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Gegentaktverstärker mit Transistoren
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Dauerbetrieb über längere Zeitspannen als ungeeignet erweisen können.
Die Gegentakt-Transistor Verstärker liefern eine gute Reproduktion bei hohem Wirkungsgrad, wenn sie im B- oder C-Betrieb arbeiten, doch zeigen sie einen Bereich mit Nullverstärkung, d. h. eineLücke in der Beziehung von Ausgangs- zu Eingangsspannung. die im Übergangsbereich von positiven zu negativen
Eingangssignalen liegt, so dass Signale geringer Stärke trotz direkter Kopplung im Verstärker verlorenge- hen können. Dieser Mangel ist bei Übertragungssystemen, bei welchen an die Reproduktion innerhalb des gesamten Amplitudenbereiches hohe Anforderungen gestellt werden, nicht tolerierbar.
Durch Betrieb des
Verstärkers alsA-Verstärker oderAB-Verstärker kann die erwähnte Ansprechlücke des Verstärkers verklei- nert werden, doch wird dabei der hohe Wirkungsgrad geopfert und es ist eine höhere Präzision der Schal- tung erforderlich, woraus folgt, dass eine direkte Kopplung bei dieser BetriebsartderVerstärkernichtsinn- voll ist.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, direkt gekoppelte Gegentakt-Transistorverstärker zu schaffen. die einen hohen Wirkungsgrad und hohe Betriebssicherheit aufweisen und eine formgefreue Reproduktion in- nerhalb eines weiten Amplitudenbereiches von Signalen, einschliesslich schwächster Signale, ermögli- chen.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird bei der Erfindung dem Gegentaktverstärker eine speziell geschal- tete Korrekturstufe zugeordnet. Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass es bereits bekannt ist, Ge- gentaktverstärker mit Transistoren für Stabilisierungszwecke mit zusätzlichen Korrekturstufen auszustat- ten, die allerdings schaltungsmässig von der Erfindung grundlegend abweichen.
Ein gemäss der Erfindung ausgebildeter Gegentaktverstärker mit zwei komplementär-symmetrisch ge- schalteten, eine Leistungsstufe bildenden Transistoren und einer Korrekturstufe ist dadurch gekennzeich- net, dass dieKorrekturstufe einenDifferenzverstärker enthält und die Signalquelle sowohl an die Eingangs- elektroden der Transistoren des Leistungsverstärkers als auch an einen Eingang des Differenzverstärkers an- geschlossen ist, während die Ausgangselektroden der Transistoren des Leistungsverstärkers sowohl anden
Verbraucheranschluss als auch an einen zweiten Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen sind und der Ausgang des Differenzverstärkers mit dem Verbraucheranschluss verbunden ist.
Die Transistoren der Leistungsstufe gehören entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen an und sind so ge- schaltet, dass das Eingangssignal auf die miteinander verbundenen Basiselektroden wirkt und das Ausgangssignal von ihren zusammengeschaltetenEmitterelektroden abgenommen wird, so dass sich eineEmitterfol- ge- bzw. Kollektorbasisschaltung ergibt. Die als B-Verstärker betriebenen Transistoren werden bei Empfang von Eingangssignalen gegensinniger Polarität alternativ leitend und liefern das gewünschte verstärkte Ausgangssignal an den Verbraucher Vorzugsweise soll über die beiden Transistoren in Serie kein Gleichstrom fliessen. Bei dieser Schaltungsanordnung und Betriebsart erfordern die Transistoren eine EmitterBasis-Vorspannung, die zu einer Nullverstärkungsregion bzw. Lücke in der Beziehung von Eingangs- zu Ausgangssignal führt.
Die daraus resultierende Verzerrung bei schwachen Signalen wird durch die erfin- dungsgemässen Massnahmen vermieden.
