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Transistor-Gegenverstärker
Die Erfindung betrifft einen Transistor-Gegentaktverstärker insbesondere für den Tonfrequenzbe- reich, der sich bei sehr geringem Schaltungsaufwand durch hohe Temperaturstabilität auszeichnet. Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt vor allem bei B-Verstärkem mit kleinen Ruheströmen der Endstufe vorzugsweise mit Ausgangsübertrager.
Es ist bekannt, die Kollektorströme von Transistor-Gegentaktverstärkern gegen Temperatureinflüsse dadurch zu stabilisieren, dass die Basisvorspannung für die Endstufe oder eine vorgeschaltete Kollektorstufe, in jeder Gegentakthälfte einzeln oder gemeinsam, einem Spannungsteiler entnommen wird, der aus einem konstanten und einem temperaturabhängigen Widerstand besteht. Es ist weiterhin bekannt, an Stelle des temperaturabhängigen Widerstandes im Spannungsteiler eine Diode zu verwenden und dabei die Temperaturabhängigkeit des Spannungsabfalls an der Diodenstrecke auszunutzen. Im übrigen sind Schaltungsanordnungen mit Hilfstransistoren zur Stabilisierung von Transistorverstärkern bekannt, aber nicht speziell für Gegentaktverstärker.
Basisspannungsteiler mit Dioden oder temperaturabhängigen Widerständen haben den Nachteil, dass die auf den temperaturabhängigen Zweig des Spannungsteilers einwirkende Umgebungstemperatur nicht mit der Kristalltemperatur im Inneren der Endstufentransistoren übereinstimmt. Im günstigsten Falle kann man, wie bekannt, durch eine gut wärmeleitende Verbindung der Endstufentransistoren mit der Diode oder dem temperaturabhängigen Widerstand letztere auf die Gehäusetemperatur der Endstufentransistoren bringen, die jedoch von der Kristalltemperatur abweicht. Der Temperaturgang von temperaturabhängigen Widerständen beruht darüber hinaus auf einem andern physikalischen Vorgang als derjenige der Basis-Emitterstrecke eines Transistors. Die gewünschte Temperaturstabilisierung ist deshalb nur angenähert in einem begrenzten Temperaturbereich möglich.
Hilfstransistoren dienen anderseits im allgemeinen nur der Temperaturstabilisierung und sind im übrigen unnütz. Die bekannten Massnahmen zur Temperaturstabilisierung sind umso weniger wirksam, je kleiner der Ruhestrom der Endstufentransistoren im B-Betrieb ist, d. h. je mehr ihre Kristalltemperatur bei wechselnder Aussteuerung des Verstärkers gegenüber ihrer Gehäusetemperatur und erst recht gegenüber der mittleren Temperatur im Verstärker schwankt. Es ist deshalb üblich. zur zusätzlichen Stabilisierung Widerstände in die Emitterkreise der Endstufentransistoren einzufügen, die aber einen merklichen Teil der Ausgangsleistung verbrauchen. Dies ist z. B. aus der deutschen Patentschrift Nr. 1166 833 bekannt.
Vor der Endstufe des dort beschriebenen, ganz in Gegentakt ausgeführten Verstärkers sind eine Emitterstufe und eine Kollektorstufe angeordnet, die miteinander gleichstromgekoppelt und-gegengekoppelt sind. Die Temperaturstabilisierung der Endstufe lediglich mittels der Emitterwiderstände kann aber nicht befriedigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistor-Gegentaktverstärker mit geringem Schaltungsaufwand gegen Temperatureinflüsse in der Weise zu stabilisieren, dass die Stabilisierung möglichst ausschliesslich von der mittleren Temperatur im Verstärker gesteuert und der Einfluss der Kristalltemperatur der Endstufentransistoren ausgeschaltet wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Transistor-Gegentaktverstärker, bei dem vor der Endstufe eine oder mehrere Gegentaktvorstufen angeordnet sind, von denen mindestens eine in Emitterschaltung arbeitet,
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wobei die Vorstufe (n) und die Endstufe gleichstromgekoppelt sind, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass wenigstens eine der Vorstufen Transistoren von entgegengesetztem Leitungstyp als die Endstufe enthält und dass von einem Ausgangsanschluss der Endstufentransistroen (Kollektor- bzw.
