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Transistorschaltung Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnungen
und insbesondere auf B-Leistungsendstufen, welche in integrierter Form gebaut.werden
können, wobei die Erfindung nicht nur auf solche Schaltungen anwendbar ist.
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Nahezu seit der Zeit, in der Transistoren als praktische
Verstärker
in Gebrauch kamen, wurde die einfache koLipleinentäre pnp-npn-Emitterfolgerselialtung
als L-Gegentakt-Endstufe verwendet. Idealerweise 'erfordert die Schaltung einen
pnp- und einen npn-Transistor mit gleichen Kennlinien. Dieses Erfordernis läßt sich
leicht erfüllen, wenn man getrennte Komponenten verwendet, aber die Bauweise wird
stark- eingeschränkt, wenn die Schaltung in integrierter Forff hergestellt werden
soll. Unvermeidlich wird ein Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen so
eingerichtet, daß möglichst gute Transistoren mit einer Polarität (gewöhnlich npn)
hergestellt werden. Dies macht Transistoren mit entgegengesetzter Polarität (pnp)
nicht unmöglich, schränkt jedoch die verfügbaren Anordnungen entweder auf einen
vertikalen pnp-Transistor, bei welchem der Träger als Kollektor verwendet
wird (was bedeutet, daß der Kollektor mit der negativsten Quelle verbunden ist)
oder auf einen lateralen pnp-Transistor ein, bei-welchem die p-Basisdiffusion eines
npn-Transistors als Kollektor und Emitter des pnp-Transistors verwendet wird. Diese
beiden Typen von pnp-Transistoren haben schlechte Verstärkung und schlechten Frequenzgang
und.wenn sie in Endstufen verwendet werden, haben sie ein eingeschränktes Stromführungsvermögen.
Die geringe Verstärkung kann durch Verwendung eines pnp-npn" Paares zur Nachahmung.eines
pnp-Transistors mit hoher Verstärkung überwunden werden, aber der schlechte Frequenzgang
ist
eine grundlegende Beschränkung für das Arbeiten der Schaltung bei hohen Frequenzen.
Erfindungsgemäß weist eine Transistorschaltung in zwei parallelen Wegen angeordnete
Diodeneinrichtungen auf, wobei die Diodeneinrichtungen des einen Weges den Ruhestrom
der Schaltung steuern und mit den Diodeneinrichtungen des zweiten Weges eine Steuereinrichtung
verbunden Ist, welche so angeordnet ist, daß der Strom unter sogenannten B-Bedingungen
in einen Verbraucherkreis der Anordnung in Ab-
hängigkeit von einem aufgegebenen
Eingangssignal fließt. Bei der Ausführung der Erfindung können die Diodeneinrichtungen
des zweiten Weges die Basis-Emitter-Übergangszone eines ersten Transistors aufweisen,
wobei eine weitere Diode -in Reihe damit geschaltet Ist, und die Diodeneinrichtungen
des ersten Weges können zwei in Reihe geschaltete Dioden aufweisen. Bei einer erfindungsgemäßen
Anordnung kann die Steuereinrichtung eine Veränderung der Emitterspannung des ersten
Transistors um eine vorgegebene Spannung bewirken, in welchem Fall die Steuereinrichtung
so ausgebildet sein kann, daß sie einen ersten Transistor aufweist, welcher in Reihe
mit den zwei Diodenwegen geschaltet ist, und wobei die Anordnung so getroffen ist,
daß-der erste Transistor und
der weitere Transistor in sogenanntem
B-Betrieb in Abhängigkeit von einem auf den weiteren Transistor gegebenen Eingangssignal
arbeiten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der erste Transistor und
der weitere Transistor vom gleichen Typ
sein, wobei der erste Transistor als
Emitterfolger und der zweite Transistor in üblicher Emitterschaltung geschaltet
ist, in welchem Fall der weitere Transistor vorzugsweise mit Spannungsrückkopplung
mittels eines Widerstandes versehen sein kann, welcher zwischen den Kollektorkreis
und den Basiskreis des Transistors geschaltet ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltung kann als integrierte Schaltung ausgebildet
sein, in welchem Fall die Diodeneinrichtungen einen'Transistor aufweisen können,
dessen Kollektorklemme und Basisklemme direkt miteinander verbunden sind.
