Ausgangsimpedanz

Die Ausgangsimpedanz ist der Innenwiderstand, den ein Gerät seinem eigenen Signal in den Weg legt. Zusammen mit der Eingangsimpedanz des nächsten Geräts bildet sie einen Spannungsteiler — am Ziel kommt nur der Anteil an, der über der Last abfällt, und zwar im Verhältnis der beiden Impedanzen. Die Gleichung dazu und ihre Umrechnung in einen Dezibelwert stehen beim Spannungsteiler Quelle-Last.

Ausführliche Erklärung

Jede Quelle lässt sich als ideale Spannungsquelle mit einem Widerstand in Reihe denken. Solange nichts angeschlossen ist, fließt kein Strom, und an diesem Widerstand fällt nichts ab. Sobald eine Last daran hängt, fließt Strom durch beide, und die Spannung teilt sich im Verhältnis der Widerstände auf. Der Absolutwert sagt deshalb für sich genommen wenig: Zehn Ohm sind an einem 10-kΩ-Eingang bedeutungslos und an einem 16-Ohm-Kopfhörer eine hörbare Größe.

Rod Elliott von Elliott Sound Products hat das am ältesten Beispiel der Tontechnik durchgerechnet, dem Mikrofon mit 600 Ω Quellimpedanz an einem Eingang mit ebenfalls 600 Ω. Sein Befund gilt über dieses Beispiel hinaus: Ein Pegelverlust am Eingang kostet mehr als Pegel. Was dort verlorengeht, muss der Vorverstärker nachholen, und die nachgeholte Verstärkung bringt ihr eigenes Rauschen mit — der Verlust schlägt also auf den Störabstand durch, an der empfindlichsten Stelle der Kette. Die Zahlen dazu stehen beim Spannungsteiler Quelle-Last.

Warum niedrige Ausgangsimpedanz Stand der Technik ist

Die heutige Auslegung heißt Spannungsanpassung: Die Quelle bleibt niederohmig, die Senke ist ein Vielfaches davon. Elliott nennt dafür die üblichen Größenordnungen — Vorverstärker unter 1 kΩ am Ausgang, Endstufen mit 10 kΩ bis 47 kΩ am Eingang, Mikrofoneingänge mit 1,2 kΩ bis 3 kΩ für Mikrofone mit 600 Ω Quellimpedanz. Als Verhältnis gedacht ist das mindestens ein Faktor zehn, oft mehr.

Drei Dinge sprechen dafür, und das dritte wiegt am schwersten. Erstens bleibt der Pegel erhalten: Bei einem Verhältnis von 1 zu 10 fallen rund 0,83 dB ab, bei 1 zu 100 noch 0,09 dB — die vollständige Reihe steht in der Tabelle beim Spannungsteiler Quelle-Last. Zweitens muss keine Verstärkung nachgeholt werden, die Rauschen mitbringt. Drittens — und das ist der eigentliche Punkt — wird das Ergebnis von der Last unabhängig. Ein niederohmiger Ausgang gibt an 10 kΩ dieselbe Spannung ab wie an 47 kΩ, und damit lässt sich ein Gerät bauen, ohne zu wissen, was der Kunde daran anschließt. Genau diese Interoperabilität ist der Gegenstand von IEC 61938, in der die Internationale Elektrotechnische Kommission die empfohlenen Werte je Schnittstelle sammelt — für Mikrofone, Kopfhörer, Vor- und Endverstärker jeweils in einer eigenen Tabelle. Das Dokument bezeichnet sich selbst als Leitfaden zur gängigen Praxis und ausdrücklich nicht als Leistungsnorm; die Ausgabe von Januar 2018 hat den Empfehlungswert der Ausgangsimpedanz angepasst.

Woher hohe Werte kommen

Wo heute hohe Ausgangsimpedanzen auftauchen, hat das meist einen von drei Gründen.

Der häufigste ist ein Widerstand in Reihe zum Ausgang. Er begrenzt den Strom in eine niederohmige Last, macht den Ausgang kurzschlussfest und hält manche Verstärkerschaltung an kapazitiven Lasten stabil. Das kostet ein Bauteil für wenige Cent, und an einem Kopfhörerausgang setzt es genau dort an, wo die Last am empfindlichsten reagiert.

Der zweite Grund liegt in der Schaltung selbst. Röhrenendstufen mit Ausgangsübertrager und Konstruktionen mit wenig Gegenkopplung kommen von Haus aus auf Werte, die eine Transistorendstufe um Größenordnungen unterbietet. Ebenso jedes passive Widerstandsnetzwerk im Signalweg — ein Pegelsteller, ein passiver Abschwächer, eine mit Widerständen gebaute Verteilung.

