Rail to Rail

Eine besondere Kostbarkeit aus Sicht der Optimierung der Dynamik stellen die sogenannten Rail to Rail Operationsverstärker dar, die in den letzten Jahren vermehrt in den Analogteilen von digitalen Audiogeräten zu finden sind. Da der Digitalteil des überwiedenden Teils der Geräte mit einer Betriebsspannung von 5 Volt arbeitet, ist der zusätzliche Aufwand für eine Stromversorgung des analogen Teils mit 'Hochspannung' natürlich beträchtlich. In Anbetracht des geringen Umfangs der analogen Audio Schaltkreise, der in den meisten Geräten dieser Art lediglich aus Verstärkern an den Eingängen und Ausgängen besteht, kostet die Stromversorgung mit hoher Spannung ein Vielfaches der eigentlichen analogen Schaltungen. Findige 'Erbsenzähler' warten hierzu mit einer unkonventionellen Lösung auf, dem Rail to Rail Operationsverstärker. Rail to Rail heißt nichts weider als Schiene zu Schiene. Gemeint ist hiermit, dass die interne Schaltungsauslegung dieser integrierten Schaltungen darauf optimiert ist, dass die Ausgangsspannung möglichst nahe an die durch die Spannungsversorgung vorgegeben Grenzen heranreichen kann. Dies gelingt allerdings nur teilweise, sodass ein Rail to Rail OpAmp in der Realität ein 'fast Rail to fast Rail' OpAmp wird. Bei der üblichen Speisespannung von 5 Volt ist ein Aussteuerungshub von mehr als 4.5 Vss nicht erreichbar. Dies entspricht einem Effektivwert von knapp 3.2 Volt und einem Pegel von + 8 dBu.

Betrachtet man das Rauschen solcher OpAmps, so stellt man schnell fest, dass trotz gegenteiliger Beteuerungen der Hersteller, die Rauschwerte nicht günstiger sind, als die von Schaltkreisen, die mit deutlich höheren Speisespanungen betrieben werden können. Diese Aussage gilt auch nur für einen kleinen Teil der Gattung; die meisten Expemplare liegen im Rauschen deutlich höher. Setzt man die mit solchen konventionellen Verstärkern erreichbare Aussteuerbarkeit von + 24 dBu bis + 25 dBu in Relation, so wird klar, dass die Einsparung einer gesonderten Stromversorgung mit einer um 16 bis 17 dB geringeren Dynamik erkauft wid.

Eine wirksame Unterdrückung der auf der Speisespannung einer digitalen Schaltung üblicherweise vorhanden Störungen ist hier ebenfalls nicht möglich. Diese Störungen entsrehen durch Rückwirkungen, der Taktfrequenzen und Schaltvorgänge der aktiven digitalen Komponenten, die zu einer sich permanent mit harten Flanken verändernden Stromaufnahme führt. Reste dieser Flanken und der Taktfrequenzen finden sich immer als Störüberlagerung auf der Speisepannung wieder. Jeder der einmal die Betriebsspannung einer digitalen Schaltung oszilligraphiert hat, kennt diesen Effekt, der jedoch in für analoge Audioschaltungen bereits tötlichen Bereichen nicht zu Beeinträchtigungen der Funktion des Digitalsystem führt. Da die Versorgung des Digitalteils dann auch für den viel sensibleren Analogteil verwendet wird, wäre hier eine effektive Ausfilterung der Störungen nötig. Jedes Filterung ist jedoch wieder mit einem Spannungsabfall und damit mit einer weiteren Reduzierung der Aussteuerbarkeit verbunden. Die Störspannungen gelangen ohne effektive Filterung zwangsläufig über die Speisespannung in die analogen Schaltkreise. Sie werden dort zwar gedämpft; in welchem Masse hängt aber von den verwendeten Halbleitern, der Verstärkung und weiteren Faktoren der jeweiligen Schaltung ab.

Fazit

Es ist eigentlich immer gleich - man erreicht mit einem vertretbaren Aufwand ein relativ hohes Qualitätsniveau. Will man darüber hinaus Verbesserungen realisieren beginnt ein harter Kampf um jedes dB zusätzlicher Dynamik, der mit hohem Aufwand und exponentiell steigenden Kosten verbunden ist.