DD282788A5 - METHOD AND CIRCUIT FOR A POWER AMPLIFIER WITH LOW PHASE ROTATION, ESPECIALLY FOR A VARIABLE INDUCTIVE LOAD - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung fuer einen Leistungsverstaerker mit geringer Phasendrehung und hoher Stabilitaet der Ausgangsspannung beim Anschalten einer induktiven Last. Sie ist auf dem Gebiet der NF-Leistungsverstaerkertechnik und in der Mesztechnik anzuwenden. Die Erfindung loest die Aufgabe, ein Verfahren fuer einen Leistungsverstaerker zu schaffen, durch das der Laststrom nur einen sehr geringen Spannungsabfall zwischen der Eingangs- und der Ausgangsklemme erzeugt. Der Leistungsverstaerker soll als Stromtreiber am Ausgang eines bipolaren Operationsverstaerkers eine hoehere kapazitive Belastung als ein komplementaerer Emitterfolger zulassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz der Laststrom eines Verstaerkers mit einem npn-Transistor durch zwei steuerbare Stromquellen bereitgestellt wird, dasz eine Einrichtung in Abhaengigkeit davon, ob der Kollektorstrom des npn-Transistors einen Referenzwert ueber- oder unterschreitet, die eine oder die andere Stromquelle aufsteuert, und dasz das Verhaeltnis zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des Kollektorstroms durch ausreichende Hoehe des Minimalwertes klein gehalten wird. Die Erfindung loest weiterhin die Aufgabe, eine zur Durchfuehrung des Verfahrens geeignete Schaltung mit geringem Aufwand zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaesz durch eine Schaltung nach Figur 4 geloest. Fig. 4{Stromtreiber; Laststrom; geringer Spannungsabfall; Referenzwert; maximaler Kollektorstrom; minimaler Kollektorstrom; Meszeinrichtung; Regeleinrichtung; steuerbare Stromquelle}The invention relates to a method and a circuit for a Leistungsverstaerker with low phase rotation and high stability of the output voltage when switching on an inductive load. It is applicable in the field of NF power amplifier technology and in the measuring technique. The invention solves the problem of providing a method for a power amplifier, by which the load current generates only a very small voltage drop between the input and the output terminal. The power amplifier is intended as a current driver at the output of a bipolar operational amplifier allow a higher capacitive load as a complementary emitter follower. This object is achieved according to the invention by providing the load current of an amplifier with an NPN transistor through two controllable current sources, one device depending on whether the collector current of the NPN transistor exceeds or falls below a reference value, one or the other Current source and that the ratio between the maximum value and the minimum value of the collector current is kept small by a sufficient amount of the minimum value. The invention further solves the problem of providing a circuit suitable for carrying out the method with little effort. This object is achieved according to the invention by a circuit according to FIG. Fig. 4 {current driver; Load current; low voltage drop; Reference value; maximum collector current; minimum collector current; Meszeinrichtung; Control device; controllable power source}
Description
Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings
Die Erfindung ist allgemein auf dem Gebiet der NP-Leistungsverstärkertechnik und speziell in der Meßtechnik anzuwenden.The invention is generally applicable in the field of NP power amplifier technology, and especially in metrology.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet den Aufbau eines Leistungsverstärkers, der sich durch geringe Phasendrehung, insbesondere bei kapazitiver Belastung, Jnd durch einen sehr kleinen Spannungsabfall zwischen der Eingangs- und Ausgangsklemme bei induktiver Belastung auszeichnet.The inventive method allows the construction of a power amplifier, which is characterized by low phase rotation, especially in capacitive load, Jnd by a very small voltage drop between the input and output terminal with inductive load.
Die geringe Phasendrehung ist besonders bei der Anwendung als Stromtreiber mit kapazitiver Belastung am Ausgang eines Operationsverstärkers vorteilhaft.The low phase rotation is particularly advantageous when used as a current driver with capacitive load at the output of an operational amplifier.
Der sehr kleine Spannungsabfall bei induktiver Belastung ermöglicht die Erzeugung einer hochkonstanten Wechselspannung für eine variable Anzahl induktiver Meßgrößenaufnehmer.The very small voltage drop with inductive load allows the generation of a high-constant AC voltage for a variable number of inductive Meßgrößenaufnehmer.
Der komplementäre Emitterfolger hat aufgrund seines relativ hohen Wirkungsgrades eine große Bedeutung als Leistungsverstärker erlangt. Ein schwerwiegender Mangel besteht in der ungenügenden Linearität seiner Übertragungskennlinie. Die Übertragungskennlinie des komplementären Emitterfolger wird durch den AB-Betrieb linearisiert (Tietze/Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1980, Seite 349.) Bei einem komplementären Emitterfolger im AB-Betrieb muß der Ruhestrom stabilisiert werden, um den Effekt der thermischen Mitkopplung zu unterdrücken.The complementary emitter follower has gained great importance as a power amplifier due to its relatively high efficiency. A serious shortcoming is the insufficient linearity of its transfer characteristic. The transfer characteristic of the complementary emitter follower is linearized by the AB operation (Tietze / Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, 5th edition, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1980, page 349.) In a complementary emitter follower in the AB mode, the quiescent current must be stabilized be used to suppress the effect of thermal Mitkopplung.
