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Gegentakt-Verstärker Die Erfindung betrifft einen Gegentakt-Verstärker
mit zwei als Emitterfolger geschalteten Stufen und komplementären Transistoren in
jeder Stufe.
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Bei Verstärkern dieser Art war es bisher nicht möglich, eine völlige
elektrische Symmetrie herzustellen. Zur Symmetrierung der Mittelpunktspannung und
zur Gewährleistung eines unabhängig von der Betriebstemperatur konstanten Transistorruhestromes
bedurfte es bisher eines beträchtlichen schaltungstechnischen Aufwandes. Ein weiterer
Nachteil bekannter Schaltungen besteht darin, daß zwischen Eingang und Ausgang eine
kleine Gleichspannungsdifferenz verbleibt, die beispielsweise einen Einsatz in Operationsverstärkern
verbietet. Schließlich
führt die elektrische Unsymmetrie auch zu
Verzerrungen der zu verstärkenden Signale, die nur teilweise durch zusätzliche Schaltungsmaßnahmen
kompensiert werden können, Eine bekannte Schaltung dieser Art zeigt Fig. 1. Dort
ist eine Stufe mit den zueinander komplementären Transistoren T2 und T4 als Emitterfolger
zu der vorangehenden Stufe mit den ebenfalls zueinander komplementären Transistoren
T1 und T3 geschaltet. Die Basisvorspannung für die Transistoren T1 und T3 wird hier
mittels dreier Dioden D1, D2 und D3 erzeugt, und der Ruhestrom der Schaltung wird
über die Gleichspannungsdifferenz zwischen den Basen der Transistoren T1 und T3
mittels eines Trimmerpotentiometers P.eingestellt. Ein die Dioden überbrUckender
Elektrolytkondensator C läßt die Niederfrequenzsignale zum Transistor T1 durch.
Außer diesen Schaltelementen zur Vorspannungserzeugung und Ruhestromeinstellung
sind weitere Schaltele mente in nicht dargestellten Vorstufen erforderlich, um die
Mittelpunktspannung einzustellen.
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Der Spannungsabfall über den Dioden ist nämlich nicht gleich dem
Spannungsabfall über den Basis-Ermitter-Strecken der Transistoren T2 und T4, so
daß die erwähnte Gleichspannungsdifferenz am Eingang und Ausgang entsteht. Ferner
haben die Dioden D1 und D3 nicht das gleiche Temperaturverhalten wie die Transistoren,
so daß selbst bei gutem Wärmekontakt insbesondere in Leistungsstufen mit hoher Wärmeerzeugung
der Ruhestrom der Schaltung nur mit zusätzlichem Aufwand einigermaßen konstant gehalten
werden kann.
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Die Dioden, Einstellpotentiometer und der Überbrückungskondensator
stören die Symmetrie am Eingang und rufen nichtlineare Verzerrungen hervor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gegentakt-Verstärker
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem Einstellwiderstände und dergleichen
zur Herstellung der Symmetrie und zur Einstellung des Ruhestromes entfallen und
der weitgehend verzerrungsfrei arbeitet. Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß die Transistoren der ersten Stufe Jeweils komplementär zu den
von ihnen angesteuerten Transistoren der zweiten Stufe sind, daß die Emitterarbeitswiderstände
der Transistoren der ersten Stufe Jeweils am selben Gleichspannungspol liegen wie
die Kollektoren der zweiten Stufe und daß die Basen der Transistoren der ersten
Stufe unmittelbar zusammengeschaltet sind.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist im Aufbau völlig symmetrisch,
wobei sich die Ausgangsmittelpunktspannung automatisch auf den gleichen Spannungswert
wie die Eingangsspannung einstellt und sich desgleichen auch der Ruhestrom der Schaltung
automatisch auf einen vorgegebenen Wert einstellt, so daß Dioden und Einstellpotentiometer
entfallen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1 eine bekannte
Gegentakt-Schaltung;
Fig. 2 eine Schaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 die Schaltung gemäß Fig. 2 mit Kurzschlußsicherung und nachfolgender Lei-;
stungssendstufe und Fig. 4 eine Abwandlung der Schaltung gem.
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Fig. 3.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung in Fig. 2 sind die Basen der
Transistoren T1 und T3 der ersten Stufe galvanisch miteinander verbunden, während
ihre Emitter über Widerstände Rl und 1t3 an jeweils eine Klemme der Gleichspannungsquelle
angeschlossen sind. Der Kollektor des Transistors T3 liegt an der positiven Klemme
und der Kollektor des Transistors T1 an der negativen Klemme der Gleichspannungsquelle.
Die Transistoren T2 und T4 der zweiten Stufe, die wie die beiden Transistoren der
ersten Stufe komplementär sind, bilden jeweils Emitterfolger zur ersten Stufe, wobei
aber auch die aufeinanderfolgenden Transistoren komplementär sind. Die Emitter der
Transistoren T2 und T4 sind über Widerstände R2 und R4 miteinander verbunden und
am Verbindungspunkt der beiden Widerstände wird die Ausgangsspannung entnommen.
Die Kollektoren von T2 und T4 liegen am gleichen Pol der Spannungsquelle wie jeweils
der Emitter des Transistors der vorangehenden Stufe. Gelangt ein Wechselspannungssignal
an den Eingang E, so bewirkt die negative Amplitude, daß die obere Hälfte der Schaltung
aAs Emitterfolger und die untere Hälfte als Arbeitswiderstand arbeitet.
