DE1562057B2

DE1562057B2 - Breitbandverstaerkerstufe mit zwei in reihe geschalteten transistoren

Info

Publication number: DE1562057B2
Application number: DE19681562057
Authority: DE
Inventors: Albrecht 3200 Hildesheim H03f 1 30 Altmann
Original assignee: Blaupunkt Werke GmbH, 3200 Hildes heim
Priority date: 1968-01-20
Filing date: 1968-01-20
Publication date: 1971-08-19
Also published as: GB1254503A; DE1562057A1; AT283470B; FR1598861A; CH486804A; NL6900815A

Description

Die Erfindung betrifft eine Breitbandverstärkerstufe mit zwei in Reihe geschalteten Transistoren, insbesondere Videoverstärker für die Farbendstufen eines Farbfernsehempfängers, wobei der eine in Emitterbasisschaltung geschaltete Vortransistor als Stromtreiber im Emitterkreis· des als Endtransistor arbeitenden zweiten Transistors liegt.

Mit einer derartigen Transistorschaltung lassen sich bei kleinerer Betriebsspannung eine größere Verstärkung, eine bessere Linearität und eine größere Bandbreite gegenüber normalen Röhrenschaltungen erzielen. Es ist bekannt, diese Vorteile in Schaltungen für Farbfernsehempfänger, insbesondere für die Farbendstufen, auszunutzen (s. »Valvo Entwicklungsmitteilungen — Informationen über Farbfernsehempfängertechnik« Heft 28). Ein wesentlicher Nachteil dieser Schaltungen, bei denen der Basis des Endtransistors eine feste Vorspannung zugeführt wird, ist die starke Temperaturabhängigkeit bei unterschiedlicher Leistungsabgabe in den einzelnen Stufen. So müßte, um einen gleichen Ausgangsstrom zu erhalten, bei einer Änderung der Kristalltemperatur derartiger Transistoren die Basis-Emitter-Spannung um etwa 2 mV/⁰ C verändert werden. Will man die Vorteile derartiger Breitbandverstärkerstufen voll ausnutzen, wird ein großer Aussteuerbereich der Transistoren erforderlich, wobei bei größter Verlustleistung der Grenzwert der Sperrschichttemperatur, der bei Silizium transistoren annähernd 200° C beträgt, nahezu erreicht wird, während andererseits jedoch in anderen Ansteuerungsbereichen, z. B. bei sehr kleinem oder sehr großem Ausgangsstrom, nur eine kleine Verlustleistung vorliegt und daher nur eine kleine Kristalltemperatur erreicht wird.

Erfolgt bei einem entsprechenden Eingangssignal eine sprunghafte Änderung der Verlustleistung im Vortransistor, so kann sich ein völlig anderer Ausgangsstrom einstellen, der nicht dem Ausgangsstrom entspricht, der sich einstellen würde, wenn die Verlustleistung nur so langsam geändert wird, daß sich auch die entsprechende Kristalltemperatur einstellen kann. Weiterhin kann sich bei einer sprunghaften Änderung der Verlustleistung im Vortransistor ohne Änderung des Eingangssignals nachfolgend eine laufende Änderung des Ausgangsstromes ergeben, bis die Kristalltemperatur ihren entsprechenden Wert erreicht hat.

Eine derartige Abhängigkeit von der Kristalltemperatur des Vortransistors ist vor allem bei Farbendstufen in Farbfernsehempfängern nicht vertretbar, da sich nach einem entsprechenden Sprung der Verlustleistung, z. B. in einer der Farbendstufen oder auch bei einem entgegengesetzten Sprung von zwei der Farbendstufen, falsche Farben ergeben können. Diese Fehler lassen sich ohne größeren Mehraufwand wesentlich verringern, wenn gemäß der Erfindung. der Basis des Endtransistors neben einer Vorspannung über einen Widerstand eine zusätzliche Steuerspannung vom Emitter des Vortransistors zugeführt ist, der über einen Emitterwiderstand auf ein festes Potential, insbesondere Masse, gelegt ist.

