DE2304162C3 - Elektronischer Verstärker mit hohem Wirkungsgrad bzw. geringer elektrischer Verlustleistung - Google Patents

Description

a) das Eingangssignal im wesentlichen nur auf jeweils eine Verstärkerstufe wirkt und daß diese Stufe dann auch im wesentlichen den Laststrom führt,

b) die Ausgangsspannung bestimmend ist, an welcher Verstärkerstufe das Eingangssignal wirksam wird (s. Fig. 1),

c) dann, wenn eine Verstärkerstufe in Sättigung gerät, das Eingangssignal auf die folgende Verstärkerstufe geschaltet wird, d. h. auf diejenige Stufe, die mit der nächsthöheren Betriebsspannung versehen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Zusammenfassung zweier solcher Verstärker zu einer symmetrischen Gegentaktanordnung, indem deren Ausgänge parallelgeschaltet werden und deren Eingänge von jeweils einer Halbwelle des Eingangssignals angesteuert werden.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsstrom hin von der (Leistungs-)Verstärkerstufe T₁ auf die Stufe Tt₊₁ durch einen Transistor-Differenzverstärker Tt₁, Tt₂ (unipolar oder bipolar aufgebaut) umgeschaltet wird, daß die Basis von Tt₂ über ein Dioden-Widerstandsnetzwerk mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, während die Basis von T_(l auf ein festes Potential geklemmt ist, das den Umschaltzeitpunkt bestimmt, daß der Kollektor von Tt₁ verbunden ist mit dem Eingang von T_it der Kollektor von Tt₁ mit dem Emitter von Γ_(ί+1)1 und Γ((_+ι)2 für / < /j-2, der Kollektor von T_in-_l)2 mit dem Eingang von T_n, und daß die Eingangsstromquelle mit dem Emitter von T_n und T₁₂ zusammengeschaltet ist (1 < / < n— 1), s. Fig. 2.

4. Verstärker nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Zusammenfassung zweier Verstärker zu einem komplementär-symmetrischen Gegentakt-Verstärker, indem deren Ausgänge parallelgeschaltet werden und deren Eingänge von einem komplementären Transistorpaar in Gegentakt-Basisschaltung angesteuert werden (s. Fig. 3).

5. Verstärker nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen (Leistungs-)Vcrstärkerstufen Ti selbst mehrstufige Transistorverstärker sind, die mit unipolaren und/oder bipolaren Transistoren _g aufgebaut sein können (z. B. in Darlingtonschaltung), 1 < / < /j.

Die Erfindung betrifft elektronische Verstärker mit ihem Wirkungsgrad bzw. geringer elektrischer Verstleistung, derart, daß die Ausgänge mehrerer Verirkerstufen mit unterschiedlicher, aber progressiv zunehmenden Betriebspannung parallelgeschaltet sind und im wesentlichen jeweils nur eine Verslärkerstufe den Laststrom führt. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Verstärkern mit sehr hoher Ausgangsleistung und bei vollständig integrierten Leistungsverstärkern.

Die Herstellung von kompakten und billigen transistorisierten Leistungsverstärkern wird zur Zeit im wesentlichen durch zwei Probleme behindert. Es sind dies zum einen die Größe der erforderlichen Kühlkörper für die Leistungstransistoren, zum anderen dis Größe und das Gewicht des Stromversorgungsteile bzw. des Netzteils. Das letztere Problem läßt sich mittels sogenannter Schaltnetzteile gut lösen, während das erstere ein Problem des Wirkungsgrades ist und zur Zeit noch nicht auf eine allgemein befriedigende Weise gelöst werden kann. So besitzen z. B. Gegentaktverstärker in Klasse-B Einstellung^ theoretisch einen Wirkungsgrad ν {P_a) = π/4 · \' Pa/Pmax (P_a = Ausgangsleistung, Pmax = max Ausgangsleitung des Verstärkers). Dies hat unter anderem zur Folge, daß der Kühlkörper für einen solchen Verstärker mit einer max Ausgangsleistung von z. B. 100 Watt in Praxi für mindestens 40 Watt abzuführender Wärme ausgelegt sein muß.