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Umgekehrt wirkt bei positiver Amplitude die untere Hälfte als Emitterfolger
und die obere Hälfte als Arbeitswiderstand. Verbindet man bei dieser Schaltung die
Basen der Transistoren T1
und T2 mit dem Mittelpunkt der Betriebsspannung
VCC und mißt die Spannung zwischen Ausgang A und dem Mittelpunkt der Betriebsspannung,
so erhält man auch am Ausgang den Spannungswert Null. Dies rührt daher, daß die
Gleichspannung zwischen Basis und Emitter von T1 und die Glelchspannung zwischen
Basis und Emitter von T2 gegensinnig gepolt sind und sich daher ebenso aufheben
wie die entsprechenden Spannungen an den Transistoren T3 und T4.
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Die Größe der Widerstände R1 und R3 bestimmt die Größe des Stromflusses
über die Emitter,Kollektor-Streoken der Transistoren T1 und T3 und damit den Spannungsabfall
zwischen den Basen und Emittern von Tl und T3. Diese auch Schwellwertspannung ,genannte
Spannungsabfall, der bei geringen Strömen verhEltnismäßig konstant ist, nimmt mit
steigendem Strom zu. Die Widerstände R2 und R4 werden nun so bemessen, daß der Spannungsabfall
zwischen Basis von T2 und A bzw. zwischen Basis von T4 und A gleich der Schwellwertspannung
von T1 hzw. T3 ist, wobei die Größe des Ruhestromes der Schaltung durch die Dimensionierung
der Widerstände R1 bis R4 wählbar ist.
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Bei Erhöhung der Sperrschichttemperatur der Transistoren verringert
sich die Schwellwertspannung über der Basis-Emitter-Strecke. Dies hat eine Erhöhung
des Ruhestroms zur Folge, die nur teilweise durch die Widerstände R2 und R4 stabilisiert
wird.
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Um den Ruhestrom hochkonstant zu halten, braucht aber lediglich für
guten Wärmekontakt zwischen den Transistoren T1 und T3 und T4 gesorgt zu werden.
Es ändert sich dann nämlich die Schwellwertspannung der Transistoren Ti und T3 in
gleicher Weise wie
bei T2 und T4, und es erfolgt eine Kompensation
, weil die Schwellwertspannungen võn~?l und^T2 bzw. von T3 und T4 gegensinnig gepolt
sind. Je besser der Wärmekontakt ist, um so weniger wirken sich auch kurzseitige
Belastungsspitzen auf den Ruhestrom aus. Optimale Stabilisierung erreicht man durch
Integrierung von T1 und T2 bzw. von T3 und T4.
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Der Vorteil der-erfindungsgemäßen Schaltung liegt vor allem im Wegfall
jeglicher Abgleicharbeiten und in der Einsparung einer Reihe von Bauelementen. Bin
weiterer Vorteil der Schaltung liegt.darin, daß der Verstärker als B-Verstärker
mit sehr niedrigem Ruhestrom und niedrigem Ausgangsquellwiderstand betrieben werden
kann und daß durch die völlige Symmetrie nicht lineare Verzerrungen auf ein Mindestmaß
herabgesetzt werden Darüberhinaus zeigt die Schaltung eine optimale Temperaturstabilität.
Da sich durch die komplementäre Anordnung der Transistoren innerhalb der Stufen
und im Bezug auf die folgende Stufe die Transistorschwellwertspannungen auf den
Wert 0 kompensieren, so daß zwischen Eingang E und Ausgang A keine Gleichspannungsdifferenz
mehr besteht, kann der Verstärker auch als Leistungsendstufe für einen Operationsverstärker
betrieben werden.
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Durch Hinzufügen einer weiteren Stufe mit den Lesstungs- i transistoren
T5 und T6 in Verbindung mit Arbeitswiderständen R5 und R6 für die Transistoren T2
und T4 kann eine sehr starke Vergrößerung der Ausgangsleistung erreicht werden.
Ebenso kann durch Einschalten von zwei Dioden D4 und D5 zwischen dem Eingang E und
dem Ausgang A auf sehr einfache Weise eim Kurzschlußsicherung geschaffen werden.
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Tritt zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers ein Glei.chspannungsgeflle
auf - bedingt durch Kurzschluß oder Überlastung - so werden bei einer Spannungsdifferenz,
die der Diodenschwellwertspannung entspricht, die Dioden D4 und D5 leitend. Dadurch
wird der Eingang sehr niederohmig, und es setzt eine wirksame Strombegrenzung ein.
Auch hierbei werden gegenüber bekannten Strombegrenzungsschaltungen große Einsparungen
erzielt, da außer den beiden Dioden keine weiteren Bauelemente benötigt werden.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von der Anordnung
gem. Fig. 3 nur dadurch, daß die Kollektoren der Leistungstransistoren T5 und T6
gemeinsam am Ausgang A liegen.
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Aufgrund der galvanischen Verbindung der Kollektoren eignet sich diese
Schaltung besonders für die Herstellung als integrierte Schaltung. Ein weiterer
Vorteil der galvanischen Verbindung ist die Möglichkeit, die Systeme der Endtransistoren
auf eine gemeinsame Kühl fläche setzen zu können.
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Als Halbleiter können entweder Silizium- oder Germanium-Halbleiter
verwendet werden.
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- Patent ansprüche -