DE1513241A1

DE1513241A1 - Schaltungsanordnung zum Erzielen einer Stabilisierung bei Temperatur- und Speisespannungsschwankungen

Info

Publication number: DE1513241A1
Application number: DE19651513241
Authority: DE
Inventors: Bisgaard Jorgen Peter Vilhelm
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1964-08-22
Filing date: 1965-08-18
Publication date: 1969-10-09
Also published as: ES316672A1; AT263076B; NL6510718A; GB1072947A; US3629717A; NL142292B; DE1513241B2; FR1460634A; SE313081B; DK106043C; CH446453A

Description

"Schaltungsanordnung zum Erzielen einer Stabilisierung "bei Temperatur« und Speisespannungsschwankungen¹¹

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzielen einer Stabilisierung bei Temperaturschwankungen, insbesondere zum Stabilisieren der Arbeitspunkte einer Anzahl von Transistoren bei Temperatur- und Speisespannungsschwankungen mittels eines temperaturabhängigen Elementes, das mit der Reihenschaltung der Emitter-Basis-Strecken der Transistoren, insbesondere mit einem in B-Schaltung liegenden Gegentaktverstärker mit Komplementärtransistoren, verbunden ist, deren Basissignale gleichphasig empfangen und durch die erwähnte Schaltung vorgespannt werden·

Bei transistorisierten Schaltungsanordnungen liegt oft ein Bedarf an bei Speisespannung- und Temperaturschwankungen stabilisierten Arbeitspunkten vor. Dies gilt insbesondere für Hochleistungstransistoren.

Die Temperaturstabilisierung des Arbeitspunktes kann durch einen hinreichend hohen Wert des Emitterwiderstandes erzielt werden, aber die Anwendung eines so hohen Bmitterwiderstandes ergibt keine gute lösung bei Hochleistungen infolge der dabei auftretenden hohen Verluste. Andere Möglichkeiten liegen vor in der Anwendung von NTC-Widerständen und spannungsstabilisierenden Dioden, aber auch dies liefert nicht stets geeignete

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Lösungen, was weiter unten weiter erläutert wird, an Hand der Schaltungsanordnung eines Verstärkers nach den Figuren 1 und 2.

Die Pig. 1 und 2 zeigen Beispiele von bekannten Verstärkern mit einem Steuertransistor T₁, der in Emitterschaltung mit einem Belastungswiderstand Ru in dem Kollektorkreis zwischen dem Kollektor und der Speisespannungsquelle V_B verbunden ist. Von dem Kollektorkreis werden zwei Signale mit gleicher Phase der Basis von zwei Komplementärtransistoren T₂ ^{und T>}* zugeführt, die als Emitterfolgetransistoren in einem Reihen-Gegentaktverstärker (single-ended push-pull amplifier) untergebracht sind. Die Emitter dieser Transistoren sind über einen Kondensator G mit einem gemeinsamen Belastungswiderstand R^ verbunden.

Zum Beschränken des Stromverbrauchs und zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrads werden Verstärker dieses Typs in Klasse B betrieben, aber da Transistoren keine idealen Verstärkerelemente sind, ist es notwendig, einen Ruhestrom durch die Transistoren Tp und T, zu schicken, um "tibersprech"-Verzerrungen asu vermeiden. Dieser Ruhestrom kann dadurch erhalten werden, daß den Basen der Transistoren T₂ und T, eine niedrige Vorspannung mittels eines Kreiselementes zugeführt wird, durch welches Kreiselement der Strom des Steuertransistors fließt und einen geringen Spannungsfall herbeiführt. Dieser Spannungsfall wird zwischen den Basen der Transistoren T₂ und T^ angelegt.