Durch die hierbei bewirkte zusätzliche Mitsteuerung an der Basis des Endtransistors bleiben die Vorteile der Stufe im wesentlichen unverändert, während die Verlustleistungskurve, insbesondere des Vortransistors, je nach Ankopplung wesentlich flacher verläuft. Die Ankopplung der Basis des Endtransistors -an den Emitter des Vortransistors ist wesentlich von der Größe des Widerstandes abhängig, über den diese beiden Elektroden verbunden sind. Hierbei sollte jedoch darauf geachtet werden, daß die Basisvorspannung des Endtransistors bei dem maximal erforderlichen Ausgangsstrom noch einen solchen Wert aufweist, der eine Kollektorspannung am Vortransistor bewirkt, die noch eine annähernd lineare Verstärkung des Vortransistors ermöglicht. Eine sehr feste Kopplung zwischen Emitter des Vortransistors

ίο und Basis des Endtransistors läßt sich erzielen, wenn die Verbindung dieser Elektroden über eine oder mehrere Diodenstrecken, insbesondere über eine Zenerdiode erfolgt, deren konstanter Spannungsabfall eine ausreichende Restspannung am Kollektor des Vortransistors auch bei großem Ausgangsstrom sicherstellt.

Ist das ungünstige Temperaturverhalten besonders bei mittleren und größeren Ausgangsströmen störend, wie z. B. bei deren Verwendung in',.Färbfernsehempfängern als Farbendstufen, kann es vorteilhaft sein, die Kopplung zwischen Emitter des Vortransistors und der Basis des Endtransistors nicht zu fest zu wählen, wobei eine Änderung der Verlustleistung im Bereich der mittleren und großen Ausgangsströme nur sehr gering bleibt.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert.

F i g. 1 zeigt das bekannte Schaltungsprinzip eines Breitbandverstärkers,

F i g. 2 das erfindungsgemäße Schaltungsprinzip mit npn-Transistoren,

F i g. 3 das Schaltungsprinzip gemäß F i g. 2 mit pnp-Transistoren,

F i g. 4 Verlustleistungskurven für die in F i g. 1 bis 3 dargestellten Schaltungen und

F i g. 5 einen Schaltungsauszug aus einem Farbfernsehempfänger mit drei erfindungsgemäßen Breitbandverstärkern als RGB-Farbendstufen.
Bei der in F i g. 1 dargestellten Breitbandverstärkerstufe wird der Basis eines Vortransistors 1 das Eingangssignal zugeführt. Dieser Vortransistor liegt in der Emitterleitung eines Endtransistors 2, wobei der Kollektor des Vortransistors 1 am Emitter des Endtransistors 2 angeschlossen ist und der Emitter des Vortransistors 1 über einen Emitterwiderstand 3 an einem mit dem Minuspol der Betriebsspannungsquelle verbundenen Massepunkt 5 liegt. Am Kollektor des Endtransistors 2 wird die an einem Arbeitswiderstand 4 anfallende Ausgangsspannung abgegriffen. Die Basis des Endtransistors liegt an einer festen Betriebsspannung 6, die, abgesehen von dem geringen Spannungsunterschied zwischen Basis und Emitter zur Steuerung des Endtransistors, sich auch als annähernd konstante Betriebsspannung am Kollektor des Vortransistors einstellt. Durch den sich über den Aussteuerbereich stark ändernden Innenwiderstand des Vortransistors 1 ergibt sich eine in F i g. 4 gestrichelt dargestellte Kurve 7 für die Verlustleistung des Vortransistors, die für die Kristalltemperätur in diesem Transistor ausschlaggebend ist. Fließt durch die Stufe über längere Zeit ein mittlerer Ausgangsstrom von 20 mA, stellt sich im Transistor die der maximalen Verlustleistung von nahezu 70 mW entsprechende Kristalltemperatur ein. Erfolgt danach ein Sprung um etwa 15 mA nach größeren oder kleineren Kollektorströmen, so ändert sich zwar genauso sprunghaft die Verlustleistung um etwa 40 mW, jedoch vergeht eine erhebliche Zeit, bis sich

