DE2301017B1 - Niederfrequenzverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Niederfrequenzverstärker, welcher das amplitudenmodulierte niederfrequente Eingangssignal durch Überlagerung mit einer Dreieckschwingung über einen Operationsverstärker und einem nachgeschalteten Komparator in ein impulsbreiten-moduliertes Signal umformt und die positiven und negativen Anteile des impulsbreiten-modulierten Signals in getrennten transistorisierten Kanälen verstärkt.

Um eine genaue Reproduktion des Eingangssignals zu ermöglichen, muß die Impulsfrequenz mindestens viermal höher sein als die Frequenz des Eingangssignals. Um den gesamten menschlichen Hörbereich zu erfassen, muß daher die Impulsfolgefrequenz bei etwa 80 kHz liegen.

Bisher nach diesem Prinzip arbeitende bekannte

Verstärker waren aus vorstehenden Gründen auf die ausschließliche Verwendung extrem schnell ein- und ausschaltender Halbleiter-Schaltelemente angewiesen, um eine genaue Reproduktion des Eingangssignals zu ermöglichen. Solche Schaltelemente sind teuer und nur für relativ kleine Leistungen einsetzbar und haben auch nur eine relativ geringe Spannungsfestigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, extrem

ίο schnell schaltende Transistoren, welche teuer und nur für relativ kleine Leistungen einsetzbar sind, durch Transistoren mit längeren Schaltzeiten und höherer Spannungsfestigkeit zu ersetzen, welche billiger sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den beiden von der komplementären Eingangsstufe gesteuerten positiven und negativen Verstärkerkanälen npn-Transistoren verwendet sind, daß zwischen dem npn-Eingangstransistor und dem ersten npn-Transistor des positiven Kanals ein pnp-Transistor angeordnet ist, der an einer Hilfsspannungsquelle liegt, die in Reihe zur Betriebsspannungsquelle des positiven Kanals geschaltet ist, und daß als Verstärkerelement für die Kanäle Transistoren mit hoher Spannungsfestigkeit und mittlerer Schaltzeit verwendet sind.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer beispielsweise positiven Hilfsspannung über der eigentlichen beispielsweise positiven Versorgungsspannung des positiven Verstärkerkanals kann im lei- tenden Zustand verhindert werden, daß der Spannungsabfall an der Basis-Emitterstrecke des ersten nachfolgenden Transistors des Verstärkerkanals und der Spannungsabfall an der Kollektor-Emitterstrecke des Hilfstransistors sich auf den Spannungsabfall an der Kollektor-Emitterstrecke des Endtransistors auswirkt. Obwohl der Spannungsabfall nur um 1,5 bis 1 Volt vermindert wird, werden durch die erfindungsgemäße Maßnahme die Verluste an dem Endtransitor um 30 bis 40% verringert. Außerdem wird es durch die positive Hilfsspannung möglich, den Basisstrom des ersten nachfolgenden Transistors des Verstärkerkanals mit einer Diode so zu kontrollieren, daß er vor Erreichung des Sättigungsgebietes des Transistors den Basisstrom begrenzt. Wenn die Spannung an der Anode der Diode über die positive Betriebsspannung steigt, leitet die Diode den weiteren Basisstrom ab und verhindert ein weiteres Ansteigen des Kollektorstroms. Durch diese Maßnahme kann die Abschaltzeit um ein Mehrfaches reduziert werden und damit auf spannungsfestere Treibertransistoren zurückgegriffen werden.

Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens können zwischen dem Operationsverstärker und dem Eingang der Verstärkerkanäle zwei parallel geschaltete Komparatoren angeordnet werden, die durch Einschaltung einer Hilfsspannungsquelle in unterschiedlichen Schwellwert-Bereichen arbeiten.

