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Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die speziell für Audiogeräte geeignet ist.
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Derartige Verstärkerschaltungen finden üblicherweise in der Audiotechnik, wie beispielsweise in Klasse AB Verstärkern mit Rückkopplung, ihre Anwendung. Die Qualität des Verstärkers hängt dabei maßgeblich von der dem Signal zugeführten Verstärkung ab, die wiederum von der mit dem Ausgang verbundenen Last abhängig ist.
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Aus der Druckschrift
US 5,307,023 A ist eine Verstärkerschaltung mit einem Ausgangstransistor zum Treiben einer Last am Ausgang bekannt. Weiterhin weist die Verstärkerschaltung einen dem Ausgangstransistor vorgeschalteten Stromspiegel-Schaltungsbereich mit einer ersten Stromspiegel-Schaltung und einer zweiten Stromspiegel-Schaltung auf, wobei die erste Stromspiegel-Schaltung einen Nebenschlusspfad mit einem Zusatz-Bauelement zur Reduzierung des in die erste Stromspiegel-Schaltung fließenden Gleichstromes aufweist.
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Aus der Druckschrift
US 6,714,081 B1 (siehe
1) sind auch zwei Stromspiegelschaltungen mit einem Nebenschlusspfad mit einem Zusatz-Bauelement bekannt.
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1 zeigt den schematischen Aufbau eines herkömmlichen 3-stufigen Rückkoppelverstärkers der Klasse AB, der im Wesentlichen aus einer ersten Verstärkerstufe 1 besteht, welcher das Eingangssignal zugeführt wird und welche dieses verstärkt an eine zweite Verstärkerstufe 2 weitergibt. Vom Ausgang der zweiten Verstärkerstufe durchläuft das abermals verstärkte Signal eine für den Endstufenverstärker 4 benötigte Klasse-AB Regelung 3, die mit Endstufenverstärker 4 verbunden ist, welcher das Signal an den Ausgang weiterleitet.
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Im Bereich der Audiotechnik wird der Ausgang üblicherweise mit einem Lautsprecher beschaltet, der eine komplexe Last darstellt und dessen Ansteuerfrequenzbereich im unteren Frequenzbereich eine induktive Komponente und im oberen Frequenzbereich eine kapazitive Komponente darstellt. Die Komponenten eines Lautsprechers 5, gebildet durch eine Reihenschaltung eines Widerstandes R mit einer Induktivität L und einer dazu parallel geschalteten Kapazität C, sind in 2 dargestellt. Ein Audioverstärker mit einer solchen komplexen Last stellt eine besondere Herausforderung dar, da sich die Last in verschiedenen Frequenzbereichen unterschiedlich verhält und eine besonders hohe Verstarkung benötigt wird.
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Da bei hohen Frequenzen die Last sich wie eine Kapazität verhält, wird der nicht dominante Pol, der zur Stabilitat entscheidend beiträgt, maßgeblich vom Verstärkungsfaktor gm der Endstufe bestimmt. Um die Stabilität des Wechselstromanteiles der Verstärkerschaltung in allen Frequenzbereichen zu gewährleisten, muss der Verstärkungsfaktor im Allgemeinen die Bedingung gm >> 1/R erfüllen, wobei gm der Verstärkungsfaktor, in deutscher Literatur auch Steilheit S genannt, und R der Widerstand des Lautsprechers ist. In typischen Klasse AB Verstärkerendstufen kann der Verstärkungsfaktor angegeben werden durch gm = 2·Iq/(Vgs, eff), wobei Iq den Ruhestrom und Vgs, eff die effektive Gate-Source-Spannung darstellt. Die Wechselstromstabilität des Verstärkers wird somit maßgeblich durch einen großen Ruhestrom Iq bewirkt, welcher durch den Gleichstromanteil verursacht wird.