Emitteranschluss der
Endstufentransistoren) in jeder Symmetriehälfte der Endstufe ein für Gleichstrom wirksamer Gegen- kopplungsweg an den Emitter des zur gleichen Symmetriehälfte gehörigen Transistors der ersten Vor- stufe (Eingangsstufe) geführt ist, dessen Basisanschluss eine Vorspannung von der Diodenstrecke eines an sich bekannten, aus einer Diode und einem oder mehreren Widerständen bestehenden Basisspannungs- teilers zugeführt ist.
Damit für hohe Wiedergabequalität der Klirrfaktor der Vorstufe (n) klein gehalten wird, liegt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung an den Ausgangsanschlüssen der Endstufe, von denen die für
Gleichstrom wirksamen Gegenkopplungswege zur Eingangsstufe geführt werden, jeweils wenigstens ein Teil der Ausgangswechselspannung und bewirkt dadurch, dass auch für das Wechselstromsignal eine Gegenkopplung erfolgt.
Die Temperaturstabilisierung soll nur von der mittleren Temperatur im Verstärker gesteuert werden.
Soweit die Eingangstransistoren und die Dioden der Basisspannungsteiler keine Eigenerwärmung aufweisen, ändert sich die Basis-Emitter-Spannung der Eingangstransistoren und die Spannung an den Dioden gleichlaufend, wenn, nach einem weiteren Merkmal der Erfindung - im Gegensatz zu den bekannten, erläuterten Massnahmen - die Transistoren der Eingangsstufe ebenso wie die Dioden des Basisspannungsteilers der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt, insbesondere vor einer ungleichmässigen Wärmeeinwirkung der Endstufentransistoren und anderer, örtlich konzentrierter Wärmequellen geschützt sind.
Der Temperaturverlauf der Basis-Emitterspannung der Eingangstransistoren stimmt mit demjenigen der Spannungen an den Dioden des Basisspannungsteilers besonders genau überein, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Transistortyp der Eingangsstufe und der Diodentyp des Basisspannungsteilers hinsichtlich Ausgangsmaterial und Herstellungsverfahren gleichartig und vorzugsweise in Silizium-Planartechnik hergestellt sind.
BeiAnwendung der vorstehend genannten Merkmale der Erfindung ist es auch bei hohen Anforderungen an den Symmetrieabgleich möglich, erfindungsgemäss für beide Transistoren der Eingangsstufe einen gemeinsamen Basisspannungsteiler zu benutzen.
Schliesslich kann bei einem Transistor-Gegentaktverstärker mit Ausgangsübertrager der Ausgangswiderstand durch teilweise Eliminierung des primärseitigen Kupferwiderstandes herabgesetzt werden, indem neben der schon vorhandenen Gegenkopplung in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine zusätzliche, symmetrische Spannungsgegenkopplung für das Wechselstromsignal aus einer getrennten Wicklung des Ausgangsübertragers an die Eingangsstufe geführt ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Figuren dargestellten Schaltungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 das Schaltbild eines zweistufigen Verstärkers, Fig. 2 das Schaltbild eines dreistufigen Verstärkers grosser Ausgangsleistung, Fig. 3 ein weiteres Schaltbild eines dreistufigen Verstärkers, Fig. 4 das Schaltbild eines zweistufigen Verstärkers mit zusätzlicher Wechsel- spannungs -Gegenkopplung.
