DE1296207B - Transformerless power amplifier with high input and low output resistance - Google Patents

Transformerless power amplifier with high input and low output resistance

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DE1296207B DE1967S0111754 DES0111754A DE1296207B DE 1296207 B DE1296207 B DE 1296207B DE 1967S0111754 DE1967S0111754 DE 1967S0111754 DE S0111754 A DES0111754 A DE S0111754A DE 1296207 B DE1296207 B DE 1296207B
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Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Leistungsverstärkung mit hohem Eingangs- und niedrigem Ausgangswiderstand, die keinen Ausgangstransformator benötigt, bei der zwei Verstärkerelemente in Serie an der Speisestromquelle liegen, das Eingangssignal an der Steuerelektrode des #ersten Verstärkerelementes liegt, während die Ausgangselektrode des ersten Verstärkerelementes mit der Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelementes verbunden und an dem Verbindungspunkt der beiden Verstärkerelemente über einen Kondensator die Ausgangslast angeschlossen ist.The invention relates to a circuit arrangement for power amplification with high input and low output resistance that do not have an output transformer required, in which two amplifier elements are connected in series to the supply current source, the input signal is at the control electrode of the #first amplifier element, while the output electrode of the first amplifier element with the control electrode of the second amplifier element and at the connection point of the two Amplifier elements through a capacitor is connected to the output load.

In Leistungsverstärkern sind die dort vorkommenden Transformatoren infolge ihres Preises und ihres Volumens unerwünscht. Für eine wirtschaftliche Fertigung, insbesondere für die in letzter Zeit entwickelte integrierte Bauweise, ist es erforderlich, die Schalteinheiten in kleinem Volumen unterzubringen. Es ist daher wichtig, die bekannten Verstärkerschaltungen mit Transformatoren durch transformatorlose Leistungsendstufen zu ersetzen.The transformers that occur there are in power amplifiers undesirable due to their price and volume. For economical production, especially for the recently developed integrated construction, it is necessary to to accommodate the switching units in a small volume. It is therefore important that the known amplifier circuits with transformers through transformerless power output stages to replace.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungsverstärker aufzuzeigen, der gegenüber den bekannten Schaltungen einen günstigeren Wirkungsgrad besitzt und keinen Transformator benötigt, trotzdem aber einen geringen Klirrfaktor erzielt. Dabei soll eine hohe Leistungsverstärkung und, um eine weitgehende Unabhängigkeit der Ausgangsspannung von der angeschlossenen Ausgangsbelastung zu erzielen, ein niedriger Ausgangswiderstand gegeben sein.The object of the invention is to show a power amplifier, which has a more favorable efficiency compared to the known circuits and no transformer required, but still achieves a low distortion factor. It should have a high power gain and, to a large extent, independence to achieve the output voltage from the connected output load low output resistance must be given.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß zwischen der Ausgangselektrode des ersten Verstärkerelementes und der Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelementes ein drittes Verstärkerelement eingeschaltet ist.The object is achieved according to the invention in that between the output electrode of the first amplifier element and the control electrode of the second amplifier element, a third amplifier element is switched on.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung bekannt, die als Entkopplungsverstärker Verwendung findet und keinen Transformator benötigt. Diese transformatorlose Verstärkerstufe wird »White-Katodenfolgerschaltung« genannt (Internationale Elektr. Rundschau, 1966, Nr.2, S. 85 bis 88).A circuit arrangement is already known which is used as a decoupling amplifier Is used and does not require a transformer. This transformerless amplifier stage is called "White cathode follower circuit" (Internationale Elektr. Rundschau, 1966, No. 2, pp. 85 to 88).

Diese Schaltungsanordnung gibt an einen kondensatorgekoppelten Verbraucher eine Leistung ab. Sie kann deshalb auch als transformatorlose Endstufe verwendet werden.This circuit arrangement gives to a capacitor-coupled consumer a performance. It can therefore also be used as a transformerless output stage will.