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3 zeigt das Ersatzschaltbild eines herkömmlichen Endstufenverstärkers, wobei der Ruhestrom Iq von der Versorgungsspannung Vdd über den P-MOS-Teil, bestehend aus einem p-Kanal Transistor P, zum Ausgang geleitet wird. Komplementär zum P-MOS-Teil wird der Ausgang über den einen N-MOS-Teil, bestehend aus einem n-Kanal Transistor N, mit einem Massepotential verbunden.
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In diesen Endstufenverstärkerschaltungen wird auf Kosten eines erhöhten Gesamtstromverbrauches, welcher zum größten Teil aus dem Ruhestrom besteht, die Stabilität der Signalverstärkung gewahrleistet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den durch den Ausgangstransistor fließenden Gleichstrom zu reduzieren, wobei die Verstärkung des Wechselstromanteiles durch den Ausgangstransistors beibehalten bzw. verbessert werden soll.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verstärkerschaltung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bevorzugt wird die Verstärkerschaltung in der Ausführung als Audio-Endverstärker verwendet, insbesondere der AB-Klasse, zum direkten Anschluss eines elektrodynamischen Lautsprechers.
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In einer weiteren Ausführung hat der in der Verstärkerschaltung integrierte Stromspiegel-Schaltungsbereich einen ersten und zweiten Vor-Ausgangstransistor und zwei diesen nachgeschaltete und sie verbindende Stromspiegel-Transistorpaare, wobei eines der Stromspiegel-Transistorpaare den Ausgangstransistor umfasst, an welchem der elektrodynamische Lautsprecher angeschlossen ist.
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Eine Fortbildung dieser Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass der Ausgangstransistor und der erste Vor-Ausgangstransistor als erster und zweiter MOS-Transistor eines ersten Leitungstyps und der zweite Vor-Ausgangstransistor als erster MOS-Transistor eines zweiten Leitungstyps ausgebildet ist und der Stromspiegelabschnitt einen dritten MOS-Transistor des ersten Leitungstyps und einen zweiten und dritten MOS-Transistor des zweiten Leitungstyps aufweist.
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Die Verstärkerschaltung zeichnet sich in einer weiteren Ausführung dadurch aus, dass auf einer Referenz-Seite des Stromspiegelabschnittes ein Zusatz-Bauelement vorgesehen ist, welches die Spiegelung eines hohen Stromes bei Unterdrückung einer hierzu proportionalen Erhöhung eines Stromflusses durch den Stromspiegelabschnitt bewirkt. Das Zusatz-Bauelement eines zweiten Leitungstyps agiert somit wie ein Nebenschlusspfad, welcher einen Teil des über das erste Stromspiegel-Transistorpaar fließenden Gleichstroms abzweigt.
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Weitere bevorzugte Ausführungen sind die Ausbildung als Ausgangs-Abschnitt einer mehrstufigen AB-Klasse-Verstärkerschaltung und die Ausbildung als Ausgangs-Abschnitt einer mehrstufigen Verstärkerschaltung mit Vorwärtskopplung.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden, Erläuterung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
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1 Prinzipschaltbild eines Klasse AB Rückkopplungsverstärker,
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2 Ersatzschaltbild eines herkömmlichen Lautsprechers,
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3 Ersatzschaltbild eines herkömmlichen Endstufenverstärkers,
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4 schematische Darstellung des P-MOS Teil eines erfindungsgemäßen Endstufenverstärkers,
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5 schematische Darstellung des ersten Stromspiegel-Transistorpaares mit dem Verstärkungsverhältnis 1:N,
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6 schematische Darstellung des P-MOS Teil eines erfindungsgemäßen Endstufenverstarkers mit einem zusätzlichen Kaskode-Transistor,
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7 schematische Darstellung eines 3-stufigen Klasse AB-Vorkopplungsverstärkers mit einem erindungsgemäßen Endstufenverstärker,
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8 schematische Darstellung eines 3-stufigen Klasse AB-Vorkopplungsverstärkers mit einem erfindungsgermäßen Endstufenverstärker sowie einem zusätzlichem Kaskode-Transistor,
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9 Spannungs- und Stromdiagramm eines erfindungsgemäßen Endstufenverstärkers mit und ohne Kaskode-Transistor.
