DE2203872A1

DE2203872A1 - Niederfrequenz-Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE2203872A1
Application number: DE19722203872
Authority: DE
Inventors: A Romano
Original assignee: ATES Componenti Elettronici SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1971-02-05
Filing date: 1972-01-27
Publication date: 1972-08-10
Also published as: GB1384709A; DE2203872B2; SE373008B; SU576979A3; JPS5264763U; JPS5330206Y2; FR2123997A5; US3828265A

Description

Dr. phil. G. B. HAGEN 9 9 no ρ 7 ·?

Patentanwalt ^ U 0 ö / £

8000 MÜNCHEN 71 (Solin)

Franz-Hals-Straße 21

Telefon 796213

ACE 2933 München, 25. Januar 1972

Dr. H./K./sch

ATES Componenti
Elettronici S.p.A.

1-20149 M i 1 a η ο Via Tempesta, 2

ITAIIEI

Niederfrequenz-Leistungsverstärker

Priorität; 5· Feb. 1971; Italien; Ur. 20194 A/71

Die Erfindung bezieht sich auf einen Niederfreq.uenz-Leistungsverstärker mit im wesentlichen komplementär-symmetrischer Endstufe, der in Form einer integrierten Schaltung ausgeführt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen integrierten Verstärker der oben genannten Art zu schaffen, der, soweit es die Merkmale der Endtransistoren und des verwendeten Gehäuses gestatten, am Ausgang bei gegebener Last eine maximale Leistung abgibt, wobei die Speisespannung in einem weiten Wertebereich wählbar ist. Ferner soll der in integrierter Form ausgeführte Verstärker für einen einwandfreien Betrieb nur eine relativ geringe Anzahl äußerer Komponenten benötigen.

Ein Niederfrequenz-Leistungsverstärker, der als integrierte Schaltung ausführbar ist und eine Eingangsstufe mit hoher

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Bayerische Vereinsbank München 820993 Postscheck 54782

Eingangsimpedanz zur Verbindung mit der Signalquelle, eine Steuerstufe und eine im wesentlichen komplementäre Endstufe enthält, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein in Emitterschaltung geschalteter Ausgangstransistor der Eingangsstufe seine Emittervorspannung von der aus dem Leistungsverstärker austretenden Ausgangs-Ruhespannung über einen Abfallwiderstand erhält, daß eine Stromspiegelschaltung vorgesehen ist, die dem Kollektor des genannten Transistors einen Ruhestrom zuführt, dessen eine Komponente an dem Abfallwiderstand eine Abfallspannung verursacht, die gleich dem halben Wert der Speisespannung des Leistungsverstärkers ist, und dessen zweite Komponente an dem genannten Abfallwiderstand eine Abfallspannung verursacht, die die Vorspannung des Emitters des genannten Transistors kompensiert, und daß die Endstufe einen npn-Leistungs-Endtransistor und einen pnp-Verbundtransistor enthält, der mit dem Leistungs-Endtransistor so verbunden ist, daß eine im wesentlichen komplementäre Endstufe gebildet wird, wobei der Verbundtransistor aus einem npn-Leistungstransistor besteht, der von einem pnp-Transistor gesteuert wird, dessen Emitter-Vorspannung durch eine Spannungsabfallschaltung höher als die Kollektorspannung des Transistors gehalten wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker wird die Ausgangs-Ruhespannung auf einem Wert gehalten, der gleich dem der halben Speisespannung ist, und zwar für jeden Wert dieser Speisespannung; dem Wechselstromsignal wird dabei ein Aussteuerbereich zugesichert, der nur durch den Wert der Speisespannung und der Sättigungsspannung der Endtransistoren begrenzt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

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Figur 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers in vereinfachter Form; und

Figur 2 ein modifiziertes Schaltbild, welches zur

Ausführung als integrierte Schaltung geeignet ist.

Die Schaltung von Figur 1 enthält eine Eingangsstufe, welche die pnp-Transistoren T-, und Tp in Darlington-Schaltung aufweist. Mit dem Kollektor des Transistors T₂ ist als Stromerzeuger ein Transistor T. verbunden, der eine konstante Basis-Emitter-Vorspannung aufweist. Die Darlington-Schaltung wird mittels der am Emitter des Transistors Tpi liegenden Ausgangsspannung über den Widerstand Rq vorgespannt. Der Transistor Tp wird mit seinem Emitter wechselstrommäßig außerhalb der integrierten Schaltung über den Kondensator G und den Gegenkopplungswiderstand R™ an Erde gelegt.

