Verstärkerverzerrung

Damit ein Signalverstärker korrekt arbeitet, ohne das Ausgangssignal zu verzerren, benötigt er eine Art DC-Bias an seinem Basis- oder Gate-Anschluss. Eine Art DC-Vorspannung ist erforderlich, damit der Verstärker das Eingangssignal über seinen gesamten Zyklus verstärken kann, wobei der Bias-Q-Punkt so nahe wie möglich in der Mitte der Lastlinie liegt.

 

 

 

Verzerrung bei Verstärkern kann viele Formen wie Amplitude, Frequenz und Phasenverzerrung aufgrund von Clipping annehmen.

 

Damit ein Signalverstärker korrekt arbeitet, ohne das Ausgangssignal zu verzerren, benötigt er eine Art DC-Bias an seinem Basis- oder Gate-Anschluss. Eine Art DC-Vorspannung ist erforderlich, damit der Verstärker das Eingangssignal über seinen gesamten Zyklus verstärken kann, wobei der Bias-Q-Punkt so nahe wie möglich in der Mitte der Lastlinie liegt. Die Bias-Q-Punkt-Einstellung wird uns eine „Class-A“ -Typ-Verstärkungskonfiguration geben, wobei die gebräuchlichste Anordnung der „Common Emitter“ für Bipolartransistoren oder die „Common Source“ -Konfiguration für unipolare FET-Transistoren ist. Wir haben auch gelernt, dass die Leistungs-, Spannungs- oder Strom Gain (Verstärkung), die der Verstärker liefert, das Verhältnis des Spitzenausgangswertes zu seinem Spitzeneingangswert (Output ÷ Input) ist.

Wenn wir jedoch unsere Verstärkerschaltung falsch ausgelegt haben und den Vorspannungs-Q-Punkt an die falsche Position auf der Lastleitung setzen oder ein zu großes Eingangssignal an den Verstärker anlegen, ist das resultierende Ausgangssignal möglicherweise keine exakte Wiedergabe der ursprünglichen Eingangssignal-Wellenform. Mit anderen Worten, der Verstärker leidet unter dem, was gemeinhin als Verstärker-Verzerrung bezeichnet wird. Beachten Sie die untenstehende Emitter-Verstärkerschaltung.

 

Common Emitter-Verstärker

 

 

Eine Verzerrung der Wellenform des Ausgangssignals kann auftreten, weil:

• Die Verstärkung kann nicht über den gesamten Signalzyklus erfolgen, da die Vorspannung falsch ist.
• Das Eingangssignal kann zu groß sein, so dass die Transistoren der Verstärker durch die Versorgungsspannung begrenzt werden.
• Die Verstärkung darf kein lineares Signal über den gesamten Frequenzbereich der Eingänge sein.

Dies bedeutet dann, dass während des Verstärkungsprozesses der Signalwellenform eine Verstärkerverzerrung aufgetreten ist.

Verstärker sind prinzipiell dafür ausgelegt, kleine Spannungseingangssignale in viel größere Ausgangssignale zu verstärken, was bedeutet, dass sich das Ausgangssignal ständig um einen Faktor oder Wert, die so genannte Verstärkung, multipliziert mit dem Eingangssignal für alle Eingangsfrequenzen ändert. Wir haben vorhin gesehen, dass dieser Multiplikationsfaktor als Beta, β Wert des Transistors bezeichnet wird. Common Emitter- oder sogar Common Transistorschaltungen funktionieren gut für kleine AC-Eingangssignale, haben aber einen großen Nachteil: Die berechnete Position des Bias-Q-Punktes eines bipolaren Verstärkers hängt für alle Transistoren vom gleichen Beta-Wert ab. Dieser Beta-Wert unterscheidet sich jedoch von Transistoren des gleichen Typs, d.h. der Q-Punkt für einen Transistor ist aufgrund der inhärenten Fertigungstoleranzen nicht unbedingt gleich dem Q-Punkt für einen anderen Transistor des gleichen Typs. Dann kommt es zu einer Verzerrung des Verstärkers, da der Verstärker nicht linear ist und eine Art von Verstärkerverzerrung namens Amplitudenverzerrung entsteht. Eine sorgfältige Auswahl der Transistor- und Vorspannungskomponenten kann helfen, den Effekt von Verstärkerverzerrungen zu minimieren.