Die Verstärkerschaltung gemäß der Erfindung besitzt gegenüber den bekannten Anordnungen wesentlich günstigere Eigenschaften. Durch diese Anordnung wird ein hoher Eingangswiderstand, ein niedriger Ausgangswiderstand und ein höherer Wirkungsgrad als bei den bekannten Schaltungen erreicht. Bei diesen Leistungsendstufen ist zudem eine Betriebsweise als AB-Verstärker und damit eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades gegeben. Die Schaltung eignet sich zur Ausführung in integrierter Bauweise, so daß sich auf diese .Weise Baustufen für transformatorlose Leistungsendstufen besonders wirtschaftlich fertigen lassen. Durch den niedrigen Ausgangswiderstand wird eine weitgehende Unabhängigkeit der Ausgangsspannung von der Belastung erreicht, so daß die Anordnung auch als Trennverstärker Verwendung findet. Weiterhin ist die neue Schaltung nur wenig empfindlich gegenüber Brummspannungen, die der Betriebsspannung überlagert sind, da bedingt durch das Schaltungsprinzip nur ein Bruchteil der auftretenden Brummspannung auf den Ausgang gelangen kann.The amplifier circuit according to the invention has compared to the known arrangements have much more favorable properties. Through this arrangement becomes a high input resistance, a low output resistance and a higher one Efficiency than with the known circuits achieved. With these power output stages is also a mode of operation as an AB amplifier and thus a further improvement given the efficiency. The circuit is suitable for execution in an integrated Construction, so that this .Weise construction stages for transformerless power output stages can be manufactured particularly economically. Due to the low output resistance the output voltage is largely independent of the load, so that the arrangement can also be used as an isolating amplifier. Furthermore, the New circuit is not very sensitive to ripple voltages of the operating voltage are superimposed, because due to the circuit principle only a fraction of the occurring Ripple voltage can reach the output.

Einzelheiten der Erfindung werden an Hand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels erläutert, das in den Figuren dargestellt ist.Details of the invention are based on an advantageous embodiment explained, which is shown in the figures.

F i g. I zeigt das Prinzip einer »White-Katodenfolgerschaltung« mit Transistoren; F i g. 2 zeigt einen Schaltungsvorschlag für eine »White-Katodenfolgerschaltung«; F i g. 3 zeigt eine Verstärkerstufe gemäß der Erfindung.F i g. I shows the principle of a "white cathode follower circuit" Transistors; F i g. 2 shows a circuit proposal for a “White cathode follower circuit”; F i g. 3 shows an amplifier stage according to the invention.

In F i g. 1 ist das Prinzip einer »White-Katodenfolgerstufe« unter Verwendung von Transistoren dargestellt. Hierbei stellt C den Koppelkondensator, RL den Verbraucherwiderstand und U0 eine zur Kopplung der beiden Transistoren benötigte Gleichspannungsquelle dar. UB ist die Betriebsspannung der Stufe. Zur Erklärung der Wirkungsweise des Prinzips sei der Widerstand R zu R = 0 angenommen. Die Schaltung verhält sich dann wie eine gewöhnliche Kollektorstufe, die ihren Ruhestrom aus dem Transistor T2 erhält. Bei endlichem Widerstand R und eingangsseitiger Aussteuerung mit einer Wechselspannung entsteht dagegen im Kollektorstrom des Transistors T2 eine Wechselstromkomponente, die in Phase mit dem Ausgangsstrom IL ist. Der Laststrom muß demnach nicht voll vom Transistor T 1 aufgebracht werden, so daß der Eingangswiderstand Ri 1 auf Grund des Transistors T2 höher ist als bei einer aus T 1 allein bestehenden Kollektorschaltung. In ähnlicher Weise bewirkt die aus R, T2 und U0 bestehende Schaltung auch eine Erniedrigung des Wechselstrom-Ausgangswiderstandes Ri2. Wie bei einer normalen Kollektorstufe mit Transistoren -ist auch bei der hier beschriebenen Schaltung die Leerlaufspannungsvcrstärkung unter Annahme idealisierter Bedingungen - Transistorrückwirkung und Transistorausgangsleitwert wurden vernachlässigt - ungefähr 1.In Fig. 1 shows the principle of a "white cathode follower stage" using transistors. Here, C represents the coupling capacitor, RL the load resistance and U0 a DC voltage source required to couple the two transistors. UB is the operating voltage of the stage. To explain how the principle works, the resistance R is assumed to be R = 0. The circuit then behaves like an ordinary collector stage, which receives its quiescent current from the transistor T2. With a finite resistance R and an input-side modulation with an alternating voltage, on the other hand, an alternating current component arises in the collector current of the transistor T2 which is in phase with the output current IL . The load current therefore does not have to be applied in full by the transistor T 1 , so that the input resistance Ri 1 due to the transistor T2 is higher than in the case of a collector circuit consisting of T 1 alone. In a similar way, the circuit consisting of R, T2 and U0 also has the effect of lowering the AC output resistance Ri2. As with a normal collector stage with transistors, the open-circuit voltage gain in the circuit described here is approximately 1, assuming idealized conditions - transistor feedback and transistor output conductance have been neglected.