Durch die für die Eingangsstufe verwendete Anordnung wird ein außen angeordneter Spannungsteiler vermieden; dadurch können auf Erde bezogene Signale V- direkt angelegt werden, obwohl nur eine einzige Speisung vorgesehen ist. Die Vermeidung eines Eingangskondensators hat außer der Ersparnis eines Bauteils auch den Vorteil, daß die Dauer der Spannungssprünge beim Aufdrehen und das Niederfrequenzrauschen herabgesetzt werden. Außerdem ermöglicht das Nichtvorhandensein des Spannungsteilers eine volle Ausnutzung der hohen Eingangsimpedanz der Schaltung, wobei diese Eingangsimpedanz durch den ersten Transistor T-, mit geerdetem Kollektor und durch die Darlington-Schaltung sichergestellt und durch die verwendete Reihen-Gegenkopplung noch erhöht wird.

Die Last für den Transistor Tp besteht aus dein als Stromerzeuger dienenden Transistor T- und dem parallel geschalteten Eingangswiderstand der nächsten Stufe. Da dieser Widerstand sehr hoch ist, wird auch die Spannungsverstärkung dieser Stufe, die praktisch nur durch die AusgangsimpedanK von

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T₂ begrenzt ist, ebenfalls hoch sein. Die innen rückgekoppelte Verstärkerschaltung kann bei einheitlicher Gleichstromverstärkung (Widerstand Rg) mit in weiten Grenzen wählbarer Verstärkung durch entsprechende Wahl des außen angeordneten Widerstandes R^, betrieben werden.

Der G-leichstrotnanteil der Ausgangs spannung wird auf einem Wert gehalten, der die Hälfte des Wertes der Speisespannung ist, und zwar für jeden Wert dieser Speisespannung. Dies wird durch die folgenden Schaltungsteile bewirkt: durch den Transistor T., mit dem der Transistor T₅ so verbunden ist, daß ein "Stromspiegel¹¹ gebildet wird; durch die beiden an den Kollektor des Transistors T₁- in Reihe angeschalteten Widerstände R₇ und R^; durch den Transistor T-, q und durch die Dioden D¹ und D". Die Widerstände Rg, R₇ und Rg haben denselben Wert, der mit R bezeichnet wird. Die Speisespannung V„_n wird zwischen den Anschlußpunkt 1 und Erde (Anschlußpunkte 9 und 10) gelegt.

Die Verstärkerschaltung kann mit der Erhöhungsschaltung für die Basisspannung des Endtransistors, die an die Speisespannung angeschlossen ist, oder ohne diese betrieben werden. Für den Betrieb mit Erhöhungsschaltung werden die Anschlußpunkte 1 und 3 kurzgeschlossen, und es sind somit auch die Dioden D₁ und Dp kurzgeschlossen; zwischen die Anschlußpunkte 4- und 12 wird der Kondensator C-, eingeschaltet.

Wenn man der Einfachheit halber annimmt, daß die Stromverstärkung der verschiedenen Transistoren unendlich ist, ist der Kollektorstrom I_ß(- des Transistors T^ durch die folgende Beziehung gegeben:

V-V — PV - V . ,

¹HR = CC ^VBE5 D ^vBE10 (1)

^ 2g

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"bedeutet dabei die Basis-Btnitter-Spannung des Transistors Ir, "VgJj₁₀ ^^e ^Basis-Emitter-Spannung des Transistors T₁₀, Tjj den Spannungsabfall auf jeder der Dioden D¹ und D^tf, 2R den GeBandwiderstand der Widerstände IL- und Rr₇.

ο γ

Die beiden Transistoren T- und T,- sind gleich,und wegen der gleichen Basis-Emitter-Vorspannung ist der Kollektorstrom des Transistors Tc gleich dem Kollektorstroia des Transistors T.. Daher gilt:

^IE2 ^{= 1}GS ^{= I}04 ^{= J}C5 ^

Das bedeutet,, daß der Emitterstrom I^p ^des Transistors Tp gleich dem Kollektorstrom I~p desselben ist und gleich dem Kollektorstrom I_ß. des Transistors T. und gleich'dem Kollektorstrom I_Or- des Transistors T_u ist.

Wenn'man mit Vn-rm -nn die am Anschlußpunkt 12 vorhandene Ausgangs spannung und mit V_BE1 und V-g·^ ^die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T-, bzw. Tp bezeichnet, so erhält man:

⁷OUT DC ~ ^VBE1 ^{+ V}BE2

Aufgrund der Gleichungen (1), (2) und (3) erhält man

V-V — 9V — V

y ... tr , -tr , OO ÜÜi? -U ΰ£ι1Ό

OUT DC ~ BEI BE2 ?

