DD279128A1 - Schaltungsanordnung fuer die ruhestromstabilisierung der ausgangstransistoren eines in gegentakt-ab-betrieb arbeitenden mehrstufigen gleichstromgegengekoppelten transistorleistungsverstaerkers, insbesondere fuer die uebertragung des nf-bereiches - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung fuer die Ruhestromstabilisierung der Ausgangstransistoren eines in Gegentakt-AB-Betrieb arbeitenden mehrstufigen, gleichstromgekoppelten Transistorleistungsverstaerkers, insbesondere fuer die Uebertragung im NF-Bereich. Es ist in jedem Emitterkreis der Ausgangstransistoren (T1; 1) mindestens eine in Durchlassrichtung betriebene Stabilisierungsdioe (D; D) und jeweils zwischen den Emittern der Ausgangstransistoren (T1; 1) und der Eingangstransistoren (T3; 3) ein interner Gegenkopplungswiderstand (R2; 2) zur Ruhestromstabilisierung geschaltet. Weiterhin ist von jedem Emitter der Eingangstransistoren (T3; 3) ein Kompensationswiderstand (R4; 4) an das entsprechende Betriebsspannungspotential (UB1) schaltbar. Ohne stabilisierte Betriebsspannungen (UB1) fuer die Ausgangstransistoren ist mit geringem Bauelementeaufwand eine Kompensation bzw. sogar Ueberkompensation des Ruhestromes der Ausgangstransistoren (T1; 1) bei weiterhin geringem Klirrfaktor und ohne wesentliche Verringerung des Wirkungsgrades des Leistungsverstaerkers realisierbar. Figur

Description

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Ruhestromstabilität bezüglich Betriebsspannungs- und Temperaturschwankungen bei weiterhin äußerst geringem Klirrfaktor, mit kleinem Bauelementezusatzaufwand und ohne stabilisierte Stromversorgungen für das eigentliche Leistungsteil ru schaffen, ohne den Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers wesentlich zu verringern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für die wirksame Verwendung der zwar für A-Verstärker bekannten Ruhestromstabilisierung durch eine interne Gegenkopplung vom Emitter des Ausgangstransistors zum Ermitter des Eingangstransistors auch für im Gegentakt-AB-Betrieb arbeitende Transistorleistungsverstärker zu finden, so daß trotz Schwankungen der unstabilisierten Betriebsspannungen innerhalb der normalen zulässigen Grenzen und unter Beibehaltung des bekannten geringen Klirrfaktors eine hohe Ruhestromstabilität für die Ausgangstransistoren bei nur unwesentlicher Verringerung der maximalen Ausgangsleistung gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß ist in jedem Emitterkreis der Ausgangstransistoren mindestens eine in Durchlaßrichtung betriebene Stabilisierungsdiode und jeweils zwischen den Emittern der Ausgangs- und der Eingangstransistoren ein interner Gegenkopplungswiderstand zur Ruhestromstabilisierung geschaltet. Weiterhin ist von jedem Emitter der Eingangstransistoren ein Kompensationswiderstand an das entsprechende Betriebsspannungspotential schaltbar. Der Gesamtverstärker besteht aus den Hauptfunktionsgruppen Spannungsverstärkerteil und Leistungstreiberteil. Der Spannungsverstärkerteil, ein Operationsverstärker, ist eingangsseitig einmal über einen Widerstand und zum anderen über eine an Erdpotential angeschlossene Leitung ansteuerbar und wird von einem stabilisierten positiven und negativen Betriebsspannungspotential gespeist. Der Ausgang des Operationsverstärkers führt einmal über eine in Flußrichtung geschaltete Diode und zwei Basisspannungsteilerwiderstände an das stabilisierte positive Betriebsspannungspotential und zum anderen über eine weitere in Flußrichtung geschaltete Diode und zwei Basisspannungsteilerwiderstände, wovon einer als Regelwiderstand zur Ruhestromeinstellung ausgeführt ist, an das stabilisierte negative 3etriebsspannungspotential. An die Zusammenschaltungspunkte beider Paare von Spannungsteilorwiderständen ist jeweils mit der Basis des Eingangstransistors ein komplementär aufgebauter Leistungstreiberteil angeschaltet. Der Emitter des npn-Eingangstransistors ist einmal über den Emitterwiderstand an Erdpotential und zum anderen über den Kompensationswiderstand an positives Betriebsspannungspotential sowie dessen Kollektor an die Basis des pnp-Treibertransistors angeschlossen, wobei dessen Emitter an positives Betriebsspannungspotential und dessen Kollektor an die Basis des npn-Ausgangstransistors geführt ist und dessen Kollektor mit positivem Betriebsspannungspotential und dessen Emitter über eine in Flußrichtung geschaltete Stabilisierungsdiode und den Emitterwiderstand mit dem Ausgang verbunden ist. Vom Ausgang führt der Lastwiderstand an Erdpotential und der Gegenkopplungswiderstand zum negierenden Eingang des Operationsverstärkers. Jeweils zwischen den Emittern der Ausgangstransistoren und der Eingangstransistoren ist ein interner Gegenkopplungswiderstand zur Ruhestromstabilisierung angeschlossen. Analog komplementär ist der für die andere Halbwelle wirkende Leistungstreiberteil aufgebaut.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die zusätzlich zum Emitterwiderstand jedes Ausgangstransistors in Reihe liegende Stabilisierungsdiode, z.B. eine Siliziumdiode, eine Flußspannung von etwa 0,7V aufweist und sich hierdurch bei den üblichen Ruheströmen der Ausgangstransistoren in der Größenordnung von 1OmA ein zusätzlicher Gleichstromwiderstand von etwa 70Ohm ergibt, so daß durch Ruhestromänderungen hervorgerufene Spannungsänderungen jetzt wirksam vom Emitter des Ausgangstransistors über den internen Gegenkopplungswiderstand zur Ruhestromstabilisierung auf den Emitter des Eingangstransistors rückgekoppelt werden können.