Eine sehr einfache und zuverlässige Maßnahme dafür besteht in der Stromgegenkopplung lurch Emitterwiderstände. An diesen Emitterwiderständen entsteht aber durch den Laststrom ein zusätzlicher Spannungsabfall, der nicht durch Gegenkopplung (unter Einsatz eines Vorverstärkers) kompensiert werden kann, wenn es sich um eine induktive Last handelt.A very simple and reliable measure for this is in the current feedback lurch emitter resistors. At these emitter resistors, however, the load current causes an additional voltage drop, which can not be compensated by negative feedback (using a preamplifier), if it is an inductive load.
Ohne Emitterwiderstand reduziert sich dieser Fehler auf den Betrag, der durch den Spannungsabfall am differentiellen Widerstand der Basis-Emitter-Diode des jeweils leitenden Transistors hervorgerufen wird.Without emitter resistance, this error reduces to the amount caused by the voltage drop across the differential resistance of the base-emitter diode of the respective conducting transistor.
In der DE-OS 3727248 wird ein Leistungsverstärker gezeigt, der auf induktive Belastung praktisch fehlerfrei reagiert, obwohl er ebenfalls Emitterwiderstände zur Stabilisierung des Ruhestroms enthält. Ein weiteres Problem ist aber die Phasendrehung eines Leistungsverstärkers, insbesondere bei stärkerer kapazitiver Belastung, wie sie dann auftritt, wenn der Verbraucher ein längeres Anschlußkabel besitzt. Wird der Leistungsverstärker in die Gegenkopplungsschlei'«) eines Operationsverstärkers einbezogen, reduziert die zusätzliche Phasendrehung des Leistungsverstärkers die Phasensicherticit der Operationsverstärkerschaltung bei vorgegebener Kompensation. Die zusätzliche Phasendrehung kann mit Hi'fe einer schnellen Rückkopplungsschleife kompensiert werden, sofern die kapazitive Belastung einigermaßen konstant ist (Dost.1l, Operationsverstärker, Verlag Technik Berlin 1986,In DE-OS 3727248 a power amplifier is shown, which reacts to inductive load virtually error-free, although it also contains emitter resistors to stabilize the quiescent current. Another problem, however, is the phase rotation of a power amplifier, especially at higher capacitive load, as occurs when the consumer has a longer connection cable. When the power amplifier is included in the negative feedback loop of an operational amplifier, the additional phase rotation of the power amplifier reduces the phase-locking efficiency of the operational amplifier circuit for a given compensation. The additional phase rotation can be compensated with the aid of a fast feedback loop, provided that the capacitive load is reasonably constant (Dost.11, operational amplifier, Verlag Technik Berlin 1986,
S. 340). Diese Voraussetzung wird aber bei einer variablen Anzahl einzelner Verbraucher mit eigenem Anschlußkabel nicht erfüllt. Da die maximale kapazitive Belastung kompensiert werden muß, liegt bei reduziertet Belastung stets ÜberkompensationP. 340). However, this requirement is not met with a variable number of individual consumers with their own cable. Since the maximum capacitive load must be compensated, overcompensation always occurs when the load is reduced
Bei der typischen Transitfrequenz eines bipolarenl Operationsverstärker von 3 MHz ist die Phasendrehung eines kapazitiv belasteten komplementären Emitterfolgers nicht zu vernachlässigen, was durch die ungünstigen Hochfrequenzeigenschaften eines pnp-Transistors bedingt ist. Das gilt auch für den in der DE-OS 3727248 gezeigten Leistungsverstärker. Hinsichtlich der Phasendrehung ist der einfache Emitterfolger mit einem npn-Transistor dem komplementären Emitterfolger überlegen. Der einfache Emitterfolger ist aber durch einen geringen Wirkungsgrad gekennzeichnet; bei Einsatz einer Konstantstromquelle als Arbeitswiderstand liegt er noch unter 25%.At the typical transit frequency of a 3 MHz bipolar operational amplifier, the phase rotation of a capacitively loaded complementary emitter follower is not negligible, due to the unfavorable high frequency characteristics of a pnp transistor. This also applies to the power amplifier shown in DE-OS 3727248. In terms of phase rotation, the simple emitter follower with an npn transistor is superior to the complementary emitter follower. The simple emitter follower is characterized by a low efficiency; when using a constant current source as a working resistance, it is still less than 25%.
