DE19634052A1 - Verfahren zur Steuerung einer Gegentakt-Endstufe - Google Patents
Verfahren zur Steuerung einer Gegentakt-EndstufeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Gegentakt-Endstu
fe mit zwei Endstufentransistoren, denen jeweils ein Sensortransistor in
thermischer Kopplung zugeordnet ist und eine Schaltungsanordnung zur
Durchführung dieses Verfahrens.
Aus der EP 0 586 251, insbesondere Fig. 1 ist ein Gegentakt-Leistungsver
stärker aus zwei seriengeschalteten Leistungstransistoren bekannt, denen
jeweils in thermischer Kopplung ein Sensortransistor zugeordnet ist.
Der in Fig. 1 dargestellte Verstärker besteht aus einer Eingangssektion, einem
Bufferverstärker (der dort in einen ersten und zweiten Buffer aufgeteilt ist)
sowie einer Gegentakt-Ausgangsschaltung aus zwei in Reihe geschalteten
Leistungstransistoren gleichen Leitfähigkeitstyps. Der Ausgang a der Ein
gangssektion ist mit der Basis des ersten Leistungstransistors Q2a verbun
den, dessen Kollektor mit der Versorgungsspannung und dessen Emitter mit
dem Verstärkerausgang verbunden ist. Der Kollektor des zweiten Leistungs
transistors ist mit dem Verstärkerausgang und dessen Emitter ist mit dem
anderen Pol der Versorgungsspannung verbunden. Zur Steuerung des zwei
ten Leistungstransistors ist folgende Treiberschaltung angegeben: Den Lei
stungstransistoren sind an Basis und Emitter kleinere Sensortransistoren
Q2b, Q9 parallel geschaltet, die einen Strom proportional zum Strom in den
Endtransistoren führen. Der Strom jedes Sensortransistors fließt über je eine
Transistordiode zum positiven Pol der Versorgungsspannung. Die Eingänge
einer einfachen Differenzstufe sind an die Transistordioden angeschlossen.
Am Verbindungspunkt b der Emitter der einfachen Differenzstufe ist der er
ste Eingang des Bufferverstärkers angeschlossen, während der zweite Ein
gang mit einer Referenzspannung verbunden ist. Der Ausgang des Buffer
verstärkers speist die Basis des zweiten Leistungstransistors.
Die Funktion dieser Schaltung besteht darin, daß der Verstärker der Ein
gangssektion den ersten Leistungstransistor als Emitterfolger direkt steuert,
während der zweite Leistungstransistor über die beschriebene Treiberschal
tung sekundär gesteuert wird. Durch die Treiberschaltung wird der Ruhe
strom der Leistungstransistoren kontrolliert und die Stromübernahme von
einem auf den anderen Leistungstransistor bei einem Polaritätswechsel des
Signals gewährleistet.
Nachteilig an diesem Konzept ist die ungleiche Steuerung der Leistungs
transistoren. Durch die sekundär abgeleitete Ansteuerung des zweiten Lei
stungstransistors aus der Ansteuerung des ersteren wird dessen Steuerung
frequenzabhängig und erhält zusätzliche Verzerrungen. Nachteilig ist weiter
der erhebliche Aufwand, der für die Eingangssektion und den Bufferver
stärker notwendig ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren
zur Steuerung einer Gegentakt-Endstufe mit zwei Endstufentransistoren an
zugeben, das eine symmetrische Ansteuerung der Endstufentransistoren er
laubt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur
Durchführung des Verfahrens anzugeben, die nur einen minimalen Aufwand
erfordert.
Die erstgenannte Aufgabe wird mit den Merkmalen gemäß des Anspruches 1
gelöst. Hiernach werden aus den von den Sensortransistoren gelieferten
Sensorströmen Is1, Is2 entsprechend der Relation I3 = I4 = K/(1/Is1 + 1/Is2)
zwei untereinander gleiche Steuerströme I3, I4 gebildet, die den Steuersignalen
der Endstufentransistoren zugeführt werden. Die Eigenart dieser
Relation besteht darin, daß der Beitrag eines Sensorstromes desto geringer
wird, je größer dieser Sensorstrom ist. Die Steuerströme I3, I4 folgen deshalb
maßgebend dem kleineren der beiden Sensorströme.
Auf diese Weise wird wie in der bekannten Verstärkerschaltung erreicht, daß
der Strom im nicht beanspruchten Endstufentransistoren auf einem frei
wählbaren, niedrigen wert verharrt, während der leistungsmäßig bean
spruchte Endstufentransistor beliebig aussteuerbar ist. Somit wird der
Ruhestrom der Endstufentransistoren sowie im Aussteuerungsfall auch der
Strom im nicht oder weniger belasteten Endstufentransistor stabilisiert.
