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Transistorverstärker
Der geringe Spannungsbedarf von Transistoren erleichtert es, die Kopplung zwischen den Stufen eines Niederfrequenz-Verstärkers durch galvanische Verbindungen herzustellen. So ist in der USA-Patentschrift Nr. 2, 761, 917 der RCA eine Transistor-Endstufe mit galvanisch an sie gekoppelter Treiberstufe beschrieben. Es handelt sich dabei um eine herkömmliche Gegentakt-Endstufe aus einem pnp-Transistorpaar, die auf einen mittelangezapften Ausgangstransformator arbeiten. Die Basen der Endtransistoren sind mit den Emittern der beiden pnp-1'reibertransistoren verbunden. Die Kollektoren derselben liegen direkt am-Pol der Betriebsspannung.
Sowohl die Basen der End-als auch die Basen der Treibertransistoren sind durch einstellbare Spannungsteiler gegen den-Pol der Stromquelle symmetrierbar (Fig. l). Da die Treibertransistoren bei dieser Schaltung in Kollektor-Grundschaltung arbeiten, kann in der Treiberstufe keine Spannungsverstärkung erzielt werden. Der Steuerleistungsbedarf ist daher wesentlich'höher als bei der in Fig. 2 dargestellten Variante, bei der dieser Nachteil dadurch vermieden wird, dass die Treiberstufe mit zwei npnTransistoren bestückt ist. Dadurch können die Treibertransistoren in Emitterschaltung arbeiten (die Kollektoren der Treiberstufe sind mit den Basen der Endtransistoren verbunden und die Emitter mit dem-Pol der Stromquelle, während die Basen des Treibers gegen den +Pol symmetrie sind).
In einer weiteren Variante ist der Einsatz eines weiteren Transistors zur automatischen Symmetrierung des Endverstärkers gegenüber thermischen Einflüssen vorgesehen.
Auch eine in der franz. Patentschrift Nr. 1. 131. 188 beschriebene Endverstärkerschaltung arbeitet mit galvanischer Kopplung zwischen Treiber und Endstufe, jedoch unter Verwendung von zwei komplementärsymmetrischen Transistor-Paaren. Hiebei ist der Ausgang gleichstromfrei und niederohmig und die Treiberstufe muss nicht im Gegentakt gesteuert werden, da das Komplementärpaar die Phasenumkehr von sich aus vornimmt.
Während also bei der von der RCA angegebenen Schaltung gegenüber der konventionellen Schaltungspraxis nur die Einsparung der Kopplungsglieder als Vorteil erscheint, da der günstige Einfluss der galvanischen Kopplung auf den Frequenzgang und die Phasenlage durch den wegen des hochohmigen Ausganges nötigen Ausgangstransformator und den wegen Fehlens einer Phasenumkehr in der Treiberstufe nötigen GegentaktEingangstransformator zu nichte gemacht wird, gelingt es bei der französischen Schaltung durch Einsatz von Komplementärpaaren, die hohe Phasen- und Amplitudentreue der galvanischen Kopplung über sehr breite Frequenzbänder auszunützen.
Beide Patente beziehen sich aber nur auf Endverstärker (Treiber- und Endstufe) und lassen den Vorverstärker unberücksichtigt, der mit Trafo- oder RC-Kopplung arbeiten muss, da eine Methode zur Ankopplung eines Eintaktverstärkers an einen Gegentaktverstärker auf galvanischem Wege in keinem der erwähnten Patente angegeben ist.
Nach dem Stande der Technik wird also galvanische Kopplung wohl in Endverstärkern angewendet, jedoch kommen ihre Vorteile nur dann zur Geltung, wenn sie aus Komplementärpaaren aufgebaut sind.
Es wurden auch bereits Transistorschaltungen angegeben, mit welchen der Übergang von einer unsymmetrischen Eingangs- auf eine symmetrische Ausgangsspannung erzielt werden kann, siehe z. B. Shea
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1953,zwei in Serie liegende Endröhren betrieben werden, die einen einendigen Ausgang steuern, siehe den Auf- satz"OutputTransformerlessAmplifiers"in der Zeitschrift "Wireless World", 63, Nr. 2, February 1957, Seite 58 bis 62.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorverstärker mit einendiger Gegentaktendstufe, bei der
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dieEndtransistorengleichstrommässigin Serie liegen, und einer beliebigen Anzahl von Vorstufen, der aus- schliesslich mit galvanischer Stufenkopplung arbeitet.