Es sind Lösungen bekannt (DE OS 3416850, DE-PS 3120689, US-PS 4573021, US-PS 4509020), bei denen der Eingang mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers wie beim einfachen Emitterfolger durch die Basis-Emitter-Diode eines Transistors verbunden ist, und mit denen ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Der Laststrom verursacht aber bei einer bestimmten Polarität immer noch einen Spannungsat fall am differentiellen Widerstand der Basis-Emitter-Diode zwischen dem Eingang und dem AusgangSolutions are known (DE OS 3416850, DE-PS 3120689, US-PS 4573021, US-PS 4509020), in which the input is connected to the output of the power amplifier as in the simple emitter follower through the base-emitter diode of a transistor, and with which a high efficiency is achieved. The load current causes but at a certain polarity still a Spannungsat case on the differential resistance of the base-emitter diode between the input and the output
des Verstärkers, so daß diese Lösungen nicht zur Erzeugung einer hochkonstanten Ausgangsspannung für eine variable induktive Last geeignet sind. Darüber hinaus beeinträchtigt die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie der Basis-Emitter-Diode die Linearität der Übertragungskennlinie.of the amplifier, so that these solutions are not suitable for generating a highly constant output voltage for a variable inductive load. In addition, the non-linear current-voltage characteristic of the base-emitter diode affects the linearity of the transfer characteristic.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist ein Leistungsverstärker mit geringer Phasendrehung und hoher Stabilität der Ausgangsspannung beim Anschalten einer induktiven Last.The aim of the invention is a power amplifier with low phase rotation and high stability of the output voltage when switching on an inductive load.
Die Erfindung löst die Aufgabe, ein Verfahren für einen Leistungsverstärker zu schaffen, durch das der Laststrom nur einen sehr geringen Spannungsabfall zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme erzeugt. Der Leistungsverstärker soll als Stromtreiber am Ausgang eines bipolaren Operationsverstärkers mit einer typischen Transitfrequenz von 3MHz einsetzbar sein und unter dieser Bedingung eine höhere kapazitive Belastung als ein komplementärer Fmitterfolger bei vergleichbarer leistungsmäßiger Dimensionierung zulassen.The invention solves the problem of providing a method for a power amplifier, by which the load current generates only a very small voltage drop between the input terminal and the output terminal. The power amplifier should be used as a current driver at the output of a bipolar operational amplifier with a typical transit frequency of 3MHz and allow under this condition, a higher capacitive load as a complementary Fmitterfolger with comparable performance dimensioning.
Das bedeutet, das Verfahren muß sich in eine Schaltung umsetzen lassen, die erstens im Bereich der genannten Transitfrequenz (3MHz) einen kleineren dynamischen Ausgangswiderstand als der komplementäre Emitterfolger besitzt und zweitens die höhere kapazitive Belastung nicht durch dynamische Instabilität grundsätzlich ausschließt, grundsätzlich insofern, daß auch durch eine Frequenzgangkorrektur unter der Bedingung einer ausreichend hohen Leistungsbandbreite des Verstärkers (Slew-Rate mindestens 1 V/ps) keine Stabilität erreicht werden kann.This means that the method must be able to be implemented in a circuit which firstly has a lower dynamic output resistance than the complementary emitter follower in the range of the mentioned transit frequency (3 MHz) and secondly does not preclude the higher capacitive load fundamentally by dynamic instability, in principle insofar as that too can be achieved by a frequency response correction under the condition of a sufficiently high power bandwidth of the amplifier (Slew rate at least 1 V / ps) no stability.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Laststrom durch zwei steuerbare Stromquellen bereitgestellt wird, wobei in bekannter Weise die erste Stromquelle mit dem Kollektor cmitter-Strompfad eine npn-Transistors in Kollektorschaltung in Reihe geschaltet ist, während erfindungsgemäß die zweite Stromquelle dem Kollektor-Emitter-Strompfad dos npn-Transistors parallelgeschaltet ist, daß mit Hilfe einer Einrichtung die erste Stromquelle in bekannter Weise aufgesteuert wird, wenn der Kollektorstrom des npn-Transistors einen Referenzwert unterschreitet, während erfindungsgemäß die zweite Stromquelle aufgesteuert wird, wenn der Kollektorstrom diesen Referenzwert überschreitet, und daß das Verhältnis zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des Kollektorstroms durch ausreichende Höhe des Minimalwertes klein gehalten wird.This object is achieved in that the load current is provided by two controllable current sources, in a known manner, the first current source with the collector cmitter current path an NPN transistor in collector circuit is connected in series, while according to the invention, the second current source to the collector emitter -Strompfad dos npn transistor is connected in parallel, that with the aid of a device, the first current source is turned on in a known manner, when the collector current of the NPN transistor falls below a reference value, while according to the invention, the second current source is turned on when the collector current exceeds this reference value, and the ratio between the maximum value and the minimum value of the collector current is kept small by a sufficient height of the minimum value.