Die zweite Stufe oder Korrekturstuie umfasst einendifferenzverstärker, der ein zweites Paar von ähn- lich wie die erste Stufe im Gegentakt und in Emitterfolgeschaltung angeordneten Transistoren steuert. Der Differenzverstärker ist vorzugsweise mit einem ersten Transistor ausgestattet, der in Emitterfolgeschaltung arbeitet und das. an seiner Basiselektrode aufgenommene Eingangssignal über den Weg geringer Impedanz seines Emitters zum Emitter eines zweiten Transistors überträgt, welcher sodann ein verstärktes Differenzsignal liefert. Der zweite Transistor nimmt ferner an seiner Basiselektrode das vom Gegentaktverstärker der Korrekturstufe rückgekoppelte Ausgangssignal auf und verstärkt den Betrag, um den sich dieses Signal vom Eingangssignal unterscheidet.
Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers steuert die GegentaktEmitterfolgeschaltung der Korrekturstufe und gewährleistet dadurch eine genaue Reproduktion des Eingangssignals des Gesamtverstärkers im Verbraucher.
In gewissen Anwendungsfällen der Erfindung, bei denen Verbraucher hoher Impedanz vorliegen, genügt die Korrekturstufe, die den Differenzverstärker und die Gegentakt-Emitterfolgeschaltung umfasst, für die Lösung der Aufgabenstellung der Erfindung. Die Sättigung der Transistoren in dieser Stufe tritt nämlich bei einer Spannung auf, welche von der Belastung durch den Verbraucher abhängt. Bei Verbrauchern mit hoher Impedanz ergibt sich eine Sättigung erst bei so hohen Leistungspegeln, dass den Leistungsanforderungen mit der Korrekturstufe allein entsprochen werden kann.
Bei Verbrauchern mit niedrigerer Impedanz, wie sie häufig vorliegen, beispielsweise bei Übertragungssystemen für wechselzeitigen Verkehr, kann hingegen die Korrekturstufe für sich allein nicht die erforderliche Leistung liefern, ohne dass dabei eine unzulässige Verlustleistung in den Transistoren auftritt und deshalb wird die Korrekturstufe mit einer Leistungsstufe gekoppelt.
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Die Ausgangsleistung des zweistufigen Verstärkers ist infolge der verschiedenen Ansprechzeiten der beiden Verstärkerstufen begrenzt, die dazu führen können, dass sich die Gegentakt-Transistoren bei Aufnahme ungewöhnlich starker Eingangssignale verriegeln und starke Ströme aus den Speisequellen entnehmen. Die Signalspannung, bei welcher dies geschieht und die daher die maximal erreichbare Ausgangsleistung des Verstärkers begrenzt, kann durch Einschaltung eines kleinen Widerstandes in Reihe mit jedem Emitter der Gegentakt-Transistorpaare erhöht werden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die gesamte Verstärker anordnung an zahlreiche Anwendungsfälle, bei welchen kapazitive Verbraucher vorliegen, durch Einschaltung einer Induktivität in der Ausgangsleitung angepasst werden, um so die Verlustleistung im Verstärker zu vermindern, wobei sich überdies eine Spannungsverstärkung ergibt, die ungefähr den Wert 2 hat.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel genauer erläutert werden. Fig. 1 stellt das schematische Schaltbild eines erfindungsgemässen Transistorverstärkers dar. Die Fig. 2,3 und 4 geben den Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung bei der Leistungsstufe bzw. der Korrekturstufe des Verstärkers nach Fig. 1 bzw. beim Gesamtverstärker nach Fig. 1 an.
Der in Fig. 1 dargestellte Verstärker 10 liegt beispielsweise im gemeinsamen Obertragungskanal eines wechselzeitig arbeitenden Multiplex-Nachrichtensystems. Dieser Anwendungsfall soll aber nur als ein Beispiel dienen, auf das die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung nicht beschränkt sind.