Gegenüber den üblicherweise einsetzbaren Emitterwiderständen der Ausgangstransistoren von etwa 0,1 Ohm wird ein etwa 700facher Wert und damit eine 700fache Verbesserung der Ruhestromstabilität erreicht. Die Flußspannung dieser Stabilisierungsdioden, die die erreichbare Ausgangsspannung und damit die Ausgangsleistung des Transistorverstärkers verringert, ist vernachlässigbar gering. Eine weitere Verbesserung der Ruhestromstabilität gegen Betriebsspannungsschwankungen wird noch dadurch erreicht, daß vom Emitter des Eingangstransistors ein Kompensationswiderstand an das zugehörige Betriebsspannungspotential geschaltet ist. Dieser Kompensationswiderstand erzeugt am Emitter des Eingangstransistors einen solchen Spannungsabfall, der der durch die Betriobsspannungsänderung hervorgerufener ι Ruhestromänderung in den Ausgangstransistoren entgegenwirkt. Bei Anwendung beider Maßnahmen kann die Ruhestromänderung kompensiert bzw. sogar überkompensiert wet den.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung wiedergegebener: Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt das Prinzipschaltbild eines Gegentakt-Aß-Verstärkers.

Der Gesamtverstärker besteht aus zwei Hauptfunktionsgruppen - einem Spannungsverstärkerteil, bestehend z. B. aus einem Operationsverstärker OV und einem Leistungstreiberteil, bestehend aus je einer Kettenschaltung von 3 gleichstromgekoppelten Transistoren T1; 2; 3 bzw. T1'; 2'; 3', die komplementär aufgebaut sind und im Gegentaktbetrieb arbeiten. Zur Linearisierung der Übertragungseigenschaften das gesamten Verstärkers dient eine Gegenkopplung vom Ausgang A des Endstufenteils auf den Eingang E des Operationsverstärkers OV mittels des Gegenkopplungswiderstandes R 5. Durch die Einbeziehung der gesamten Schleifenverstärkung in die Gegenkopplung können extrem niedrige Klirrfaktoren realii ^;ert werden. Die Einstellung des Ruhestromes Ir der Ausgangstransistoren T1; 1' erfolgt durch Regelung der Basisvors' 'nung der Eingangstransistoren T3; 3' durch den Regelwiderstand Rp. Dar Spannungsverstärkerteil, bestehend z. B. aus einei operationsverstärker OV, kann wegen des geringen Stromverbrauchs ohne großen Aufwand an die stabilsierten Betriebsspannungspotentiale ±U_B2 angeschlossen werden.