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4 zeigt die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Endstufenverstärkerschaltung und ist aufgrund der gewählten Symbolik im Wesentlichen selbsterklärend. Der Aufbau beinhaltet eine Versorgungsspannung Vdd, welche mit dem Source-Kontakt eines Vor-Ausgangstransistors P1 sowie mit den Source-Kontakten eines Stromspiegel-Transistorpaares P2 und P3 verbunden ist, wobei der Transistor P3 des zweiten Stromspiegel-Transistorpaares den Ausgangstransistor darstellt. Die Transistoren P1 bis P3 sind Transistoren eines ersten Leitungstyps. Dieses Transistorpaar wird gemäß der Nomenklatur der Ansprüche als ”zweites” Stromspiegel-Transistorpaar bezeichnet. Das am Gate-Kontakt des Transistor P1 ankommende Signal wird an ein (”erstes”) Stromspiegel-Transistorpaar N2–N3 weitergeleitet, wobei der Drain-Kontakt des Transistors P1 mit dem Drain-Kontakt des Transistors N2 verbunden ist. Der Transistor N2 des ersten Stromspiegel-Transistorpaares verfügt über einen Nebenschlusspfad, welcher den Drain-Kontakt des Transistors N2 mit dem Gate-Kontakt des Transistors N2 und N3 verbindet, wodurch das angelegte Signal auf den Transistor N3 gespiegelt wird. Parallel zum Stromspiegel-Transistorpaar N2–N3 ist ein weiterer Transistor N1 mit einer fest eingestellten Gate-Spannung Vb1 geschaltet, dessen Drain-Kontakt mit dem Drain-Kontakt des Transistors P1 verbunden ist. Die Source-Kontakte der Transistoren N1, N2 und N3 eines zweiten Leitungstyps sind mit dem Massepotential verbunden.
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Das vom ersten Stromspiegel-Transistorpaar N2–N3 gespiegelte Signal wird über den Drain-Kontakt des Transistors N3 auf den Transistor P2 übertragen, welcher über einen Nebenschlusspfad, der die Gate-Kontakte der Transistoren P2 und P3 mit den Drain-Kontakten der Transistoren N3 und P2 verbindet, den Transistor P3 steuert. Das somit erneut gespiegelte Signal wird über den Drain-Kontakt des Ausgangstransistors P3 zum Ausgang geleitet.
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5 zeigt einen Detailausschnitt aus 4, in dem nur das erste Stromspiegel-Transistorpaar mit dem parallel geschalteten Zusatz-Bauelement abgebildet ist. I1 bezeichnet das vom Vor-Ausgangstransistor P1 kommende Signal, welches sich aus einem Gleichstromanteil und einem Wechselstromanteil zusammensetzt. Der in 4 abgebildete Transistor N1 des zweiten Leitungstyps mit einer fest eingestellten Gate-Spannung Vb1 agiert, wie in 5 gezeigt, wie eine Stromquelle. Diese bewirkt, dass das vom Transistor P1 kommende Signal in den Anteil I11, welcher dem Stromspiegel-Transistorpaar zugeführt wird, und den Anteil I12, welcher zum Massepotential abgeleitet wird, aufgeteilt wird.
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Vorteil dieser erfindungsgemäßen Endstufenverstärkerschaltung ist, dass nicht der Gleichstrom- und Wechselstromanteil geteilt wird, sondern lediglich der in den ersten Stromspiegel fließende Gleichstromanteil reduziert wird. Dies hat zur Folge, dass bei der Spiegelung von Transistor N2 zu N3 der gesamte Wechselstromanteil des Eingangssignals und nur ein Teil des Gleichstromsignals verstärkt und an das nachste Stromspiegel-Transistorpaar P2–P3 übergeben wird.
