Nicht-lineare Verzerrungen

Zunächst ein paar notwendige Hintergrundinformationen: Wenn wir über Gegenkopplung und nicht-lineare Verzerrungen sprechen, reden wir automatisch von verstärkenden Bauteilen wie Röhren, bipolaren Transistoren, Jfets oder Mosfets. Und umgekehrt führt uns die Betrachtung solcher Bauteile schließlich auch zum Thema nicht-lineare Verzerrungen. Hier einige einfache Schaltbilder der oben genannten Bauteile:

In allen diesen Fällen fließt ein Strom von Pin 1 zu Pin 2 als Funktion der Spannung zwischen Pin 3 und Pin 2. Bei der Röhre zum Beispiel fließt der Strom von der Anode zur Kathode, und die Stromstärke ist im Wesentlichen von der Spannung zwischen dem Gitter und der Kathode abhängig. Bei den anderen Bauteilen verhält sich der grundsätzliche Zusammenhang analog, auch wenn er in den Details natürlich variiert. Generell kann man Pin 3, an welchem das zu verstärkende Signal anliegt, als eine Art Ventil ansehen, welches den größeren Strom zwischen den anderen beiden Pins steuert.

Alle verstärkenden Bauteile verstärken prinzipiell nie perfekt. Misst man ihren Verstärkungsfaktor, so werden jeweils unterschiedliche Werte dabei herauskommen. Nimmt man sich ein bestimmtes Bauteil heraus und misst dessen Verstärkungsfaktor, so lässt sich feststellen, dass dieser variiert, je nach dem, wie viel Strom durch das Bauteil fließt. Zudem schwankt er auch in Abhängigkeit von den Spannungsverhältnissen im Bauteil – und je nach dessen Temperatur. Diese drei Abhängigkeiten erzeugen nicht-lineare Verzerrungen.

Verzerrungen sind also das Ergebnis eines nicht konstanten Verstärkungsfaktors. Besäßen diese Bauteile unter allen möglichen Umständen einen perfekt konstanten Verstärkungsfaktor, würden sie keine Verzerrungen produzieren. Die meisten Kopfschmerzen bereiten uns nun Bauteile, deren Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit vom Audiosignal selbst schwankt. Das Signal geht hinein und kommt mit einer anderen Wellenform wieder hinaus. Die Verstärkung geschieht nicht 100%ig korrekt – sie ist gewissermaßen „verbogen worden“, oder anders gesagt: nicht-linear.

Hierbei ist es wichtig, zu verstehen, dass, wenn ein Signal erst einmal durch ein Verstärkungselement hindurchgegangen ist, welches sich (wenn auch nur geringfügig) nicht-linear verhält, es für immer verzerrt bleibt. Es lassen sich danach verschiedene Techniken zur Verzerrungsreduzierung anwenden, doch zum Ursprung gelangt man nicht mehr zurück.

Das Problem verschärft sich, wenn ein komplexes Signal aus mehreren Frequenzen zeitgleich durch ein nicht-lineares Verstärkungsbauteil fließt; oder auch, wenn ein einfaches Signal nacheinander durch mehrere nicht-lineare Bauteile hindurch muss. Natürlich kann beides auch gleichzeitig geschehen und dies kann sich dann – wie wir nachher noch sehen werden – zu einem veritablen Verzerrungs-Sturm aufsummieren.