Phasenverschiebung Messung

Die Phasenverschiebung ist eine wichtige Kenngröße für Verstärker, Filter, Leitungen und elektronische Bauelemente

Einführung

Verstärker haben eine begrenzte Geschwindigkeit, d.h. sie können Signale nur bis zu bestimmten Frequenzbereichen sinnvoll übertragen. Darüberhinaus reagieren sie mit verringerter Amplitude als ursprünglich vorgesehen, sie wird außer im Fall der Oszillation kleiner. Zusätzlich zur verringerten Amplitude verschiebt sich die Phase gegenüber dem Eingangssignal, d.h. das Ausgangssignal kommt verzögert aus dem Ausgang heraus. Das ist immer so, der Ursache folgt die Wirkung. Phasenverschiebungen treten überall in der Elektrotechnik auf, ich möchte mich auf Verstärker beschränken.

Bedeutung der Phasenverschiebung für einen Hifi Verstärker

Bereits eine einfache Phasenverschiebung verursacht ein verändertes Signal. Phasenverschiebungen verursachen lineare Verzerrungen, sie fügen dem Signal jedoch keine neuen Frequenzen hinzu. Während nichtlineare Verzerrungen dem Signal neue Frequenzen hinzufügen und dabei akustisch deutlicher hörbarer sind. Idealerweise sollte ein Hifi Verstärker nur wenig Phasenverschiebung innerhalb der Audio Bandbreite aufweisen. Um jedoch eine geringe Phasenverschiebung von z.B. nur einem Grad bei 20 kHz zu gewährleisten, muß die Bandbreite des Hifi Verstärker doch schon ordentlich hoch sein, eine Bandbreite von 50 kHz reicht da bei weitem nicht aus. Eine hohe Bandbreite eines Hifi Verstärker ist vorteilhaft und notwendig, um eine sehr geringe Phasenverschiebung innerhalb des Audio Bereichs zu erreichen. So lassen sich lineare Verzerrungen sehr stark reduzieren. Sicher, lineare Verzerrungen haben nicht die gleichen bedeutenden akustischen Auswirkungen wie nichtlineare Verzerrungen. Aber auch lineare Verzerrungen entsprechen nicht im geringsten dem Idealbild von einem Verstärker. 

Die Meinungen ob lineare Verzerrungen starke Auswirkungen auf den Klang haben oder nicht, da gehen die Meinungen weit auseinander, das spielt jedoch hier überhaupt keine Rolle. Aus elektrotechnischer Sicht entsprechen sie in keinster Weise dem idealen Verstärker.

Bild 1  zeigt die Messung von zwei sinusförmigen Spannungen gleicher Amplitude und 1 kHz, jedoch mit einer Phasenverschiebung von -45 Grad. Die Phasenverschiebung ist am verwendeten Generator Tektronix AWG430 frei einstellbar. Als Sope dient ein Tektronix TDS5054. Große Phasenverschiebungen sind mit Oszilloskopen leicht zu messen, egal ob analoge oder digitale Geräte. Kleinere Phasenverschiebungen stellen höchste Forderungen an die Messtechnik, mit dem Oszilloskop oft nicht mehr messbar.

Bild 2 zeigt das Oszilloskope zweier sinusförmigen Spannungen, deren Phasenverschiebung ist auf 1,0 Grad eingestellt. Mit der Cursor Funktion läßt sich eine Zeitdifferenz von 2,8 µs ablesen. Für die 1 kHz bedeutet das: 1 kHz = 1ms entsprechen 360 Grad. Dann entsprechen 1 Grad = 1ms/360°=2,77µs. Das Scope mißt hier recht gut. Beide Vertikalkanäle wurden auf AC Kopplung eingestellt, um verfälschende Offsetspannungen zu unterdrücken. Dieses moderne Oszilloskop  verfügt über die Möglichkeit, die vertikale Ablenkung auf 20mV/DIV zu reduzieren, trotz einer Amplitude von 1,4 V. Die Zeitbasis kann dadurch von 200µs auf 400ns/DIV reduziert werden, viele Oszilloskope wären dazu nicht in der Lage, noch etwas brauchbares darzustellen. Trotz der Leistungsfähigkeit dieses Oszilloskopes, ist diese Methode doch recht mühsam. Sie wird mit kleiner werdenden Phasenverschiebungen immer unsicherer.

 Eine weit aus bessere Methode ist es ein Phasenmessgerät zu verwenden und das Oszilloskop nur für begleitende Kontrollfunktionen. Geeignete Geräte zur Phasenmessung sind beispielweise Netzwerkanalysatoren mit hochohmigem Eingang, in vielen Variationen hergestellte Phasenmessgeräte wie z.B. HP3575A und Krohn - Hite 6500A. Damit läßt sich die Phasenverschiebung bequem ablesen. All diese Methoden haben jedoch eines gemeinsam, sie benötigen eine gemeinsame Masse der beiden zu messenden Kanäle.

Möglich, daß es Sondergeräte gibt ohne die Notwendigkeit des gemeinsamen Massebezugs. Problematisch ist die Phasenmessung z.B. für Verstärker in Brückenschaltung, ohne gemeinsame Masse, hier helfen fast nur noch Differenzverstärker. Versuch der Phasenmessung am "Wald und Wiesen" Verstärker in Brückenschaltung: Phasengang Wald und Wiesen Verstaerker

Problematisch sind sicher auch Offsetspannungen, die jedoch durch die AC Kopplung unterdrückt werden können. Der Fehler durch die AC Kopplung muss mit berücksichtigt werden, insbesondere bei niedrigen Signalfrequenzen. Mit zunehmender Frequenz wird das Messen von Phasenverschiebungen immer schwieriger. Beispielsweise entsprechen 1 MHz = 1µs Periodendauer. Um ein Grad aufzulösen, muß eine Zeitdifferenz von nur 1µs/360° = 2,8 Nanosekunden messbar sein.