Dabei bleibt die Steuerung der
Endstufentransistoren im wesentlichen symmetrisch, so daß die dem Stand
der Technik anhaftenden Nachteile vermieden werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah
rens wird das Eingangssignal einer Differenzstufe zugeführt. Die beiden
Ausgangsströme der Differenzstufe bestehen aus einem Ruhewert und den
zueinander gegenphasigen, verstärkten Signalwerten. Von diesen Ausgangs
strömen werden die aus den Sensorströmen gebildeten Steuerströme I3, I4
subtrahiert. Die beiden Differenzen bilden die Eingangssignale je eines
Endstufentransistors. Durch die Subtraktion der Steuerströme schließt sich
ein Regelkreis, der den Strom im weniger belasteten Endstufentransistor
auf einen vorzugsweise kleinen Wert stabilisiert, ohne die Aufsteuerung des
höher belasteten Endstufentransistors zu beeinträchtigen. Im
aussteuerungslosen Fall wirkt der Stabilisierungseffekt auf beide
Endstufentransistoren gleichermaßen.
Die Lösung der zweitgenannten Aufgabe ergibt sich mit den Merkmalen des
Patentanspruches 3. Hiernach werden die Sensorströme einer Stromsteuer
schaltung zugeführt, deren Ausgang zwei Stromquellentransistoren ansteu
ert.
In einer Weiterbildung dieser Schaltungsanordnung werden diese Strom
quellentransistoren jeweils mit einem Ausgang des Differenzverstärkers ver
bunden. Dabei werden diese Ausgänge jeweils über einen Stromverstärker
mit den Basisanschlüssen der Endstufentransistoren verbunden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Schaltungsanordnung ergeben
sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen.
Im folgenden soll die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an
hand von Schaltungsanordnungen als Ausführungsbeispiele im Zusammen
hang mit den Zeichnungen erläutert und dargestellt werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur prinzipiellen Darstellung des er
findungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 Strom-Spannungs-Diagramm zur Erläuterung der Funktions
weise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine detaillierte Schaltungsanordnung des Ausführungsbei
spieles nach Fig. 1 mit einer npn-Eingangs-Differenzstufe,
Fig. 4 eine weitere detaillierte Schaltungsanordnung des Ausfüh
rungsbeispieles nach Fig. 1 mit einer pnp-Eingangs-Diffe
renzstufe,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit komplementärer Gegen
takt-Endstufe für kleine Versorgungsspannungen,
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit komplementärer End
stufe für sehr kleine Versorgungsspannungen,
Fig. 7 eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 mit einer Kontroll
schaltung zur Verhinderung tiefer Sättigung eines Endstufen
transistors
Fig. 8 eine detaillierte Schaltungsanordnung nach Fig. 7 und
Fig. 9 Schaltungsanordnungen zur Einstellung der Sättigungstiefe.
Die Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer Schaltungsanordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie besteht aus den
Funktionseinheiten Differenzstufe DS, Treiberstufe DRV, Stromsteuerschal
tung CC und Leistungs-Endstufe PS. Die Differenzstufe DS ist mit zwei npn-
Transistoren T1 und T2 aufgebaut, deren beiden Basisanschlüssen IN1 und
IN2 das Eingangssignal und den verbundenen Emitteranschlüssen der Strom
einer Stromquelle Is zugeführt wird. Die Ausgänge dieser Differenzstufe DS
bilden die Kollektoren der beiden Transistoren T1 und T2, die einen Strom I1
und I2 liefern. Die Differenzstufe DS hat die Aufgabe, ein Eingangssignal zu
verstärken und die Arbeitspunktsteuerung zu vermitteln. Das Eingangssignal
kann aus der Differenz zwischen einer primären Eingangsspannung und der
Ausgangsspannung oder einem Teil der Ausgangsspannung bestehen. Die
Stromsteuerschaltung CC umfaßt eine Stromauswerteeinheit MA sowie zwei
von deren Ausgang mittels eines Stromes Ic gesteuerten pnp-Transistoren
T3 und T4, die als Stromquellentransistoren dienen und jeweils einen Steuer
strom I3 bzw. I4 für die Arbeitspunktregelung der Endstufe PS liefern. Die
Kollektoranschlüsse dieser Stromquellentransistoren T3 und T4 sind jeweils
mit den Ausgängen der Differenzstufe DS verbunden. Die Leistungs-Endstufe
PS ist mit zwei npn-Endstufentransistoren Tp1 und Tp2 aufgebaut, indem
der Emitter des Endstufentransistors Tp1 mit dem Kollektor des
Endstufentransistors Tp2 verbunden ist und diese Verbindung gleichzeitig
den Ausgang OUT bildet. Ferner ist jedem Endstufentransistor Tp1 und Tp2
jeweils ein npn-Sensortransistor Ts1 bzw. Ts2 in thermischer Kopplung zuge
ordnet, wobei die Basis- bzw. Emitteranschlüsse jeweils miteinander ver
bunden sind. Die Sensorströme Is1 und Is2 der Sensortransistoren Ts1 und
Ts2 werden der Stromauswerteeinheit MA zugeführt. Die Treiberstufe DRV
verbindet jeweils die Basisanschlüsse des Endstufentransistors Tp1 und des
zugehörigen Sensortransistors Ts1 bzw. des Endstufentransistors Tp2 und
des zugehörigen Sensortransistors Ts2 über einen Stromverstärker CA1 bzw.