Es ist nun bekannt, daß es im wesentlichen nur zwei Verstärker gibt, die einen höheren Wirkungsgrad besitzen. Es sind dies einmal die sogenannten Schaltverstärker (PDM-Verstärker, D-Verstärker usw.) und zum anderen Verstärker, die sich ganz allgemein dadurch charakterisieren lassen, daß der Laststrom nacheinander oder gleichzeitig von Stromquellen (z. B. Batterien) mit unterschiedlicher Spannung geliefert wird, insbesondere benötigt ein solcher Verstärker also mehr als zwei Betriebsspannungen, während Schaltverstärker und Gegentakt-B Verstärker genau zwei Betriebsspannungen benötigen. Jedoch werden die Leistungsverstärkerelemente bei einem solchen Verstärker in einer ähnlichen Weise betrieben, wie diejenigen eines Gegentakt-B Verstärkers, nämlich stetig bzw. linear, während die Verstärkerelemente eines Schaltverstärkers bekanntlich im Schaltbetrieb eingesetzt werden. (Bei Wahl einer geeigneten mechanischen Analogie entspricht der Schaltverstärker etwa dem Preßlufthammer, während das andere Verstärkerprinzip als eine Art automatisches Getriebe aufzufassen ist.)

Dieses .Verstärkerprinzip — Zusammenschaltung von mehreren Verstärkern mit unterschiedlicher Betriebsspannung — ist nun in der Lage, die Vorteile eines üegentakt-B Verstärkers mit dem hohen Wirkungsgrad eines Schaltverstärkers zu verknüpfen.

Insbesondere wird der hohe Wirkungsgrad ohne die Verwendung von aufwendigen und damit teuren reaktiven Bauelementen (Spulen und Kondensatoren) erreicht, wie dies beim Schaltverstärker ja notwendigerweise der Fall ist.

Es gibt nun grundsätzlich zwei Möglichkeiten, ein solches Verstärkerprinzip zu realisieren: entweder man schaltet alle Verstärkerstufen in Reihe (wobei natürlich die Betriebsspannungshöhe der einzelnen Verstärkerstufen die Reihenfolge der Zusammenschaltung bestimmt) oder man schaltet die Ausgänge aller Verstärkerstufen parallel. Die letzte Möglichkeit wird z. B. in dem Verstärker gemäß der USA.-Patentschrift 3 579 136 genutzt. Um das allgemeine Problem der Aussteuerung und Umschaltung der einzelnen Verstärkerstufen bei einem Verstärker dieser Art zu lösen

^es soll ja jeweils nur eine Verstärkerstufe den Laststrom führen, weil dies die Bedingung für minimale Verlustleistung des Verstärkers ist), wird in dieser Patentschrift vorgeschlagen, die Eingänge aller einzelnen Verstärkerstufen parallelzuschalten und deren Arbeitspunkte so zu staffeln, daß das Eingangssignal eine Verstärkerstufe gerade dann einschaltet, wenn die vorherige Stufe, d. h. die Stufe mit der nächstniedrigeren Betriebsspannung in Sättigung gerät.