Unter der Annahme, daß die Basis-Emitter-Spannung für alle Transistoren gleich ist und gleich dem Spannungsabfall an den Dioden ist, erhält man mit guter Näherung für jeden Wert der Speisespannung:

^VOUT DC ^ — ^⁵)'

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Beim Strom Ι_β(- und somit beim Strom I_E2 sind aufgrund der Gleichung (1) zwei Komponenten erkennbar: eine Komponente, die gleich V_C0/2R ist und daher mit der Speisespannung veränderlich ist, und eine weitere Komponente, die von der Speisespannung unabhängig ist und an dem Widerstand Eq einen Spannungsabfall verursacht, der die Emitter-Vorspannung des Transistors Tp kompensiert.

Die Gleichung (5) gilt unter der Annahme, daß die Stromverstärkung der Transistoren groß ist, gegebenenfalls sogar unendlich ist. Diese Annahme ist aber bezüglich des als pnp-Seitentransistor arbeitenden Transistors Tp nicht ausreichend. Dieser hat bei den Stromwerten, bei denen er arbeitet, eine sehr niedrige Verstärkung; daher muß die Gleichung (5) modifiziert werden, wobei zu beachten ist, daß

^τΈ2 ^{= I}G2 ⁺ ^τΒ2^$

wobei Ιτ,ρ der Basisstrom des Transistors Tp ist. Demzufolge erhält man als Ausgangsspannung:

⁷OUT DG ⁼ "T" ^{+ R I}B2*

Der durch die endliche Verstärkung des Transistors Tp bedingte Fehler (gleich R 1-D₂) ^wird durch das Vorhandensein des Basisstroms des Transistors T, kompensiert, der den gleichen Aufbau aufweist wie der Transistor T₂ und so geschaltet ist, daß er beim gleichen Emitterstromwert wie dieser arbeitet. Daraus ergibt sich:

wobei I-o·, der Basisstrom des Transistors T_x ist. Die Glei chung (2) ist dann so zu modifizieren:

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^{= I}C4 ¹BJ ^{+ Χ}Β2 ~ ^IC5 " ^XB3 ~ ^IB2

so daß:

^VOUT DC ⁼

Der Unterschied zwischen Lg₂ u*¹⁰ !53 kann aufgrund des identischen Aufbaus und der Kenngrößen der Transistoren T~ und Tp vernachlässigt werden, wobei sich wieder ergibt:

OUT DC

Der Emitterstrom I₁,,. des Transistors T, läßt sich durch die

-to j

folgende Gleichung ausdrücken:

^IE3 ⁼ fe ^^VCC " ^VBE9 " ^VBE11 ~ ^VBE12^ ~ R9 ¹CS ^

Dabei ist

die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Tq,

^^e Basis-Emitter-Spannung des Transistors T-.-, und V-Q-O-, P ^i^e Basis-Emitter-Spannung des Transistors T-, λ . Wenn man Rq = R setzt, ergibt sich aus der Gleichung (1), daß der erste Ausdruck der rechten Seite der Gleichung (8) gleich ist dem doppelten Strom I-,,- - abgesehen von einer unbedeutenden Größe V-Q-g/R, wobei V-p-p ein Spannungsabfall derselben Größenordnung wie der zwischen Basis und Emitter eines beliebigen Transistors der Schaltung ist. Man erhält daher

Auch die endliche Verstärkung von T-^₀ und Tq bringt einen leichten Fehler mit sich. Dieser wird dadurch kompensiert, daß man die Dioden D¹ und D" (Figur 1) durch den Widerstand Ei (Figur 2) ersetzt, der es zusammen mit dem Widerstand Rf-

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gestattet, die Basisspannung des Transistors T₁₀ und damit den KollektorstrotD 1„^ abzuändern.