CA2 mit den Ausgängen der Differenzstufe DS. Die Treiberstufe DRV hat die
Aufgabe, das von der Differenzstufe DS gelieferte Signal zur Steuerung der
Endstufentransistoren Tp1 und Tp2 aufzubereiten. Die Leistungsstufe PS hat
die Aufgabe, die gewünschte elektrische Leistung an der Ausgangsklemme
OUT bereitzustellen und die Sensorströme Is1, Is2 entsprechend dem Strom
durch die Leistungstransistoren zu liefern. Die Stromsteuerschaltung CC hat
schließlich die Aufgabe, aus den Strömen Is1, Is2 Ausgangsströme I3, I4 zur
Arbeitspunktsteuerung zu bilden.
Die an die Eingangsklemmen IN1, IN2 angelegte Eingangsspannung steuert
die Transistoren T1, T2 der Differenzstufe DS, die von einer Konstantstrom
quelle Is versorgt werden. Die Kollektorströme I1, I2 dieser Transistoren flie
ßen in die Eingänge der Stromverstärker CA1, CA2 der Treiberstufe DRV. Da
von werden die Ausgangsströme I3, I4 der Stromsteuerschaltung CC gemäß
Id1 = I1-I3, Id2 = I2-I4 subtrahiert. Die Stromverstärker CA1, CA2 verstärken
die Eingangsströme Id1, Id2 auf die Werte Ip1, Ip2, die zur Ansteuerung der
Endstufentransistoren Tp1, Tp2 benötigt werden. Soweit die thermische
Kopplung zwischen einem Endstufentransistor Tp1 bzw. Tp2 und dem zuge
hörigen Sensortransistor Ts1 bzw. Ts2 Temperaturunterschiede genügend
klein hält, ist der Strom in einem der Sensortransistoren proportional zum
Strom im zugeordneten Endstufentransistor. Aus den Sensorströmen Is1, Is2
wird in der Stromauswerteeinheit MA ein Ausgangsstrom Ic gebildet, der
hauptsächlich vom kleineren der beiden Sensorströme gemäß der Formel
Ic = K/(1/Is1 + 1/Is2) bestimmt wird, wobei K eine Konstante ist. Bei einer sol
chen Abhängigkeit wird der größere der beiden Ströme desto weniger Ein
fluß haben, je größer er im Verhältnis zum kleineren ist. Ist z. B. Is2 sehr groß
im Verhältnis zu Is1, so kann das Glied mit 1/Is2 gegenüber 1/Is1 vernachläs
sigt werden und es wird Ic = K*Is1. Über die Transistorstromquellen T3, T4
der Stromsteuerschaltung CC wird der Strom Ic in die Ströme I3 und I4 um
gesetzt. Wegen Id1 = I1-I3 und Id2 = I2-I4 subtrahieren sich diese Ströme
von den Eingangströmen Id1, Id2 der Stromverstärker CA1 und CA2, was wei
ter eine entsprechende Verminderung der Eingangsströme Ip1, Ip2 der Lei
stungsstufe PS zur Folge hat. Ist also der kleinere der beiden Sensorströme
Is1 oder Is2 zu groß, so wird über die Stromauswerteeinheit MA und die
Transistorstromquellen T3, T4 ein größerer Strom I3 = I4 vom Eingang der
Stromverstärker CA1, CA2 subtrahiert, was der Ursache entgegenwirkt. Die
Anordnung stabilisiert demzufolge den Strom Is1 bzw. Is2 durch den Sen
sortransistor Ts1 bzw. Ts2 mit dem jeweils kleineren Strom Is1 bzw. Is2. So
mit wird im nicht benötigten Zweig der Ausgangsschaltung ein gewisser Ru
hestrom aufrecht erhalten, ohne den Strom im aufgesteuerten Zweig zu be
einträchtigen.
Eine Beschränkung für den maximalen, in einem der Leistungstransistoren
Tp1, Tp2 fließenden Strom gibt es nur durch die verfügbaren Stromverstär
kungen des Systems, wenn keine besonderen schaltungstechnischen Maß
nahmen ergriffen werden. Der Eingangsstrom eines der Stromverstärker
CA1, CA2 kann maximal den Wert der Stromquelle Is erreichen, der maximal
mögliche Ausgangsstrom Iout am Ausgang OUT ergibt sich, indem Is mit den
Stromverstärkungen des Stromverstärkers CA1 bzw. CA2 und des Endstufen
transistors Tp1 bzw. Tp2 multipliziert wird. Fig. 2 zeigt in einer qualitativen
Darstellung den Verlauf der Ströme in Abhängigkeit von einer an die Ein
gangsanschlüsse IN1, IN2 angelegten Eingangsspannung Vin.