Die Ein- und Ausgangskreise des dargestellten Verstärkers enthalten die im gemeinsamen Übertragungskanal von Multiplex-Nachrichtensystemen der angegebenen Art üblicherweise vorhandenen Schaltelemente, nämlich eine Induktivität 1, ein Sendeventil 2, eine Speicherkapazität 3, ein Ableitventil 4, ein Empfangsventil 5, ein Leitungsventil 6, ein Filter 7 und einen Verbraucherwiderstand 8, der das Empfangsinstrument symbolisiert. Die Information wird über die Induktivität der Speicherkapazität 3 während
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ist. Das gespeicherte Signal wird sodann vom Verstärker 10 verstärkt und über das Empfangsventil des noch gemeinsamenAusgangsteiles und das Leitungsventil 6 der zugeordneten Empfangsklemme zugeführt.
Sodann wird das Ableitventil 4 betätigt, um jegliche Signalreste von der Speicherkapazität 3 zu entfernen, bevor der Übertragungskanal im nachfolgenden Zeitintervall wechselzeitig dem nächsten Klemmenpaar der Übertragungsstrecke zugeordnet wird. Es ist erkennbar, dass die nur schwache Signale ergebende Abtastung von Sprach-oder sonstigenNiederfrequenzen in demeinembestimmtenKlemmenpaar zugeordneten kurzen Zeitintervall bei erheblicher Länge der Übertragungsstrecke Verstärker erfordert, die eine genaue Reproduktion aller Signalwerte bei ausreichender Verstärkung ermöglichen.
Der Verstärker 10 umfasst eine Leistungsstufe und eine Korrekturstufe. Die Leistungsstufe enthält zwei Flächentransistoren 11 und 15 entgegengesetzter Leitfähigkeitstype. Beispielsweise ist der Transistor 11 ein NPN-Transistor und der Transistor 15 ein PNP-Transistor. Die Kollektorelektrode 12 des Transistors 11 steht mit einer N-Zone, die Basiselektrode13 mit der P-Zone und die Emitterelektrode 14 mit der andern N-Zone in Kontakt. In analoger Weise steht beim Transistor 15 die Kollektorelektrode 16 mit einer P-Zone, die Basiselektrode 17 mit der N-Zone und die Emitterelektrode 18 mit der andern P-Zone in Kontakt. Die Basiselektroden 13 und 17 sind über die Leitung 20 direkt, d. h. gleichstrommässig mit einer Klemme des Verstärkereinganges gekoppelt.
Eine als Batterie 21 dargestellte positive Potentialquelle ist mit dem Kollektor 12 des Transistors 11 und eine als Batterie 22 dargestellte negative Potentialquelle ist mit dem Kollektor 16 des Transistors 15 verbunden. Die Emitterelektroden 14 und 18, welche bei dieser Emitterfolgeschaltung als Ausgangselektroden dienen, sind über die Ausgangsleitung 24 und einen Widerstand 25 mit dem Verbraucher verbunden.
Eine an die Basiselektroden 13 und 17 angelegte negative Signalspannung bewirkt einen verstärkten Stromfluss über den Verbraucher und in die Emitterelektrode 18 des PNP-Transistors 15, wenn man zur Vereinfachung der Erläuterung die übliche Stromrichtung zu Punkten geringeren positiven Potentials annimmt ; hingegen fliesst vom NPN-Transistor 11 kein Strom in den Verbraucher. Wenn sich die Polarität des Eingangssignals umkehrt und also ein positives Potential auf die Basiselektroden 13 und 17 wirkt, so fliesst von der Emitterelektrode 14 des Transistors 11 ein Strom in den Verbraucher, wogegen der Transistor 15 nichtleitend ist. Demnach erscheint ein Wechselspannungssignal in verstärkter Form an der Verbraucherimpedanz.