3 4

auch die Kristalltemperatur auf diese Verlustleistung Hieraus ergibt sich mit der Betriebsvorspannung 6-eingestellt hat. Während dieser Zeit ändert sich bei für die Basis des Transistors 2: konstanter Basis-Emitter-Spannung laufend der Kollektorstrom, was sich vor allem bei Breitbandver- jj _ _U() _ /^yg _ jj ^R%

b ?„

stärkern, die einen Gleichspannungswert übertragen, 5 z» _yo. _R g ₊ _R g

sehr nachteilig auswirken kann. . . _: ■ ~-

In F i g. 2 ist nun gemäß der Erfindung der Basis _{Setzt man für} ₌ _K _{so ergibt sich}

des Transistors 2 neben der Vorspannung aus der Rs + R9 .-,

Betriebsspannungsquelle 6, die über einen Widerstand 8 zugeführt ist, eine zusätzliche Steuerspannung ^I0 U_:o = U6 · (1 — K) + Uy₀ -K. (4) vom Emitter des Vortransistors 1 über einen weiteren Aus

Widerstand 9 zugeführt. Hierdurch ergibt sich im _τ / U₆ — U. \

Vortransistor 1 ein anderer Verlauf der Verlust- U_yo = ll_c + ^b ^ J " ^t'i

leistung, die sich in folgender Weise bestimmen läßt:

M=U-I (1) ^{I5 erri}ält man nach einigen Umwandlungen mit der

^v Ck₁ c · Summe der einwirkenden Emitterwiderstände für den

Hierbei ist U_a._: die Kollektor-Emitter-Spannung Transistor 1 des Transistors 1 und /_c der Kollektorstrom der
Transistoren 1 und 2. ■ _y _ R3 (RS + R9)

Bezeichnet man den Verbindungspunkt des Kollek- ²⁰ ^ ^£'i ~" R3 + R8 + R9

tors des Vortransistors mit dem Emitter des Endtransistors 2 als x, den Anschlußpunkt des Emitters die Gleichung des Vortransistors 1 mit y, den Basisanschlußpunkt

des Endtransistors 2 mit ζ und den Massepunkt tj ₌ to . fj ■ ^6

mit o, so ergibt sich: 25 ■ ^yo ^/;i V RS, + R9"

, Ce₁ — Uxy = Uxo — Uy₀ (2) y\_us d_en Gleichungen (5) und (4) ergibt sich

\J i-„ ~— LJ — Lj01· ■ (11 ~ 0 *-I

XO ZO ^v **2

Setzt man die Gleichungen (6) und (3) in (2) ein, ergibt dies mit (5) in (2):

Uc₁ = U6 ■ (1-K) - £R,._:i (l_c+ ■ (1-K) - U_B,₂ (6)

Uch, =

und schließlich

Die etwas unübersichtliche Gleichung kann durch 45 Mit (10) wird aus (8 a): usammenfa
werden. Mit

Zusammenfassen der konstanten Glieder vereinfacht _{xr r2} ^d η rs\

^imx ■ ^c ^l

über den Aussteuerungsbereich kann U_B^ prak- Tjf- /1 ^Rei \ _ΙΛ r\ Tr _ Tr (q\ tisch als konstant angenommen werden. Damit ist

V Ri +W ~ ^El ~ 50 nach (9) auch U₀ konstant,

wird aus (7) Es gilt nach (7 a):

■ UcE₁ -U₀-Ic- ZR_E (I-K). (7a) . '

• Ermittlung von ΔN_vmin:

Es ist leicht zu erkennen, daß U_CE{ ein Minimum 55 . _N _ _w — N ' ' ' (λ"\\

wird für den maximal vorkommenden Strom/_c. " ~ "»·»<·* ~ ^rtw»»· ^(Li>

Daher muß U_a._:i so gewählt werden, daß der Tran- Nach (11) ist:

sistor 1 noch eine ausreichende Restspannung bei _w _ _{j2 yR n} _ ^

maximalem /_c erhält, also U_CI.., „„„ > U_n._Λres, ist. . ^iY»"»* ~ ^lc ' -^Λ«ι ' ^u ^'

Mit (9) wird aus (8): 60 und nach (8a): N_v = I_c ■ U₀ - I²C-ER_11x- (1-K). (8a) N_vmin = I_Cmin ■ U₀ - (I_Cmi„f ■ ZT?,- (1-.K). (14)

