Ein Verstärker soll ein Signal größer machen – und sonst nichts. Kommt am Ausgang eine Kurve heraus, die nicht mehr die gleiche Form hat wie am Eingang, ist das Signal verzerrt. Mal hörst du das als Kratzen im Lautsprecher, mal siehst du es als abgerundete Rechteckflanke auf dem Oszilloskop, mal stört es einen Funkkanal nebenan. Verzerrungen sind dabei etwas anderes als Dämpfung, bei der das ganze Signal gleichmäßig kleiner wird, und als Rauschen oder eingekoppelte Störungen, die von außen hinzukommen. Grundsätzlich gibt es zwei sehr verschiedene Arten: lineare und nichtlineare Verzerrungen.
Lineare Verzerrungen
Eine Schaltung verzerrt linear, wenn sie verschiedene Frequenzen unterschiedlich behandelt, die Kennlinie aber gerade bleibt. Typische Ursachen sind Kondensatoren und Induktivitäten im Signalweg, deren Blindwiderstand von der Frequenz abhängt – etwa ein RC-Glied, das als frequenzabhängiger Spannungsteiler wirkt, oder ein Verstärker, dessen Verstärkung zu tiefen und hohen Frequenzen hin abfällt. Bei Audio hörst du das als fehlende Bässe oder Höhen.
- Amplitudenverzerrung: Manche Frequenzen werden stärker verstärkt oder gedämpft als andere. Eine lange Leitung schwächt die hohen Frequenzen eines Rechtecksignals – die Flanken werden flacher.
- Phasenverzerrung: Verschiedene Frequenzen brauchen unterschiedlich lange durch die Schaltung. Ein Rechteck bekommt dann Überschwinger oder eine schiefe Form, obwohl alle Anteile noch gleich groß sind.
Das Entscheidende: Lineare Verzerrungen erzeugen keine neuen Frequenzen. Ein reiner Sinus bleibt ein Sinus – er ist nur größer, kleiner oder verschoben. Deshalb lassen sie sich mit einem passenden Filter, einem Equalizer, grundsätzlich wieder ausgleichen.
Beschrieben werden sie durch den Frequenzgang: Verstärkung und Phase über der Frequenz. Wo die Verstärkung um 3 dB gegenüber der Mitte abgefallen ist, liegt die Grenzfrequenz.
Nichtlineare Verzerrungen
Eine Schaltung verzerrt nichtlinear, wenn ihre Übertragungskennlinie keine Gerade ist – das Ausgangssignal ist dann nicht einfach proportional zum Eingangssignal. Jedes Halbleiterbauteil ist mehr oder weniger nichtlinear: die Diode mit ihrer exponentiellen Kennlinie, der Transistor, der nur in einem begrenzten Bereich gleichmäßig verstärkt.
Die extremste Form ist die Übersteuerung (Clipping): Das Signal würde über die Versorgungsspannung hinausgehen, der Verstärker schneidet die Spitzen ab.
Weitere typische Fälle:
- Übernahmeverzerrungen in Gegentakt-Endstufen: Rund um den Nulldurchgang ist für einen Moment keiner der beiden Transistoren leitend, das Signal bekommt einen kleinen Knick.
- Begrenzte Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate) von Operationsverstärkern: Bei großen, schnellen Signalen kommt der Ausgang nicht hinterher, aus dem Sinus wird ein Dreieck.
- Sättigung von Spulen und Übertragern: Ab einem bestimmten Strom wächst der magnetische Fluss nicht mehr proportional.
Oberwellen und Klirrfaktor
Wird ein Sinus mit der Frequenz f nichtlinear verzerrt, entstehen Oberwellen (Harmonische) bei 2f, 3f, 4f und so weiter. Symmetrische Verzerrungen – oben und unten gleich stark abgeschnitten – erzeugen vor allem ungerade Harmonische (3f, 5f), unsymmetrische auch gerade (siehe Oberschwingungen und Fourier-Analyse).
Wie stark ein Signal verzerrt ist, gibt der Klirrfaktor an: das Verhältnis der Effektivwerte aller Oberwellen zum Effektivwert des Gesamtsignals.
Im englischen Sprachraum ist THD (Total Harmonic Distortion) üblich, das die Oberwellen nur auf die Grundwelle U1 bezieht. Bei kleinen Verzerrungen sind beide Werte praktisch gleich.
Der Klirrfaktor ist keine feste Zahl eines Geräts: Er hängt von der Frequenz und von der Aussteuerung ab und steigt kurz vor der Übersteuerung steil an. Eine seriöse Angabe nennt deshalb immer Frequenz und Ausgangsleistung oder -spannung mit.
Als grobe Orientierung: Bei einem reinen Sinuston hören geübte Ohren etwa 1 % Klirrfaktor gerade noch; bei Musik fällt deutlich weniger auf, unter 0,1 % hört kaum jemand etwas. Die alte HiFi-Norm DIN 45500 verlangte für Verstärker höchstens 1 %, heutige gute Audio-Verstärker liegen bei 0,01 % und darunter. Für Rundfunksender galten als Richtwerte etwa 1 % bei UKW (FM) und einige Prozent bei AM. Bei 10 % klingt ein Signal deutlich kratzig – was bei einem Gitarrenverstärker durchaus gewollt sein kann.
Intermodulation
Liegen zwei Frequenzen f1 und f2 gleichzeitig an einer nichtlinearen Stufe, entstehen nicht nur deren Oberwellen, sondern auch Mischprodukte wie f1 + f2, f2 - f1 oder 2f1 - f2. Diese Intermodulationsprodukte liegen oft nicht harmonisch zum Signal und klingen deshalb besonders unangenehm. In der Funktechnik sind sie gefürchtet: Die Produkte dritter Ordnung 2f1 - f2 und 2f2 - f1 fallen dicht neben die Nutzfrequenzen und lassen sich kaum herausfiltern.
Selbsttest
Welche Art von Verzerrung erzeugt neue Frequenzen?
Die nichtlineare – etwa durch Übersteuerung oder gekrümmte Kennlinien.
Ein 1-kHz-Sinus wird symmetrisch abgeschnitten. Bei welchen Frequenzen findest du die stärksten Oberwellen?
Bei den ungeraden Vielfachen: 3 kHz, 5 kHz, 7 kHz und so weiter.
Kann man lineare Verzerrungen wieder rückgängig machen?
Grundsätzlich ja – mit einem Filter, das den Frequenzgang umgekehrt ausgleicht.