Fig. 3 zeigt ein ausführlicher dargestelltes Schaltungsbeispiel mit npn-Transi
storen in der Eingangsstufe DS, die der Differenzstufe nach Fig. 1 ent
spricht. In möglichst enger thermischer Kopplung zu den Endstufentransi
storen Tp1, Tp2 sind die Sensortransistoren Ts1, Ts2 angeordnet. Um unnö
tig große Ströme in den Sensortransistoren Ts1 und Ts2 zu vermeiden, sind
noch Emitter-Widerstände R7, R8 eingefügt. Soweit der Spannungsabfall
über die Emitter-Widerstände R7, R8 vernachlässigt werden kann, ist der
Strom in einem der Sensortransistoren proportional zum Strom im zuge
ordneten Endstufentransistor Tp1 oder Tp2. Der Proportionalitätsfaktor
wird üblicherweise klein gegenüber 1 gewählt, z. B. 0.04. Sind diese Emitter
widerstände vorhanden, ist die Proportionalität auf kleinere Ströme be
schränkt. Zusätzliche Widerstände R9, R10, die zwischen der Basis des Sen
sortransistors Ts1 bzw. Ts2 und dessen Emitter geschaltet ist, dienen der Ab
führung der im Basisraum der Leistungstransistoren Tp1, Tp2 gespeicherten
Ladung beim Abbau einer Aufsteuerung.
Die Stromsteuerschaltung CC sorgt dafür, daß der kleinere der beiden Strö
me der Endstufentransistoren Tp1, Tp2 konstant gehalten wird, wodurch im
Falle fehlender Aussteuerung auch der Ruhestrom definiert ist. Gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 fließt der Kollektorstrom Is1 bzw. Is2 des
Sensortransistors Ts1 bzw. Ts2 durch eine Transistor-Diode T18 bzw. T19. Eine
die Stromauswerteeinheit enthaltende Differenzstufe mit npn-Transistoren
T15, T16 greift das Potential an den Verbindungspunkten A, B der Kollektor
anschlüsse der Sensortransistor Ts1, Ts2 mit den Emitteranschlüssen der
Transistordioden T18, T19 ab. Weil der kleinere Strom durch die Transistor
diode T18 oder T19 das höhere Potential ergibt, wird das Potential am Punkt
C der verbundenen Emitteranschlüsse der Differenzstufentransistoren T15,
T16 vom kleineren der beiden Ströme bestimmt. Ein npn-Transistor T14 ist
mit seiner Basis an einer durch eine Transistordiode T13 und eine Strom
quelle I3 erzeugten Hilfspannung und mit dem Emitter am Knoten C ange
schlossen. Der Strom im Transistor T14 nimmt mit steigendem Potential am
Knoten C ab und folgt damit dem kleineren der beiden Sensorströme. Der
Kollektor dieses Transistors T14 ist über eine Transistordiode T17 an die Ver
sorgungsspannung VS gelegt, wobei der Basisstrom der beiden Stromquel
lentransistoren T3 und T4 den Ausgangsstrom Ic der Stromauswerteeinheit
MA bildet. Die Transistoren T17, T3 und T4 bilden einen Stromspiegel mit
zwei die Steuerströme I3 und I4 liefernden Ausgängen. Die Subtraktion
dieser Steuerströme I3 und I4 vom Ausgangsstrom der Differenzstufe DS
liefert die Eingangsströme Id1 und 1d2 für die Stromverstärker CA1, CA2,
deren Eingänge von den Basen von pnp-Transistoren T5 und T6 gebildet
werden.
Die Stromverstärker CA1 und CA2 sind mit einem npn-Treibertransistor T12,
einer npn-Transistordiode T11, einem aus pnp-Transistoren T7 und T8 aufge
bauten Stromspiegel und dem schon genannten Eingangstransistor T5 bzw.
mit einem pnp-Treibertransistor T10 einer pnp-Transistordiode T9 und dem
schon genannten Eingangstransistor T6 aufgebaut.
Der Emitter des Treibertransistors T12 ist sowohl mit dem Emitter der Tran
sistordiode T11 als auch mit der Basis des Endstufentransistors Tp1 verbun
den, während dessen Kollektor auf dem Potential der Versorgungsspannung
VS liegt. Der Kollektor der Transistordiode T11 ist auf den Eingang des Strom
spiegels T7/T8 geführt, dessen Ausgang mit dem Emitter des Eingangstran
sistors TS verbunden ist.
Der Treibertransistor T10 des Stromverstärkers CA2 steuert über seinen Kol
lektoranschluß die Basis des Endstufentransistors Tp2, wobei dessen Emitter
mit der Versorgungsspannung VS verbunden ist. An die Basis dieses Treiber
transistors T10 ist sowohl der Emitter des Eingangstransistors T6 angeschlos
sen und ist gleichzeitig über die Transistordiode T9 mit der Versorgungs
spannung VS verbunden.
Schließlich ist je eine Reihenschaltung eines Widerstandes R1 bzw. R2 und
eines Kondensators C1 bzw. C2 zwischen dem Ausgang der Stromauswerte
schaltung MA und der Basis des Eingangstransistors T5 bzw. T6 geschaltet,
dessen Bedeutung weiter unten erläutert wird.