Die Erfindung löst weiterhin die Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schaltung mit geringem Aufwand zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daßin einer Schaltung der eingangs genannten Art das Bauelement zur Auswertung des Kollektorstroms des erstan Transistors ein Widerstand ist, daß mit dem zweiten Widerstand eine vierte Diode in Reihe geschaltet ist, daß am Kollektor des ersten Transistors die Basis eines vierten Transistors vom pnp-Leitungstyp angeschlossen ist, dessen Kollektor mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers verbunden ist, daß weiterhin zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol der Betriebsspannungsquelle eine Reihenschaltung aus einem dritten Widerstand, einer ersten, zweiten und dritten Diode und einem vierten Widerstand in der genannten Reihenfolge angeordnet ist, wobei alle drei Dioden in Flußrichtung gepolt sind, und daß am Verbindungspunkt zwischen der ersten und der zweiten Diode der Emitter des vierten Transistors und am Verbindungspunkt zwischen der dritten Diode und dem vierten Widerstand die Basis des dritten Transistors angeschlossen ist.The invention further solves the problem of providing a circuit suitable for carrying out the method with little effort. This object is achieved in that in a circuit of the type mentioned, the device for evaluating the collector current of the first transistor is a resistor that is connected to the second resistor, a fourth diode in series, that at the collector of the first transistor, the base of a fourth Transistor is connected by pnp line type, whose collector is connected to the output of the power amplifier, that further between the positive pole and the negative pole of the operating voltage source, a series circuit of a third resistor, a first, second and third diode and a fourth resistor in the is arranged, wherein all three diodes are poled in the flow direction, and that connected at the connection point between the first and the second diode, the emitter of the fourth transistor and at the connection point between the third diode and the fourth resistor, the base of the third transistor is.
AusfChrungsbeispielAusfChrungsbeispiel
Figur 1 zeigt das Blockschaltbild für das Verfahren gemäß Anspruch 1.FIG. 1 shows the block diagram for the method according to claim 1.
Figur 2 zeigt die Ströme ioi und Iq2 als Funktion des Kollektorstroms ic-FIG. 2 shows the currents ioi and Iq 2 as a function of the collector current ic-
In der Praxis müssen die Geraden \q\ = f(ic) und Iq2 = f(ic) nicht exakt den gleichen Anstieg besitzen (vom Vorzeichen abgesehen).In practice, the lines \ q \ = f (i c ) and Iq 2 = f (ic) need not have exactly the same slope (apart from the sign).
Figur 3 zeigt den Verlauf der Ströme von Figur 1 bei sinusförmiger Vollaussteuerung des Leistungsverstärkers. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit zwei Regeleinrichtungen, die mit der gleichen Führungsgröße, dem Referenzwert Ic, arbeiten.FIG. 3 shows the course of the currents of FIG. 1 with a sinusoidal full scale control of the power amplifier. The inventive method works with two control devices that operate with the same reference variable, the reference value Ic.
Wenn der Kollektorstrom ic den Referenzwert lc unterschreitet, wird die erste Regeleinrichtung aktiviert. Sie wirkt der weiteren Verkleinerung des Kollektorstroms ic durch Erhöhung des Stroms der ersten Stromquelle Q1 entgegen. Wenn der Kollektorstrom ic den Referenzwert Ic überschreitet, wird die zweite Regeleinrichtung aktiviert.If the collector current ic falls below the reference value l c , the first control device is activated. It counteracts the further reduction of the collector current i c by increasing the current of the first current source Q1. When the collector current i c exceeds the reference value Ic, the second regulator is activated.
Sie wirkt der weiteren Vergrößerung dos Kollektorstroms ic durch Erhöhung des Stroms der zweiten Stromquelle Q 2 entgegen.It counteracts the further enlargement of the collector current ic by increasing the current of the second current source Q 2.
Beide Regeleinrichtungen arbeiten mit der Meßeinrichtung 3 für den Kollektorstrom ic (Figur 1).Both control devices work with the measuring device 3 for the collector current i c (Figure 1).
Die zur Funktion einer Regeleinrichtung erforderliche Einrichtung zur Bildung der Differenz zwischen dem Kollektorstrom ic und dem Referenzwert lc ist Bestandteil der Einrichtung 4. Sie kann für beide Regeleinrichtungen gemeinsam oder für jede Regeleinrichtung einzeln ausgeführt sein. Es ist darauf zu achten, Jaß die beiden Geraden Iqi = f(i'c)undio2 = f(ic) in Figur 2 bei ίο = 0 zusammentreffen oder sich bei einem Wert geringfügig über Null schneiden. Die stärkere Aufsteuerung beider Stromquellen gleichzeitig ist zuverlässig auszuschließen.The required for the function of a control device for forming the difference between the collector current ic and the reference value l c is part of the device 4. It can be designed for both control devices together or for each control device individually. It is important to note that the two straight lines Iqi = f (i'c) andio 2 = f (ic) in Figure 2 coincide at ίο = 0 or intersect slightly above zero at a value. The stronger control of both power sources at the same time is reliably excluded.
Die Einrichtung 4 muß für jede Stromquelle ein Steuersignal mit dem erforderlichen Bezugspotential erzeugen.The device 4 must generate a control signal with the required reference potential for each current source.