Zur Stabilisierung des Ruhestromes Ir sind jeweils im Emitterkreis der Ausgangstransistoren T1; V der niederohmige Emitterwiderstand R1; V und eine Stabilisierungsdiode D; D' in Flußrichtung angeschaltet.

Weiterhin besteht eine interne Gegenkopplung jeweils vom Emitter des Ausgangstransistors T1; V zum Emitter des Eingangstransistors T3; 3' über den internen Gegenkopplungswiderstand R 2; 2' zur Ruhestromstabilisierung.

Die stabilisierende Wirkung dieser Schaltungsmaßnahme erklärt sich wie folgt:

Ändern sich die Betriebsspannungspotentiale ±U_Bi des Leistungstreiberteils, so ändert sich der Ruhestrom Ir der Ausgangstransistoren T1; V in der gleichen Richtung. Die Änderung des Ruhestromes Ir um den Betrag Al_n erzeugt an den Emitterwiderständen R1; V der Ausgangstransistoren T1; 1' entsprechend proportionale Spannungsabfälle. Durch die interne Gegenkopplung des Leistungstreiberteils über den Gegenkopplungsteiler, bestehend aus der Reihenschaltung der Gegenkopplungswiderstände R2; 2' zur Ruhestromstabilisierung und den Emitterwiderständen R3; 3' wird dieser Spannungsabfall den Emittern der Eingangstransistoren T3; 3' zugeführt, wobei diese Spannungsänderung eine Verkleinerung der Größe der Änderung AIr des Ruhestromes Ir der Ausgangstransistoren T1; V bewirkt. Dieser Regelungsvorgang ist um so besser, je größer der an den Emitterwiderständen R1; 1' der Ausgangstransistoren T1; 1' durch die Änderung Al_n des Ruhestromes Ir erzeugte Spannungsabfall ist. Zur Erreichung einer hohen Ruhestromstabilität ergäbe sich hieraus die Forderung nach großen Emitterwiderständen R1; 1' der Ausgangstransistoren T1; 1', die aber der Forderung nach kleinen Emitterwiderständen R1; 1' für eine gute Leistungsbilanz am Lastwiderstand R_L widerspricht. Für eine gute Leistungsbilanz können bei üblichen Lastwiderständen Rl von etwa 4 Ohm nur Emitterwiderstände R1; V der Ausgangstransistoren T1; 1' in der Größenordnung von etwa 0,1 Ohm zugelassen werden. Damit ist aber die bisherige bekannte interne Gegenkopplung vom Emitter des Ausgangstransistors T1; 1' zum Emitter des Eingangstransistors T3; 3' nahezu wirkungslos.

Durch die Reihenschaltung der in Flußrichtung betriebenen Stabilisierungsdioden D; D' mit den Emitterwiderständen R1; 1' im Emitterkreis der Ausgangstransistoren T1; V ergibt sich unter Berücksichtigung einer Flußspannung für Si-Dioden von etwa 0,7 V bei einem üblichen Ruhestrom l_Rder Ausgangstransistoren T1; V in der Größenordnung von 1OmA ein hieraus resultierender Widerstand von etwa 70 Ohm, was einer Vergrößerung der Emitterwiderstände R1; V bei einem Ausgangswert von 0,1 Ohm um den Faktor 700 entspricht. Das Regelverhalten bezüglich der Ruhestromstabilität der Ausgangstransistoren T1; 1' durch die interne Gegenkopplung des Leistungstreiberteils wird damit ebenfalls um den Faktor 700 verbessert, so daß bereits durch diese Schaltungsmaßnahme eine ausreichende Ruhestromqualität erreicht wird, wobei die Aussteuerungsgrenze des gesamten Verstärkers durch die Flußspannungen der Stabilisierungsdioden D1; V nur unwesentlich verringert wird.