Für einen Gegentakt-Leistungsverstärker nach Fig. 4 mit einer pnp-Ein
gangsdifferenzstufe DS müssen die Ausgänge der Stromsteuerschaltung CC
als Stromsenken mit npn-Transistoren T3 und T4 arbeiten. Dieser Aufgabe
entsprechend wird das Potential am Knoten C der Basis eines pnp-Transi
stors T14 zugeführt, während dessen Emitter über eine Transistordiode T13
mit der positiven Versorgungsspannung Vs verbunden ist. Dabei ist es vor
teilhaft, auch die Kollektorströme der Differenzstufentransistoren T15, T16
über diese Transistordiode T13 zu leiten. Aus Gründen der Paarung der Basis-
Emitter-Spannungen sind die Transistordioden T18, T19 vom pnp-Typ. Die
sonstigen Einzelheiten entsprechen der Schaltung von Fig. 3, wobei jedoch
zusätzlich die Stromverstärker CA1 und CA2 Widerstände R3 und R6 bzw. R4
und R5 aufweisen. Der Widerstand R5 bzw. R6 ist in den Emitterzweig des
Diodentransistors T11 bzw. T9 geschaltet und vermindert die Nichtlinearität
der Verstärkerkennlinie bei großer Ansteuerung, während die Widerstände
R3 und R4 als Emitterwiderstände der Eingangstransistoren T5 und T6
dienen und die Stabilität verbessern.
Die Schaltungsanordnungen gemäß den Fig. 5 und 6 zeigen, wie das erfin
dungsgemäße Verfahren auch auf eine komplementäre Gegentakt-Endstufe
PS angewendet werden kann. In beiden Schaltbildern ist ein npn-Endstufen
transistor Tp1 und ein pnp-Endstufentransistor Tp2 in Emitterschaltung vor
gesehen, deren miteinander verbundenen Kollektoren den Ausgang OUT
der Schaltung bilden. Den Endstufentransistoren sind Sensortransistoren Ts1
und Ts2 vom entsprechenden Leitfähigkeitstyp zugeordnet. Eine erste,
nicht dargestellte Lösungsmöglichkeit besteht darin, den Strom eines der
beiden Sensortransistoren Ts1 oder Ts2 über einen Stromspiegel zu leiten
und die dann in gleicher Richtung fließenden Sensorströme wie in den
Schaltungen nach Fig. 3 oder Fig. 4 zu behandeln. Die Schaltung nach Fig. 5
benutzt demgegenüber eine vereinfachte Lösung, deren Stromsteuerschal
tung CC mit zwei zueinander komplementären aus npn-Transistoren T22 und
T24 bzw. aus pnp-Transistoren T23 und T24 aufgebauten Stromspiegeln
T22/T24 und T23/T25 sowie mit zwei zueinander komplementären Basisstu
fen mit einem npn-Transistor T20 und und einem pnp-Transistor T21 arbei
tet. Die Basisstufen sind mit ihrer Basis an einer Hilfspannung angeschlossen,
die durch zwei vorzugsweise gleichgroße Widerstände R11 und R12 erzeugt
wird. Angenommen, der größere Sensorstrom Is1 oder Is2 wird vom Sensor
transistor Ts1 geliefert. Dann fließt ein größerer Teil dieses Stromes über
den Transistor T20 und bestimmt das Potential an dessen Emitter. Der vom
Sensortransistor Ts2 gelieferte, kleinere Strom fließt hauptsächlich über die
Transistordioden T22, T23, die die Eingänge der Stromspiegel T22/T24 bzw.
T23/T25 bilden. Die Ausgangstransistoren T24, T25 der Stromspiegel T22/T24
bzw. T23/T25 liefern sodann einen Strom entsprechend dem kleineren Ein
gangsstrom. Der Ausgangsstrom des Transistors T24 wird in den Strom
spiegel T17/T3/T4 geleitet, der Basisstrom von T3 und T4 bildet den
Ausgangsstrom der Stromauswerteeinheit MA. Die Subtraktion der Steuer
ströme I3 und I4 von den Ausgangsströmen der Differenzstufe T1/T2 erfolgt
auf die bereits oben beschriebene Weise. Ebenso könnte der
Ausgangsstrom des Transistors T25 genutzt werden, wenn die Differenzstufe
T1/T2 aus pnp-Transistoren analog zur Schaltung gemäß Fig. 4 gebildet
würde. Aus der Symmetrie der Anordnung geht hervor, daß, wenn der Sen
sortransistor Ts2 den größeren Strom führen würde, der Transistor T21 den
Hauptteil aufnehmen würde und der kleiner Strom des Sensortransistors Ts1
bestimmend für den Ausgangsstrom von T24/T25 wäre. Eine rechnerische
Analyse zeigt, daß auch für diese Stromsteuerschaltung CC die Beziehung
Ic = K/(1/Is1 + 1/Is2) in guter Näherung erfüllt ist. Dabei sind Ic, Is1, Is2 die
Ströme der Transistoren T24, Ts1 bzw. Ts2 und K ist eine Proportionalitäts
konstante. Die Stromverstärker CA1 und CA2 der Treiberstufe DRV bestehen
in den Beispielen der Fig. 5 und 6 nur aus einem einzigen pnp-Transistor T6
bzw. aus einem pnp-Transistor T5 mit nachgeschalteten Stromspiegel T7/T8,
der aus einer npn-Transistordiode T7 und einem npn-Transistor T8 besteht.