Erfindungsgemäss werden m der Treiber- und Endstu- fe nur Transistoren gleicher Type verwendet, wobei der Kollektor des Treibertransistors (Tt) mit der Basis des in Kollektorschaltung arbeitenden Endtransistors (Te1), der Emitter des Treibertransistors mit der Basis des in Emitterschaltung arbeitenden Endtransistors (Tp,) verbunden ist, der Kollektorwiderstand des
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Stromquelle liegt, während der Kollektor des Endtransistors (Tel) und der Emitter des Endtransistors (Te) direkt mit Anzapfungen derselben Stromquelle verbunden sind, und ein Teil der bei Unsymmetrie der Endstufe an dem gleichstrommässig in Serie mit dem Verbraucher (Ra) liegenden Widerstand (Rs)
auftretenden Leistung in an sich bekannter Weise über eine gerade Stufenanzahl hinweg dem Emitter und über eine ungerade Stufenanzahl hinweg der Basis eines oder mehrerer Vortransistoren zugeführt wird.
Erfindungsgemäss wird die in Fig. l dargestellte Prinzipschaltung vorgeschlagen.
Die Endstufe besteht aus zwei Transistoren gleicher Type (Tel und Te,), die derart in Serie geschaltetsind, dass der Emitter von Tel mit dem Kollektor von Tez verbunden ist. Der Kollektor von Tel (Pos. l) liegt am-Pol und der Emitter von Te2 (Pos. 3) am +Pol der Stromquelle. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Transistoren 2 und dem Punkt 4, der mit je einem Kondensator hoher Kapazität mit dem + bzw.
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Pollung arbeiten soll. Beim Klasse - A Verstärker kann 1 und 7 sowie 3 und 8 direkt verbunden werden, wodurch auch alle zwischen Punkten befindlichen Schaltelemente wegfallen können. Da jedoch die A-Einstellung unwirtschaftlich und wenig üblich ist, soll sie hier und im folgenden unberücksichtigt bleiben.
Der Widerstand Re kann durch den Kondensator Cs wechselstrommässig teilweise kurzgeschlossen werden oder der Punkt 6 wird an einen zwischen 3 und 8 liegenden Spannungsteiler gelegt. Dies ist jedoch nur dann nötig, wenn es nicht gelingt, durch genaues Einstellen der zwischen 3 und 8 liegenden Spannung auch Re so gross zu machen, dass sich durch Einstellen der gleichstrommässigen Symmetrie auch gleichzeitig die wechselstrommässige Symmetrie einstellt. Wird als Stromquelle eine Batterie verwendet, ist dieses genaue Einstellen jedoch nicht möglich, da die zwischen 3 und 8 liegende Spannung dann nur gleich der Zellenspannung oder einem Vielfachen derselben sein kann.
Die in Fig. 5 dargestellte Variante bedingt infolge des über den Spannungsteiler fliessenden Querstroms etwas höheren Stromverbrauch, ist aber im Hinblick auf günstigen phasen-und amplitu. denmässigen Frequenzgang vorzuziehen.
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ersten Stufe muss durch einen Trennkondensator gleichstrommässig abgeriegelt werden. Die Zahl der Stufen ist nur durch den Rauschpegel begrenzt. Um der mit der Zahl der Stufen wachsenden Empfindlichkeit der Schaltung gegen thermische Einflüsse entgegenzuwirken, wird vom gleichstrommässigen Symmetriepunkt 4 eine von der Symmetrie der Endstufe abhängige Steuerleistung entnommen, die über eine gerade Stufenzahl hinweg der Basis bzw. über eine ungerade Stufenzahl hinweg dem Emitter eines oder mehrerer Vortransistoren zugeführt wird.
Die Endstufe arbeitet nach dem bekannten Prinzip der einendigen Gegentaktstufe, wobei die beiden Endtransistoren gleichstrommässig in Serie und wechselstrommässig parallel geschaltet sind, so dass der Verbraucher gleichzeitig am Emitter von Te1 und am Kollektor von Tg. liegt. Dadurch bleibt der Verbraucher gleichstromfrei.
Die Basen der Endtransistoren liegen an einem Spannungsteiler, der aus R, Tt und Re gebildet wird.
Rc und Re sowie die beiden Teilspannungen zwischen den Punkten 1 und 7 bzw. den Punkten 3 und 8 sind so bemessen, dass, wenn Tt von seinem Ruhestrom durchflossen wird, sich an den Punkten 5 und 6 die ge- wünschte Arbeitspunkteinstellung der Endtransistoren ergibt (B-Einstellung im Knick der Jb-Ub Kennlinie).