Der dritte Grund ist historisch. Ältere Studiotechnik liegt bei Kopfhöreranschlüssen im Bereich einiger zehn Ohm, und IEC 61938 empfahl lange einen einheitlichen Quellwiderstand von 120 Ω. Übernommen wurde das nie: Der Fachautor Rūdolfs Putniņš hält in Sound On Sound fest, dass Verstärkerentwickler dem nicht gefolgt sind und dass es keinen Beleg dafür gibt, dass Kopfhörer je für 120 Ω ausgelegt wurden. Geräte nach der älteren Auslegung sind trotzdem weiter im Umlauf.

Wenn die Last keine Konstante ist

Bis hierhin war die Last eine feste Zahl. Ist sie das nicht, wird die Teilung frequenzabhängig — und aus einem Pegelverlust wird eine Klangänderung. Der Frequenzgang folgt dann dem Impedanzverlauf der Last: Wo deren Impedanz steigt, kommt mehr Spannung an, wo sie fällt, weniger.

Am deutlichsten zeigt sich das bei Mehrtreiber-In-Ears. Ihre passive Weiche erzeugt starke Impedanzsprünge über die Frequenz, und dieselbe Wandlerkombination klingt an zwei Geräten verschieden. Verbreitet ist dazu eine Faustregel: Die Ausgangsimpedanz soll höchstens ein Achtel der Kopfhörerimpedanz betragen, hergeleitet aus rund 1 dB Abweichung als Hörbarkeitsschwelle. Für einen 32-Ohm-Kopfhörer sind das 4 Ω. Moderne Geräte erfüllen das meist: Eine Messreihe von Sonarworks über 170 Smartphones fand die Werte überwiegend zwischen 1 Ω und 10 Ω. Bei professioneller Technik liegen die Unterschiede höher — Putniņš nennt zwei Audiointerfaces desselben Herstellers mit 30 Ω und 2 Ω.

Am Lautsprecher gilt dieselbe Rechnung, und dort hat ihr Kehrwert einen eigenen Namen: Wie oft die Lastimpedanz in die Quellimpedanz passt, ist der Dämpfungsfaktor — mit der Besonderheit, dass Kabel, Klemmen und Frequenzweiche voll in die Quellimpedanz zählen und den Datenblattwert des Verstärkers meist zunichtemachen. An symmetrischen Eingängen kommt eine zweite Anforderung dazu: Dort zählt weniger der Betrag der beiden Ausgangsimpedanzen als ihre Gleichheit. Jede Abweichung zwischen den Adern verschlechtert die Gleichtaktunterdrückung, und zwar unabhängig davon, wie klein die Werte für sich genommen sind.

Häufiges Missverständnis

„Die Impedanzen müssen zueinander passen" — dieser Satz stammt aus einer Zeit, in der er stimmte, und wird bis heute weitergegeben. Gemeint ist die Leistungsanpassung: Sind Quell- und Lastwiderstand gleich groß, gibt die Quelle die größtmögliche Leistung ab. Das war die Regel der Telefonie, die über lange Leitungen Leistung übertragen musste, und ihr Fossil steckt bis heute in der Pegelskala — 0 dBu sind 0,775 V, weil diese Spannung an 600 Ω genau 1 mW umsetzt, nachzulesen bei den Pegelkonventionen.

Eine Audioverbindung überträgt heute keine Leistung mehr. Gebraucht wird eine Spannung, die möglichst unverfälscht am nächsten Eingang ankommt — und dafür ist die Leistungsanpassung ein schlechter Ausgangspunkt. Elliott formuliert deshalb ausdrücklich, dass die alte Regel „600-Ω-Mikrofon an 600-Ω-Eingang" falsch ist: Sie kostet 6 dB Pegel und denselben Betrag an Störabstand, und sie bringt nichts ein, was ein Spannungseingang gebrauchen könnte.

Echte Anpassung gibt es weiterhin, nur an anderer Stelle. Sobald eine Leitung im Verhältnis zur Wellenlänge lang wird, muss sie mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen werden, sonst laufen Reflexionen zurück — das ist der Fall bei Abschlusswiderständen und Busterminierungen. Bei Audiofrequenzen auf Installationslängen tritt dieser Fall nicht ein.