Bei einer solchen Ausbildung gelangt das mit einer Dreieckschwingung überlagerte amplitudenmodulierte Eingangssignal gleichzeitig in beide Komparatoren. Diese Komparatoren erzeugen jenseits eines bestimmten festen, aber für beide Komparatoren unterschiedlichen Schwellwert der Eingangsspannung ein Ausgangssignal, das jeweils ein impulsbreiten-moduliertes Signal ist. Die beiden impulsbreiten-modulierten Signale unterscheiden sich dadurch voneinander, daß sich die Impulsbreite beider Signale um einen von

der jeweiligen amplitudenmodulierten Eingangsspannung unabhängigen, festen zeitlichen Wert unterscheidet, der abhängig ist von der unterschiedlichen Schwellwertspannung der Komparatoren.

Nach vorheriger Invertierung des einen Signals durchlaufen beide Signale zwei getrennte Kanäle und erscheinen am gemeinsamen Ausgang beider Kanäle als positive bzw. negative Impulse. Am Ausgang erscheinen hintereinander ein positiver und ein negativer Impuls in genau dem zeitlich konstanten Abstand, der durch die unterschiedliche Schwellwertspannung der Komparatoren festgelegt wurde, abzüglich der durch die Transistoren verursachten Impulsverlängerungen durch die Speicherzeit. Durch Variation der Schwellwertspannung kann der zeitliche Abstand der beiden Impulse beliebig verändert werden und damit unterschiedlichen Speicherzeiten angepaßt werden.

Wählt man die Schwellwertspannungen so, daß sich die Impulsbreite beider in den Komparatoren erzeugten Signale gerade um den Wert der Speicherzeit unterscheidet, so ergeben die negativen und positiven Impulse am Ausgang genau ein Signal herkömmlicher Art.

Nachfolgend wird an Hand der Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild des Eingangsteiles der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung und

F i g. 2 den Ausgangsteil der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung, wobei die Eingangsklemmen a und b mit den entsprechenden Ausgangsklemmen a und b der F i g. 1 verbunden sind.

Der Eingangsklemme 1 des Verstärkers wird das zu verstärkende amplitudenmodulierte NF-Eingangssignal zugeführt. Die Eingangsklemme 2 des Verstärkers wird mit einer Dreieckschwingung gespeist, die in bekannter Weise in einem getrennten Bauteil hergestellt werden kann.

Die an den Klemmen 1 und 2 zugeführten Signale gelangen über jeweils einen Kondensator 3 bzw. 4 zur gleichstrommäßigen Entkopplung und über einen Reihenwiderstand 5 bzw. 6 zum invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 7. Der gleiche Eingang des Operationsverstärkers 7 ist über einen Widerstände mit einer negativen Versorgungsspannungsquelle 9 verbunden. Am Operationsverstärker 7 ist eine Siebkette mit einem Kondensator 10 und einem Widerstand 11 angeschlossen, die die Schwingneigung des Operationsverstärkers dämpft. Der Widerstand 12 zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 7 gibt die Verstärkung in Verbindung mit den drei erwähnten Widerständen 5, 6 und 8 an. Der Widerstand 8, welcher mit der negativen Betriebsspannung verbunden ist, bewirkt eine gleichstrommäßige Anhebung des Ausgangssignals und bestimmt damit das Teilverhältnis beider Impulshälften am Ausgang des Gesamtverstärkers. Dieses Verhältnis kann durch Verändern des Widerstandes 8 auf genau 1:1 bei 0 Volt Eingangsspannung eingestellt werden.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 7 gelangt über die beiden Widerstände 13 und 14 zu den Eingängen von zwei Komparatoren 15 und 16. Die beiden Komparatoren 15 und 16 sind gegensinnig angeschaltet, so daß einmal der normale Eingang und einmal der invertierende Eingang gespeist wird. Die Schwellspannung der beiden Komparatoren 15 und 16 ist durch den jeweils anderen Eingang festgelegt. Der zweite Eingang des Komparators 16 liegt an Masse, während der zweite Eingang des Komparators 15 über ein Widerstands-T-Glied mit den Widerständen 17, 18 und 19 an einer positiven Betriebsspannungsquelle 20 liegt. Die Widerstände 17 und 18 liegen in Reihe zwischen Masse und zweitem Eingang des Komparators 15, während der Widerstand 19 am Verbindungspunkt der beiden Widerstände 17 und 18 angeschlossen ist. Die andere Klemme des Widerstandes 19 führt zur positiven Klemme der Spannungsquelle 20, welche, wie lediglich beim Komparator 16 schematisch angedeutet ist, beide Komparatoren 15 und 16 und den Operationsverstärker 7 spannungsmäßig versorgt. Etwas entsprechendes gilt auch für die Versorgungsspannungsquelle 9.

