DE2014610C3 - Endstufenverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Endstufenverstärker mit zwei in Serie an einer Speisespannungsquelle liegenden Verstärkere!emente"j, wobei das Eingangssignal der Steuerelektrode des ersten Verstärkerelementes zugeführt ist, dessen Au -jangselektrode über ein drittes Verstärkerelement mit der Steuerelektrode dies zweiten Verstärkerelementes verbunden ist, und an dem Verbindungspunkt der beiden ersten Verstärkerelemente das Ausgangssignal abnehmbar ist

Ein solcher Endstufen- oder Leistungsverstärker ist z.B. aus der deutschen Auslegeschrift 12 96 207 bekannt. Diese bekannte Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß der das erste Verstärkerelement mit der Speisespannungsquelle verbindende Arbeitswiderstand schwer zu dimensionieren ist Soll nämlich die mit modernen Transistoren heute leicht erreichbare hohe Stromverstärkung voll ausgenutzt werden, so muß der Wert des Arbeitswiderstandes so niedrig gehalten werden, daß auch bei voller Stromverstärkung kein zu großer Spannungsabfall an diesem Widerstand auftritt Wird aus diesem Grund der Arbeitswiderstand möglichst klein gewählt, so ist der bei der Einstellung des Ruhestromwertes des Verstärkers an diesem Widerstand auftretende Spannungsabfall sehr gering, wodurch die Basis-Spannung des dritten Verstärkerelements, die sich stark mit der Temperatur ändert, direkt in den Ruhestrom der Verstärkerschaltung eingeht, Aus diesem Grunde muß, wie es auch bei der bekannten Schaltung geschehen ist, der Arbeitswiderstand einen gewissen Mindestwert aufweisen, um den Einfluß der Temperatur auf das dritte Verstlrkerelement in vernachlässigbaren Grenzen zu halten, wodurch die hohe Stromverstärkung der Transistoren jedoch nicht mehr voll ausgenutzt werden kann. Soll die Verstärkerschaltung allerdings über einen größeren Temperatur bereich ohne nennenswerte Änderungen ihrer Betriebsdaten arbeiten, so muß das drille Verslärkerelenieiii

durch einen äußerst driftarmen Differenzverstärker ersetzt werden. Bei der bekannten Schaltung ist daher immer ein schaliungstecnnischer Kompromiß zwischen der maximal mit diesem Verstärker zu erreichenden Verstärkung und dem Temperaturgang des Verstärkers zu wählen, oder aber die Schaltung durch Verwendung eines driftarmen Differenzverstärker entsprechend aufwendig auszubilden.

Es ist bekannt, bei VerstärkerschaJtungen den Arbeitswiderstand so zu wählen, daß einei »eits die maximal erreichbare Stromverstärkung für den verwendeten Transistortyp auftritt, andererseits die Schaltung insgesamt noch stabil ist Eine bekannte Maßnahme zur Erreichung dieses Zieles ist beispielsweise die Anpassung des Verbraucherv/iderstandes an den Ausgang des Versiärkerelementes mit Hilfe eines Transformators. Transformatoren sind jedoch teure Bauelemente mit großen Abmessungen.

Aus der Zeitschrift »Funkamateur«, Militärverlag der Deutschen Demokratischen Republik, Nr. 7,1967, S. 329, ist es bekannt, im Kollektorkreis eines Transistorverstärkers spannungsabhängige, nichtlineare Widerstände zu verwenden, weiche bezwecken, daß bei hohen Kollektorströmen, d.h. bei großer Aussteuerung, am Arbeitswiderstand keine nennenswerte Spannung auftreten kann, da diese über die dem Arbeitswiderstand bzw. den Arbeitswiderständen parallelgeschalteten Dioden abgeleitet werden können. Diese Schaltungsmaßnahme richtet sich somit lediglich gegen eine Obersteuerung des Transistorverstärkers.