Nicht zu verwechseln mit

• Impedanz: dieselbe Größe auf der Lastseite, etwa die Ohm-Angabe eines Lautsprechers oder Kopfhörers. Beide zusammen ergeben erst die Teilung; einzeln sagt keine von beiden etwas aus.
• Dämpfungsfaktor: das Verhältnis von Last zu Quelle als Zahl, nicht der Kennwert des Geräts. Ein Verstärkerdatenblatt nennt oft nur den Dämpfungsfaktor an acht Ohm; die Ausgangsimpedanz lässt sich daraus zurückrechnen.
• Abschlusswiderstand: der Widerstand am Leitungsende, der Reflexionen verhindert. Er wird bewusst gleich dem Wellenwiderstand gewählt — die einzige Stelle, an der Anpassung im alten Sinn richtig ist.
• Eingangsimpedanz: die Größe am anderen Ende derselben Verbindung. Sie soll hoch sein, wo die Ausgangsimpedanz niedrig sein soll.

In der Planung

Ein Nebenraum bekommt Ton aus dem Technikraum, und für die Lautstärke vor Ort wünscht sich der Kunde einen Drehknopf an der Wand. Zu klären ist zuerst, wo der Pegel überhaupt gestellt wird: im Gerät, das die Quelle liefert, oder im Signalweg dahinter.

Daran hängt die Wahl des Verfahrens. Ein passiver Steller ist ein Widerstandsnetzwerk im Signalweg, und er verändert die Quellimpedanz für alles, was danach kommt — am stärksten in mittlerer Stellung, also genau im üblichen Arbeitsbereich. Aus einem Ausgang mit 100 Ω wird so schnell eine Quelle mit einigen Kiloohm. Zusammen mit der Kapazität der Leitung entsteht daraus ein Tiefpass, und der wirkt schon auf kurzen Strecken: Bei 2,5 kΩ Quellimpedanz und 20 Metern Leitung mit rund 100 pF je Meter liegt die Grenzfrequenz bei etwa 32 kHz und damit nur um den Faktor 1,6 über dem oberen Ende des Hörbereichs — bei 20 kHz fehlen dadurch bereits rund 1,4 dB. Bei 100 Metern sinkt die Grenzfrequenz auf rund 6 kHz und der Verlust bei 20 kHz steigt auf gut 10 dB; ein 100-kΩ-Steller kommt in Mittelstellung auf 25 kΩ Quellimpedanz und drückt die Grenzfrequenz schon bei 20 Metern auf rund 3 kHz. Den Rechenweg über mehrere Quellwiderstände führt die Grenzfrequenz aus Quellwiderstand und Kabelkapazität. Die Alternative ist eine aktive Pegelstellung — ein Wandbedienfeld, das den Pegel im Gerät ändert, statt im Signalweg Spannung zu vernichten.

Welches Bedienelement es dann wird, entscheidet sich zuletzt. Wer umgekehrt vorgeht und zuerst den Wandsteller aussucht, hat die Quellimpedanz des ganzen Wegs festgelegt, bevor überhaupt feststand, wie lang dieser Weg wird.

Verknüpfte Inhalte

Was die Lastseite bedeutet und warum sie über die Frequenz schwankt, steht bei Impedanz. Wie sich dasselbe Verhältnis am Lautsprecher auswirkt und warum das Kabel es deckelt, steht beim Dämpfungsfaktor und bei Lautsprecherleitungen als Leistungsweg. Warum an symmetrischen Verbindungen die Gleichheit der beiden Quellimpedanzen wichtiger ist als ihr Betrag, erklärt die Gleichtaktunterdrückung. Woher die 600 Ω in der Pegelskala kommen, steht bei den Pegelkonventionen, und was eine hohe Ausgangsimpedanz konkret an Kopfhörern anrichtet, bei Kopfhörer als eigener Wiedergabeweg im System. Gerechnet wird die Teilung beim Spannungsteiler Quelle-Last — dort steht auch, wie viel Pegel bei welchem Impedanzverhältnis verloren geht.

Quellen

Der Spannungsteiler, das 600-Ω-Beispiel mit seinen 6 dB Pegel- und Rauschabstandsverlust sowie die üblichen Größenordnungen für Aus- und Eingangsimpedanzen folgen Elliott, ebenso die Feststellung, dass die alte Anpassungsregel für Mikrofone falsch ist. Geltungsbereich, Ausgabe und Tabellenaufbau von IEC 61938 sind an Katalogeintrag und Vorschaufassung geprüft; die Zahlenwerte der Tabellen lagen nicht vor. Die Geschichte der 120-Ω-Empfehlung, die Klangverschiebung entlang der Impedanzkurve und die Messreihe über 170 Smartphones stammen aus dem Fachartikel von Rūdolfs Putniņš in Sound On Sound. Die Ein-Achtel-Regel und die Beispielzahlen zu Mehrtreiber-In-Ears sind nur über einen pseudonym geführten Blog belegt und entsprechend markiert.