Mit Hilfe der als Spannungsteiler arbeitenden Widerstände 17 und 19 kann durch entsprechende Wahl der Widerstandsgrößen der Schwellwert des Komparators 15 eingestellt werden.

Der Ausgang des Komparators 15 ist über einen Widerstand 21 an die Eingangsklemme α des in F i g. 2 dargestellten Verstärkerteiles angeschlossen.

In entsprechender Weise ist der Ausgang des Komparators 16 über einen Widerstand 22, eine Zener-Diode 23 und einen Transistor 24 mit der in F i g. 2 dargestellten Anschlußklemme B verbunden.

Da die Komparatoren 15 und 16 Rechteckimpulse von beispielsweise + 0,7 Volt und — 3 Volt erzeugen und die negative Leistungsstufe meist erst bei negativen Eingangssignalen ab — 3 Volt leitend wird, ist zwischen dem Ausgang des Komparators 16 und der Anschlußklemme b ein npn-Transistor 24 eingeschaltet, der über die Spannungsquelle 9 an seinem Emitter eine Spannung von beispielsweise — 5 Volt empfängt. Der Basis-Emitterwiderstand 25 des Transistors 24 dient, wie auch alle anderen Basis-Emitterwiderstände der nachfolgenden Transistoren, zur schnellen Ableitung der infolge der Eingangskapazität noch kurze Zeit verbleibenden Ladung an der Basis. Die zwischen dem Ausgang des Komparators 16 und der Basis des Transistors 24 eingeschaltete Zener-Diode 23 von 4,5 Volt gewährleistet, daß der Transistor 24 nur dann schalten kann, wenn auch die volle negative Betriebsspannung vorhanden ist. Außerdem wird hierdurch die Schaltung unempfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen. Die unmittelbar am Ausgang der beiden Komparatoren 15 und 16 liegenden Widerstände 21 und 22 dienen lediglich als Kurzschlußschutz.

Der über einen Widerstand 26 an Masse liegende Kollektor des Transistors 24 liegt über einen Widerstand 27 an der Klemme b der F i g. 2, in der die eigentliche End- und Leistungsstufe dargestellt ist. Die bei α eingehenden positiven Impulse gelangen über einen Widerstand 28 an die Basis eines Transistors 29, der mit seinem Emitter an Masse liegt. In entsprechender Weise gelangen die negativen Impulse an der Klemme b über einen Widerstand 30 an die Basis eines Transistors 31, der ebenfalls mit seinem Emitter an Masse liegt. Die Basen der beiden Transistoren 29 und 31 liegen über Widerstände 32 bzw. 33 an Masse. Da es sich bei dem Transistor 31 um einen pnp-Transistor handelt, ist dessen Basis-Kollektorstrecke über eine Reihenschaltung eines Widerstandes 34 mit einer Diode 35 verbunden. Die Einspeisung der negativen Signale vom Widerstand 30

erfolgt am Verbindungspunkt von Widerstand 34 und Diode 35.

Der Kollektorausgang des Transistors 31 speist eine Transistorenverstärkerkette 36 über einen Widerstand 37. Die Transistorenverstärkerkette 36 ist der nachfolgend noch zu beschreibenden Transistorenverstärkerkette 38 gleich.