Aus J RE Transactions on Audio, 1957, S. 71, Rg. 1, ist andererseits bekannt, dem Emitterwiderstand des Transistors einen Kondensator parallel zu schalten, um eine die Verstärkung des Transistors vermindernde Gegenkopplung der Wechselspannung auf den Eingang zu verkleinern. Diese Maßnahme kann jedoch bei einer Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art nicht angewendet werden, da es sich dort um einen Verstärker mit zwei Regelschleifen handelt. Ein Kondensator parallel zu einem Widerstand am Eingang des Rückkopplungsverstärkers, bestehend aus dem zweiten und dritten Verstärkerelesnent, würde nämlich dort einen frequenzabhängigen Kurzschluß am Eingang des Rückkopplungsverstärkers zur Folge haben.

Eine Diode parallel zu einem Widerstand am Eingang des Rückkopplungsverstärkers liefert zwar eine frequenzunabhängige, eingeprägte Spannung, ergibt aber eine von der Temperatur abhängige Schleifenverstärkung, da nun der Gleichstrom im Parallelwiderstand temperaturunabhängig ist

Ferner sind einfache Transistorverstärkerschaltungen in Emitterschaltung bekannt, bei denen die Emitterzuleitung eine Zenerdiode als Widerstand mit konstantem Spannungsabfall aufweist (Elektronik, 1958, Nr. 11, S. 356, Bild 2 und US-Patentschrift 28 60 193, Fig. 1.) Diese Zenerdiode soll bewirken, daß unabhängig vom Emitterstrom immer eine bestimmte Spannung auf den Verstärkereingang rückgekoppelt wird; diese Spannung ist jedoch temperaturabhängig.

Aufgabe der Erfindung ist <t$ daher, den bekannten Verstärker so weiterzubilden, daß die volle Stromverstärkung heute gebräuchlicher Transistoren ausnutzbar ist, ohne daß ein nennenswerter Temperaturgang des Verstärkers auftritt oder ein zusätzlicher driflarmer Differenzverstärker vorzusehen ist.

Ausgehend von einem Enclstufenverslärker der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der I'rfindung dadurch gelöst, dal) tier die Aiisgangselcklro-

de des ersten Verstärkerelements mit der Spannungsquelle verbindende Widerstand durch zwei gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden überbrückt ist, deren Verbindungspunkt über einen weiteren Widerstand mit der Steuerlektrode des dritten Verstärkerelements verbunden ist, die ihrerseits über einen dritten Widerstand mit dem anderen Anschluß der Speisespannungsquelle verbunden ist.

Durch diese Schaltungsmaßnahme wird erreicht, daß beim Ruhestrombetrieb des Verstärkers der einen bestimmten Wert zur Erzielung eines vernachlässigbaren kleinen Temperaturganges des Verstärkers nicht unterschreitende Arbeitswiderstand bei der Einstellung und Ausregelung des Ruhestromes des Verstärkers voll wirksam ist Wird dagegen bei einer vollen Aussteuerung des Verstärkers die hohe Stromverstärkung der Transistoren ausgenutzt so wird dieser relativ hohe Strom der Verstärkerelemente durch die dem Arbeitswiderstand parallelgeschalteten nichtlinearen Widerstände übernommen, an denen nur ein kleiner, die Stromverstärkung der Transistoren nicht beeinflussender Spannungsabfall auftritt Mehrere gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden haben bei einer entsprechenden Wahl ihrer Kennlinie die Eigenschaft daß sie den zur Einstellung des Ruhestromes des Verstärkers am Arbeitswiderstand auftretenden, unterhalb ihrer Durchlaßspannung liegenden Spannungsabfall nicht beeinflussen, bei einer entsprechenden Aussteuerung des Verstärkers jedoch fast den gesamten Strom des Verstärkers übernehmen, d.h. den Arbeitswiderstand kurzschließen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsmaßnahme wird der bei der bekannten Schaltung aus ohmschen Widerständen gebildete Spannungsteiler zur Erzeugung der Basisvorspannung des dritten Verstärkerelements teilweise durch die den nichtlinearen Widerstand darstellenden Dioden gebildet Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Weiterbildung ist der den Verbindungspunkt mit der Steuerelektrode des dritten Verstärkerelements verbindende Widerstand eine eben' falls in Durchlaßrichtung geschaltete Diode.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert

Ein das erste Verstärkerelement bildender Transistor 1 ist mit einem das zweite Verstärkerelemcnt bildenden Transistor 2 gleichsinnig in Reihe geschaltet Der als Ausgangselektrode des ersten Verstärkerelements wirkende Kollektor der Transistors 1 ist mit dem Emitter eines als drittes Verstärkerelement wirkenden Transistors 3 verbunden, dessen Kollektor Über einen aus den Widerständen 4 und 5 bestehenden Spannungsteiler mit Bezugspotential verbunden ist Zwischen den beiden Widerständen 4 und 5 ist die als Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelements wirkende Basis des Transistors 2 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 2 ist ebenfalls unmittelbar mit dem Bezugspotential verbunden. Der Kollektor des Transistors 1 und der Emitter des Transistors 3 sind über einen Arbeitswiderstand β mit dem positiven Anschluß einer Speisespannungsquelle verbunden, wobei die Transistoren 1 und 2 als npn-Transistoren und der Transistor 3 als pnp-Transisiof ausgebildet sind. An dem Verbindungspunkt der beiden Verstärkerelemente, also zwischen Emitter des Transistors 1 und Kollektor des Transistors 2, ist der Ausgang A des Verstärkers angeschlossen. Der Eingang £des Verstärkers ist dagegen direkt mit der Basis des Transistors 1, also mit der Steuerelektrode des ersten Verstärkerelements. verbunden. Dem Arbeitswider-

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Stand 6 sind zwei in Durchlaßrichtung und gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden 7 und 8 parallel geschaltet Der Verbindungspunkt der beiden Dioden 7 und 8 ist über eine ebenfalls in Durchlaßrichtung geschalteie weitere Diode 9 und einen ohmschen Widerstand 10 mit Bezugspotential verbunden. An dem Verbindungspunkt zwischen der Diode 9 und dem ohmschen Widerstand 10 ist die Basis des Transistors 3, also die Steuerelektrode des dritten Verstärkerelements, angeschlossen.

Die Einstellung und Ausregelung des Ruhestromes des Verstärkers erfolgt in prinzipiell gleicher Weise wie bei der bekannten Schaltung. Ein infolge des Ruhestromes am Widerstand 6 auftretender Spannungsabfall verändert die Basis-Emitter-Spannung des dritten Verstärkerelements, also des Transistors 3, dessen Basis und Kollektor an einer festen Spannung liegen. Über die beiden Kollektorwiderstände 4 und 5 des Transistors 3 wird bei einer Änderung der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 3 die Basisvorspannung des zweiten Verstärkerelements, also des Transistors 2, so geändert, daß der Ruhestrom der beiden Transistoren 1 und 2 sich ebenfalls entsprechend ändert bis tisr am Arbeitswiderstand 6 infolge des Ruhestroms auftretende Spannungsabfall wieder gleich dem Sollspannungsabfall ist

Bezüglich des Ruhestromverhaltens können die Dioden 7 und 9 als Referenzspannungsquelle, die über den V'klerstand 10 gespeist wird und an die Basis des Transistors 3 eine Spannung anlegt, betrachtet werden, ist nun die Spannung resultierend aus dem Strom durch den Transistor 1 am Widerstand 6 kleiner als die Referenzspannung an den Dioden 7 und 9 abzüglich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 3, so wird der Transistor 3 so lange über den Widerstand 4 den Transistor 2 mit Basisstrom versorgen, bis ein Spannungsausgleich stattgefunden hat Der Widerstand 5 dient nur zur Reststromkompensation des Transistors 2. Dadurch wird bewirkt daß über den Transistor 1 ständig der eingestellte Strom fließt und dieser immer den Ausgangswiderstand der Endstufe bestimmt Auch bei einem negativen Spannungshub erscheint der niedrige Innenwiderstand des als Emitterfolger geschalteten Transistors 1, da über den Transistor 1 ständig ein Strom fließt der um den am Widerstand 6 eingestellten Reststrom größer ist als der Verbraucherstrom. Bei einem positiven Spannungshub schaltet diese Regelung ab. Dies geschieht durch die mit Diode 7 in Serie geschaltete Diode 8. Damit kann ein sehr hoher Strom über diesen Zweig und Ober den Kollektor des Transistors 1 fließen, ohne daß die gesamte Regelung einen Schaden erleidet Mit Hilfe der Referenzspan' nung, gebildet aus den Dioden 7 und 9 abzüglich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 3 und der Dimensionierung des Widerstandes 6, kann somit der gewünschte Ruhestrom beliebig eingestellt werden.

