Harmonische Verzerrungen und Klang

Viele Audiophile sind davon überzeugt, dass K2-Verzerrungen klanglich gegenüber K3-Anteilen vorzuziehen sind. Sicherlich besitzen sie den einfacheren Charakter und es besteht weitgehend Übereinstimmung darüber, dass Verzerrungen höherer Ordnung – also jenseits der 3ten Harmonischen – hörbarer sind und weniger musikalisch. Aber wie auch immer: Gibt man Hörern die Wahl zwischen einem Verstärker mit K2-Charakteristik und einem vom K3-Typ, so wird ein ordentlicher Anteil des Auditoriums den K3-Kandidaten präferieren.

In den letzten 35 Jahren habe ich viele unterschiedliche K2-/K3-Typ-Verstärker entwickelt. Mit Typ meine ich, dass die Class-A-Schaltungen der Amps entweder in Single-Ended oder Push-Pull ausgeführt wurden und insofern zu K2- oder K3-Verzerrungen tendierten – aber sie wurden nicht entworfen, um vorsätzlich zu verzerren.

Es scheint mir so zu sein, dass ungefähr ein Drittel der Kunden K2-Verzerrungen mag, ein weiteres Drittel den K3-Typ und das letzte Drittel schließlich entweder beide Verzerrungsformen, oder keine von beiden. Freilich gibt es auch nicht wenige, die Ihren diesbezüglichen Hörgeschmack im Zeitablauf ändern …

Wie auch immer, das Thema verkompliziert sich noch dadurch, dass K3-Typ-Verstärker in der Regel die insgesamt geringeren Verzerrungswerte besitzen. 3te Harmonische weisen gemeinhin einen negativen Koeffizienten auf, etwas, das man in gewisser Weise auch als „Kompression“ bezeichnen kann – siehe oben in Grafik Nr. 3 [die Scheitelpunkte beziehungsweise die „Spitzen“ werden abgeflacht, komprimiert / Anm. fairaudio]. Ungeradzahlige Verzerrungen können auch die Amplitude des Ursprungssignals verändern – ein Umstand, der auf einem Verzerrungsmessgerät normalerweise unsichtbar bleibt.

HighEnder werden bisweilen beschuldigt, K2- oder K3-Verzerrungen als Klangregler zu missbrauchen, um bewusst das Signal zu verändern. Ich vermute, dass es das schon gibt, halte es aber nicht für die Regel. Aus Gründen, die erst im weiteren Verlauf – wenn ich die IM-Verzerrungen behandele – klar werden, ist ein hohes Verzerrungslevel (egal, um welche Harmonischen es hierbei geht) besonders dann problematisch, wenn es um die Wiedergabe von Musik mit einer Vielzahl von Instrumenten geht. Hier verliert das Argument, K2-/K3-Verzerrungen verfügten über eine eigene Art „Musikalität“, so langsam wirklich seine Gültigkeit.

Der Klang von Schaltungen des K2-Typs wird häufig als „warm“ beschrieben – beim K3-Typ hingegen ist öfter von einer besonderen „dynamischen Kontrastierung“ die Rede. Verstärker mit Verzerrungen zweiter Ordnung scheinen gut mit einfach instrumentierter Musik umgehen zu können, während der K3-Typ für komplexere Musik die bessere Wahl sein dürfte. In Grafik Nr. 4 (siehe unten) werden die Verzerrungswerte von zwei Class-A Verstärkern, die ohne Gegenkopplung arbeiten, gegenübergestellt: Die blaue Linie zeigt die Single-Ended Schaltung, die rote die Push-Pull Variante:

Hieran lässt sich sehen, dass die Verzerrungen des K2-Typs reziprok zur Ausgangsspannung (der Wurzel aus der Leistung) abnehmen, während die vom K3-Typ reziprok zum Quadrat der Spannung (umgekehrt proportional zur Leistung) geringer werden. Es mag sein, dass es zwischen diesem Zusammenhang und der Wahrnehmung „warm“ vs. „dynamisch“ ebenfalls eine Beziehung gibt – aber zurzeit ist mir das noch nicht ganz klar.

Ob Sie nun der K2- oder der K3-Typ sind … lassen Sie uns darüber übereinstimmen, dass wir das Verzerrungsniveau insgesamt minimieren möchte. Und auch wenn wir die Verzerrungen nie ganz eliminieren können – lasst uns ferner übereinkommen, dass uns die 2ten und 3ten Harmonischen lieber sind als höher-harmonische, also K4, K5, K6 usw.

Um den gewünschten niedrig-harmonischen Charakter zu erreichen, benötigen wir „weichere Krümmungen“ der Bauteil-Kennlinien. Das heißt in aller Regel dann Class-A Betrieb. Grafik Nr. 5 zeigt das harmonische Verzerrungsspektrum eines von einer Push-Pull Schaltung verstärkten 500 Hz Signals, welche einmal in Class-A und einmal in Class-B ausgeführt wurde. Beim Class-A Betrieb tauschen wir letztlich die geringere Energieeffizienz gegen den glatteren Verlauf der Kennlinie ein. Beide „Hälften“ einer Push-Pull Verstärkungsstufe teilen sich dann nahtlos die Last und leiten die ganze Zeit Strom. Bei Class-B wird hingegen zu keinem Zeitpunkt gemeinsam verstärkt. Der populäre Kompromiss nennt sich Class-AB, hierbei erfolgt die „Arbeitsteilung“ in einem gewissen Bereich der Kennlinie.

Der höher-harmonische Verzerrungsanteil bei Class-B Verstärkern führt uns zum Begriff Monotonie (siehe Wikipedia). In unserem Zusammenhang geht es um das Level an Verzerrungen und den Ausgangspegel.

Die recht geringen Verzerrungen eines Class-A Verstärkers resultieren aus einem monotonen Kurvenverlauf, welcher die Beziehung zwischen Leistung und Verzerrungen angibt. Das heißt nichts anderes, als dass die Verzerrungen abnehmen, wenn die Ausgangsleistung sinkt. Dies impliziert gleichzeitig den niedrig-harmonischen Verzerrungstyp (K2/K3), welcher tendenziell besser klingt.

Zeigt eine Kurve aber steigende Verzerrungswerte, wenn die Ausgangsleistung sinkt, dann haben wir es hierbei mit Crossover-Verzerrungen zu tun, die durch die „Übergabe der Verstärkungsarbeit“ von einem Bauteil der Push-Pull-Schaltung zum anderen verursacht werden. Höher-harmonische Verzerrungen sind die Folge.

Das Beispiel aus Grafik Nr. 4 zeigte einen Verzerrungsverlauf, welcher zusammen mit der Leistungsabgabe eines Class-A Verstärkers abfällt. Grafik Nr. 6 stellt nun einen Push-Pull Verstärker in Class-A (rot) einem in Class-B (blau) gegenüber:

Im richtigen Leben schaut dies natürlich anders aus, denn die Verzerrungen des „blauen“ Verstärkers würden aller Wahrscheinlichkeit nach durch die Verwendung von Gegenkopplung wieder reduziert werden – und die Marketingabteilung wäre in der Lage, THD-Werte von unter 0,05% anzugeben. (Um alle Missverständnisse auszuschließen: Alle Grafiken in diesem Artikel zeigen das Verhalten ohne Gegenkopplung, falls nicht anders vermerkt.)