Die zur Funktion der Regeleinrichtungen erforderliche Verstärkung kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden. Die Einrichtung 4 kann einen Verstärker für beide Regeleinrichtungen gemeinsam, z. B. einen Differenzverstärker mit zwei Ausgängen, oder zwei einzelne Verstärker enthalten. Die erforderliche Verstärkung kann aber auch durch ein ausreichend großesThe gain required for the function of the control devices can be achieved in different ways. The device 4 may have an amplifier for both control devices in common, for. B. a differential amplifier with two outputs, or two individual amplifier included. The required gain can also be achieved by a sufficiently large
Übersetzungsverhältnis zwischen dem Strom einer Stromquelle und ihrem Steuersignal erreicht werden. Gemäß Figur 1 gilt die KnotenpunktgleichungRatio between the current of a power source and its control signal can be achieved. According to FIG. 1, the node equation applies
iQ2 i Q2
- ιοί - iL -- 0- ιοί - i L - 0
Aus der Knotenpunktoleichung und der Beziehung iE » ic ergibt sich die Konsequenz, daß iT.rner mindestens eine Regeleinrichtung auf eine Veränderung des Laststroms i|. mit der Änderung des Stroms der ihr zugeordneten Stromquelle reagiert. Dadurch wird der Laststrom iL weitestgehend von den beiden Stromquellen Q1 und Q2 bereitgestellt, und der Kollektorstrom ic ändert sich mit dem Laslstrom nur noch im Verhältnis \c:\i = 1 :von,,ic:ii. = 1 :νοκ2 oder, wenn beide Regeleinrichtungen in der Nähe von iq = 0 aktiv sind, im Verhältnis IcMl = 1 :(voin + V0H2) (V0H1: offene Verstärkung der ersten Regeleinrichtung mit Q1, von2: offene Verstärkung der zweiten Regeleinrichtung mit Q2).The consequence of the nodal point calibration and the relationship i E »i c is that iT.rner has at least one control device for a change in the load current i |. reacts with the change of the current of its associated power source. As a result, the load current i L is largely provided by the two current sources Q1 and Q2, and the collector current ic changes with the laser current only in the ratio \ c : \ i = 1: v o n ,, ic: ii. = 1: ν ο κ 2 or, if both control devices in the vicinity of iq = 0 are active, in the ratio IcMl = 1: (v o in + V 0 H 2 ) (V 0 H 1 : open gain of the first control device with Q1, v o n 2 : open amplification of the second control device with Q2).
Erfindungsgemäß wird das Verhältnis zwischen dem Maximalwert lCm,x und dem Minimalwert lCmin des Kollektorstroms ic (Figur 2) durch einen ausreichend großen Referenzwert Ic klein gehalten. Aus einem kleinen Verhältnis resultiert eine geringe Änderung der Basis-Emitter-Spannung des npn-Transistors T und daraus eine hohe Konstanz der Ausgangsspannung beim Anschalten einer induktiven Last.According to the invention, the ratio between the maximum value l Cm , x and the minimum value l Cm in the collector current i c (Figure 2) is kept small by a sufficiently large reference value Ic. From a small ratio results in a small change in the base-emitter voltage of the NPN transistor T and from a high constancy of the output voltage when switching on an inductive load.
Ein weiterer Vorteil gegenüber einem Verstärker der eingangs genannten Art besteht darin, daß der Eingangswiderstand des Leistungsverstärkers nicht mehr vom Vorzeichen des Laststroms abhängig ist.Another advantage over an amplifier of the type mentioned is that the input resistance of the power amplifier is no longer dependent on the sign of the load current.
Bei It- = O wird aus dem Strom iQ1 der ersten Stromquelle Q1 der Ruhestrom IR des Leistungsverstärkers (vergl. Figur 3). Der Kollsktorstrom ic nimmt den Ruhewert ICr an.For It - = 0, the current I R of the power amplifier (see FIG. 3) becomes the quiescent current I R of the current i Q1 of the first current source Q1. The collisor current ic assumes the quiescent value I C r.
Wie Figur 3 zeigt, wird die erste Stromquelle Q1 strommäßig etwas stärker als die zweite Stromquelle Q 2 belastet, sofern der Laststrom κ ein reiner Wechselstrom ist. Die quantitativ genaue Darstellung der Kurven von Figur 3 beruht auf der Annahme folgender Verhältnisse:As FIG. 3 shows, the first current source Q1 is charged somewhat stronger than the second current source Q 2, provided the load current κ is a pure alternating current. The quantitatively accurate representation of the curves of FIG. 3 is based on the assumption of the following relationships:
lc = 0,2lLmlx lc = 0.2 l Lmlx
iQ, = 10 χ (Ic - ic) I ic ^ Ici Q , = 10 χ (Ic - ic) I ic ^ Ic
iQ2 = 10x (ic-Ic) | ic a Ici Q2 = 10x (ic-Ic) | ic a Ic
Figur 4 zeigt die Schaltung für einen Leistungsverstärker mit geringer Phasendrehung, insbesondere für eine variable induktive Last, nach Anspruch 2.FIG. 4 shows the circuit for a low-phase-rotation power amplifier, in particular for a variable inductive load, according to claim 2.
Dieser Leistungsverstärker arbeitet nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1.This power amplifier operates according to the method of claim 1.
Der Kollektorstrom ic des ersten Transistors T1 erzeugt an einem Meßwiderstand RM einen Spannungsabfall, mit dem die Auswertung des Kollektorstroms erfolgt.The collector current i c of the first transistor T1 generates a voltage drop across a measuring resistor R M , with which the evaluation of the collector current takes place.