Die Grundschaltung, die sich für eine Ausgangsleistung bis zur Grössenordnung von 1 W, als völlig ausreichend erwiesen hat, ist in Fig. 1 abgebildet. Wie bei allen dargestellten Beispielen sind die Endstufentransistoren vom Typ n-p-n. Der Eingangsübertrager 1, dessen Primärwicklung das Eingangssignal zugeführt wird, speist aus seiner symmetrischen Sekundärwicklung die Basisanschlüsse der Transistoren 2 und 3 der Eingangsstufe, die vom Typ p-n-p sind. Ihre Kollektoren sind mit den Basisanschlüssen der Endstufentransistoren 4 und 5 verbunden. Die Emitter- und Kollektorströme derEndstufentransistoren 4 und 5 durchfliessen je eine der vier getrennten Primärwicklungen des Ausgangsübertragers 6, dessen Sekundärwicklung die Ausgangsleistung entnommen wird.
Die den Transistoranschlüssen abgewandten Enden der Primärwicklungen sind an die Speisespannung UB angeschlossen.
Der Kollektor jedes Endstufentransistors ist mit dem Emitter seines zugehörigen Eingangstransistors verbunden. Die Vorspannung der beiden Eingangstransistoren 2 und 3 wird dem Basisspannungsteiler aus der Diose 7 und dem Widerstand 8 entnommen und den Basisanschlüssen des Eingangsübertragers 1 zugeführt.
An dem Kupferwiderstand der kollektorseitigen Primärwicklungen entsteht durch den Kollektorgleichstrom jeweils ein Spannungsabfall. Die Spannung an der Diode 7 muss um den Wert dieses Spannungsabfalls grösser sein als die Spannung zwischen Basis und Emitter der Eingangstransistoren 2
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und 3. Dies kann durch die Wahl des Widerstandes 8 leicht eingestellt werden, wobei wegen der exponentielle Kennlinie der Diode der Wert des Widerstandes relativ unkritisch ist und ein fester
Widerstand normaler Toleranz völlig ausreicht.
Der Gleichspannungsabfall an der kollektorseitigen Wicklung des Ausgangsübertragers bewirkt in jeder Gegentakthälfte eine starke Gegenkopplung. Einer durch Erwärmung der Endstufentransistoren 4 und 5 entstehenden Änderung des Kollektorstroms und damit des Spannungsabfalls an der Übertrager- wicklung wird durch die hohe Verstärkung der Vorstufe entgegengewirkt, da die verstärkte Änderung des Spannungsabfalls mit anderem Vorzeichen an der Basis der Endstufentransistoren 4 und 5 auftritt.
Die Spannungsverstärkung der Transistoren 2 und 3 der Eingangsstufe ist sehr hoch (Grössenordnung
1 000fach), weil deren Kollektorkreise nur mit dem Eingangswiderstand der Transistoren 4 und 5 der
Endstufe belastet sind.
Die thermische Stabilität des Verstärkers hängt dadurch fast ausschliesslich davon ab, dass die
Basis-Emitterspannung der Eingangstransistoren 2 und 3 und die Spannung an der Diode 7 sich mit der Umgebungstemperatur um den gleichen Betrag ändern. Dies trifft insbesondere bei Silizium-Planar- transistoren und-dioden (bei denen überdies die Restströme von zirka 1 nA keine Rolle mehr spielen) wegen des sehr reinen Ausgangsmaterials und des Herstellungsverfahrens weitgehend zu. Wie die Er- fahrung zeigt, treten über einen Temperaturbereich von 400C im Durchschnitt nur Differenzen von einigen Millivolt auf.