Der Wert des Ruhestroms in den zwei Transistoren T₂ und T, ist sehr kritisch, da ein zu niedriger Wert die vorerwähnte Verzerrung hervorruft und ein zu hoher Wert nicht nur hohe Verluste, sondern auch thermische !Instabilität mit sich bringen kann, insbesondere bei hohen Temperaturen. EB ist daher sehr

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wichtig, diesen Ruhestrom konstant auf dem optimalen Wert zu halten, unabhängig von Temperatur- und Speisespannungsänderungen, Da die Transistoren T₂ "und T_, wie alle Transistoren, stark von der Temperatur abhängig sind - bei Zunahme der Temperatur nimmt der Strom durch die Transistoren zu - müssen Maßnahmen genommen werden, die den Transistoren zugeführte Vorspannung bei Zunahme der Temperatur, z.B. infolge der Zunahme der Umgebungstemperatur oder durch unvermeidliche Verluste "bei der Verstärkung starker Signale, zu erniedrigen, während die Vorspannung beim Herabsinken der Temperatur erhöht werden muß, um Verzerrungen zu vermeiden, wenn die Schaltung bei niedriger Temperatur wirksam sein soll. Weiter muß dafür gesorgt werden, daß Änderungen der Speisespannung keine Änderun- Λ gen der Spannung herbeiführen, die über dem Kreiselement erzeugt wird. IJm Temperaturatabilisierung des Ruhestroms zu er« zielen, ist es bekannt, einen Widerstand Rm (Fig. 1) mit negativem Temperaturkoeffizienten anzuwenden, der in der unmittelbaren Nähe der Transistoren Tp und T, angebracht wird und somit thermisch mit diesen gekoppelt ist. Diese Lösung reicht jedoch nicht aus, die Vorspannung der Transistoren T₂ und T, bei Speisespannungsänderungen konstant zu halten.

Ein anderes, aber teures Verfahren zum Erzielen einer Temperaturstabilisierung für den Ruhestrom durch die Transistoren T₂ und T, besteht in der Anwendung von einer oder mehreren Dioden D-, Dp (Hg, 2) an Stelle des Widerstandes R^. Wenn d Übergangsdioden (Schichtdioden) des gleichen Materials wie das der Transistoren T₂ und T, verwendet werden, erhält man die gleiche Temperaturabhängigkeit bei dem Stabilisierungselement und den zu stabilisierenden Transistoren. Der Spannungsfall über den Dioden ist jedoch in hohem Maße von dem durchfließenden Strom abhängig. Messungen haben gezeigt, daß bei Verwendung von Germaniumtransistoren eine Verringerung der Vorspannung von etwa 2,5 mW/Grad 0 für jeden Transistor angelegt

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werden muß, um bei TemperaturSchwankungen einen konstanten Ruhestrom zu erzielen; diese Spannungsänderung entspricht praktisch der Spannungsänderung pro Grad C für jeden Transistor für sich. Um einen optimalen Ruhestrom in den Transistoren Tp und T- zu erzielen, ist es notwendig, nicht nur die Dioden, sondern auch einen kleinen Widerstand R^ in dem Stabilisierungskreis unterzubringen. Die Anbringung eines solchen Widerstandes hat jedoch zur Folge, daß die den Transistoren T₂ und T, zugeführte Vorspannung nicht mehr von der Speisespannung unabhängig ist.

Die Erfindung schafft eine Schaltungsanordnung zum Stabilisieren des Arbeitspunktes einer Anzahl von Transistoren, wobei die vorerwähnten Nachteile nicht auftreten. Diese Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Element durch einen Transistor, den Stabilieierungstransistor, gebildet wird, wobei ein Spannungsteiler zwischen dessen Kollektor und Emitter angebracht ist, während die Basis mit einer Anzapfung dieses Spannungsteilers verbunden ist, welcher Transistor als gegengekoppelter Verstärker geschaltet und mit einem Belastungswiderstand verbunden ist, wobei der Emitter und der Kollektor dieses Stabilisierungstransistors mit den Klemmen der erwähnten Reihenschaltung der Emltter-Basis-Strecken verbunden sinde