Der Widerstand R4 erzeugt bei konstanter Betriebsspannung einen nahezu konstanten Strom Ir4. Wenn der vierte Transistor gesperrt ist, ergibt sich am dritten Widerstand R3 ein Spannungsabfall entsprechend dem Produkt Iq4 x R3.The resistor R4 generates a nearly constant current Ir 4 at a constant operating voltage. When the fourth transistor is turned off, a voltage drop corresponding to the product Iq 4 x R3 results at the third resistor R3.
Der Widerstand R3 ist sehr klein, damit ist auch der Spannungsabfall an R3 sehr klein. Die Spannungsdifferenz zwischen dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle und der Basis des dritten Transistors ist gleich der Summe IR4 χ R3 + 3 χ UF(Uf:The resistance R3 is very small, so that the voltage drop at R3 is very small. The voltage difference between the positive pole of the operating voltage source and the base of the third transistor is equal to the sum I R4 χ R3 + 3 χ U F (U f :
Flußspannung einer Diode).Forward voltage of a diode).
Der Übergang des dritten Transistors T3 vom gesperrten in den leitenden Zustand und umgekehrt erfolgt praktisch bei einer Basis-Emitter-Spannung Übe in der Höhe der Flußspannung Up einer Diode. Wenn die dritte Diode D3 technologisch genau der Basis-Emitter-Diode des dritten Transistors T3 entspricht, und als Schaltpunkt des dritten Transistors die Übereinstimmung seines Emitterstromes mit dem Strom Ir4 definiert wird, öffnet der dritte Transistor T3 genau dann, wenn der Kollektorstrom den Wert ic = (Ir4 χ R3 + 2 χ Uf:Rm unterschreitet.The transition of the third transistor T3 from the blocked state to the conductive state and vice versa takes place practically at a base-emitter voltage Ube in the amount of the forward voltage Up of a diode. If the third diode D3 technologically corresponds exactly to the base-emitter diode of the third transistor T3, and as the switching point of the third transistor, the coincidence of its emitter current is defined with the current Ir 4 , the third transistor T3 opens if and only if the collector current is the value ic = (Ir 4 χ R3 + 2 χ U f : Rm falls below.
Anhand von Figur 4 läßt sich zeigen, daß der vierte TransistorT4 öffnet, wenn der Kollektorstrom ic annähernd den gleichen Wert überschreitet. Daraus folgt, daß der Wert Ic = (Ir4 χ R3 + 2 χ Uf:Rm dem Referenzwert lc gemäß Figur 1, die das Blockschaltbild für das der Schaltung von Figur 4 zugrundeliegende Verfahren zeigt, entspricht.It can be seen from Fig. 4 that the fourth transistor T4 opens when the collector current ic exceeds approximately the same value. It follows that the value Ic = (Ir 4 χ R3 + 2 χ Uf: Rm corresponds to the reference value l c of Figure 1, which shows the block diagram for the circuit of Figure 4 underlying method corresponds.
Wenn der Kollektorstrom ic den Referenzwert Ic unterschreitet, fließt der Differenzstrom lc - ic als Emitterstrom \^3 in den Emitter des dritten Transistors T3, und der Spannungsabfall am Meßwiderstand RM bleibt annähernd konstant (er reduziert sich mit zunehmender Unterschreitung des Referenzwertes lc etwas, da sich mit dem Emitterstrom des dritten Transistors T3 die Basis-Fmitter-Spannung von T3 etwas erhöht). Vorteilhafterweise bleibt dabei die Basis-Emitter-Diode des vierten Transistors T4 in Durchlaßrichtung gepolt. Der Emitterstrom iET3 6. iugt am zweiten Widerstand R 2 den Spannungsabfall (lc - ic) x R2.Dievierte Diode D4 ist zur Kompensation der Basis-Emitter Spannung des zweiten Transistors T2 bestimmt. Dadurch öffnet der zweite Transistor T2 genau dann, wenn der Kollektorstrom ic den Referenzwert lc unterschreitet.When the collector current i c is less than the reference value Ic, the differential current I c flows - ic as an emitter current \ ^ 3 remains in the emitter of the third transistor T3, and the voltage drop across the measuring resistor R M approximately constant (it reduces with increasing falls below the reference value l c something, since with the emitter current of the third transistor T3, the base Fmitter voltage of T3 increases slightly). Advantageously, while the base-emitter diode of the fourth transistor T4 remains poled in the forward direction. The emitter current i ET3 6. iugt on the second resistor R 2, the voltage drop (l c - ic) x R2.Dievierte diode D4 is intended to compensate for the base-emitter voltage of the second transistor T2. As a result, the second transistor T2 opens precisely when the collector current i c falls below the reference value l c .
Außerdem ermöglicht die Kompensation mit der vierten Diode die Dimensionierung R2 < RM, und für den Widerstand R1 kann ein sehr kleiner Wert festgelegt werden, ohne daß dafür ein sehr großes Verhältnis R 2:R 1 erforderlich ist. Der zweite Transistor T2 bildet zusammen mit dem ersten Widerstand R1 die erste Stromquelle Q1 gemäß Figur 1. Eine Änderung des Kollektorstroma ic verursacht unter der Bedingung ic < Ic eine um R2:R1 größere, gegensinnige Änderung des Stroms iQl.In addition, the compensation with the fourth diode allows the dimensioning R2 <R M , and for the resistor R1, a very small value can be set, without requiring a very large ratio R 2: R 1 is required. The second transistor T2 forms, together with the first resistor R1, the first current source Q1 according to FIG. 1. A change in the collector current causes, under the condition i c <Ic, a change in the current i Q1 that is greater by R2: R1.