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Anhand der*Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt Figur 1 eine Schaltskizze, in welcher das Prinzip einer erfindungsgemäßen
B-Leistungsendstufe dargestellt ist,
Figur 2 die Basis/Emitter-Stronispannungskennlinie
eines Transistors, Figur 3 eine Schaltskizze einer grundlegenden erfindungsgemäßen
B-Leistungsendstufe, Figur 4 eine Schaltskizze einer praktischen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen B-Leistungsendstufe und Figur 5 eine Schaltskizze einer
anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen B-Leistungsendstufe-.
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Um die Schwierigkeiten einer geringen Verstärkung, eines schlechten
Frequenzganges und eines eingeschränkten Stromführungsvermögens bei komplementären
Transistoren in der vorher beschriebenen integrierten Form zu überwinden, Ist eine
Schaltung erforderlich, welche Transistoren des gleichen Typs (vorzugsweise npn-Transistoren)
enthält und zu der komplementären pnp-npn-Endstufe analog ist. Dies erfordert zwei
Spannungsverstärkerstufen, deren eine positiven Strom in den Verbraucher führt und
deren andere negativen Strom aus demselben entnimmt. Diese zwei Stufen können die
Form eines npn-Einitterfolgers sowie einer geerdeten npn-Emitterstufe mit Spannungsrückkopplung
aufweisen. Die Schwierigkeit besteht darin, diese zwei Stufen derart miteinander
zu verbinden, daß, wenn die erste Stufe positiven Strom in
den Verbraucher
leitet, die zweite Stufe nicht gleichzeitig versucht, Strom aus dem Verbraucher
zu entnehmen, wodurch das Fließen eines starken Ruhestroms (standing current) zwischen
den zwei Stufen hervorgerufen würde.
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In Fisur 1 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, welche das
Grundprinzip der erfindungsgemäßen B-Leistungsendstufe darstellt und diese Schaltung
nützt einen der Vorteile einer integrierten Schaltung aus, um die Möglichkeit irgendeines
merklichen Stromflusses mit Ausnahme des vom Verbraucher entnommenen Stroms zu verhindern.
Die in Figur 1
gezeigte Schaltung weist vier npn-Transistoren auf, wobei Kollektor
und Basis jedes Transistors so verbunden sind, daß jeder derselben eine Diode bildet
und diese werden mit D12 D 2» D 3 und D4 bezeichnet. Es ist
bekannt, daß die Basis-Emitterspannungen aller auf einem einzigen Flättehen ausgebildeten
Transistoren eng aneinander angepaßte Stromspannungskennlinien besitzen, so daß
die Kennlini.en der Dioden Dl. D 2'
D 3 und D 4 sehr
eng aneinander angepaßt sind. Eine typische Stromspannungskennlinie ist in Figur
2 dargestellt. Die Dioden D 1 und D 2 sind In Reihe und parallel zu
den Dioden D 3 und D 4 geschaltet, welche ihrerseits In Reihe geschaltet
sind, und die Diode D 3 liegt parallel zu einem Stromgenerator, welcher einen
Strom i L liefert.
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Es werde nun angenommen, daß ein Strom 1 DI durch die
Dioden D
und D 2 fließt und daß v der Spannungsabfall
an jeder der Dioden D 1 und D 2 infolge des Stroms i DI sei. Wenn
ein Strom i D4 durch die Diode D 4 fließt, dann ist der Strom in der Diode
D 3 infolge des Stromgenerators i L + i D4* Wenn nun gilt i L -#;-
i DI , dann wird an der Diode D 3 eine größere- Spannung als
v erzeugt und diese Spannung werde dargestellt durch v +,e::Iv und
da die Gesamtspannung an den Dioden D 3 und D 4 durch die Dioden
D 1 und D 2 auf 2v
begrenzt wird, so muß die Spannung an der
Diode D4 gleich v -..A v sein, so daß der Strom i D4 Dl' In
gleicher Weise kann gezeiFt werden, daß, wenn der Strom in der Diode D 4
gleich i L + i D4 durch Anschließen des Generators an dieselbe ist und dadurch
ein Spannungsanstieg an derselben auf den Wert v +"A v hervorgerufen
wird, die Spannung an der Diode gleich V - ÄA v und infolgedessen
der durch die-. selbe fließende Strom kleiner als i Dl ist. Wenn i L = 0,
so ist der Strom in den Dioden D 3 und D 4 der gleiche und ist gleich
dem Strom in den Dioden D 1 und D 2* Eine praktische Anordnung,.in
welcher dieses Prinzip ausgenützt wird, ist in Figur 3 dargestellt, wobei
die Diode D 4 in Figur 1 durch einen Transistor TR 1- ersetzt
ist.