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6 zeigt, in Anlehnung an die Darstellungsweise in 4, eine Ausführung der erfindungsgemäßen Endstufenverstärkerschaltung mit einem zusatzlichen Kaskode-Transistor P18. Deren übrige Komponenten sind in Korrespondenz zu der Bezeichnungsweise in 4 und 5 bezeichnet und werden hier nicht nochmals erläutert. Der integrierte Kaskode-Transistor P18 des ersten Leitungstyps mit einer fest eingestellten Gate-Spannung Vb2 wird zwischen die beiden Stromspiegel-Transistorpaare geschalten, wobei der Source-Kontakt mit dem Drain-Kontakt des Transistors P2 verbunden ist. Zudem steuert der Kaskode-Transistor den Ausgangstransistor P3 durch einen Nebenschlusspfad, der den Drain-Kontakt von P18 mit den Gate-Kontakten der Transistoren P2 und P3 verbindet.
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Der in der erfindungsgemaßen Verstärkerschaltung eingesetzte Kaskode-Transistor kompensiert den Nachteil von sehr großen Overhead-Strömen, welche die in 7 mit I1, I2, I3 und I4 bezeichneten Strome einfassen. Diese Ströme wurden aufgrund der direkten Stromspiegelung proportional dem Ausgangsstrom sein und dürfen im vollen Betrieb nicht vernachlässigt werden, wo sie zu einer starken Verringerung der Bandbreite des Verstärkers sowie zu einer erhöhten Schaltzeit führen können.
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7 zeigt die Ausführung eines 3-stufigen Klasse AB-Vorkopplungsverstärker mit der erfindungsgemäßen Endstufe aus 4. Die Komponenten des P-MOS Teiles 6a sind in Korrespondenz zu der Bezeichnungsweise in 4 bezeichnet und werden hier nicht nochmals erläutert. Ein wesentlicher Unterschied zu konventionellen Verstärker-Endstufen (3) besteht darin, dass das an Transistor P1 anliegende Signal über die erste Stromspiegel-Schaltung N2 und N3 weitergegeben wird an eine zweite Stromspiegel-Schaltung P2 und P3, wobei die zweite Stormspiegelschaltung den Ausgangstransistor umfasst und die erste Stromspiegelschaltung ein Zusatz-Bauelement N1 umfasst. Die Beschaltung der einzelnen Bauelemente entspricht 4.
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Für eine vereinfachte Analyse wird im Folgenden das Spiegelverhältnis 1:N der Stromspiegel-Transistorpaare N2–N3 und P2–P3 als 1:5 und der über den Nebenschlusspfad geleitete Gleichstromanteil I12 als 4/5 des gesamten Gleichstromes angenommen. Daraus ergibt sich eine Gleichstromverstärkung von P1 nach P3 von 1:5, wohingegen die Verstärkung des Wechselstromanteiles 1:25 beträgt, womit der Verstärkungsfaktor einer erfindungsgemäßen Endstufe um das 25-fache größer ist als bei einer herkömmlichen Endstufe, wobei der benötigte Ruhestrom nur um das 5-fache erhöht wird. Wird nun bei der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung ein Verstarkungsfaktor gm gleich dem einer herkömmlichen Verstärkerschaltung gewünscht (wird im folgenden mit gm, orig bezeichnet), so muss die Verstärkung am Vor-Ausgangstransistor P1 nur gm, qorig/25 betragen. Dies führ dazu, dass der benötigte Ruhestrom I1 auch nur 1/25 des Iq, orig (Ruhestrom einer herkommlichen Verstärkerschaltung) betragen muss.