Wenn der Kollektorstrom ic den Referenzwert lc überschreitet, wird der vierte Transistor T4 geöffnet.When the collector current ic exceeds the reference value I c , the fourth transistor T4 is opened.
Vorteilhafterweise bleibt dabei die Basis-Emitter-Diode des dritten Transistors T3 in Durchlaßrichtung gepolt, weil sich das Potential an der Basis des dritten Transistors T3 um den gleichen Betrag wie das Potential am Emitter des vierten Transistors T4 ändert. Der vierte Transistor bildet zusammen mit dem dritten Widerstand R3 die zweite Stromquelle Q2 gemäß Figur 1.Advantageously, while the base-emitter diode of the third transistor T3 remains poled in the forward direction, because the potential at the base of the third transistor T3 changes by the same amount as the potential at the emitter of the fourth transistor T4. The fourth transistor, together with the third resistor R3, forms the second current source Q2 according to FIG.
Eine Änderung des Kollektorstroms ic verursacht unter der Bedingung ic > Ic eine um Rm:R3 größere, gleichsinnige Änderung des Stroms iQ2.A change in the collector current i c causes, under the condition ic> Ic, a change of the current i Q2 that is greater by the same amount Rm: R3.
Damit das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Strom Iq2 und dem Kollektorstrom ic unter der Bedingung ic > Ic mit dem Übersetzungsverhältnis zwischen dem Strom iot und dem Kollektorstrom ic unter der Bedingung ic > Ic übereinstimmt, ist die DimensionierungsvorschriftRM:R3 = R2.R1 einzuhalten.So that the transmission ratio between the current Iq 2 and the collector current ic under the condition ic> Ic matches the transmission ratio between the current io t and the collector current ic under the condition ic> Ic, the dimensioning rule R M : R3 = R2.R1 must be observed.
Wenn der Kollektorstrom ic den Referenzwert Ic überschreitet, geht der Kollektorstrom des dritten Transistors T3 und damit der Strom durch die vierte Diode D4 gegen Null. Das kann verhindert werden, indem der vierte Widerstand R4 nicht mit dem negativen Pol2 der Betriebsspannungsquelle, sondern mit der Basis des zweiten Transistors T2 verbunden wird, so daß durch Spiegelung des Stroms IR4 mit dem Faktor (R2:R1) ein Minimalwert für den Strom iQ2 festgelegt wird.When the collector current ic exceeds the reference value Ic, the collector current of the third transistor T3 and thus the current through the fourth diode D4 goes to zero. This can be prevented by connecting the fourth resistor R4 not to the negative pole 2 of the operating voltage source but to the base of the second transistor T2, so that by mirroring the current I R4 with the factor (R2: R1) a minimum value for the current i Q2 is set.
Wenn der vierte Widerstand R4 mit dem negativen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist, kann er durch eine Konstantstromquelle ersetzt werden. Dadurch wird insbesondere die Abhängigkeit des Stroms IR4 von der Betriebsspannung beseitigt. Wenn der vierte Widerstand R4 mit dsr Basis des zweiten Transistors T2 verbunden ist, kann er durch einen Konstantstromzweipol, der kein Bezugspotential benötigt, oder durch zwei Konstantstromquellen ersetzt werden, von denen d:When the fourth resistor R4 is connected to the negative pole of the operating voltage source, it can be replaced by a constant current source. As a result, in particular the dependence of the current I R4 is eliminated from the operating voltage. When the fourth resistor R4 is connected to the dsr base of the second transistor T2, it may be replaced by a constant current dipole requiring no reference potential or by two constant current sources, of which d:
eine die Basis des dritten Transistors T3 mit dem negativen Pol und die andere die Basis des zweiten Transistors T2 mit dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle verbindet.one connects the base of the third transistor T3 to the negative pole and the other connects the base of the second transistor T2 to the positive pole of the operating voltage source.
Dem Referenzwert lc wurde der Schaltpun Λ des dritten Transistors T3 zugrundegelegt. Als Schaltpunkt des dritten Transistors wurde die Übereinstimmung seines Emitturstroms iET3 mit dem Strom IR4 definiert. Damit ergibt sich bei ic = Ic der Strom iQ1 aus iQ, = (R2:R1) x Ir4. Wenn bei ic = lc der Strom iQ2 so groß wie der Strom iQ, seinsoll, muß die Basis-Emitter-Spannung des vierten Transistors T4 bei iO2 = (R2:R1) χ IR4 mit der Basis-Emitter-Spannung des dritten Transistors T3 bei ieT3 = IR4 übereinstimmen.The reference value l c was based on the switching point Λ of the third transistor T3. As a switching point of the third transistor, the match of its Emitturstroms i ET3 was defined with the current I R4 . Thus, at i c = Ic, the current i Q1 results from i Q , = (R2: R1) x Ir 4 . If at ic = l c of the current i Q2 as great as the current i Q, seinsoll must the base-emitter voltage of the fourth transistor T4 in i O 2 = (R2: R1) χ I R4 to the base-emitter Voltage of the third transistor T3 at i eT3 = I R4 match.