Fig. 2 stellt die Ausgangsspannung der Leistungsstufe des Verstärkers 10 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung dar. Die gestrichelte Linie gibt die gewünschte Beziehung an. Infolge des Fehlens einer Basis-Emitter-Vorspannungbei der direkten Kopplung der erfindungsgemässen Schaltung muss der Span -
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nungsabfall an dem inneren Widerstand des Basis-Emitter-Überganges vom Eingangssignal überwunden werden. Die schraffierte Fläche in Fig. 2 gibt den Spannungsbedarf des Basis-Emitter-Überganges an. Es ist erkennbar, dass dieser Spannungsbedarf bei der Gegentaktschaltung in einem gewissen Bereich schwacher Eingangssignale dazu führt, dass das gesamte Eingangssignal im Widerstand dieses PN-Überganges verschluckt wird und dass daher kein Ausgangssignal auftritt.
Dieser Bereich ist in Fig. 2 als Nullverstärkungsregion bezeichnet, und führt den B-Betrieb etwas in den C-Betrieb über. Die erläuterten Verhältnisse verhindern natürlich eine formgetreue Reproduktion von schwachen Signalen durch die Leistungsstufe allein. und die dadurch bedingte Verzerrung ist besonders bei der Anwendung solcher Verstärker bei Nachrichtensystemen für wechselzeitigen Verkehr störend. Diese Verzerrung kann vermindert werden, wenn man die Verstärkerstufen so vorspannt, dass sie im A- oder AB-Betrieb arbeiten.
Die hiemit verbundene Verminderung des Wirkungsgrades und die erhöhte Verlustleistung der Transistoren sowie die vermehrten Schwierigkeiten, die sich dann für die direkte Kopplung ergeben, machen aber diese Betriebsweise für die
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gangssignalen die Transistoren 11 und 15 in Serie verriegeln und den Spannungsquellen infolge der auftretenden hohen Verlustleistung starke Ströme entnehmen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird deshalb die Leistungsstufe des Verstärkers 10 als B-Verstärker oder genauer gesagt als etwas im C-Betrieb arbeitender Verstärker betrieben und die durch die Nullver-
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einer Korrekturstufe kompensiert. Diese Korrekturstufe umfasst ein zweites Paar von Transistoren 31 und 35, die ebenfalls komplementär-symmetrisch geschaltet sind und von einem Differenzverstärker mit
PNP-Transistoren 41, 45 und 51 gesteuert werden.
Die Transistoren 31 und 35 sind von entgegengesetzter Leitfähigkeitstype und in ähnlicher Weise wie die Transistoren 11 und 14 der Leistungsstufe in Emitterfolgeschaltung angeordnet. Die Gegentaktschal- tung der Transistoren 31 und 35 arbeitet im C-Betrieb, wobei einerseits von ihrem Ausgang her über die
Leitung 36 sowie anderseits vom Ausgang der Leistungsstufe über die Leitung 24 eine Rückkopplung zu einem Eingang des Differenzverstärkers. nämlich der Basiselektrode des Transistors 45, erfolgt. Der Dif- ferenzverstärker selbst arbeitet als A-Verstärker.
Das Eingangssignal des Verstärkers wird an der Basiselektrode des Transistors 41 aufgenommen, der in Emitterfolgeschaltung das Signal auf einem Weg niedriger Impedanz zum Emitter des Transistors 45 leitet. Der Transistor 45 bildet die Differenz zwischen den angelegten Signalen und überträgt das ver- stärkte Differenzsignal von seinem Kollektor über die Ader 46 zu den Basiselektroden der Transistoren 31 und 35. Dieser Differenzverstärker erfordert ir. den Emitterwegen der Transistoren 41 und 46 einen hohen
Widerstand gegen Erde. Vorzugsweise ist der Transistor 51 so geschaltet, dass er den gewünschten hohen
Widerstand darbietet und dabei einen konstanten Strom aufrechterhält.
Dazu ist der Kollektor des Transistors 51 mit den Emittern der Transistoren41 und 45 verbunden und der Emitter-Basis-Übergang des Transistors 51 in Durchlassrichtung vorgespannt.