Für das Wechselstromsignal tritt im übrigen eine sehr starke Spannungsgegenkopplung ein. Wenn alle vier Primärwicklungen des Ausgangsübertragers 6 gleiche Windungszahlen besitzen, was sich als zweckmässig erwiesen hat, dann ist der Gegenkopplungsfaktor halb so gross wie der Verstärkungsfaktor der Eingangsstufe, wenn den Emittern der Transistoren 2 und 3 keine Wechselspannung zugeführt würde.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Transistor-Gegentaktverstärkers gemäss der Erfindung für grössere Ausgangsleistung (zirka 25 W). Von dem Schaltbild der Fig. 1 unterscheidet es sich durch die Einfügung einer zweiten Vorstufe vor der Endstufe und durch eine Einrichtung zum genauen Abgleich der relativ grösseren Ruheströme der Endstufe.
Die zwischen Eingangs-und Endstufe eingefügte Verstärkerstufe besteht aus den beiden Transistoren 9 und 10 vom Typ n-p-n. Sie ist als Kollektorstufe geschaltet und wirkt als Impedanzwandler. Durch ihre Einfügung wird die Eingangsstufe entlastet und vor Eigenerwärmung geschützt.
Durch die Belastung der beiden Widerstände 11 und 12 mit den Querströmen des Potentiometers 13 können die Spannungen an den Emittern der Eingangsstufe gegeneinander verändert und damit die Ströme der Endstufentransistoren abgeglichen werden. Die übrigen Bezugsziffern haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1.
Zweckmässig wird die Zahl der Vorstufen je nach Ausgangsleistung des Verstärkers so gewählt, dass die Transistoren der Eingangsstufe eine im Vergleich zu ihrer zulässigen Verlustleistung verschwindend kleine Leistung aufnehmen. Weiterhin soll der Querstrom im Basisspannungsteiler so klein sein, dass auch an dessen Diode keine merkliche Eigenerwärmung auftritt. Dies ist wegen des sehr kleinen Basisstroms eines praktisch unbelasteten Transistors leicht zu erreichen.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung, ebenfalls ein dreistufiger Gegentaktverstärker für grössere Ausgangsleistung, ist im Schaltbild der Fig. 3 dargestellt. Die Transistoren 2 und 3 der Eingangsstufe sind hier vom Typ n-p-n und arbeiten in Emitterschaltung. Auch die zweite Verstärkerstufe ist eine Emitterstufe. Ihre Transistoren 14 und 15 sind vom Typ p - n - p. Da in beiden Vorstufen jeweils eine Phasenumkehr erfolgt, werden in dieser Schaltungsanordnung die der Eingangsstufe zugeführten Gegenkopplungsspannungen den Emitteranschlüssen der Endstufe entnommen.
Mit dem Potentiometer 16 werden durch einstellbar ungleiche Belastung der zweiten Vorstufe die Ruheströme der Endstufentransistoren abgeglichen. Ein zusätzlicher Abgleich geradzahliger Harmonischer des Klirrfaktors im Bereich der hohen Frequenzen geschieht durch das Potentiometer 17. Dieses ist für Gleichstrom und tiefe Frequenzen durch die Kondensatoren 18 und 19 abgeblockt und bewirkt über die beiden Widerstände 20 und 21 in den Emitterleitungen der Eingangstransistoren eine einstellbar unsymmetrische Gegenkopplung für hohe Frequenzen. Dadurch wird der Einfluss ungleicher Grenzfrequenzen insbesondere der Endstufentransistoren ausgeglichen. Zu den übrigen Bezugsziffern wird auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen.
Das weitere Ausführungsbeispiel der Fig. 4 unterscheidet sich von dem der Fig. l durch die Anwendung einer zusätzlichen Wechselspannungs-Gegenkopplung. Die Basisvorspannung wird den Transistoren 2 und 3 der Eingangsstufe nicht unmittelbar über einen Mittelabgriff der Sekundärwicklung
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des Eingangsübertragers 1 zugeführt, sondern über die Teilwicklungen 22 und 23 einer zusätzlichen und getrennten, symmetrischen Gegenkopplungswicklung des Ausgangsübertragers 6, u. zw. getrennt über die beidenSekundärwicklungen des Eingangsübertragers l. Dadurch wird, wie schon beschrieben, der von dem Kupferwiderstand der Primärwicklungen herrührende Anteil des Ausgangswiderstands des Verstärkers herabgesetzt.