Über den Eingangsdioden T22, T23 der Stromspiegel T22/T24 und T23/T25 im
Schaltungsbeispiel der Fig. 5 tritt ein Spannungsabfall von zusammen etwa
1.1 bis 1.4 V auf. Mit der für den Betrieb der Sensortransistoren Ts1, Ts2 not
wendigen Kollektor-Emitter-Spannung von etwa je 0.2 V ergibt sich ein Min
destwert der Versorgungsspannung ab etwa 1.5 V. In Fig. 6 ist nun gezeigt,
wie die Versorgungsspannung weiter reduziert werden kann, damit bereits
ab etwa 1 V eine funktionsfähige Schaltung zustande kommt. Dazu ist vorge
sehen, nur einen einzigen Stromspiegel T22/T24 - bestehend aus einem
npn-Transistor T22 und einem npn-Transistor T24 - zu verwenden und die Basen
der Basisstufen T20, T21 an verschiedene Hilfsspannungen anzulegen. Diese
Hilfsspannungen können z. B. so erzeugt werden, daß zwischen den Polen
der Versorgungsspannung eine Reihenschaltung eines Widerstands R11, ei
ner Transistordiode T25 und einer Stromquelle I4 eingefügt ist und die An
schlüsse der Transistordiode T25 als Hilfsspannungsanschlüsse genutzt wer
den. Dabei ist jedoch zu beachten, daß der vom Sensortransistor Ts1 gelie
ferte Strom gegenüber der Schaltung von Fig. 5 nur halb so wirksam ist
(gleichartige Transistoren T22, T24 vorausgesetzt), weil von dem dem Strom
spiegel T22/T24 zufließenden Teil nur die Hälfte über T24 weitergeleitet
wird. Dies kann durch Verdopplung der Basis-Emitter-Fläche des Sensortran
sistors Ts1 ausgeglichen werden.
Wird ein Gegentakt-Leistungsverstärker nach der Erfindung im Ausgangs
spannungsbereich übersteuert, so kann im Beispiel der Schaltungen gemäß
den Fig. 3 und 4 der Endstufentransistor T1 oder der Treibertransistor T10 in
Sättigung gehen. Da die Stromsteuerschaltung CC den größeren Strom der
beiden Endstufentransistoren Tp1, Tp2 nicht auswertet, wird die
Sättigungstiefe nicht kontrolliert und nur von der Stromergiebigkeit der
Treibertransistoren T10 bzw. T12 begrenzt. Um die damit verbundenen
Nachteile zu vermeiden, ist nach der Schaltung gemäß Fig. 7 eine an den
Ausgang OUT der Leistungsendstufe PS angeschlossene Kontrollschaltung VC
für den Ausgangsspannungsbereich vorgesehen, die bei einer
Überschreitung den Versorgungsstrom der Differenzstufe DS drosselt. Durch
die Verminderung des Versorgungsstromes der Differenzstufe wird der
Strom Id1 bzw. Id2, der dem Stromverstärker CA1 bzw. CA2 zufließt, ebenso
vermindert und damit die Sättigung gedrosselt oder verhindert.
Gleichzeitig wird die Verstärkung der Differenzstufe vermindert, was im
Falle eines gegengekoppelten Verstärkers die Erhaltung der dynamischen
Stabilität erleichtert.
Dazu zeigt Fig. 8 eine ausführlichere Schaltungsanordnung. Diese Schal
tungsanordnung entspricht derjenigen aus Fig. 4, die jedoch zusätzlich die
im Zusammenhang mit Fig. 7 erläuterte Kontrollschaltung VC aufweist, die
aus einer pnp-Transistordiode T26, einem npn-Transistor T27, einem weite
ren pnp-Transistor T28 sowie einer Stromquelle I1 aufgebaut ist. Um die Sät
tigung des pnp-Treibertransistors T10 zu verhindern oder abzuschwächen,
wird der Kontrolltransistor T28 gleicher Leitfähigkeit mit seinem Emitter am
Kollektor angeschlossen und die Basen miteinander verbunden. Der Kon
trolltransistor T28 beginnt Strom zu führen, wenn beim Treibertransistor
T10 das Kollektorpotential höher als das Basispotential wird, er also in Sätti
gung eintritt oder sich der Sättigung nähert. Im übrigen Spannungsbereich
bleibt er stromlos. Der erzeugte Strom wird vom Strom der Stromquelle I1,
der die Differenzstufe DS über einen Stromspiegel T29/T30 - bestehend aus
einer pnp-Transistordiode T29 und einem pnp-Transistor T30 - versorgt, sub
trahiert. Ähnlich wird eine Sättigung des Endstufentransistor Tp1 verhindert
oder abgeschwächt, indem der zweiter Kontrolltransistor T27 mit seinem
Emitter über die Transistordiode T26 mit dem Kollektor des Endstufentran
sistors Tp1 verbunden wird. Die Basis des Kontrolltransistors T27 ist mit der
Basis des Treibertransistors T12 verbunden, der dem Endstufentransistor
Tp1 vorgeschaltet ist. Der Strom des Kontrolltransistors T27 wird vom Strom,
der den verbundenen Emittern der Differenzstufentransistoren T1, T2 zu
fließt, subtrahiert. Die Einfügung einer Transistordiode T26 ist notwendig,
wenn über den gesamten Aussteuerbereich die Möglichkeit besteht, daß die
zulässige Basis-Emitter-Sperrspannung des Kontrolltransistors T27 über
schritten werden kann. Besteht diese Gefahr nicht, wird die Transistordiode
T26 weggelassen und die Basis des Kontrolltransistors T27 mit der Basis des
Endstufentransistors Tp1 verbunden.