Die Transistorenverstärkerkette 38 wird aber nicht unmittelbar vom Transistor 29, sondern über einen Hilfstransistor 39 versorgt. Bei einem positiven Signal in an der Klemme α wird er npn-Transistor 29 leitend und steuert über den Widerstand 40 den pnp-Transistor 39 an. Die Verwendung des pnp-Transistors 39 hat zur Folge, daß in der Transistorenkette 38 die vorteilhafteren npn-Transistoren verwendet werden können. Die Basis-Kollektorstrecke des Transistors 39 ist mit einer Reihenschaltung eines Widerstandes 41 und einer Diode 42 überbrückt, die dafür sorgen, daß der Transistor 39 nicht in den Sättigungszustand kommen kann. Der Widerstand 40 ist mit dem Verbindungspunkt der beiden Bauelemente 41 und 42 verbunden. Der in der Basis-Emitterstrecke des Transistors 39 liegende Widerstand 43, der bei allen verwendeten Transistoren im Hinblick auf die kurzen Schaltzeiten vorgesehen ist, sorgt für einen schnellen Ladungsabbau an der Basis. Bei den Transistoren 29 und 31 entsprechen die Widerstände 32 und 33 dem letzterwähnten Widerstand 43.

Der Kollektor des Transistors 39 steuert über den Widerstand 44 die Transistorenverstärkerkette 38 an der Basis des Transistors 45 an. In entsprechender Weise erfolgt die Ansteuerung der Basis des Transistors 46 in der Verstärkertransistorenkette 36, welche an den Widerstand 37 angeschlossen ist.

Es ist zu beachten, daß die Transistoren 45 und 46, genau wie der Transistor 39 und der Transistor 31, nicht in der Sättigung arbeiten können. Um dies sicherzustellen, befinden sich in der Basis-Kollektorstrecke der Transistoren 45 und 46 Reihenschaltungen mit Widerständen 47, 48 und Dioden 49, 50. Die den Transistoren 45 und 46 nachgeschalteten Transistoren 51, 52 und 53, 54 können damit durch den erhöhten Spannungsabfall an der Kollektor-Emitterstrecke der Transistoren 45 und 46 ebenfalls aus dem Sättigungsgebiet ferngehalten werden, so daß alle Transistoren der Verstärkertransistorenketten 36 und 38 außerhalb der Sättigung arbeiten können.

Die Spannungsversorgung der Transistorenketten 36 und 38 erfolgt über Spannungsquellen 55 und 56, die an ihrem Verbindungspunkt an Masse liegen. Die Spannungsquelle 55 ist mit sämtlichen Kollektoren der Transistoren 45, 51, 52 verbunden und auch mit einer Hilfsspannungsquelle 57, die mit ihrer anderen, nämlich ihrer positiven Klemme, mit dem Kollektor des Transistors 39 verbunden ist. Die Spannungsquelle 56 versorgt den Emitter des Transistors 54. Der Emitter des letzten Transistors 52 der Kette 38 ist mit sämtlichen Kollektoren der Transistoren 46, 53, 54 der Kette 36 und mit dem Ausgang 58 der Verstärkerschaltung verbunden, an dem die Leistung abgenommen werden kann, um beispielsweise einen Lautsprecher 59 od. dgl. zu speisen.

Dieser letztbeschriebene Schaltungsteil arbeitet wie folgt: Wenn an der Klemme α ein positives Signal anliegt, wird über den Widerstand 28 der npn-Transistor 29 angesteuert, der über den Widerstand 40 den PNP-Transistor 39 ansteuert. Wenn der PNP-Transitor39 leitend ist, wird die Hilfsspannung aus der Spannungsquelle 57 über den Widerstand 44 der Basis des Transistors 45 zugeführt. Über den Transistor 45 werden auch die nachfolgenden Transistoren 51 und 52 leitend und es wird die Ausgangslast 59 mit der positiven Betriebsspannung 55 verbunden.