Das Maximum der Verlustleistung tritt auf für Mit U₀ nach (12) wird aus (14):

— — U — U₀- Ll_c ^t^E, \^l .. ¹^)

min ' ^R_t._:i- (1—K) — (Ic„,„χ ~ ICmin) ■

U₀ =■ 2I'c ■ ZR_L[(1 -K). (10) Durch Gleichsetzen von (10) und (12) erhält man

_ΣΚ -(I-

_Ί ^7 Mit (16) in (11) und (15) ergibt sich für (13):

^R9

R3

J76^ _
~ U'_yo

"^νι· - ^Climin -^ ί ·

^- ¹C ¹CmOx

Setzt man für

r T? · T

¹C — ^{r 1}CmOXi

so gilt:

UCi: min (F ' IC max ~ IC min)

I /V —

^Mit

Je·,»

y =

2F-I

2f _ ι

(1 I)

(18)

/ig\ ergibt sich

i? 8 = -jj— K ■ ER₁^ ^u

^R3 =

1 -

(26)
(27)
(28)

(F ' Ic max — ^c min)

ergiDt sicn iur

β? _ ο = [F² · (/_c _max)²
df

— 2F ■ lcmax ' Ic min + (Icminfl " 2

- (2F- 1) · [2F -(Icmax) -ZIcmax ' Icmini-

Die Auflösung ergibt ·■

c-2 c ICmin ( I C min λ\ ι^γλ

F-F= -η ( -η II. (2X))

I_Cmax \Icmax J

Mit dem so ermittelten Wert von F erhält man aus (16):

Soll eine Schaltung gemäß F i g. 2 als Videoverstärker dienen, kann diese z. B. in folgender Weise dimensioniert werden: Der Endtransistor soll einen Ausgangsstrom liefern, der von 5 mA (Schwarzwert) bis 31 mA (Weißwert) reicht. Die Eingangsspannung an der Basis des Transistors 1 beträgt 4,1 V „. Der Absolutpegel für den Weißwert liegt bei +20V und darf geringfügig variiert werden.

Die Verstärkung der Endstufe ist 23fach. Die Betriebsspannung U₁, ist so gewählt, daß beim Maximalstrom der Transistor 2 mit Sicherheit nicht übersteuert ist. Gewählt wird weiterhin die Spannung U_xymi„ = 0,8 V bei der der Transistor 1 noch ausreichend linear arbeitet.
_{Nach (20) ist}

5/5 N

_ ρ _ _jL I 1) = — 0 135

31 V 31 /

F = 05 + 1/0 145 = 084

ΓΡ . Π — R"> — CEmin . -1

-^Λ/·ι U ^-Ιορι — r 2F — 1 '

nil

Da X g 1, ist aus (20) und (21) zu erkennen, daß

0,5 _ r —

sein muß.

Zur Ermittlung der Widerstände3,8 und 9 können folgende Gleichungen dienen:

IW = t/_em«x - t/et-r (22)

wobei t/_emax das Potential der Eingangsspannung für den Maximalstrom ist.

und nach (21):
■ΣΚ_Κι (1 - A).,« -

Ö68

_ ίο

Wird der Innenwiderstand für den Transistor
vernachlässigt

U
^c

= Eingangsspannung)

2.Ό A.

Mit

t/6 = £/,_ + U_x,

U -U

V_zy - <J_Xy„nn

(23)

wird aus (23)

1/6 = U_yomax + (U_xymin+U_zx) ■

und für I_c = 0 gilt:

U;_o = U_yomax - I_Cmax ■ XR₁,

_{Kopt =} o,76.

^Nach (¹⁹) ^ist

0,8 · (0,84-31-5)² · 10"⁶
Jl ■ IU ' U,öö

_ Ig^ mW.

