweils der Hälfte der gewünschten Quellimpedanz entsprechen. Da der Lastwiderstand zwischen den Ausgängen zweier Operationsverstärker liegt, beträgt die maximale Ausgangsspannung ungefähr 20V, sie ist also doppelt so hoch wie an einem unsymmetrischen Ausgang. Diese Schaltung arbeitet recht ordentlich, solange die Belastung einigermaßen symmetrisch ist. Allerdings weist diese einfache Ausgangsstufe zwei gravierende Nachteile auf.

Einige Hersteller bieten auch Geräte mit elektronisch symmetrierten Ausgängen an, die auch massefrei sind. Die Grundlage einer derartigen Ausgangsschaltung zeigt Bild 18. Die Schaltung besteht aus zwei Operationsverstärkern, die kreuzartig mit- und gegengekoppelt sind. Das Ausgangssignal eines jeden Verstärkers hängt sowohl vom Eingangssignal als auch vom Ausgangssignal des anderen Verstärkers ab. Durch entsprechende Bemessung der Widerstände können diese Stufen auch eine zusätzliche Verstärkung oder Abschwächung bewirken.

Genauso läßt sich durch entsprechende Bemessung der Widerstandswerte die Ausgangsimpedanz einstellen. Allerdings wird ein gewisser Widerstand vom Ausgang nach Masse benötigt, um zu verhindern, daß die Ausgangsspannung auf eine der beiden Betriebsspannungen hochläuft, wenn ein massefreier Eingang angeschlossen ist.

Durch die zusätzlichen Widerstände zwischen den Ausgängen und Masse bleibt die Ausgangsimpedanz vom Ausgang nach Masse bei jeglicher Wechselspannungskopplung der Ausgänge endlich. Dadurch wird zwar die Einkopplung von Stör- und Rauschspannungen durch Erdschleifen reduziert, aber nicht vollständig eliminiert.

Ist diese Schaltung nicht sehr sorgfältig kompensiert, können Stabilitätsprobleme auftreten. Liefert die Ausgangsstufe eine zweifache Verstärkung, beträgt die maximale Ausgangsspannung an einer symmetrischen Last ungefähr 20V (wenn die Operationsverstärker von Standard- stromversorgungen gespeist werden, z.B. ±15V). Wird diese Schaltung jedoch unsymmetrisch belastet, verringert sich der Ausgangsspannungshub bis zum Begrenzungseinsatz auf die Hälfte.

Beträgt die Durchgangsverstärkung der Ausgangsstufe nur 1, tritt zwar keine Begrenzung auf, aber die Ausgangsspannung ist nur noch halb so hoch. Abgesehen von diesem geringfügigen Problem arbeitet diese Schaltung sehr gut und bietet gegenüber einem Übertrager eine wesentlich höhere Bandbreite bei erheblich geringeren Kosten.

Eine praktisch ausgeführte Eingangs- stufe, die nach dem in Bild 16 beschriebenem Prinzip arbeitet, zeigt Bild 19. In dieser Schaltung ist die Eingangsimpedanz auf fast jeden gewünschten Wert einstellbar, und vor allem ist die Eingangsimpedanz beider Eingänge gleich.

Durch diese Konfiguration können auch die Widerstandswerte klein gehalten werden, so daß das thermische Rauschen gering bleibt. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß die Durchgangsverstärkung der gesamten Stufe durch Änderung eines einzigen Widerstands - nämlich R7 - variiert werden kann. Die Verstärkung in dB errechnet sich zu "20-log(((R8 + R9)/R7)+l)".

Durch Umstellen dieser Gleichung nach R7 läßt sich für eine vorgegebene gewünschte Verstärkung der Wert von R7 berechnen. Diese Eingangsstufe ist ideal für Leitungseingänge und eignet sich für den Verstärkungsbereich 0 ... 30dB. Das Eigenrauschen und die Verzerrungen sind sehr gering (typischer Klirrfaktor im gesamten Nf-Bereich: 0,002%).

Bild 25 zeigt einen derartigen Eingangsverstärker. Hier wird der Eingangsteil der Schaltung nach Bild 19 verwendet, mit dem Unterschied jedoch, daß die Eingangssignale in die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker eingespeist werden. Die Verwendung von 3,3kQ Widerständen für die Gegen- kopplung und für die Mischeingänge hält das Rauschen niedrig und verbessert die Linearität, weil die Eingangs- kondensatoren innerhalb der Gegenkopplungsschleife liegen. Mit dieser Schaltung werden Gleichtaktsignale um immerhin 60 ... 80dB unterdrückt.