Sohaltungsanordnungen mit dem erwähnten Stäbilisierungstransistor naoh der Erfindung werden nachstehend beispielsweise näher erläutert an Hand einer Verstärkerschaltung, auf welohe die Erfindung sich jedoch nicht beschränkt·

In der Zeichnung zeigen

die Fig. 3 und 4 Sohaltungsanordnungen naoh der Erfindung,

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die Pig. 5 und 6 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Pig. 4,

die Mg· 7 und 8 Verstärker mit Schaltungen nach der Erfindung,

Fig. 9 eine Abart der Schaltung nach Fig. 3 und

Pig. 10 eine Kurve zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach· Pig. 9·

Die verschiedenen Elemente der Schaltungen sind mit den gleichen Besugsziffern bezeichnet· %

Eine Ausführungsform dieser Schaltung nach der Erfindung 1st in Fig. 3 dargestellt. Diese Schaltung enthält einen Transistor Tq, zwischen dessen Emitter und Kollektor ein durch zwei Widerstände Rp und IU gebildeter Spannungsteiler angeordnet ist. Der Widerstandswert von R- ist höher als der innere Basiswiderstand des Transistors T_Qi aber die Summe der Werte von R- und R₂ ist so gewählt, daß der Emitter-Kollektor-Strom des Transistors T_Q höher ist als der Strom durch die Widerstände R₁ und Rg. Die Basis des Transistors T₀ ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R₂ und R, verbunden, während der Transistor Tq gemeinsam mit dem Belastungswiderstand R^ wie ein für Gleichstrom gegengekoppelter Verstäker gesohaltet ist. Die Spannung V_CB der Emitter-Kollektor-Strecke läßt sich hier durch

R₀ + R,
V — j_ ^ V

^VCE R^ ^VBE

ausdrücken, wobei V_B« die Spannung der Emitter-Basis-Streoke bezeichnet·

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Da die Emitter-Basis-Spannung V_BE von der gleichen Größe ist wie die anzulegende Vorspannung jeder der in Reihe geschalteten Emitter-Basis-Strecke der Transistoren, deren Arbeitspunkte durch die Schaltung nach der Erfindung stabilisiert werden sollen, wird es einleuchten, daß es möglich ist, durch geeignete Wahl des Spannungsteilverhältnisses des Transistors Tq die Gesamtvorspannung für die Reihenschaltung der Emitter-. Basis-Strecken der zu stabilisierenden Transistoren zu erzielen, wobei gleichzeitig die gewünschte Abhängigkeit der Vorspannung von der Temperatur derart erhalten wird, daß eine Temperaturänderung eine Änderung der Emitter-Basis-Spannung VgTj, hervorrufen wird, die nach Vervielfachung in dem Transistor T₀ der Reihenschaltung der Emitter-Basis-Strecken der zu stabilisierenden Transistoren zugeführt wird. Wenn die Speisespannung sich ändert, z.B. abfällt, wird der Strom durch den Spannungsteiler auch abnehmen, wodurch die der Basis des Transistors Tq zugeführte Spannung derart herabsinkt, daß der Transistor weniger leitfähig wird, während die Spannung des Kollektors derart zunimmt, daß die Verringerung der Speisespannung, die über den Widerstand R., auf den Kollektor des Transistors T_Q übertragen wird, nahezu durch eine Verringerung des Stroms durch den Transietor T_Q ausgeglichen wird. Die Vorspannung für die zu stabilisierenden Transistoren 1st somit praktisch unabhängig von der Speisespannung.

Mittels der Schaltung naoh Pig. 3 ist es nicht möglich, Speise ep annung s Schwankungen völlig zu kompensieren, weil die der Basis des Transistors T_Q augeführte Spannung sich mit der Speisespannung ändern mufl· Um dies weiter zu verbessern, kann die Schaltung nach der Erfindung mit einem Widerstand versehen werden, von dem ein Ende/aer Basis des zu stabilisierenden Transistors verbunden ist, während das andere Ende mit einem Punkt verbunden ist, dessen Spannung von der Speisespannung abhängt· Ein Beispiel einer solchen Schaltung ist in Pig. 4

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dargestellt. Dabei ist der zusätzliche Widerstand E₀ zwischen der Basis und der Speiseapannungsklemme eingeschaltet.

Die Pig. 5 und 6 zeigen die Kurven, die durch Messungen an einer praktischen Ausführungsform der Schaltung nach Pig. 4 erhalten sind, wobei die Widerstände R^, R₂ u*¹*³- R, die Werte 4,7 kOhm, 1 kOhm bzw. 470 Ohm hatten. Die Spannung V_CE des Transistors T_Q ist als Punktion der Speisespannung V^ aufgetragen. In Pig. 5 ist der Widerstand R_Q als Parameter gewählt; für die Kurven a, b und c hatte dieser die Werte 47 kOhm, 100 kOhm und 220 kOhm. Bs wird einleuchten, daß bei einem bestimmten Wert von R_Q die Kurve praktisch horizontal ist. Bei dem Wert von R_Q von 100 kOhm sind entsprechende Kurven mit der Temperatur als Parameter in Pig. 6 angegeben, wobei die Kurven d, e und f den Temperaturen + 55°, + 20° bzw. -15⁰C entsprechen. Es zeigt sich, daß die Kurven nahezu horizontal bleiben, unabhängig von der Temperatur, und daß die Spannung des Transistors T~ bei Zunahme der Temperatur herabsinkt.

Der Widerstand R_Q ermöglicht gleichzeitig, bei den zu stabilisierenden Transistoren mittels dieser Schaltung den Ruhestrom auf den Optimalwert einzustellen.

In einer Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung wird der Spannungsteiler durch zwei Widerstände gebildet, deren Verhältnis derart ist, daß 1/n der Spannung der Kollektor« Emitter-Strecke der Basis zugeführt wird, wobei η die gewünschte Verstärkung der Temperaturabhängigkeit der Emitter-Basis-Strecke bezeichnet. Es ist somit sehr einfach, das erforderliche Spannungeteilverhältnis festzustellen, zur Stabilisierung von, | z.B. zwei, Transistoren, deren Emitter-Basis-Strecken in Reihe mit dem Transistor T₀ parallel geschaltet sind, in welchem Palle eine Vorspannung notwendig ist, deren Änderung in Abhängigkeit von der Temperatur zweimal größer ist als die einer

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einzigen Emitter-Basis-Strecke, ist es möglich, die Widerstände Rg und R, mit gleichem Wert anzuwenden, während bei der Stabilisierung von drei Transistoren ein Widerstand Rp zwischen dem Kollektor und der Basis mit einem Wert verwendet werden kann, der zweimal größer ist als der des Widerstandes R, zwischen der Basis und dem Emitter,-

Fig. 7 zeigt einen Verstärker mit vier Transistoren Tp» T,, ¹T^ und Tr in der bekannten Darlington-Schaltung. Der Verstärker wird durch eine Schaltung nach der Erfindung stabilisiert. Der Verstärker enthält drei Transistoren Tp» T, und T^, deren Emitter-Basis-Strecken in Reihe über die Schaltung verbunden sind, so daß eine geeignete Vorspannung erhalten werden kann, welche Schaltung aus einem Transistor T₀, den Widerständen Rp, R, und dem Widerstand R_Q besteht. Der Wert des Widerstandes Rp ist zweimal so groß wie der Wert des Widerstandes R,, wodurch der Transistor T₀ eine dreimal größere Temperaturabhängigkeit in der Emitter-Basis-Strecke des Transistors T_Q liefert. In diesen und in den weiteren, eine Verstärkerschaltung darstellenden Figuren ist der Transistor T- der Steuertransistor. Es wird einleuchten, daß es möglich ist, die Basis des Transistors Ta in bekannter, nicht dargestellter Weise über einen Widerstand mit einem weiteren Punkt des Verstärkers z.B. mit dem Ausgangspunkt zu verbinden, mit dem die Belastung verbunden ist, und über einen weiteren Widerstand mit einem Punkt konstanten Potentials, um eine Rückkopplung zu erhalten und das Potential dieses Ausgangspunktes des Verstärkers zu stabilisieren.