Wird der Verstärker über den mit der Basis des Transistors 1 verbundenen Eingang E voll ausgesteuert, so ändert sich die am Arbeitswiderstand abfallende Spannung nur so lange, bis die Durchlaßspannung der Dioden 7 und 8 überschritten wird, <L b, jeder weitere durch die Transistoren 1 und 2 fließende Strom wird von den dem Arbeitswiderstand 6 parallelgeschalteten Dioden 7 und 8 übernommen; Da die Dioden unabhängig von ihrem Strom eine bestimmte Durchlaßspannung haben, dient die Diode 7 zusammen mit einer zusätzlichen Diode 9 und dem Widerstand 10 gleichzeitig als Spannungsteiler zur Voreinstellung einer konstanten Basisspannung für den Transistor 3. Bei dem erfindungsgemäßen Endstufenverstärker

wird der Transistor 1 immer als Emitterfolger betrieben und stellt damit eine niederohmigc Spannungsqtielle für den Verbraucher dar. Dabei erfolgt die Regelung unter Verwendung der Dioden 7,8,9 als Referenz derart, daß der Transistor I mindestens einen bestimmten eingestellten Strom, z. B. den Ruhestrom der gesamten Endstufen, verarbeitet. Das heißt, im Emilterzweig 'St eine von in diesem Transistor fließenden Strom abhängige Konstantstromquelle (Transistor 2) vorhanden, die dafür sorgt, daß bei allen Betriebsarten, die nicht automatisch zur Funktion als Emitterfolger dienen, also im negativen Bereich der Ausgangsspannung, die Funktion des Emitlcrfolgers erhalten bleibt.

Durch diese gemäß der Erfindung angegebene neue Verstärkerschaltung ist es möglich, einen Arbeitswider· stand 6 mit einem solchen Widerslandswert zu verwenden, daß selbst über einen großen Temperaturbereich kein nennenswerter Tcmpcralurgang des Verstärkers auftritt, d. h., daß die mit der Temperatur auftretenden Basis-Emitter-Spannungsänderungen des Transistors 3 gegenüber dem infolge des Ruhestroms am Arbeitswiderstand 6 auftretenden Spannungsabfall vernachlässigbar klein sind. Andererseits ist der aus diesem Grund relativ hoch gewählte Widerstandswert des Arbeitswiderstandes 6 selbst hohen Stromverstärkungen des Verstärkers nicht hinderlich, da auch bei hohen Kolleklorströmen des Transistors I am Arbeitswiderstand 6 keine nennenswerten Spannungsabfälle auftreten können, da diese Ströme über die in Reihe geschalteten Dioden 7 und 8 abgeleitet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1, Endstufen verstärker mit zwei in Seriejjn einer Speisespannungsquelle liegenden Verstarkerelementen, wobei das Eingangssignal der Steuerelektrode des ersten Verstärkerelements zugeführt ist, dessen Ausgangselektrode über ein drittes Verstärkerelement mit der Steuerelektrode des zweiten Verstärkerelements verbunden ist, und an dem Verbindungspunkt der beiden ersten Verstärkerelemente das Ausgangssignal abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ausgangselektrode des ersten Verstärkerelements (1) mit der Spannungsquelle (U) verbindende Widerstand (6) durch zwei gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden (7, 8) überbrückt ist, deren Verbindungspunkt über einen weiteren Widerstand (9) mit der Steuerelektrode des dritten Verstärkerelements (3) verbunden ist, die ihrerseits über einen dritten Widerstand (10) mit dem anderen Anschluß der Speisespannungsquelle verbunden ist
2. 2. Endstufen verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Verbindungspunkt mit der Steuerelektrode des dritten Verstärkerelements (3) verbindende Widerstand (9) eine ebenfalls in Durchlaßrichtung geschaltete Diode (9) ist