(23a)

(25) Das Maximum der Verlustleistung ergibt sich ^nach (^H)

N_vnwx = 0,84² · 31² · ΙΟ"⁶ -38W = 25,7 mW.
Nach (22) ist

U_yomax = 20 V - 0,7 V = 19,3 V

und nach (23 a)

t/6 = 19,3 V.+ (0,8 V + 0,7V)--Ö24- = 25,6V

Nach (25) ist

U;_o = 19,3 V - 31 · 10"³A ■ 158 Ω = 14,4 V.
Nach (26) ist

RS = -0,76-38 Ω = 214 Ω.

='68Ω

Nach (27) ist

^{R9 =}

und nach (28) ist

1 -

■14,4 V
25,6 V

Bei einer Verwendung der gleichen Transistoren wie in F i g. 1 ergibt sich hierbei eine Verlustleistungskurve 10 gemäß F i g. 4. Wie leicht zu erkennen ist, ändert sich über den gesamten Aussteuerungsbereich von 5 bis 31 mA die Verlustleistung nur noch geringfügig, so daß keine großen Änderungen in der Kristalltemperatur zu erwarten sind.

Will man einen linearen Verlauf der Verlustleistungskurve gemäß Kurve 11, so müßte der Faktor K — RS/ (RS + jR9) zu 1 gemacht werden. Dies kann erreicht werden, wenn z. B. an Stelle des Widerstandes 9 eine Zenerdiode 12 gemäß F i g. 3 eingeschaltet wird. F i g. 3 zeigt weiterhin den Aufbau mit pnp-Transistoren, bei dem im wesentlichen nur die Polung der Betriebsspannung vertauscht werden muß.

Besonders kritisch werden die Schwankungen der Kristalltemperatur bei der Verwendung derartiger Stufen als Farbendstufen in Farbfernsehgeräten. Hier werden zwei oder drei gleichartige Stufen nebeneinander betrieben, und bei unterschiedlichen Farbsprüngen muß dafür gesorgt werden, daß sich die Ausgangsströme der Stufen um nicht mehr als 1% ändern, da sonst nach einem Sprung sehr störende Farbänderungen auftreten können und hierbei häufig sprunghafte Stromänderungen vorkommen, bei denen z. B. die eine Stufe auf eine höhere Verlustleistung umspringt, während gleichzeitig die andere Stufe in den Bereich mit einer geringeren Verlustleistung gesteuert wird.

In F i g. 5 ist eine derartige Schaltung mit Dimensionierungsbeispielen dargestellt, wobei die Farbendstufen für das Rotsignal R, das Grünsignal G und das Blausignal B in gleicher Weise wie in F i g. 2 dargestellt geschaltet und alle gleich dimensioniert sind. Diese Stufen (51, 52) erhalten ein Eingangssignal U_e entsprechend dem Dimensionierungsbeispiel von 4,1 V _ss aus jeweils einem Matrix transistor 60, 61 und 62, wobei der Basis des Transistors 60 ein Farbdifferenzsignal von 0,48 U-(K-Y) der Basis des Transistors 61 ein Farbdifferenzsignal von 0,806 U -(B- Y) und als Grund vorspannung allen Matrixtransistoren eine Basisvorspannung von + 12,8V zugeführt ist. Während den Emittern der Transistoren 60 und 62 ein derart großes Y-Signal zugeführt ist, daß am Ausgang dieser Transistoren

ein R- bzw. ein B-Signal entsteht, ist dem Emitter des Transistors 61 aus einer nicht dargestellten Widerstandsmatrix, in bekannter Weise durch eine Addition der Signale (R-Y), (B-Y) und Y ein Eingangssignal zugeführt, das entsprechend der Modulationsnorm ein Grünsignal G ergibt. Diese an den Arbeitswiderständen 63 abfallenden Signale sind als Eingangssignale U_e den Basiselektroden der Vorstufentransistoren 51 zugeführt. Die Ausgangssignale R,

ίο G und B sind an den Kollektoren der Farbendtransistoren 52 abgegriffen und über einen Ausgangsfilter 64 an die jeweiligen Steuerelektroden einer Dreistrahl-Farbbildröhre geführt.
Will man berücksichtigen, daß vor allem Sprünge im Bereich größerer Ströme störende Farbfehler hervorrufen, oder wird ein Ansteuerbereich mit größerem Anfangsstrom gewählt, kann es vorteilhaft sein, einen Wert K mit 0,6 bis 0,7 zu wählen, der dann etwa eine Verlustleistungskurve 14 gemäß F i g. 4 ergibt. Diese Verlustleistungskurve weist im Bereich zwischen 12,5 und 31 mA I_c nur Verlustleistungsunterschiede von wenigen mW auf.