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Der Verstärker A ist eine Schaltung, deren Funktion darin besteht"die
Ausgangsspannung Vo genau zu halten und als Stromsenke für jeden aus dem Verbraucher
zu entnehmenden
Strom zu wirken. -Der #Iiderstand R muß einen Basisstrom
b
für TR ergeben und daher ist jeder durch denselben fließende Strom klein
im Vergleich zu i L* Zwei Batterien B 1 und B 2 sind zur Lieferung von Spannung
in die Schaltung vorgesehen und jede dieser Batterien hat eine Spannung V. Die Wirkungsweise
der in Figur 1 dargestellten grundlegenden Dioden-Viererschaltung ist die
folgende: 1) Wenn Vo>,V ist3 so fließt i L im Gegenzeigersinn, betrachtet
gemäß der Figur., in der Schleife Bl. TR 1 und R L und bewirkt einen Anstieg
der Basis-Emitterspannung von TR 1 und eine-entsprechende Verminderung, von
i D3 auf einen Wert unterhalb i DI' 2) Wenn Vo#4 V ist, so fließt i L im
Gegenzeigersinn in der Schleife B 23 R LJ D 3 und A und bewirkt einen
Anstieg von V D3 und eine entsprechende Verminderung des Emitterstroms von
TR auf einen Wert unterhalb 1
1 Dl* 3) Wenn Vo = V ist, so ist*-i
L = 0 und der Emitterstrom von TR 1 ist gleich i D3- Der durch TR
1 und D 3 fließende Strom ist daher gleich dem durch D und
D fließenden Strom.
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1 2 Es wird daher bemerkt, daß der durch TR., D 3 und
den Ver-stärker A fließende Ruhe- oder Dauerstrom den durch
D 1 und D 2 fließenden Strom nicht übersteigen kann, und da dieser
Strom durch den Widerstand R, begrenzt wird, ist er klein
im Vergleich
zum Verbraucherstrom iL* Infolgedessen kann ein beinahe genauer B-Wirkungsgrad bei
vollständiger Ab-
wesenheit einer überkreuzungsverzerrung (eross-over distortion)
erzielt werden. Es wird bemerkt, daß es infolge der Wirkung der Dioden-Viererschaltung
nicht nötig ist, irgendein Steuersignal auf die Basis des Emitterfolgers TR
1 zu geben, wobei das Ausgangspotential vollständig durch die übertragungsfunktion
des Spannungsverstärkers A bestimmt wird.
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Bei der in Figur 4 dargestellten Schaltung ist der in Figur
3
gezeigte Verstärker A-durch eine Anordnung ersetzt, wobei die Spannung Vo
von einem Eingangsstromsignal i S abhängig gemacht ist. Der Signalstrom i S wird
auf zwei Einrichtungen, nämlich D 4 und TR 33 mit gleichen Kennlinien
der Basis/Emitterübergangszone gegeben (wobei D4 als Kollektor-Basis-Kurzschlußdiode
geschaltet.ist), deren jeweilige Stromverstärkungen (A ) hoch sind,
so daß Ihre Basisströme vernachlässigt werden können, und daher ist der Kollektorstrom
von TR 3 gleich-iS. Dieser Strom wird zur Steuerung eines weiteren Transistors
TR 2 verwendet, dessen A-Wert wiederum hoch ist und der mit der Dioden-Viererschaltung
in Reihe geschaltet ist, wobei eine Diode derselben von der Dioden-Verbindungsatelle
des Transistors TR, gemäß Figur 3 gebildet wird und wobei ein Widerstand
R t zwischen den Kollektor und die Basis dieses Transistors geschaltet ist.
Da der ß -Wert von TR 2 hoch Ist9
ist sein Basisstrom vernachlässigbar,
so daß der*gesamte Kollektorstrom des Transistors TR 3 (welcher gleich i
S ist) durch R f fließt. Die Spannung Vo kann daher folgendermaßen ausgedrückt werden:
Vo = i s R F + V D3 + V be(TR 2).
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Dieser Ausdruck besitzt die Form
y = mx
+ e, welche
eine lineare Gleichung wiedergibt, woraus zu entnehmen ist, daß die Veränderung
von Vo linear ist.
| Statt-dessen kann der Widerstand R f zwischen
die Basis von |
| von |
| TR 2 und den Emitter/TR, geschaltet werden (wie durch ge- |
strichelte Linien dargestellt) und In diesem Fall kann die Spannung Vo folgendermaßen
ausgedrückt werden:
- Vo = i s R f
+ V be(TR 2)2 was wiederum ein
linearer Ausdruck Ist.