In einer weiteren, vereinfachten Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung kann der Spannungsteiler durch die EmJtter-Basis-Strecli-pn der Transistoren gebildet werden, deren i t.Rpunkte stabilisiert werden sollen, wobei die Basis des )si store dn der Echnltung nach der Erfindung in Reihe mit

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den Emitter-Basis-Strecken der zu stabilisierenden Transistoreri geschaltet ist. In einer weiteren Ausführungaform einer solchen Schaltung, wobei die Reihenschaltung Emitterwiderstände enthält, 1st die Basis des stabilisierenden Transistors nach der Erfindung mit einem solchen Punkt der Reihenschaltung insbesondere direkt mit einem der Emitter verbunden, daß außerdem eine von dem Strom durch den zu stabilisierenden Transistor abhängige Spannung der Bade des stabilisierenden Transistors zugeführt wird.

Der Verstärker nach Pig» 8 enthält zwei in Reihe geschaltete Emitter-Basis-Strecken von Transistoren T₂ und T- mit den züge- μ hörenden Emitterwiderständen Hi und R₁-, die über den Transistor ™ T₀ geschaltet sind. Der für den Transistor T_Q erforderliche Spannungsteiler wird durch die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T₂ ^^η einem Zweig und die Widerstände R. und Rp- mit der Emitter-Basis-Strecke des Transistors T, in dem anderen Zweig gebildet, wobei die Basis des Transistors T_Q mit dem Emitter des Transietora T₂ verbunden iat. Wenn der Ruhestrom durch die Transistoren T₂ und T, aus irgendeinem Grunde geneigt ist, zuzunehmen, wird der Spannungefall über den Widerstand R- auch zunehmen, woduroh die Emitter-Kollektor-Spannung dee Transistors T_Q abnimmt und den Ruhestrom erniedrigt·

Wie vorstehend erwähnt, iat es möglich, durch den Wideretand R_Q J nach Fig. 4 «in· völlige Stabilisierung der Emitter-Kollektor-Spannung bei Speisespaimungeschwenkungen au erzielen.

Nach einer weiteren Ausführungeform der Schaltung naoh der Erfindung besteht eine andere Mögliehkeit dazu darin, daß ein Bnde der Bmittez**Kollektor~S trecke dee stabilisierenden Tran- aiators mit der Reihenschaltung über einen Spannungeteiler verbunden wird, dem eine von der Speisespannung abhangige Span- ; nung zugeführt wird, Bine solche Sοhaltung ist in Fig. 9 dar»

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gestellt, wobei zwischen der Speisespannungsquelle und dem Emitter des Transistors T_Q ein Spannungsteiler angebracht ist, der aus Widerständen Rg und R₁, besteht. An der Anzapfung dieses Spannungsteilers tritt eine Spannung auf, die der Speisespannung proportional ist, was durch die Kurve g in Fig. 10 angedeutet ist. Fig. 10 zeigt weiter eine Kurve h für die Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors T_Q als Funktion der Speisespannung V^# Es ist ersichtlich, daß es möglich ist, ein passendes Verhältnis zwischen den Widerständen Rg und R« zu wählen, so daß die Kurven g und h über einen breiten Bereich parallel verlaufen, wobei der Spannungsunterschied zwischen den Spannungen am Abgriff des Potentiometers und der des Kollektors des Transistors T_Q nahezu unabhängig von der Speisespannung ist, Diese Ausführungsform hat den weiteren Vorteil, daß die den zu stabilisierenden Transistoren zuzuführende Vorspannung bei Zunahme der Temperatur ihre Polarität umkehren kann, da der Spannungsfall über den Transistor T_Q bei hohen Temperaturen einen kleineren Wert annehmen kann, als der Spannungsfall über den Widerstand R«. Infolgedessen ist die Temperaturstabilisierung auch bei sehr hohen Temperaturen wirksam·