 

Amplitudenverzerrung

Amplitudenverzerrung tritt auf, wenn die Spitzenwerte der Frequenzwellenform gedämpft werden, was zu Verzerrungen durch eine Verschiebung des Q-Punktes führt und die Verstärkung nicht über den gesamten Signalzyklus erfolgen darf. Diese Nichtlinearität der Ausgangswellenform ist unten dargestellt.

 

Amplitudenverzerrung durch falsche Vorspannung

 

 

Wenn der Vorspannungspunkt der Transistoren korrekt ist, sollte die Ausgangswellenform die gleiche Form wie die der Eingangswellenform haben, nur größer (verstärkt). Wenn die Vorspannung nicht ausreicht und der Q-Punkt in der unteren Hälfte der Lastlinie liegt, dann sieht die Ausgangswellenform wie die rechte mit der negativen Hälfte der Ausgangswellenform „abgeschnitten“ aus oder clipped. Wenn es zu viel Vorspannung gibt und der Q-Punkt in der oberen Hälfte der Lastlinie liegt, dann sieht die Ausgangswellenform wie die linke aus, die positiven Hälfte ist „abgeschnitten“. Auch wenn die Vorspannung zu klein eingestellt ist, leitet der Transistor während der negativen Zyklushälfte nicht vollständig, so dass der Ausgang durch die Versorgungsspannung gesetzt wird. Wenn die Vorspannung zu groß ist, sättigt die positive Hälfte des Zyklus den Transistor und der Ausgang fällt fast auf Null.

Selbst bei korrekt eingestellter Vorspannung kann es zu Verzerrungen der Ausgangswellenform kommen, da ein großes Eingangssignal durch die Schaltkreisverstärkung verstärkt wird. Das Ausgangsspannungssignal wird sowohl im positiven als auch im negativen Teil der Wellenform abgeschnitten und ähnelt nicht mehr einer Sinuswelle, selbst wenn die Vorspannung korrekt ist. Diese Art der Amplitudenverzerrung wird als Clipping bezeichnet und ist das Ergebnis einer „Übersteuerung“ des Verstärkereingangs. Wenn die Eingangsamplitude zu groß wird, wird das Clipping beträchtlich und zwingt das Ausgangssignal dazu, die Versorgungsspannungsschienen zu überschreiten, wobei der Spitzenwert (+ve Hälfte) und der Tiefpunkt (-ve Hälfte) des Wellenformsignals abgeflacht oder „abgeschnitten“ werden. Um dies zu vermeiden, muss der Maximalwert des Eingangssignals auf einen Pegel begrenzt werden, der diesen Clipping-Effekt wie oben gezeigt verhindert.

 

Amplitudenverzerrung durch Clipping

 

Die Amplitudenverzerrung reduziert den Wirkungsgrad einer Verstärkerschaltung erheblich. Diese „flachen Spitzen“ der verzerrten Ausgangswellenform, entweder durch falsche Vorspannung oder durch Übersteuerung des Eingangs, tragen nicht zur Stärke des Ausgangssignals bei der gewünschten Frequenz bei.

Dennoch bevorzugen es einige bekannte Gitarristen und Rockbands, dass ihr unverwechselbarer Sound stark verzerrt oder „übersteuert“ ist, durch starkes Clipping der Ausgangswellenform auf der +ve- und -ve-Stromversorgungsschiene. Auch die Erhöhung der Clippings auf einem Sinusoid erzeugt so viel Verstärkerverzerrung, dass schließlich eine Ausgangswellenform erzeugt wird, die einer „Rechteckform“ ähnelt, was in elektronischen oder digitalen Synthesizerschaltungen verwendet werden kann.