Um die Arbeitspunkte des Kontrolltransistors T28 einzustellen und ggf. den
Grad der Sättigung zu vermindern ist auch vorgesehen, zwischen der Basis
des Kontrolltransistors T28 und der Basis des Treibertransistors T10, der vor
Sättigung geschützt werden soll, einen Widerstand R13 einzufügen. Im Falle
des Kontrolltransistors T27 wird ein Widerstand R14 entsprechend vor der
Basis des Treibertransistors T12 eingefügt. Beide Möglichkeiten sind in Fig.
9a bzw. 9b dargestellt.
Bei einem Leistungsverstärker wie dem der Erfindung wird meist ein Teil
oder die gesamte Ausgangsspannung dem invertierenden Eingang IN2 der
Differenzstufe DS zugeführt. Um einen stabilen, von Selbsterregung freien
Betrieb zu gewährleisten, ist die oben beschriebene Reihenschaltung von
Widerstand R1 bzw. R2 und Kondensator C1 bzw. C2 zwischen Kollektor und
Basis je eines Stromquellentransistors T3 bzw. T4 der Stromsteuerschaltung
CC vorgesehen (vgl. Fig. 3, 4 und 8). Eine auf diese Weise eingefügte Fre
quenzgangkorrektur dient gleichzeitig der internen Stabilität bei der Auf
rechterhaltung des Arbeitspunktes durch die Stromsteuerschaltung CC wie
auch der Stabilität unter der Bedingung einer äußeren Gegenkopplung.
Darüber hinaus wurde gefunden, daß die interne Stabilität verbessert wer
den kann, wenn man die Transistordioden T18, T19 (vgl. Fig. 3, 4 und 8)
und die Transistordioden T22, T23 (vgl. Fig. 5 und 6) durch eine Kapazität
(nicht dargestellt) zwischen Basis und Emitter und einen Widerstand (eben
falls nicht dargestellt) zwischen Basis und Kollektor ergänzt. Diese Beschal
tung bewirkt, daß der Scheinwiderstand der Transistordiode oberhalb einer
Grenzfrequenz ansteigt.
Claims (22)
1. Verfahren zur Steuerung einer Gegentakt-Endstufe mit zwei von Steuer
signalen gesteuerten Endstufentransistoren (Tp1, Tp2), denen jeweils ein
Sensortransistor (Ts1, Ts2) in thermischer Kopplung zugeordnet ist, indem
aus den von den Sensortransistoren (Ts1, Ts2) gelieferten Sensorströmen
(Is1, Is2) zwei identische Steuerströme (I3, I4) gemäß der Formel
K/(1/Is1 +1/Is2), (K = Konstante),erzeugt werden, die von den Steuersignalen der Endstufentransistoren (Tp1,
Tp2) subtrahiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das von der Gegentakt-Endstufe zu ver
stärkende Eingangssignal einem Differenzverstärker (DS) zugeführt wird,
dessen Ausgangsströme als Steuersignale für die Endstufentransistoren (Tp1,
Tp2) dienen, die Steuerströme (I3, I4) jeweils von den Ausgangsströmen (I1,
I2) des Differenzverstärkers (DS) subtrahiert werden und die dadurch
erzeugten Differenzströme (Id1, Id2) den Basisanschlüssen der
Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) zugeführt werden.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1
oder 2, wobei einer Stromsteuerschaltung (MA) die Sensorströme (Is1, Is2) zu
geführt werden und der Ausgang der Stromsteuerschaltung (MA) zwei
Stromquellentransistoren (T3, T4) ansteuert.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Stromquellentransisto
ren (T3, T4) jeweils mit einem Ausgang des Differenzverstärkers (DS) verbun
den sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Ausgänge des
Differenzverstärkers (DS) jeweils über einen Stromverstärker (CA1, CA2) mit
den Basisanschlüssen der Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) verbunden sind.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei für jeden
Sensortransistor (Ts1, Ts2) jeweils eine Transistordiode (T18, T19) vorgesehen
ist, über die der Sensorstrom (Is1, Is2) geführt wird.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die
Stromauswerteeinheit (MA) zwei Emitterfolger (T15, T16) aufweist, deren
Basen an je einer Transistordiode (T18, T19) und deren miteinander verbun
denen Emitter mit einer Stromquelle (I2) verbunden sind.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei das Emitterpotential (C)
der Emitterfolger (T15, T16) einem Transistor (T14) zugeführt wird und der
Strom durch diesen Transistor (T14) dem Ausgangsstrom (Ic) der Stromaus
werteeinheit (MA) entspricht.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, wobei der Ausgangsstrom (Ic) der
Stromauswerteeinheit (MA) über einen weiteren Transistor (T17) auf die
