Signal- zu Geräusch-Kurven von Empfangs-ICs

Signal-zu-Rauschen bei Radios mit ICs

Die Empfindlichkeit eines Empfängers läßt sich nicht beliebig erhöhen. Die Grenze ist dadurch gegeben, daß das empfangene Signal schließlich durch das Rauschen der Eingangsstufen (und  die Störungen auf dem Übertragungsweg) so weit verdeckt wird, daß die im Signal enthaltene Information darin "untergeht".

Daher wird die Schwelle für das Signal- zu Noise-Verhältnis, ab wann z.B. ein brauchbarer AM-Empfang gegeben ist, mit 26 dB definiert.

In den '70er Jahren hielten Integrierte Schaltkreise (ICs) verstärkt Einzug in die Schaltungstechnik der Empfänger. Da sich in ICs insgesamt viel mehr Transistoren befinden, als Transistoren für eine diskret aufgebaute Schaltung "üblich" waren, spielte dadurch das in den ICs entstandene Rauschen eine Rolle.

In den Datenblättern von Empfangs-ICs waren daher Kurven zu finden, die das Signal- zu Geräusch-Verhältnis in Abhängigkeit der Stärke des Empfangsignals darstellten.

Als Beispiel eines frühen Empfänger-ICs für LMK wird das Signal/Noise (S/N) Diagramm für den TCA 440 betrachtet.

Wie diesem Diagramm zu entnehmen ist, wird das Signal bereits bei einer Empfangsspannung von 1 μV fast "voll" wiedergegeben. Allerdings erreicht der S/N Abstand erst bei etwa 5-6 μV die Schwellengröße von 26 dB.

Für kleinere Empfangspegel ist das Rauschen also deutlich zu hören. ("Das rauscht ja wie bei UKW!")

Bei höherwertigen Empfängern bedeutet dies aber eine Verschlechterung gegenüber z.B. den "Vorjahres-Modellen", die noch mit diskreten Transistoren bestückt waren, denn diese hatten hier günstigere Eigenschaften.

Folglich war bei diesen Modellen der "oberen Klassen" dieses IC nicht einsetzbar. Aber die Rationalisierungsvorgaben verlangten, daß auch hier entsprechende ICs verwendet werden sollten. So man welche findet...

Vor diesem Problem stand z.B. das "Labor V" bei Grundig auch. Und hier gab es mit Hans Knoll einen Entwickler, der die dafür notwendige Idee hatte und Valvo davon überzeugen konnte, ein Empfangs-IC mit geeigneten Eigenschaften zu entwickeln.

Das Empfangs-IC, das dabei entstand, ist der TBA570. Das nächste Bild zeigt dessen S/N Diagramm.

Auf den ersten Blick erscheinen diese Kurven ja ungünstiger zu sein als die vom TCA440!?? Schließlich ist das Signal bei kleinen Empfangssignalen viel "leiser". Ja, aber der Versuch zeigt, daß dann trotzdem das ansteigende Rauschen nicht stört! Diese empirisch im "Labor V" gefundene Rausch-Signal-Kurve - und die fast so aussieht wie die Sihouette eines Elefanten - läßt sich mit den von Akustikern ermittelten Ergebnissen begründen, obwohl dort keine direkten Aussagen zu diesem Problem zu finden sind.

Ein indirekter Hinweis findet sich z.B. nur in "Dickreiter, M.: Handbuch der Tonstudiotechnik, Bd.1, Saur, 1987".

Eine wichtige Eigenschaft des menschlichen Gehörs ist die Fähigkeit, seine Empfindlichkeit einem bestimmten, gerade herrschenden mittleren Schallpegel anzupassen, ähnlich wie sich das Auge an verschiedene Helligkeitsgrade anpassen kann*). Dadurch werden z. B. gleichmäßige Hintergrundgeräusche im Höreindruck stark zurückgedrängt, dadurch kann sich das Gehör aber auch innerhalb bestimmter Grenzen an verschiedene Wiedergabepegel beim Anhören von Tonproduktionen anpassen, ohne daß dabei ein wesentlicher qualitativer Unterschied besteht. Denn das Gehör bildet sich aus den mannigfaltigen Reizeinwirkungen ein Bezugssystem, Anpassungsniveau genannt, an dem sich die einzelnen Urteile wie laut – leise, aber auch hell – dunkel und hoch – tief als, an einem Mittelwert orientieren. Diese Anpassung hat aber auch zur Folge, daß ein gleichmäßiger Dauerton mit zunehmender Zeitdauer immer leiser erscheint; das Gehör ermüdet und ordnet diesen Dauerschall als unwichtigeres Hintergrundgeräusch ein.