Wird nun der an der Basis von Tt liegenden Spannung eine Wechselspannung überlagert, so steigt bei Eintreffen einer negativen Halbwelle der durch den Spannungsteiler Rg, Tt und Re fliessende Strom an. Die Basisspannung von Tel steigt, während die Basisspannung von Tel fällt. Infolge der gewählten B-Einstellung wird der Emitterstrom von Tel gleich 0, während der Verbraucher vom Kollektorstrom von Tedder in Abhängigkeit vom Basisstrom ansteigt, durchflossen wird. Bei Eintreffen einer positiven Halbwelle geschieht sinngemäss dasselbe mit umgekehrten Vorzeichen.
Da der Eingangswiderstand von Te1 wesentlich höher ist als der von Tg, muss durch geeignete Bemessung der Spannungen an den Punkten 1 und 7 bzw. 3 und 8 sowie von Re und Re für richtige Anpassung des Treibers an die Endstufe gesorgt werden. Wenn in-
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folge Verwendung von Batterien sich die Spannungen nicht inden nötigen engen Toleranzen einstellen lassen, ist die wechselstrommassige Symmetrie durch die bereits besprochenen Korrekturmittel einzustellen.
Da auch geringe thermisch bedingte Stromschwankungen in einem der Vortransistoren sowie Schwankungen der Betriebsspannung die Symmetrie der Endstufe zerstören würden, wird durch eine von Punkt 4 abgegriffene Regelspannung die Stabilität automatisch aufrecht erhalten. In Fig. l ist der einfachste Fall, bei dem der Treiber allein geregelt wird, gezeigt. Der Widerstand Rg, der aus Rz und Rq und in einem Spezialfall auch aus dem Gleichstromwiderstand des Verbrauchers Rlgebildet wird, ist, wenn der Kol-
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Spannungsabfall an Rg Punkt 4 negativ gegen Punkt 9. Dies bedingt ein Ansteigen des Basisstromes von T t und dies wieder ein Ansteigen des Kollektorstromes desselben Transistors. Der Spannungsabfall an Re und Re steigt, wodurch der Basisstrom von Tel kleiner und der Basisstrom von Tg grösser wird.
Da die Kollek- torströme sich im selben Sinne ändern kompensiert die Automatik also die oben angenommene Unsymmetrie. Ist JC2 grösser als JC wird derselbe Vorgang mit umgekehrtem Vorzeichen eingeleitet.
Sinngemäss wird die Regelung in mehrstufigen Verstärkern auf einen oder mehrere Vortransistoren ausgedehnt, wobei je nach Ordnungszahl des geregelten Transistors die Regelleistung der Basis oder dem Emitter zuzuführen ist (Fig. 6). Die Grösse des Widerstandes Hz richtet sich nach dem in der Regelleitung im Ruhezustand fliessenden Strom. Ist der Regelstrom im Vergleich zum Kollektorstrom der Endtransistoren vernachlässigbar klein, kann R gemacht werden (Fig. 4). Diese Variante hat den Vorteil, dass die Endstufensymmetrie von der Stromquellensymmetrie unabhängig wird und eine Mittelanzapfung der Stromquelle erspart werden kann. Auch wird dadurch maximale Steilheit der Regelung erreicht.
Bei extrem hohem Ruhestrombedarf der Regelung kann Rz = 0 gemacht werden. Rg wird dann nur mehr von dem Innenwiderstand der Stromquelle (Rq) gebildet (Fig. 2). Wird als Fusspunkt der Regelleitung Punkt 2 gewählt (Fig. 3) kann gleichzeitig mit der Stabilisierung auch eine Gegenkopplung erreicht werden, die durch geeignete RC-Glieder auch frequenzabhängig gemacht werden kann.
Von dem eingangs dargestellten Stand der Technik unterscheidet sich also die beschriebene Schaltung durch die Kombination folgender Punkte : l. Die Endstufe besitzt einendigen Ausgang und besteht aus Transistoren gleicher Type. 2. Die Treiberstufe ist mit einem Transistor derselben Type bestückt und führt gleichzeitig die Phasenumkehr durch. 3. Die Symmetrieautomatik erlaubt die durchgehende Verwendung der galvanischen Stufenkopplung auch in mehrstufigen Verstärkern und benötigt zu ihrer Funktion keinen zusätzlichen Bauteil.