Zur Erhöhung des Effektes kann auch mehr als eine Stabilisierungsdiode D1; V in Reihe geschaltet werden.

Eine zusätzliche Verbesserung der Ruhestromstabilität der Ausgangstransistoren T1; V bezüglich der Änderung der Betriebsspannungspotentiale ±U_Bi wird durch die zusätzlichen Kompensationswiderstände R4; 4' erreicht. Hierbei wird den Emittern der Eingangstransistoren T3; 3' eine Spannungsänderung proportional der Änderung der Betriebsspannungspotentiale ±Ubi zugeführt, die der durch die Änderung der Betriebsspannungspotentiale ±U₀, hervorgerufenen Änderung des Ruhestromes Ir der Ausgangstransistoren T1; V entgegenwirkt.

Bei entsprechender Dimensionierung der Kompensationswiderstände R4; 4' kann in Verbindung mit den Stabilisierungsdioden D; D'und der gegebenenfalls verwendeten Emitterwiderstände R1; V der Ausgangstransistoren T1; 1' eine Kompensation bzw. sogar Überkompensation des Ruhestromes I_R der Ausgangstransistoren T1; V gegenüber Schwankungen der Betriebsspannungspotentiale ±U_Bi erreicht werden.

Diese Maßnahmen gewährleisten bei nur geringem Aufwand, daß für den großen Stromverbrauch der Ausgangstransistoren T1; 1' bei voller Aussteuerung des Leistungstreiberteils keine kosten- und raumaufwendige Stabilisierung der erforderlichen Betriebsspannungspotentiale ±U_B, erforderlich ist.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung für die Ruhestromstabilisierung der Ausgangstransistoren eines im Gegentakt-AB-Betrieb arbeitenden mehrstufigen, gleichstromgekoppelten Transistorleistungsverstärkers, insbesondere für die Übertragung im NF-Bereich, bei dem jeweils im Emitterkreis der Ausgangstransistoren ein Emitterwiderstand anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Emitterkreis der Ausgangstransistoren (T1; 1') mindestens eine in Durchlaßrichtung betriebene Stabilisierungsdiode (D; D') und jeweils zwischen den Emittern der Ausgangstransistoren (T1; V) und der Eingangstransistoren (T3; 3') ein interner Gegenkopplungswiderstand (R2; 2') zur Ruhestromstabilisierung geschaltet ist und daß weiterhin von jedem Emitter der Eingangstransistoren (T3; 3') e^!n Kompensationswiderstand (R4; 4') an das entsprechende Betriebsspannungspotential (± U_B1) schaltbar ist.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die Ruhestromstabilisierung der Ausgangstransistoren eines in Gegentakt-AB-Betrieb arbeitenden mehrstufigen, gleichstromgekoppelten Transistorleistungsverstärkers, wobei der eigentliche Leistungsteil für jede Halbwelle aus einem gleichstromgekoppelten 3stufigen Transistorverstärker besteht und die aufeinanderfolgenden Transistoren jeweils von unterschiedlichem Leitung sty ρ sind, insbesondere für die Übertragung des NF-Bereiches. Die Ansteuerung des Leistungsteiles erfolgt vorzugsweise nurch einen Operationsverstärker.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   Aus der Niederfrequenz-A-Verstärkertechnik ist eine 3stufige aus gleichstromgakoppelten Transistoren unterschiedlichen Leitungstyps aufgebaute Schaltung bekannt, die, für positive Betriebsspannungen ausgelegt, aus der Kettenschaltung von 3 Transistoren in der Reihenfolge npn-pnp-npn besteht. Für negative Betriebsspannungen ist die Schaltung entsprechend komplementär aufgebaut. Die Arbeitspunkteinstellung erfolgt mittels des Basisspannungsteilers des Eingangstransistors in Verbindung mit dem Emitterwiderstand des als Emitterfolger arbeitenden Ausgangstransistors und einem Gegenkopplungsspannungsteiler, bestehend aus einem zwischen den