*) Dies ist eine "logarithmische" Anpasssungsfähigkeit wie im Post "Lautstärke und Lautheit" dargestellt ist.

Von der "gehörrichtigen Lautstärke" her ist bekannt, daß bei linearer Absenkung des Schallpegels die Tiefen und - hier vor allem wichtig - auch die Höhen nicht mehr so stark wahrgenommen werden. Der Ton klingt dann "flacher". Aber genau dieser Effekt ist es, der den Erfolg der "Elefanten-Kurve" ausmacht. Mit der "Verflachung" des Tones bei abnehmender Lautstärke wird dann auch das Hintergrund-Rauschen stärker verdeckt und tritt nicht mehr störend in den Vordergrund.

Eines der Nachfolger ICs ist der TDA1072, welches in vielen Geräten aus diesem Zeitraum zu finden ist, speziell auch in Auto-Radios.

Die linke Abb. zeigt wieder die "Elefanten-Kurve". Die rechte Abb. zeigt, wie der Signal-zu-Geräusch-Abstand mit steigender Eingangsspannung ansteigt. Zusätzlich ist auch noch der Verlauf des Gesamt-Klirrfaktors eingetragen.

Das unmittelbare Nachfolger IC des TCA440 von Siemens, der TDA1046, hat ebenfalls die "Elefanten-Kurve" implementiert! Damit hat sich diese Charakteristik schließlich weltweit durchgesetzt.

Signal-zu-Rauschen bei Röhrenradios

In der Literatur zu Röhrenradios ist zu dieser Themenstellung praktisch kaum etwas zu finden. Warum eigentlich nicht?

Der Grund davon ist ganz einfach:

• Bei Röhrenradios - aber auch bei Transistorradios mit Einzeltransistoren - wußten die Entwicklungsingenieure, wie sie zu dimensionieren hatten. Daher konnten praktisch alle Parameter der Schaltung beeinflußt werden.
• Bei Radios, die mit ICs aufgebaut sind, hat der Entwickler der Geräte praktisch kaum noch Einflußmöglichkeiten auf die (in Silizium gegossenen) Eigenschaften der Empfangs-ICs. Daher werden nun entsprechend mehr Kennlinien (dieser ICs) benötigt, um ein Gerät zu optimieren.

Hinweise darauf, wie die Entwickler früher das Problem gelöst haben, finden sich z.B. bei Zepler und bei Dammers et. al. Der "Trick" bestand darin, die "Verzögerungs-Spannung" (delay) für den ZF-Gleichrichter geeignet zu wählen.

Im linken Bild (Fig. 118) ist außer den Regelkurven auch noch die Rauschspannung gestrichelt eingezeichnet. Man erkennt, daß hier das Maximum der Rauschspannung in den Bereich fällt, wo die Ausgangsspannung noch mit der HF-Eingangsspannung ansteigt. Im rechten Bild (Abb. 56) sind (wie in den meisten Literaturstellen üblich) nur die Regelkurven dargestellt, die - im Unterschied zum IC - auch für höhere Eingangsspannungen noch leicht ansteigen. Aus dem Text unter Abb. 56 geht hervor, daß die Verzögerungsspannung so zu wählen ist, daß die Regelung erst bei Vollaussteuerung der Endstufe einsetzt. Genau diese Vorschrift ergibt also auch hier die "Elefanten-Kennlinie".

Wie gut die Entwickler das in den '50er Jahren bei Röhren-Radios realisiert haben, zeigen Meßkurven, die damals im Radio-Mentor veröffentlicht wurden.

Beide Beispiele für diese Messungen zeigen den "Rüssel des Elefanten", also genau den Teil, auf den es ankommt, wenn bei schwachen Eingangssignalen das Rauschen nicht störend hervortreten soll.

MfG DR

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