Der guten Ordnung halber sei noch darauf hingewiesen, daß ee -an sioh bekannt ist, die Temperaturabhängigkeit eines Transistors zuB Stabilisieren eines eineigen Transistors anzuwenden.

Es ist ersichtlich, dsJ die Schaltung nach der Erfindung nicht nur sub Stabilisieren dar Arbeitspunkte von In Klasse B geschalteten Gegentaktverstärker» Bit ausatelichen Transistoren, sondern aueh in anderen Fällen anwendbar ist· Obgleich die Zeichnung dia Verweadu*« von p-n-p-Transistoren JUb der Schaltung nach der Irfindung darstellt, wird es einleuohten, daß aueh a-p-n-Traneietoren anwendbar sind, während viele Abarten

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anderer Einzelteile innerhalb des Rahmens der Erfindung verwendet werden können. Unter Umständen kann es erwünscht sein, ein Spannungsstabilisierun^selement, z.B. eine Zener-Diode, in dem Emitterkreis des stabilisierenden Transistors anzuwenden.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche:

Schaltungsanordnung zum Erzielen einer Stabilisierung bei Temperaturschwankungen, insbesondere Schaltung zum Stabilisieren des Arbeitspunktes, einer Anzahl von Transistoren bei Temperatur- und Speisespannungsänderungen mittels eines temperaturabhängigen Elementes ι das mit der Reihenschaltung der •Emitter-Basis-Strecken der Transistoren, insbesondere eines Gegentakt-B-Verstärkers mit vorzugsweise komplementären Zusatz-Transistoren gekoppelt ist, wobei die Basen dieser Transistoren gleichphasige Signale empfangen und durch die erwähnte Schaltung vorgespannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Element durch einen stabilisierenden Transistor gebildet wird, wobei ein Spannungsteiler zwischen dem Kollektor und dem Emitter desselben eingeschaltet ist, während die Basis mit einem Abgriff des Spannungsteilers verbunden ist, welcher Transistor als gegengekoppelter Verstärker mit ■einem Belastungswiderstand verbunden ist, während der Emitter und der Kollektor dieses Transistors mit den Ausgängen der erwähnten Reihenschaltung verbunden sind·
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand vorgesehen ist, von dem ein Ende mit der Basis des stabilisierenden Transistors und das andere mit einem Punkt mit einer von der Speisespannung abhängigen Spannung verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler durch zwei Widerstände gebildet wird, deren Werte sich derart verhalten, daß 1/n/uber der Kollektor—Emitter-Strecke erzeugten Spannung der Basis zugeführt wird, wobei η die Anzahl von Emitter—Basis-Strecken der Reihenschaltung bezeichnet.

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4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler durch die Emitter-Basis-Strecken der Reihenschaltung gebildet wird, wobei die Basis des stabilisierenden, Transistors mit einem Punkt dieser Reihenschaltung verbunden ist·
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, deren Reihenschaltung Emitterwiderstände enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des stabilisierenden Transistors mit einem Punkt der Reihenschaltung, insbesondere direkt mit einem der Emitter derart verbunden ist, daß außerdem eine Spannung, abhängig von dem zu stabilisierenden Strom, der Basis des stabilisierenden Transistors zugeführt wird.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Emitter-Kollektor-Strecke des stabilisierenden Transistors mit der Reihenschaltung über einen Spannungsteiler verbunden ist, dem eine von der Speisespannung abhängige Spannung zugeführt wird.

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