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Für die Berechnung des gesamten Ruhestrombedarfes werden die benotigten Ruheströme der einzelnen Strompfade addiert, welche sich im P-MOS Teil 6a aus den Strömen I1, I2 und dem Strom über den Ausgangstransistor P3 zusammensetzen. Da durch das Zusatz-Bauelement N1 nur 1/5 des von Transistor P1 kommenden Ruhestromes I1 an den Transistor N2 des ersten Stromspiegel-Transistorpaares geleitet wird (I11 = I1/5 = Iq, orig/[5·25]) und dieser mit einem Spiegelverhältnis von 1:5 gespiegelt wird, ergibt sich für den benötigten Ruhestrom I2 ein Wert von Iq, orig/25. Wird dieser Ruhestrom am zweiten Stromspiegel-Transistorpaar P2–P3 mit dem Verhältnis 1:5 gespiegelt, so ergibt sich für den Ausgangstransistor P3 ein Ruhestrom von Iq, orig/5. Somit ergibt sich für den P-MOS Teil der erfindungsgemäßen Endstufenverstärkerschaltung ein Ruhestrom- bzw. Gleichstrombedarf von nur 4/25 des herkömmlichen Bedarfes.
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Unter den oben angenommenen Verhältnissen und unter Berücksichtigung des N-MOS Teiles 6b der erfindungsgemäßen Endstufe, der den gleichen Aufbau wie der P-MOS Teil aufweist, ergeben sich zwei zusätzlich benotigte Ruheströme I3 und I4, die ebenso wie I1 und I2 1/25 des herkömmlichen Ruhestrom betragen. Der zum Ausgangstransistor P3 komplementare Transistor N6 weist keinen zusatzlichen Ruhestromanteil auf, da diesem ein Teil des Ruhestroms von P3 zufließt, womit sich ein Gesamtruhestromverbrauch des erfindungsgemäßen Endstufenverstärkers von Iq = 9/25·Iq, orig ergibt.
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Der erfindungsgemäße Endstufen-Verstärker zeigt, dass durch das Hinzufugen zweier Stromspiegel-Transistorpaare sowie einem dem ersten Stromspiegel-Transistorpaar parallel geschalteten Transistors N1, welcher als Nebenschlusspfad für den Gleichstromanteil agiert jedoch keinen Einfluss auf die Wechselstrom-Charakteristik der Schaltung ausubt, der gesamte Wechselstromanteil des Signals und nur ein Teil des Gleichstromanteiles gespiegelt und verstärkt wird, woraus eine Wechselstromverstärkung ohne einen erhöhten Ruhestrom folgt.
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8 zeigt die Ausführung eines 3-stufigen Klasse AB-Vorkopplungsverstarker mit der erfindungsgemäßen Endstufe aus 7 und einem zusatzlich eingefügten Kaskode-Transistor P18. Auch hier ist die Bezeichnung der Komponenten in Anlehnung an die vorangehenden 4 bis 7 gewahlt. Der im P-MOS Teil 7a zwischen die Stromspiegel-Transistorpaare geschaltete Kaskode-Transistor P18 steuert über seinen Drain-Kontakt, welcher über einen Nebenschlusspfad mit den Gate-Kontakten der Transistoren P2 und P3 verbunden ist, den Ausgangstransistor P3. Komplementär hierzu ist im N-MOS Teil 7b ebenso ein Kaskode-Transistor eines zweiten Leitungstyps zwischen die dortigen Stromspiegel-Transistorpaare integriert.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Endstufenverstärkers in 8 können die Stromspitzenverläufe der Endstufe erheblich verbessert werden, indem die Overhead-Ströme, die in 7 als I1, I2, I3 und I4 bezeichnet werden, effektiv unterdrückt werden können. Wie in 9 dargestellt, bezeichnet In die Overhead-Stromverläufe der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung aus 7 und In+ct. die Overhead-Stromspitzenverläufe der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung aus 8, wobei der Spannungsverlauf für beide Endstufenverstärkerschaltungen identisch ist. Es zeigt sich, dass durch das Hinzufügen der Kaskode-Transistoren P18/N18 zwischen die Stromspiegel-Transistorpaare die Stromspitzen einer Verstarkerschaltung und damit auch der Eigenverbrauch im vollen Betrieb gut unter Kontrolle gehalten werden kann.