Wir haben gesehen, dass bei einem DC-Signal der Verstärkungspegel des Verstärkers mit der Signalamplitude variieren kann, aber neben der Amplitudenverzerrung können auch andere Arten von Verstärkerverzerrungen bei AC-Signalen in Verstärkerschaltungen auftreten, wie Frequenzverzerrung und Phasenverzerrung.

 

Frequenzverzerrung

Frequenzverzerrung ist eine andere Art von Verstärkerverzerrung, die in einem Transistorverstärker auftritt, wenn der Verstärkungsgrad mit der Frequenz variiert. Viele der Eingangssignale, die ein Verstärker in der Praxis verstärkt, bestehen aus Signalwellenformen, die als „Grundfrequenz“ bezeichnet werden und einer Reihe von Frequenzen, die man als „Harmonische“ bezeichnet.

Normalerweise ist die Amplitude dieser Oberschwingungen ein Bruchteil der Grundamplitude und hat daher keinen oder nur sehr geringen Einfluss auf die Ausgangswellenform. Die Ausgangswellenform kann jedoch verzerrt werden, wenn diese harmonischen Frequenzen in Bezug auf die Grundfrequenz zunehmen. Betrachten Sie zum Beispiel die folgende Wellenform:

 

Frequenzverzerrung durch Oberschwingungen

 

 

Im obigen Beispiel besteht die Eingangswellenform aus der Grundfrequenz und einem zweiten harmonischen Signal. Die resultierende Ausgangswellenform wird auf der rechten Seite angezeigt. Die Frequenzverzerrung tritt auf, wenn sich die Grundfrequenz mit der zweiten Harmonischen verbindet, um das Ausgangssignal zu verzerren. Oberschwingungen sind also Vielfache der Grundfrequenz und in unserem einfachen Beispiel wurde eine zweite Harmonische verwendet.

Folglich ist die Frequenz der Harmonischen doppelt so hoch wie die der Grundwelle, 2*ƒ oder 2ƒ. Eine dritte Harmonische wäre dann 3ƒ, eine vierte, 4ƒ und so weiter. Frequenzverzerrungen durch Oberschwingungen sind in Verstärkerschaltungen mit reaktiven Elementen wie Kapazität oder Induktivität immer möglich.

 

Phasenverzerrung

Phasenverzerrung oder Delay-Verzerrung ist eine Art von Verstärkerverzerrung, die in einem nichtlinearen Transistorverstärker auftritt, wenn es eine Zeitverzögerung zwischen dem Eingangssignal und seinem Auftreten am Ausgang gibt. Wenn wir sagen, dass die Phasenänderung zwischen dem Eingang und dem Ausgang bei der Grundfrequenz Null ist, ist die resultierende Phasenwinkelverzögerung die Differenz zwischen der Harmonischen und der Grundwelle. Diese Zeitverzögerung hängt von der Konstruktion des Verstärkers ab und steigt mit der Frequenz innerhalb der Bandbreite des Verstärkers progressiv an. Betrachten Sie zum Beispiel die folgende Wellenform:

 

Phasenverzerrung

 

 

Im Gegensatz zu High-End-Audioverstärkern haben die meisten Verstärker in der Praxis eine Form der Verstärkerverzerrung, die eine Kombination aus „Frequenzverzerrung“ und „Phasenverzerrung“ zusammen mit Amplitudenverzerrung ist. In den meisten Anwendungen, wie z.B. in Audioverstärkern oder Leistungsverstärkern, wird die Verzerrung des Verstärkers, sofern sie nicht zu groß oder zu stark ist, den Betrieb oder den Ausgangssound des Verstärkers in der Regel nicht beeinträchtigen.