Überprüfen Sie den Biasstrom – Oder: Wie man dafür sorgt, dass ein Segen auch Gehör findet

Die Biasströme in modernen Verstärkern sind äußerst gering. Muss ich mich überhaupt um sie kümmern?

Es geschah eines Sonntags bei einer Messe in einer Kirche im irischen Limerick (dort befindet sich eine Fertigungsstätte von Analog Devices), die mein Kollege James Bryant besuchte. Der Priester schien beinahe zu flüstern, als er seinen Segen in das Mikrofon sprach: „Der Herr sei mit Euch.“ Die Verstärkeranlage schwieg, und so konnten höchstens die Menschen in der ersten Reihe den Geistlichen verstehen, der anschließend das Mikrofon in die Hand nahm und murmelte „Da stimmt was nicht mit dem Mikrofon!“ Dieser Satz wiederum wurde von der Verstärkeranlage klar und deutlich wiedergegeben und schallte durch die Kirche, was einige Gläubige herausplatzen ließ: „Mit Ihnen auch nicht!“ James konnte sich das Lachen nur mit Mühe verkneifen und bot dem Priester nach dem Gottesdienst seine Hilfe an.

Er stellte fest, dass es sich um ein Tauchspulenmikrofon mit einer differenziellen Verbindung zu einem Vorverstärker des Typs SSM2019 handelte. Das Mikrofon war absolut in Ordnung und lieferte ein Signal an die Verstärkereingänge. Lediglich die Verbindung zwischen der Kabelabschirmung und dem metallenen Mikrofongehäuse war unterbrochen. Eine fehlende Masseverbindung kann ein Brummen verursachen (was kaum zu hören war), aber weshalb sollte dieser Fehler den Verstärker mattsetzen?


title=“Uwe Bröckelmann, Analog Devices“ src=“https://autor.vogel.de/wp-content/uploads/2012/02/Broeckelmann_150x175.jpg“

Die Antwort erhielt er, als er die Vorverstärker-Schaltung näher untersuchte. Die Biasströme der beiden SSM2019-Eingänge flossen über den Mittenabgriff des Mikrofons, der mit dem Mikrofongehäuse verbunden war. Durch die unterbrochene Masseverbindung aber konnten die Biasströme nirgendwo hinfließen, und der Verstärker stellte seinen Betrieb prompt ein. Erst als Pater Adian das Mikrofon in die Hand nahm, konnte über seinen Körper genügend Strom fließen, sodass die Schaltung wieder funktionierte – wenn auch mit einem gewissen Brummen.

Alle verstärkenden Bauelemente, ob Bipolartransistoren, JFETs, MOSFETs oder sogar Elektronenröhren, weisen an ihren Eingängen Gleichströme auf, die man als Biasströme bezeichnet. Bei einigen JFETs und MOSFETs betragen diese nicht mehr als 20 fA, also 210 14A, was ungefähr einem Elektron alle 8 Mikrosekunden entspricht. An den Eingängen von Operationsverstärkern und Instrumentenverstärkern liegen die Biasströme dagegen typisch im Pico- bis Mikroampere-Bereich.

Eine Schaltung, bei deren Entwurf diese Ströme nicht gebührend berücksichtigt wurden, wird also nicht ordnungsgemäß (unter Umständen auch gar nicht) funktionieren. Weil diese Ströme aber so extrem gering sind, reicht oft schon ein gar nicht in Betracht gezogener Strompfad (wie in diesem Fall über Pater Adian) aus, um die Schaltung trotzdem funktionieren zu lassen – wenn auch wahrscheinlich nicht besonders gut.

Gute Analog-Designs zeichnen sich aber dadurch aus, dass sie die von Biasströmen verursachten Effekte nicht dem Zufall oder dem Glück überlassen, sondern von vornherein einkalkulieren und dafür sorgen, dass sie sich weder auf die Leistungsfähigkeit noch auf die Funktionsfähigkeit auswirken.

James beschränkte sich deshalb auch nicht darauf, die unterbrochene Verbindung zu reparieren, sondern versah die Verstärkereingänge zusätzlich mit zwei gleichen, jeweils zur Masse führenden Widerständen. Damit war gewährleistet, dass künftige Massefehler im Mikrofon vielleicht ein Brummen hervorrufen, aber keinesfalls Pater Adian zum Schweigen bringen werden.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

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