Um die Unterschiede in den Kristalltemperaturen der drei Vortransistoren weiter zu verringern, empfiehlt es sich, diese Transistoren in einem Kühlkörper unterzubringen bzw. mit einer gemeinsamen Kühlschelle zu versehen. Sehr gut hat sich auch die Zusammenfassung aller sechs Transistoren der drei Breitbandstufen in einem Kühlblock bewährt. Hierdurch werden vor allem auch Temperatureinflüsse, die von außen auf die Transistoren unterschiedlich einwirken könnten, vermieden, wobei gleiche Temperaturänderungen bei allen Vortransistoren Kennlinienveränderungen mit gleichen Auswirkungen zur Folge haben, die zusammenwirkend keine störenden Farbverschiebungen bewirken können.

Claims

Patentansprüche:

1. Breitbandverstärkerstufe mit zwei in Reihe geschalteten Transistoren, insbesondere Videoverstärker für die Farbendstufen eines Farbfernsehempfängers, wobei der eine in Emitterbasisschaltung geschaltete Vortransistor als Stromtreiber im Emitterkreis des als Endtransistor arbeitenden zweiten Transistors liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis des Endtransistprs (2, 52) neben einer Vorspannung über einen Widerstand (9, 59) eine zusätzliche Steuerspannung vom Emitter des Vortransistors (1, 51) zugeführt ist, der über einen Emitterwiderstand (3, 53) auf ein festes Potential, insbesondere Masse (5) gelegt ist.

2. Breitbandverstärkerstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Endtransistors (2, 52) am Abgriff eines Spannungsteilers (8, 9 bzw. 58, 59) angeschlossen ist, der mit seinem einen Ende (y) am Emitter des Vortransistors (1, 51) und seinem anderen Ende an einer festen positiven Spannungsquelle (6,56) liegt.

3. Breitbandverstärkerstufe nach Anspruch 2.

dadurch gekennzeichnet, daß das Größen verhältnis der beiden Widerstände des Spannungsteilers derart gewählt ist, daß

RS

RS + R9

= 0,4 bis 1 beträgt,

insbesondere zwischen 0,6 und 1 liegt, wobei RS

109 534/289

der Widerstand zur positiven Spannungsquelle (6, 56) ist und R9 dem Widerstand zum Emitter des Vortransistors (1, 51) entspricht.

4. Breitbandverstärkerstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (9, 59) zum Emitter des Vortransistors (1, 51) im wesentlichen aus einer Diode, insbesondere einer Zenerdiode (12) besteht.

5. Breitbandverstärkerstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Basis des Endtransistors (2,52) und der Widerstand (9,59) von dieser Basis zum Emitter des Vortransistors (1,51) derart gewählt ist, daß bei maximalem Strom (I_c) durch die Transistoren für die Kollektor-Emitter-Spannung des Vortransistors (1, 51) noch eine genügend große Restspannung (U_xv) verbleibt, die eine lineare Verstärkung ermöglicht.

6. Breitbandverstärkerstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder drei derartige, in gleicher Weise geschaltete, insbesondere mit Siliziumtransistoren (51, 52) bestückte Breitbandverstärker nebeneinander betrieben werden.

7. Breitbandverstärkerstufe nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung als Farbendstufe eines Farbfernsehempfängers.

8. Breitbandverstärkerstufe nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder drei Vortransistoren (51) der Farbendstufen auf einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet sind und in gutem Wärmekontakt zueinander stehen.

9. Breitbandverstärkerstufe nach den Ansprüchen 6 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder drei Breitbandverstärkerstufen (51, 52) zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind und der Aufbau, insbesondere die Kühlkörper für die Transistorkühlung, derart gewählt ist, daß die Vortransistoren (51) und die Endtransistoren (52) jeweils weitgehend den gleichen äußeren Temperatureinflüssen ausgesetzt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen