Informations- und Kommunikationstechnik

Phonovorverstärker

Neben der Audio-CD und Musikaufzeichnungen im MP3-Format gibt es sie weiterhin, die Schallplatte. Zum Abspielen der Platten werden Moving Coil-(MC)-, und Moving Magnet-(MM)-Abtastsysteme eingesetzt, wohingegen der noch ältere Kristalltonabnehmer ausgedient hat. Sowohl MC- als auch MM-Abnehmer benötigen zur korrekten Wiedergabe einen Entzerrervorverstärker.

Bei der Herstellung und Aufzeichnung auf Schallplatten wird die Toninformation von einem Schneidwerk mechanisch in die Spiralrille der Masterplatte moduliert. Das Schneidwerk arbeitet mit einer konstanten Schneidschnelle. Sie ist das Produkt aus der Signalamplitude und der Signalfrequenz. Die Rillen- oder Schneidweglänge der drei Tonfrequenzen im linken Teilbild ist konstant. Es ist zu erkennen, dass tiefe Frequenzen die Rille stark modulieren, während die vielen Schwingungen einer 10 kHz Tonfrequenz die Rille kaum erkennbar modulieren.

Die sich daraus ergebenen Abtastprobleme lassen sich durch eine geringere Modulation bei tiefen Frequenzen und stärkere Modulation für sehr hohe Frequenzen mindert. Gleichzeitig führt dieses Verfahren auch zur besseren Ausnutzung der Plattenfläche. Schallplatten werden daher in Richtung tieferer Frequenzen mit abnehmender Amplitude und zu höheren Frequenzen mit zunehmender Amplitude geschnitten. Das Ergebnis ist im rechten Teilbild dargestellt.

Diagramme zur Phono-Schneidkennlinie

Schneidkennlinie

Den Ausgleich zwischen den Frequenzen schaffte man durch Bewertungsfilter. Bei der Aufzeichnung werden die Tiefen um rund 20 dB gesenkt und die Höhen um diesen Betrag angehoben. Frequenzen unter 50 Hz werden nicht weiter gesenkt, damit der Abstand zu möglichen Rumpelgeräuschen, die als Infraschall bezeichnet werden, nicht zu klein wird. Ab 1955 wurde von der RIAA, der Recording Industry Association of America, eine entsprechende Bewertungskennlinie genormt. Die Schneidkennlinie ergibt sich aus einem dreistufigen Filter:

RIAA-Schneidkennlinie

Entzerrerkennlinie

Den korrekten Frequenzgang des Audiosignals beim Abspielen einer mit dem RIAA-Filter geschnittenen Schallplatte erhält man mit einem Entzerrervorverstärker mit einer genau gegenläufigen Filterkennlinie. Die Entzerrerkennlinie nach RIAA verfügt über drei Filter.

Viele Jahre später wurde die Kennlinie durch einen weiteren Hochpass mit der Zeitkonstante τ = 7950 µs bei rund 20 Hz ergänzt. Dieses Filter sollten Rumpelgeräusche und Infraschall mindern, die bei welligen Schallplatten auftreten können. Die neue Entzerrerkennlinie entspricht dann der IEC-Norm, herausgegeben von der International Electrotechnical Commission.

Industrieschaltungen für Entzerrervorverstärker

RIAA-Entzerrer mit Transistoren

Diese Schaltung arbeitet mit zwei galvanisch gekoppelten Transistorstufen in Emitterschaltung. Der Ausgangstransistor K2 erhält seinen Basisstrom über den Basisvorwiderstand R3. Dieser Widerstand ist gleichzeitig der Arbeitswiderstand der Eingangsstufe mit K1. Bei leitendem K2 wird der geteilte Emitterwiderstand mit R8 und R9 zur Spannungsquelle. Der Eingangstransistor bezieht aus ihr über R6 und R1 seinen Basisstrom. Beide Transistoren verfügen somit über Arbeitspunkte, die sich durch Stromgegenkopplungen gegenseitig stabilisieren.

Die Stabilisierungskette bei Temperatureinfluss auf K2: δ↑ daraus folgt IC2↑ → UE2↑ → UB1 wird positiver und IB1↑ wodurch IC1↑ und UC1↓ dadurch wird UB2↓ und K2 weniger ansteuern, wodurch IC2↓ und der Arbeitspunkt stabil bleiben.

Bei Temperatureinfluss auf K1: δ↑ → IC1↑ → UE1↑ da die Basisspannung durch C5 konstant bleibt, wird für K1 die UBE↓ → IC1↓ und die Störgröße wird ausgeregelt.

Die Schaltung hat zwei frequenzabhängige Rückkopplungszweige. Das Ausgangssignal vom Kollektor K2 wird über das RC-Netzwerk C3, C4 und R5 zum Emitter K1 zurückgeführt. Das Rückkoppelnetzwerk wird zu höheren Frequenzen niederohmiger und die Signalspannung am R4 somit größer. Mit der zum Eingangssignal richtigen Phasenlage an der Basis nimmt die Gesamtverstärkung der Schaltung ab. Mit einem Simulationsprogramm wurde der Phasengang am Emitter des Eingangstransistors zwischen 10° bis 0° oberhalb 70 Hz ermittelt. Die Bedingungen für eine Gegenkopplung sind erfüllt. Für Eingangsfrequenzen oberhalb 70 Hz kann die Verstärkung in guter Näherung durch folgende Beziehung ermittelt werden.

Formelansatz zur Verstärkung

Liegen die Eingangsfrequenzen unterhalb 70 Hz wird der Blindwiderstand des Emitterkondensators C5 so hoch, dass die Stromrückkopplung des Emitterwiderstands R9 nicht mehr unterdrückt wird. Sehr niederfrequente Signale erfahren am Transistor K2 eine zunehmende Gegenkopplung. Ihre Ausgangsamplituden werden gedämpft. Der Amplitudenfrequenzgang entspricht damit der IEC-Norm. Der Kondensator C2 hat auf den Frequenzgang der Entzerrung keinen Einfluss. Der Eingangskondensator C1 wirkt sich ebenfalls nicht aus, solange sein Wert nicht verkleinert wird. Das Bodediagramm zeigt die AC-Frequenzanalyse für Amplituden und Phase dieser Entzerrerschaltung.

Bodediagramm des RIAA-Entzerrerfilters

Entzerrervorverstärker mit OPV

Entzerrerschaltung mit OPV

Eine andere Schaltungsvariante arbeitet mit einem Operationsverstärker. Das Schaltungskonzept entspricht einem Bausatz der Firma ELV (Elektronik Literatur Verlag). Das abgetastete Schallplattensignal gelangt an den nicht invertierenden Eingang des OPVs. Der zum Eingang parallel liegende R1 bewirkt den nach DIN normgerechten Eingangswiderstand von 47 kΩ. Der 100 pF Kondensator verhindert hochfrequente Signaleinstreuungen. Der invertierende Eingang ist mit einem RC-Netzwerk beschaltet, wodurch die Verstärkung frequenzabhängig wird. Je höher die Signalfrequenz, desto niederohmiger ist die Rückkoppelimpedanz aus (R3 || C3) +  (R4 || C4) und die Gesamtverstärkung nimmt ab. Für niedrige Frequenzen vergrößert der Kondensator C2 im Filternetzwerk die Eingangsimpedanz am nicht invertierenden Eingang. Sie senkt die Verstärkung für diese Signale und wirkt als Subsonicfilter.

Die Übertragungskennlinie dieser Entzerrerschaltung entspricht der IEC-Norm (rot). Für Kapazitätswerte von C2 größer 47 µF wird die Eingangsimpedanz am nicht invertierenden Eingang im gesamten Frequenzbereich nur von R2 bestimmt. Der Amplitudenfrequenzgang (blau) verläuft dann nach der RIAA-Norm.

RIAA-Kennlinien

Hörbeispiel für den RIAA-Entzerrer

Die Wirkung des RIAA-Entzerrers kann im folgenden Hörbeispiel getestet werden. Der Musikausschnitt wurde mit und ohne einen Entzerrervorverstärker bei sonst gleichen Bedingungen aufgenommen. Im Flashfilm kann während des Abspielens zwischen beiden Aufnahmen umgeschaltet werden. Die Lautstärke ist zwischen 0 ... 100% einstellbar. Ein Neustart erfolgt mit dem linken Button. Die Unterschiede werden mit Laptop- oder Bildschirmlautsprechern aufgrund der eingeschränkten Wiedergabefähigkeiten im unteren Frequenzbereich weniger gut wahrgenommen.