Die Hilfsspannung der Spannungsquelle 57 ist so gewählt, daß sie mindestens das Spannungsgefälle zwischen dem Kollektor und Emitter des Hilfstransistors 39 und das Spannungsgefälle zwischen Basis und Emitter des Transistors 45 kompensiert.

Bei Anlegen von negativen Impulsen an der Klemme b erscheint in analoger Weise ein negativer Ausgang an der Ausgangslast 59.

Wie schon erwähnt, leiten die Dioden 49 und 50 an den beiden Transitoren 45 und 46 weiteren Basisstrom ab, kurz bevor die Transistoren in die Sättigung geraten. Auf diese Weise wird die Speicherzeit der Transistoren aufgehoben.

Die beiden in der Kollektor-Emitterstrecke der Transistoren 52 und 54 liegenden Dioden 60 und 61 dienen zur Ableitung von Rückspannungen bei induktiver Last, die beispielsweise bei Lautsprechern nicht auszuschließen ist.

Bei einer praktischen Verwirklichung der erfindungsgemäßen Schaltung wurde bei einer Versorgungsspannung von ± 45 Volt und einem Ausgangsstrom von 10 Ampere eine Ausgangsleistung von über 400 Watt bei einer Schaltfrequenz von 80 kHz und einem Wirkungsgrad von über 90% erzielt. Bei Verwendung von zwei weiteren Endtransistoren vom Typ 2 N 6032 der Firma RCA konnte der Ausgangsstrom verfünffacht werden, entsprechend einer Ausgangsleistung von 2000 Watt.

Eine weitere Vervielfachung der Leistung läßt sich durch eine alleinige Vervielfachung der in F i g. 2 dargestellten eigentlichen End- und Leistungsstufe erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Niederfrequenzverstärker, welcher das amplitudenmodulierte niederfrequente Eingangssignal durch Überlagerung mit einer Dreieckschwingung über einen Operationsverstärker und einem nachgeschalteten Komparator in ein impulsbreitenmoduliertes Signal umformt und die positiven und negativen Anteile des impulsbreiten-modulierten Signals in getrennten transistorisierten Kanälen verstärkt, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden von der komplementären Eingangsstufe (29, 31) gesteuerten positiven und negativen Verstärkerkanälen (38, 36) npn-Transistoren verwendet sind, daß zwischen dem npn-Eingangstransistor (29) und dem ersten npn-Transistor(45) des positiven Kanals (38) ein pnp-Transistor (39) angeordnet ist, der an einer Hilfsspannungsquelle (57) liegt, die in Reihe zur Betriebsspannungsquelle (55) des positiven Kanals geschaltet ist, und daß als Verstärkerelement für die Kanäle Transistoren mit hoher Spannungsfestigkeit und mittlerer Schaltzeit verwendet sind.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannung (57) der Basis des ersten nachgeschalteten Transistors (45) über einen Vorwiderstand (47) zugeführt wird, der eingangsseitig über eine Diode (49) mit dem Kollektor des gleichen Transistors (45) verbunden und so groß gewählt ist, daß der angeschlossene Transistor (45) nicht in die Sättigung kommen kann.

3. Verstärker nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung des Eingangstransistors (29) der Basis des Hilfstransistors (39) über einen Vorwiderstand (41) zugeführt wird, der eingangsseitig über eine Diode (42) mit dem Kollektor des Hilfstransistors (39) verbunden und so groß gewählt ist, daß der Hilfstransistor (39) nicht in die Sättigung kommen kann.

4. Verstärker nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Operationsverstärker (7) und dem Eingang der Verstärkerkanäle (a, b) zwei parallel geschaltete Komparatoren (15, 16) angeordnet sind, die durch Einschaltung einer Hilfsspannungsquelle (20) in unterschiedlichen Schwellwert-Bereichen arbeiten.