Emittern des Ausgangs- und Eingangstransistors liegenden Gegenkopplungswiderstandes und dem Emitterwiderstand des Eingangstransistors. Die Verstärkung dieser Schaltung wird praktisch nur durch den Gegenkopplungsspannungsteiler bestimmt. Für reine A-Verstärker, wie sie bei Vorverstärkern mit nur kleinen Ausgangsleistungen benötigt werdt n, liegt der Emitterwiderstand des Ausgangstransistors in der Größenordnung von einigen kOhm, und die Spannung am Emitter des Ausgangstransistors wird auf etwa die halbe Betriebsspannung mittels der vorstehend beschriebenen Arbeitspunkteinstellung festgelegt. Diese Schaltung zeichnet sich wegen der Gegenkopplung über alle Stufen durch große Ruhestromstabilität und durch einen äußerst geringen Klirrfaktor aus. Aus der Literatur sind auch Schaltungen für Verstärker bekannt, die aus 2 vorstehend beschriebenen Grundschaltungsvarianten mit je 3 Transistoren bestehen und die in Gegentakt-AB-Betrieb arbeiten, wobei der der positiven Halbwelle zugeordnete Verstärkerteil mit Transistoren in der Reihenfolge npn-pnp-npn und der der negativen Halbwelle zugeordnete Verstärkerteii mit Transistoren in der Reihenfolge pnp-npn-pnp bestückt ist. Diese Anordnung bildet den eigentlichen Leistungsteil. Die Ansteuerung kann z. B. über einen Operationsverstärker erfolgen. Durch eine über der kompletten Verstärl.erschleife mit hoher Verstärkung liegende Gegenkopplung vom Ausgang des Leistungsteiles auf den Eingang des Operationsverstärkers k nnen extrem niedrige Klirrfaktoren auch bei hohen Ausgangsleistungen erreicht werden. Die Ansteuerung der zugehörigen Lautsprecher oder Boxen erfolgt über die Emitter der Ausgangstransistoren, wobei deren Emitterwiderstände jeweils in Reihe mit der Impedanz des Lautsprechers oder der Bon liegen. Hieraus ergibt sich aus Gründen der Leistungsbilanz, daß die Emitterwiderstände der Ausgangstransistoren klein gegenüber der Impedanz des angeschlossenen Lautsprechers oder der angeschlossenen Box sein müssen. Bei üblichen Lautsprecher- oder Boxenimpedanzen von 4 Ohm müssen diese Emitterwiderständo dann aus den vorstehend geschilderten Gründen in der Größenordnung von 0,1 Ohm liegen. Gegenüber den zu Beginn beschriebenen Α-Verstärkern müssen bei den analog aufgebauten Gegentakt-AB-Leistungsverstärkern die Emitterwiderstände der Ausgangstransistoren also um etwa 4 Größenordnungen niedriger gewählt werden. Nachteilig ist, daß dadurch die stabilisierende Wirkung der Gegenkopplung der 3stufigen Transistoranordnungen auf die Konstanz des Ruhestromes und damit des Arbeitspunktes der Ausgangstransistoren ebenfalls um 4 Größenordnungen schlechter ist. Damit wirken sich z. B. Schwankungen der Betriebsspannung bei dieser Gegentaktschaltung äußerst negativ auf die Stabilität des Ruhestromes der Ausgangsiransistoren und damit auf deren Arbeitspunktstabilität aus. Zwecks Gewährleistung der erforderlichen Arbeitspunktstabilität ist deshalb eine Stabilisierung der für diese Verstärker erforderlichen positiven und negativen Betriebsspannung erforderlich. Für größere Ausgangsleistungen sind aber derartige stabilisierte Netzteile verhältnismäßig teuer, und sie erhöhen die Gesamtkosten für solche Verstärker erheblich. Außerdem wird dadurch auch der Leistungsverbrauch erhöht und damit letzten Endes der Wirkungsgrad verschlechtert. Eine Vergrößerung der Emitterwiderstände der Ausgangstransistoren kommt wegen der damit zwangsläufig verbundenen erheblichen Verschlechterung des Wirkungsgrades überhaupt nicht in Betracht.