Die an den Basiselektroden der Transistoren 41 und 45 aufgenommenen Signale sind beim wechselzeitigen Betrieb während der Mehrzahl der Eingangszyklen nahezu identisch und die Korrekturstufe liefert daher in diesen Zeitintervallen nur ein schwaches Ausgangssignal. In der Nullverstärkungsregion der Leistungsstufe wirkt jedoch kein Rückkopplungssignal auf den Transistor 45, während ein endliches Signal am Eingang des Transistors 41 vorhanden ist. Während dieses Intervalls liefert daher der Differenzverstärker ein Ausgangssignal, um die Transistoren 31 und 35 zu steuern.
Die Schaltung der Transistoren 31 und 35 ist komplementär-symmetrisch wie jene der Leistungsstufe, so dass sich eine zusätzliche Verstärkung des Differenzsignals ergibt, welche die Verstärkungslüc. ke der Leistungsstufe ergänzt.
Die Verstärkungskennlinie der Korrekturstufe ist in Fig. 3 dargestellt. Der Differenzverstärker, der im A-Betrieb arbeitet, ist in seiner Belastbarkeit durch die zulässige Verlustleistung der Transistoren beschränkt, wodurch anderseits der Strom vorgegeben ist, welcher von den Emitterfolgestufen 31 und 35 zum Verbraucher geliefert werden kann ; dadurch wird die Ausgangsspannung der Korrekturstufe bei vorgegebe- nem Verbraucherwiderstand begrenzt. Das Differenzsignal, das von der Korrekturstufe bei Verwendung einer Leistungsstufe verstärkt werden muss, liegt vorteilhafterweise stets innerhalb annehmbarer Grenzen, so dass die Transistoren gegen Ausbrennen infolge zu hoher Verlustleistung geschützt sind.
Bei höheren Impedanzen kann aber, wie schon erwähnt, die Belastbarkeit der Korrekturstufe allein bereits für eine betriebssichere Arbeitsweise ausreichen.
Der kombinierte Betrieb der Korrekturstufe und der Leistungsstufe ergibt den in Fig. 4 dargestellten Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung, der den Koordinatenursprung geradlinig durchsetzt und daher eine formgetreu Reproduktion der Signale innerhalb eines weiten Amplitudenbereiches der Signale gewährleistet.
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Bei ungewöhnlich starken Eingangssignalen kann es vorkommen, dass sich die Gegentakttransistoren verriegeln und von den Spannungsquellen infolge der unterschiedlichen Ansprechzeiten der beiden Verstärkerstufen starke Ströme entnehmen. Dadurch ergibt sich eine obere Grenze für die Ausgangsleistung des Verstärkers. Die Signalspannung, bei der dieser Effekt auftritt, kann erhöht werden, wenn in Serie mit der Emitterzuleitung jedes Transistors 11,15, 31 und 35 ein eigener, kleiner Widerstand geschaltet wird, der sodann den gemeinsamen ausgangsseitigen Widerstand 25 in Fig. 1 ersetzt.
Ferner kann'in einigen Anwendungsfällen der Widerstand 25 durch eine Induktivität ersetzt werden, welche die Verlustleistung der Transistoren herabsetzt und eine erhebliche Spannungsverstärkung ermöglicht, wenn eine kapazitive Last verwendet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gegentaktverstärker mit zwei komplementär-symmetrisch geschalteten, eine Leistungsstufe bildenden Transistoren und einer Korrekturstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturstufe (41, 45, 51,31, 35) einen Differenzverstärker (41,45, 51) enthält und die Signalquelle (1-4) sowohl an die Ein- gangselektroden (13, 17) der Transistoren (11, 15) des Leistungsverstärkers als auch an einem Eingang (bei 41) des Differenzverstärkers angeschlossen ist, während die Ausgangselektroden (14,18) der Transistoren (il, 15) des Leistungsverstärkers sowohl an den Verbraucheranschluss (25,5 usw.) als auch an einen zweiten Eingang (über 36) des Differenzverstärkers angeschlossen sind und der Ausgang (46) des Differenzverstärkers (über 46,31, 35)
mit dem Verbraucheranschluss (25,5 usw.) verbunden ist.