Diese Bedingung läßt sich bei Integration der Schaltung gut einhalten, wenn die Fläche des Basis-Emitter-Überganges des vierten Transistors in das Verhältnis R2:R1 zur Fläche des Basis-Emitter-Überganges des dritten Transistors gesetzt wird.This condition can be well maintained when integrating the circuit, when the area of the base-emitter junction of the fourth transistor is set in the ratio R2: R1 to the surface of the base-emitter junction of the third transistor.
Gleichzeitig kann dadurch die höhere thermische Belastung des vierten Transistors, der sich im Laststromkreis befindet, berücksichtigt werden. Bei einer diskreten Realisierung der Schaltung ist die Übereinstimmung iai = Ich bei ic = Ic kaum zu erreichen.At the same time, the higher thermal load of the fourth transistor, which is located in the load circuit, can be taken into account. In a discrete realization of the circuit, the match iai = Ic at ic = Ic can hardly be achieved.
Die thermische Belastung des vierten Transistors T4 ist ein besonderer Nachteil der Schaltung gemäß Figur 4, weil sie über die Abhängigkeit der Dasis-Emitter-Spannung des Transistors von der Kristalltemperatur zu einer Verschiebung der Kennlinie |q2 = Wc) von Figur 2 führt.The thermal load of the fourth transistor T4 is a particular disadvantage of the circuit according to FIG. 4 because it leads to a shift in the characteristic | q2 = Wc) of FIG. 2 via the dependence of the transistor's emitter-emitter voltage on the crystal temperature.
Außerdem hat ein pnp-Leistungstransistor besonders ungünstige Hochfrequenzeigenschaften.In addition, a PNP power transistor has particularly unfavorable high frequency characteristics.
Figur 5 zeigt eine Schaltung mit einem fünften Transistor vom npn-Leitungstyp gemäß Anspruch 6 die die genannten Nachteile der Schaltung von Figur 4 vermeidet.FIG. 5 shows a circuit with a fifth transistor of the npn type according to claim 6, which avoids the mentioned disadvantages of the circuit of FIG.
Der fünfte Transistor T5 entlastet den vierten Transistor T4, und der dritte Widerstand R 3 ist jetzt hochohmiger zu dimensionieren. Eine Änderung des Kollektorstroms ic verursacht unter der Bedingung ic > Ic eine um (Rm:R3) x (R 5: R 6) größere Änderung des Stroms Iq2.The fifth transistor T5 relieves the fourth transistor T4, and the third resistor R3 is now to be dimensioned high-impedance. A change in the collector current ic causes a change in the current Iq 2 which is greater by (Rm: R3) x (R5: R6 ) under the condition ic> Ic.
Die Anwendung folgender Dimensionierungsregel bietet sich besonders an:The following dimensioning rule is particularly suitable:
R2 = R3 = R5 = RM.R2 = R3 = R5 = R M.
Es ist selbstverständlich zweckmäßig, für T3 und T4 zwei kennliniengleiche, vorzugsweise auf einem gemeinsamen Chip integrierte Transistoren einzusetzen.It is of course expedient to use for T3 and T4 two characteristic-like transistors, preferably integrated on a common chip.
Ebenso ist es jwickmäßig, für die dritte, vierte und fünfte Diode je einen Transistor einzusetzen, dr,r mit dem Transistor, dessen Basis-Emitter-Spannung kompensiert werdan soll, auf einem Gemeinsamen Chip integriert ist.Likewise, it is jwickmäßig, for the third, fourth and fifth diode each use a transistor, dr, r is integrated with the transistor, whose base-emitter voltage is werdan, is integrated on a common chip.
Claims (6)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD32795889A DD282788A5 (en) | 1989-04-26 | 1989-04-26 | METHOD AND CIRCUIT FOR A POWER AMPLIFIER WITH LOW PHASE ROTATION, ESPECIALLY FOR A VARIABLE INDUCTIVE LOAD |
DE19904003460 DE4003460A1 (en) | 1989-04-26 | 1990-02-06 | Power amplifier with negligible phase twist - has differential amplifier replaced by device with two outputs, first one controlling current source |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DD282788A5 true DD282788A5 (en) | 1990-09-19 |
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ID=5608709
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DD32795889A DD282788A5 (en) | 1989-04-26 | 1989-04-26 | METHOD AND CIRCUIT FOR A POWER AMPLIFIER WITH LOW PHASE ROTATION, ESPECIALLY FOR A VARIABLE INDUCTIVE LOAD |
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1989
- 1989-04-26 DD DD32795889A patent/DD282788A5/en not_active IP Right Cessation
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1990
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Publication number | Publication date |
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DE4003460A1 (en) | 1990-10-31 |
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