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Bei der in Figur 4 dargestellten Anordnung besteht, wenn TR 2 einen
hohen Verbraucherstrom liefern muß, die Gefahr, daß der Eingang den Kollektor von
TR 3 kurzschließt, so daß nicht der ganze Kollektorstrom von TR
3 in den Widerstand R fließt. In Figur 5 ist eine andere Ausführungsform
dargestellt, bei der dieser Nachteil beseitigt Ist. Ein Transistor TR4 Ist in die
Emitterfolgerschaltung zwischen-TR 2 und TR 3
eingeschaltet,
wobei dessen Kollektor mit dem V7iderstand Rb verbunden ist. Diese Anordnung hat
ebenfalls den Vorteil, daß der durch den 1-,Iiderstand R b fließende Strom
zur Erzeu",-unF des Basisstroms für TR 2 verwendet wird und nicht durch die Dioden
D 1 und D 2 geleitet wird. Dies.führt zu einem noch höheren
Wirkungsgrad. Wie in bezug auf Figur 4 beschrieben, hann der Widerstand R
f mit dem Kollektor von TR 2 verbunden werden, in welchem Fall Vo
folgendermaßen ausgedrückt werden kann: Vo = i S R f + V be(TR 2)
+ V be(TR4) + VD3' was wiederum einen linearen Ausdruck darstellt,
oder es kann der Widerstand R f statt dessen mit dem Emitter von TR
1 verbunden werden (wie durch gestrichelte Linien-dargestellt), in welchem
Fall Vo folgendermaßen ausgedrückt werden kann: Vo = i S R f + V be(TR 4)%
was wiederum einen linearen Ausdruck darstellt.
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Es können gewisse kleine Abillnderungen an den beschriebenen Schaltungen
im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden. Es ist zwar beispielsweise festgestellt
worden.. daß die Schaltungsanordnungen insbesondere zum Aufbau einer integrierten
Schaltung geeignet sind. Es ist jedoch auch möglich, die Schaltungen aus getrennten
Bestandteilen zusammenzusetzen. In diesem letzteren Fall sollen zur Erzielung eines
maximalen
Wirkungsgrades die Dioden D 1 bis D 4 der Dioden-Viererschaltung-an'gepaßte
Kennlinien besitzen, aberin. gewissen Fällen reicht es., daß die.Dioden
D 1 und D 4 einerseits und die Dioden D 2 und
D 3 andererseits angepaßt sind. Weiter weist zwar die zur Steuerung der Dioden-Viererschaltung
beschriebene AnordnÜng einen Emitterfolger und einen emittergeerdeten Transistor
auf. Es können jedoch auch andere Steueranordnungen verwendet werden.
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Neben der Anordnung als Linearverstärker-Leistungsendstufe sind die
oben beschriebenen Schaltungen außerordentlich geeignet für Digital-Steuerstufen,
bei welchen eine Gegentakt-Ausgangsstufe ohne Sättigung erforderlich ist. Die zwei
logischen Ausgangswerte werden durch zwei Werte von i S bei der Anordnung gemäß
Figur 4'bestimmt. Es wird bemerkt, daß die Schaltung genau linear ist und daß keine,
Schwellenwerte überwunden werden müssen, bevor sich die Ausgangsspannung ändern
kann.
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Die beschriebenen Schaltungsanordnungen lösen ein lange gekanntes
Problem beim Bau von B-Endstufen. Es wird erfindungsgemäß ohne wesentliche Komplizierung
oder Verschlechterung einer Funktion eine Wirkung erzielt, welche man bisher nur
unter Verwendung von komplementären Transistoren für erzielbar hielt. Die Erfindung
hat daher besondere Bedeutung für integrierte Schaltungen aus den ge-
-nannten
Gründen, ist jedoch auch wertvoll, wo immer die Vermeidung von komplementären Schaltungen
erwünscht ist. Darüber hinaus wird die Schwierigkeit der Vorspannung einer B-Stufe
ohne Überkreuzungs-Verzerrung oder übermäßigen Dauerstrom oder Ruhestrom überwunden,
ohne daß Schwierigkeiten mit den Toleranzen der Bestandteile auftreten. In dieser
Hinsicht sind die beschriebenen Schaltungen vielen bekannten B-Anordnungen überlegen.