F i g. 2 zeigt nun eine Schaltungsanordnung zur Verwirklichung des in F i g. 1 dargestellten Prinzips. Die Transistoren T 1 und T 2 sind hier über den aus den Widerständen R3 und R4 bestehenden Spannungsteiler gekoppelt. Die Kondensatoren Cl, C2, C3 und C4 bewirken die Wechselstromkopplungen. Zur Stabilisierung der Kollektorruheströme von T 1 und T 2 dient der Widerstand R 1.F i g. FIG. 2 now shows a circuit arrangement for realizing the in FIG. 1 shown principle. The transistors T 1 and T 2 are coupled here via the voltage divider consisting of the resistors R3 and R4. The capacitors C1, C2, C3 and C4 effect the AC couplings. Resistor R 1 is used to stabilize the quiescent collector currents from T 1 and T 2.

Um die dynamischen Eigenschaften der hier behandelten Anordnung zu beschreiben, sollen die vorkommenden Transistoren und die eventuell vorhandenen, für Wechselstrom nicht kurzgeschlossenen Emitter- oder Basiswiderstände durch gesteuerte Stromquellen mit den effektiven Steilheiten S l, S2 usw. und den Stromverstärkungen fi 1, fl2 usw. dargestellt werden. Faßt man die Parallelschaltung der Widerstände R2, R4 und den Eingangswiderstand von T2 zum resultierenden Widerstand R0 zusammen, so errechnet man für die Eingangs- bzw. Ausgangswiderstände des Verstärkers Im Hinblick auf hohen Eingangs- und niedrigen Ausgangswiderstand wäre also das Produkt S2 - R0 möglichst groß zu wählen, was mit hohen Werten für die Widerstände R2 und RI verbunden wäre. Eine derartige Dimensionierung ist aber bei Verwendung der Stufe als Leistungsverstärker unerwünscht, da dadurch der Aussteuerbereich sowohl für die positiven (R2) als auch für die negativen (R 1) Momentanwerte der Ausgangsspannung verringert wird. Außerdem dürfen die Betriebsspannungen nur eine geringe Welligkeit aufweisen, wenn hohe Anforderungen an die Brummfreiheit des Verstärkers gestellt werden, da die Wechselspannungskomponenten der Betriebsspannungen sowohl über R4 als auch über R2 und C3 auf die Basis des Transistors T 2 gelangen.In order to describe the dynamic properties of the arrangement dealt with here, the occurring transistors and any emitter or base resistances that may be present, which are not short-circuited for alternating current, should be controlled by current sources with the effective slopes S l, S2 etc. and the current gains fi 1, fl2 etc. being represented. If you combine the parallel connection of resistors R2, R4 and the input resistance of T2 to form the resulting resistance R0, you can calculate the input and output resistances of the amplifier With regard to the high input and low output resistance, the product S2-R0 would have to be selected as large as possible, which would be associated with high values for the resistances R2 and RI. Such a dimensioning is undesirable when the stage is used as a power amplifier, since it reduces the dynamic range for both the positive (R2) and the negative (R 1) instantaneous values of the output voltage. In addition, the operating voltages may only have a low ripple if high requirements are placed on the amplifier's hum-free condition, since the AC voltage components of the operating voltages reach the base of transistor T 2 via R4 as well as via R2 and C3.