Stromquellen- bzw. Stromsenkentransistoren (T3, T4) gespiegelt wird.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die bei
den Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei für je
den Sensortransistor (Ts1, Ts2) eine Basisstufe (T20, T21) vorgesehen ist, die
zueinander komplementär sind, und wobei der Überschuß des größeren
Sensorstromes (Is1, Is2) gegenüber dem kleineren von der zugehörigen
Basisstufe (T20, T21) aufgenommen wird.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, wobei die Stromauswerteein
heit (MA) zwei komplementäre Stromspiegelschaltungen (T22/T24, T23/T25)
aufweist, deren Ausgangstransistoren (T24/T25) sowie deren Eingangstransi
storen (T22/T23) in Reihe geschaltet sind, so daß der Ausgangsstrom dieser
Ausgangstransistoren (T24, T25) den Ausgangsstrom (Ic) der Stromauswerte
einheit (MA) bildet und die Eingänge der Stromspiegelschaltungen (T22/T24,
T23/T25) jeweils mit einem Sensortransistor (Ts1, Ts2) verbunden sind.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 und 12, wobei die Basisan
schlüsse der Basisstufen (T20, T21) an eine gemeinsame Referenzspannung
(R11, R12) angeschlossen sind.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, wobei die Stromauswerteein
heit (MA) eine Stromspiegelschaltung (T22/T24) aufweist, dessen Eingangs
transistor (T22) zwischen die Sensortransistoren (Ts1, Ts2) geschaltet ist und
der Ausgangsstrom dieser Stromspiegelschaltung (T22/T24) den Ausgangs
strom (Ic) der Stromauswerteeinheit (MA) bildet.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 und 14, wobei die Basisan
schlüsse der Basisstufen (T20, T21) je an eine Referenzspannung angeschlos
sen sind, die sich um den Spannungsabfall über einer Transistordiode (T25)
unterscheiden.
16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die
Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
sind.
17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 16, wobei der Ver
sorgungsstrom der Differenzstufe (DS) von einer Spannungssteuerschaltung
(VC) vermindert wird, wenn der vorgesehene Ausgangsspannungsbereich
der Schaltungsanordnung überschritten oder einer der Endstufentransisto
ren (Tp1, Tp2) oder einer der Treibertransistoren (T10) der Stromverstärker
(CA1, CA2) in Sättigung eintritt oder sich der Sättigung nähert.
18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, wobei die Spannungssteuer
schaltung (VC) einen Transistor (T28) zur Überwachung des Treibertransistors
(T10) enthält, der mit seinem Emitter am Kollektor und mit seiner Basis an
der Basis des Treibertransistors (T10) angeschlossen und dessen Kollektor
strom subtraktiv auf den Versorgungsstrom der Differenzstufe (DS) eingelei
tet wird.
19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, wobei die Spannungssteuer
schaltung (VC) einen Transistor (T27) zur Überwachung des Endstufentransi
stors (Tp1) enthält, dessen Emitter über eine Transistordiode (T26) mit dem
Kollektor des Endstufentransistors (Tp1) und dessen Basis mit der Basis des
dem Endstufentransistors (Tp1) vorgeschalteten Treibertransistors (T12) des
Stromverstärkers (CA1) verbunden ist und dessen Kollektorstrom subtraktiv
auf den Versorgungsstrom der Differenzstufe (DS) eingeleitet wird.
20. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die
Basis des Transistors (T27, T28) zur Überwachung eines Treibertransistors
(T10) des Stromverstärkers (CA2) oder Endstufentransistors (Tp1) über einen
Widerstand (R13, R14) mit der Basis dieses Treibertransistors (T10) oder des
Treibertransistors (T12) des anderen Stromverstärkers (CA2) verbunden ist.
21. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 20, wobei eine
Reihenschaltung (R1, C1; R2, C2) von Widerstand und Kondensator zwischen
Kollektor und Basis des Stromquellen- bzw. Stromsenkentransistors (T3, T4)
der Stromsteuerschaltung (CC) eingefügt ist.
22. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 21, wobei die ein
gangsseitigen Transistordioden (T18, T19, T22, T23) der Stromsteuerschal
tung (CC) mit einer Kapazität zwischen Emitter und Basis und einem Wider
stand zwischen Basis und Kollektor beschaltet sind.
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