Es sei noch bemerkt, dass bei einem Verstärker gemäss der Erfindung Ein- und Ausgangsübertrager nicht verwendet werden müssen. Zumindestens die Temperaturstabilität kann z. B. ebenso erreicht werden, wenn die kollektorseitigen Primärwicklungen des Ausgangsübertragers 6 in Fig. 1 durch entsprechende Widerstände ersetzt werden. An Stelle des Eingangsübertragers 1 kann auch eine der bekannten Phasenumkehrstufen verwendet werden und die Basisvorspannung den Transistoren 2 und 3 der Eingangsstufe über R - C - Koppelglieder zugeführt werden. Der Eingangsübertrager hat jedoch den Vorteil besserer Symmetrie.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, dass mit sehr geringem Schaltungsaufwand eine grosse Stabilität gegenüber Temperatureinflüssen erreicht wird. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise der Einfluss der Kristalltemperatur der Endstufentransistoren, die bei voller Aussteuerung durch Sprache oder Musik stark schwankt, praktisch eliminiert. Der Arbeitspunkt der Endstufe wird durch die Aussteuerung nicht verändert, weil kein Kondensator vorhanden ist, der aufgeladen werden könnte. Der Klirrfaktor ist bei Aussteuerung mit Dauerton oder Sprache bzw. Musik gleicher Amplitude unverändert ; die vom A - B- Betrieb bekannten Übergangsverzerrungen fallen daher weg.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Transistor-Gegentaktverstärker, bei dem vor der Endstufe eine oder mehrere Gegentaktvorstufen angeordnet sind, von denen mindestens eine in Emitterschaltung arbeitet, wobei die Vorstufe (n) und
EMI4.1
Vorstufen (2,3 und 9,10 bzw. 14,15) Transistoren von entgegengesetztem Leitungstyp als die Endstufe (4 und 5) enthält und von einem Ausgangsanschluss der Endstufentransistoren (Kollektor- bzw.
Emitteranschluss der Endstufentransistoren 4 und 5) in jeder Symmetriehälfte der Endstufe (4 und 5) ein für Gleichstrom wirksamer Gegenkopplungsweg an den Emitter des zur gleichen Symmetriehälfte gehörigen Transistors (2 und 3) der ersten Vorstufe (Eingangsstufe) geführt ist, dessen Basisanschluss eine Vorspannung von der Diodenstrecke eines an sich bekannten aus einer Diode (7) und einem oder mehreren Widerständen (8) bestehenden Basisspannungsteilers zugeführt ist.
2. Transistor-GegentaktverstärkernachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgangsanschlüssen der Endstufe (4 und 5), von denen die für Gleichstrom wirksamen Gegenkopplungswege zur Eingangsstufe (2 und 3) geführt werden, jeweils wenigstens ein Teil der Ausgangswechselspannung liegt und dadurch auch für Wechselstrom eine Gegenkopplung bewirkt wird.
EMI4.2
die Transistoren (2 und 3) der Eingangsstufe ebenso wie die Diode (7) des Basisspannungsteilers der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt, insbesondere vor einer ungleichmässigen Wärmeeinwirkung der Endstufentransistoren (4 und 5) und anderer, örtlich konzentrierter Wärmequelle geschützt sind.
4. Transistor-Gegentaktverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistortyp der Eingangsstufe (2 und 3) und der Diodentyp (7) des Basisspannungsteilers hinsichtlich Ausgangsmaterial und Herstellungsverfahren gleichartig und vorzugsweise in Silizium-Planartechnik hergestellt sind.
5. Transistor-Gegentaktverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadruch gekenn- zeichnet, dass für beide Transistoren (2 und 3) der Eingangsstufe ein gemeinsamer Basisspannungsteiler benutzt wird.
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