Die noch bestehenden Nachteile werden durch die in F i g. 3 dargestellte Schaltungsanordnung völlig vermieden. Die Schaltung besitzt zur Kopplung der Transistoren T 1 und T 2 einen weiteren in Basisschaltung betriebenen Transistor T3. Während es sich bei den Transistoren T 1 und T 2 um npn-Typen handelt, stellt der Transistor T3 einen pnp-Typ dar. Dadurch ist es möglich, den an sich kleinen Kollektorwiderstand R2 wesentlich größer als den Eingangswiderstand der mit dem Transistor T3 gebildeten Basisstufe zu wählen. Somit wird die Änderung des Kollektorstromes des Transistors T 1 voll dem Transistor T3 mitgeteilt. Da die Steilheit S3 schon bei geringem Emitterstrom von T3 sehr große Werte annimmt, kommt man hier mit kleinen Widerstandswerten für R2 aus. In ähnlicher Weise kann der ursprünglich zur Kollektorruhestromstabilisierung dienende Widerstand R 1 klein gehalten werden, da der Ruhestrom dieser Schaltung nicht mehr durch den Widerstand R 1, sondern durch die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T3 und die Widerstände R2, R5 und R6 bestimmt wird. Insgesamt ergibt die bei der neuen Anordnung mögliche Verringerung der Widerstände R2 und R 1 eine Erhöhung der Spannungsaussteuerbarkeit und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Veewendung als Leistungsverstärker.The disadvantages that still exist are overcome by the in FIG. 3 shown circuit arrangement completely avoided. For coupling the transistors T 1 and T 2, the circuit has a further transistor T3 operated in a base circuit. While the transistors T 1 and T 2 are npn types, the transistor T3 is a pnp type. This makes it possible to make the collector resistance R2, which is small in itself, much greater than the input resistance to choose the base stage formed with transistor T3. Thus, the change in the collector current of the transistor T 1 is fully communicated to the transistor T3. Since the slope S3 takes on very high values even with a low emitter current of T3, small resistance values for R2 are sufficient here. Similarly, the resistor R 1 originally used to stabilize the collector quiescent current can be kept small, since the quiescent current of this circuit is no longer determined by the resistor R 1, but by the base-emitter voltage of the transistor T3 and the resistors R2, R5 and R6 . Overall, the possible reduction in resistors R2 and R 1 with the new arrangement results in an increase in the voltage modulation and thus an improvement in the efficiency when used as a power amplifier.

Faßt man den Eingangswiderstand des Transistors T2 und den Widerstand R4 zum resultierenden Widerstand R 0* zusammen, so erhält man bei der neuen Anordnung unter der zuvor erwähnten Voraussetzung #> R 2 für den Eingangs- bzw. Ausgangswiderstand Da R O* bei gegebener Steilheit S 2 wesentlich größer als der zuvor erwähnte Widerstand R0 gewählt werden kann, lassen sich mit dieser Anordnung höhere Eingangs- und niedrigere Ausgangswiderstände erzielen.If the input resistance of the transistor T2 and the resistance R4 are combined to form the resulting resistance R 0 *, then with the new arrangement one obtains under the above-mentioned condition #> R 2 for the input or output resistance Since RO * can be selected to be significantly larger than the aforementioned resistance R0 for a given steepness S 2, higher input and lower output resistances can be achieved with this arrangement.