Wenn es nicht notwendig ist, die ganze Ausgangsleistung, die die Schaltung liefern kann, auszunützen, kann man auf die Erhöhungsschaltung für die Basisspannung des Transistors T₂₁ verzichten und somit den Außenkondensator C-, vermeiden. TJm diese zweite Betriebsart zu ermöglichen, müssen die Anschlußpunkte 1 und 4 kurzgeschlossen und die Anschlußpunkte 3 und 1 offen sein. Demzufolge erhält man durch die Dioden D₁ und Dp zwischen dem Anschlußpunkt 1 und dem Anschlußpunkt 3 einen Spannungsabfall, der gleich Y^ + V-^p ist, wobei V_D1 der Spannungsabfall an der Diode D₁ und V-J₀₂ der Spannungsabfall an der Diode Dp ist. In diesem Fall ist die Ausgangscharakteristik nach oben hin durch den Wert ^V0G - ^VBE21 - ^VBE15 " ^VCE SAT7 ™^ά ^nach ^¹*^{611 hin dUrch den} Wert Vn-g αΑφ22 begrenzt. Dabei sind

V-Q-Cj₂₁ die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T₂₁, V-p-πη c die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T-. ,-, die Sättigungsspannung des Transistors T₇, ^die Sättigungsspannung des Transistors T₂-,.

Der Mittelwert V_M zwischen den beiden vorgenannten Grenzwerten der Aussteuerung des Wechselspannungssignals ist durch die folgende Gleichung gegeben:

V_M = ^VC0 " ^YBE21 " ^YBE12 " ^Y0E SAT7 ^{+ V}CE SAT22

V V + V = ^VCC - ^VBE21 ⁺ ^VBE15

Die Dioden D-, und D_? reduzieren den Strom I_ß(- um eine Größe, die gleich

^VD2

ist. Demgemäß ist der Abfall an dem Widerstand R_Q um eine

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Größe ^YD1 * ^YD2

niedriger als in dem Pail, in dem die Dioden kurzgeschlossen sind, und die Ausgangs-Gleichspannung fällt annähernd mit dem Mittelwert V™ zusammen.

Die Steuerstufe besteht aus den Transistoren T,, T-,-, und T₁₂· Die ersten beiden Transistoren bilden eine Kollektorschaltung, um die erste Stufe nicht zu belasten, während T-, ₂ eine Emitterschaltung bildet. Dieser letztere Transistor wird durch einen Stromerzeuger, bestehend aus dem Transistor T₇ und der Diode Dg, und durch die Eingangsimpedanz der Endstufe belastet. Die Endstufe enthält einen npn-Transistor Tp-, , der im wesentlichen komplementär zu dem pnp-Verbundtransistor geschaltet ist, welcher aus dem npn-Transistor Tpp UR^ äem pnp-Transistor T-, r besteht. Der Transistor T₂₁ wird vom Transistor T-, c gesteuert.

Der Stromerzeuger T₈ und der Verstärker T₁₇ bestimmen den gewünschten Basisstrom im Endtransistor T₂₂. Die Erhöhung der negativen Aussteuerung erhält man durch die Dioden T₁₈» T₁O, T₂₀, die die Emitterspannung des Transistors T₁^ so erhöhen, daß eine Sättigung verhindert wird. Die negative Aussteuerung wird daher nur duroh die Sättigung des Transistors· T₂₂ begrenzt.

Die positive Aussteuerung erhält man dadurch, daß man die bekannte Technik der Spannungserhöhungsschaltung auf den Kollektor des Transistors T-,_c anwendet; dazu ist ein außen

15 '

zwischen die Anschlußpunkte 4 und 12 geschalteter Kondensator C₁ erforderlich, der sich bis zum Spannungswert Vqq/2 über den Widerstand H₂₀ auflädt. Unter diesen Bedingungen kommt die Ausgangsleistung der Schaltung der theoretisoh maximal erreichbaren sehr nahe. Die Diode T₁* hält die Basisspannung des Transistors T₁,- höher als die Basisspannung dea Transistors T₁^.

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Claims

Die Schaltung von Figur 2 ist äquivalent zu der von Figur 1. Außer den schon erwähnten Unterschieden bestehen die einzigen weiteren Unterschiede in folgendem. Als Dioden Tg, T-,g, T-, q,. Tp₀ dienen die Basis-Emitter-Strecken der in Figur 2 mit denselben Bezugszeichen wie die entsprechenden Dioden von Figur 1 bezeichneten Transistoren. Ferner wird als Spannungserhöhungselement anstatt der Diode T-,- der Transistor T-,. verwendet,und an die Emitter der Transistoren T. und T_c sind die Widerstände Rp bzw. R angeschaltet, um die Stromspiegelschaltung gegen etwaige Unterschiede in den Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T. und Tr zu stabilisieren.

Die Anschlußpunkte 1, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11 gestatten es, die integrierte Schaltung in verschiedenen weiteren Schaltungsarten zu verwenden, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind. Die Widerstände R₁₁, R₁Q, R₁₂, R]*, R₁^j R₁₇, R-J₈ dienen zur Vorspannung der Transistoren, mit denen sie verbunden sind.