Es ist bei mäßigen Anforderungen an die Eingangs- und Ausgangswiderstände möglich, auf den Kondensator C2 zu verzichten. Die in F i g. 3 gezeigte Verstärkerstufe ist überdies nur wenig empfindlich gegenüber Brummspannungen, die der Betriebsspannung überlagert sind, da nur die am Widerstand R5 vorhandene Brummspannung am Ausgang wirksam wird. Durch einen Kondensator, der parallel zum Widerstand RS geschaltet ist, lassen sich ausgangsseitige Brummspannungen kurzschließen. Bei Verwendung der Schaltung als Leistungsverstärker ist auch bei kondensatorgekoppeltem Verbraucher ein AB-Betrieb, d. h. eine aussteuerungsabhängige Stromaufnahme des Verstärkers, möglich. Versuche an einer derartigen Stufe mit C2 = 0 haben gezeigt, daß sich bei dieser Betriebsart in Verbindung mit einer Gegenkopplung ein günstiger Wirkungsgrad bei kleinem Klirrfaktor erreichen läßt.If the requirements placed on the input and output resistances are moderate, it is possible to dispense with the capacitor C2. The in F i g. 3 is also only slightly sensitive to ripple voltages that are superimposed on the operating voltage, since only the ripple voltage present at resistor R5 is effective at the output. Output-side ripple voltages can be short-circuited by a capacitor that is connected in parallel with the resistor RS. When the circuit is used as a power amplifier, AB operation, ie a level-dependent current consumption of the amplifier, is possible even with a capacitor-coupled consumer. Tests on such a stage with C2 = 0 have shown that in this operating mode, in conjunction with negative feedback, a favorable degree of efficiency with a low distortion factor can be achieved.

Claims (1)

Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zur Leistungsverstärkung mit hohem Eingangs- und niedrigem Ausgangswiderstand, die keinen Ausgangstransformator benötigt, bei der zwei Verstärkerelemente in Serie an der Speisestromquelle liegen, das Eingangssignal an der Steuerelektrode des ersten Verstärkerelementes liegt, während die Ausgangselektrode des ersten Verstärkerelementes mit der Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelementes verbunden und an dem Verbindungspunkt der beiden Verstärkerelemente über einen Kondensator die Ausgangslast angeschlossen ist, d a -durch gekennzeichnet, daß zwischen der Ausgangselektrode des ersten Verstärkerelementes (T 1) und der Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelementes (T 2) ein drittes Verstärkerelement (T3) eingeschaltet ist. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkerelemente Transistoren angeordnet sind und daß das dritte Verstärkerelement in Basisschaltung betrieben wird. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter-Kollektor-Strecke des dritten Verstärkerelementes (T3) zwischen der Ausgangselektrode des ersten und der Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelementes liegt, daß die Steuerelektrode des dritten Verstärkerelementes an einem Spannungsteiler für die Betriebsspannung (RS, R6) liegt und daß am Verbindungspunkt der Ausgangselektrode des dritten Verstärkerelementes mit der Eingangselektrode des zweiten Verstärkerelementes ein Widerstand (R 4) gegen das Bezugspotential eingeschaltet ist. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das erste und zweite Verstärkerelement Transistoren des einen Typs (npn) und für das dritte Verstärkerelement ein Transistor des anderen Typs (pnp) angeordnet sind. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Emitterwiderstand (R1) des zweiten Verstärkerelementes (T2) ein Kondensator (C2) parallel geschaltet ist. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Basisspannungsteiler-Wideratand (R S) ein Kondensator angeschaltet ist.Claims: 1. Circuit arrangement for power amplification with high input and low output resistance, which does not require an output transformer, in which two amplifier elements are connected in series to the supply current source, the input signal is applied to the control electrode of the first amplifier element, while the output electrode of the first amplifier element is connected to the control electrode , is connected to the second amplifier element and connected to the connection point of the two amplifier elements via a capacitor the output load as -by in that between the output electrode of the first amplifier element (T 1) and the control electrode of the second amplifier element (T 2) comprises a third amplifier element (T3 ) is switched on. 2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that transistors are arranged as amplifier elements and that the third amplifier element is operated in a base circuit. 3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the emitter-collector path of the third amplifier element (T3) lies between the output electrode of the first and the control electrode of the second amplifier element, that the control electrode of the third amplifier element is connected to a voltage divider for the operating voltage (RS , R6) and that at the connection point of the output electrode of the third amplifier element with the input electrode of the second amplifier element, a resistor (R 4) is switched on to the reference potential. 4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that transistors of one type (npn) and for the third amplifier element a transistor of the other type (pnp) are arranged for the first and second amplifier element. 5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that a capacitor (C2) is connected in parallel to the emitter resistor (R1) of the second amplifier element (T2). 6. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that a capacitor is connected in parallel to the base voltage divider resistor (R S).
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