Patentanaprüche:

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Patentansprüche

[1/ Niederfrequenz-Leistungsverstärker, der als. integrierte Schaltung ausführbar ist und eine Eingangsstufe mit hoher Eingangsimpedanz zur Verbindung mit der Signalquelle, eine Steuerstufe und eine im wesentlichen komplementäre Endstufe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Emitterschaltung geschalteter Ausgangstransistor (Tp) der Eingangsstufe seine Emittervorspannung von der aus dem Leistungsverstärker austretenden Ausgangs-Ruhespannung über einen Abfallwiderstand (Rg) erhält, daß eine Stromspie ge !-Schaltung (T., T₅) vorgesehen ist,, die dem Kollektor des genannten Transistors (T_?) einen Ruhestrom zuführt, dessen eine Komponente an dem Abfallwiderstand (Rq) eine Abfallspannung (Vq₀/²) verursacht, die gleich dem halben Wert der Speisespannung (V_GG) des Leistungsverstärkers ist, und dessen zweite Komponente an dem genannten Abfallwiderstand (Rq) eine Abfallspannung verursacht, die die Vorspannung des Emitters des genannten Transistors (Tp) kompensiert, und daß die Endstufe einen npn-Leistungs-Endtransistor (Τρτ) und einen pnp-Verbundtransistor (T₂?' ^T16^ enthält, der mit dem Leistungs-Endtransistor (Τ₂η) ^so "verbunden ist, daß eine im wesentlichen komplementäre Endstufe gebildet wird, wobei der Verbundtransistor aus einem npn-Leistungstransistor (T₂₂) besteht, der von einem pnp-Transistor (Της) gesteuert wird, dessen Emitter-Vorspannung durch eine Spannungsabfallschaltung (T^e' ^T19» ^20^ ^¹⁰'¹¹⁶¹⁷ als die Kollektorspannung des npn-Leistungstransistors (^₂₂) gehalten wird.

2. Niederfrequenz-Leistungsverstärker naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspiegelschaltung aus zwei miteinander an Basis und Emitter verbundenen identischen Transistoren (T., Tc) besteht und einer (T.) der beiden Transistoren an den Kollek-

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tor des genannten Ausgangstransistors (T₂) ^der Eingangsstufe angeschaltet ist und der andere Transistor (Tc) mit seinem Kollektor mit der Speisespannung (V_CG) über einen Widerstand verbunden ist, der den doppelten Wert des genannten Abfallwiderstandes (Hg) aufweist, und daß die Kollektorspannung dieses anderen Transistors (Tp-) mittels einer Spannungsabfallsehaltung auf einem Wert gehalten wird, der doppelt so hoch ist wie die Vorspannung des Emitters des genannten Ausgangstransistors (T_?) der Eingangsstufe.

3'. Niederfrequenz-Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs-Endtransistor (T₂-] ) ^der Endstufe durch einen npn-Transistor (T-jc) gesteuert wird, dessen Kollektorpotential von einer Spannungserhöhungsschaltung geliefert wird, und daß die Bezugsspannung, die den Stromfluß durch die beiden Transistoren der Stromspiegel-Schaltung (T., T₅) bestimmt, an eineia äußeren Ansehlußpunkt liegt, der innerhalb der integrierten Schaltung mit dem mit der Speisespannung versehenen Ansehlußpunkt (1) über Dioden (D^, D₂) verbunden ist, die einen Spannungsabfall verursachen, der es gestattet, eine symmetrische Ausgangscharakteristik zu erhalten.

4. Niederfrequenz-Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe einen pnp-Eingangstransistor (T-,) mit Kollektorschaltung enthält, der mit dem Ausgangstransistor (T₂) der Eingangsstufe eine Darlington-Schaltung bildet, daß die Steuerstufe an ihrem Eingang einen pnp-Transistor (T,) mit Kollektorschaltung aufweist, dessen Arbeitsstrom von einem npn-Transistor (Tq) bestimmt wird, zwischen dessen Basis und Kollektor eine an einem weiteren Abfallwiderstand (Rg) abfallende Spannung liegt, wobei der weitere Abfallwiderstand

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(Rg) denselben Wert aufweist wie der erstgenannte Abfallwiderstand (Rq) und vom Strom des genannten anderen Transistors (Tr-) durchflossen wird, wobei der Emitter des vorgenannten npn-Transistors (Tq) mit dem Emitter des am Eingang der Steuerstufe liegenden pnp-Transistors (T,) über einen Widerstand (Rq) mit demselben Wert wie der erstgenannte Abfallwiderstand (Rg) verbunden ist.

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