Ein derartiges Vorgehen ist aber praktisch nur bei abgestimmten H F-Leistungsverstärkern möglich. Bei anderen Anwendungsgebieten führt es zu untragbaren Nachteilen. So ist z. B. die erhoffte Wirkungsgraderhöhung stark von der Verstärkeraussteuerung und der Größe des Lastwiderstandes abhängig. Außerdem wird die Linearität bzw. Verzerrungsfreiheit des Verstärkers durch das eben beschriebene Verfahren der Umschaltung der einzelnen Verstärkerstufen stark verschlechtert, bei der Umschaltung selbst entstehen Unregelmäßigkeiten und Störspannungen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Problem der Aussteuerung bzw. Umschaltung der einzelnen Verstärkerstufen eines Verstärkers der beschriebenen Art so zu lösen, daß der Wirkungsgradgewinn unabhängig von der Verstärkeraussteuerung und der Größe des Lastwiderstandes ist und daß trotz Umschaltung der einzelnen Verstärkerstufen eine gute Linearität des gesamten Verstärkers gewährleistet bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung ausgehend von einem Verstärker der eingangs erwähnten Ausbildung vorgeschlagen, das Eingangssignal selbst von Stufe zu Stufe umzuschalten, dabei dient die Verstärkerausgangsspannung als Umschaltkriterium. Genauer gesagt, soll das Eingangssignal im wesentlichen nur auf jeweils eine Verstärkerstufe wirken und diese Stufe soll dann auch im wesentlichen den Laststrom führen, die Ausgangsspannung soll bestimmen, an welcher Verstärkerstufe das Eingangssignal wirksam wird und dann, wenn eine Verstärkerstufe in Sättigung gerät, soll das Eingangssignal auf die folgende Verstärkerstufe geschaltet werden, d. h. auf diejenige Stufe, die mit der nächsthöheren Betriebsspannung versehen ist (s. Fig. 1, das Blockschaltbild der Erfindung).

Um das Verständnis zu erleichtern, sei nun die Wirkungsweise des erfindungsmäßigen Verstärkers an Hand des Blockschaltbildes in Fig. 1 erläutert. Die eingezeichneten Transistoren T₁ bis Tn repiäsenticren die einzelnen Verstärkerstufen. Jeder Verstärkerstufe Ti ist eine Batterie mit der Betriebsspannung Ut und ein Gate ι zugeordnet. Für die Betriebsspannungen gilt U₁ < U₁ < U_n und U₁ < £/,·+„ 1 < / < N. Wenn das i'-te Gate geöffnet ist, wirkt das Eingangssignal auf die Stufe Tt. Da im wesentlichen nur jeweils ein Gate geöffnet ist, wirkt das Eingangssignal nur auf jeweils eine Stufe und diese Stufe führt dann den Laststrom. Nehmen wir an, die Verstärkerausgangsspannung an Rla st ist wesentlich kleiner als U₁, dann ist das 1 -te Gate geöffnet und T₁ führt den Laststrom. Falls nun die Spannung an Rlast so groß wird, daß T₁ in Sättigung gerät, dann sperrt der Pulshöhenanalysator das Gate 1 und öffnet Gate 2, dadurch wirkt das Eingangssignal auf T₁ und diese Stufe führt nun den Lasstrom, während T_x zum Laststrom nichts mehr beiträgt. Zusammenfassend läßt sich die Funktion des Pulshöhenanalysators folgendermaßen charakterisieren 1. es ist im wesentlichen nur ein Gate geöffnet

2. das /-te Gate ist geöffnet, wenn

l'i-j < Ua<Ui (U₀ = —oo)

3. nie Hysterese des Pulshöhenanalysators und die Umschaltgeschwindigkeit zweier aufeinanderfolgender Gates ist derart eingestellt, daß die Übergangsverzerrungen zwischen den einzelnen Verstärkerstufen Ti minimal werden.

Der letzte Punkt ist insofern wichtig, als in Praxi die einzelnen Verstärkerstufen Ti eine relativ niedrige Grenzfrequenz haben und daher nicht in der Lage sein werden, sehr schnelle Eingangssignale zu verarbeiten. Bedingt durch die Tatsache, daß der Umschaltzeitpunkt der einzelnen Verstärkerstufen völlig unabhängig vom Eingangssignal ist, ist es beim erfindungsmäßigen Verstärker daher möglich, eine starke überaifes Gegenkopplung einzuführen, ohne daß dadurch der Wirkungsgrad des Verstärkers beeinträchtigt wird.

_ao Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verstärkers ist es, daß an jeder einzelnen Verstärkerstufe nur diejenigen Teile des Eingangssignal anliegen, die diese Stufe in den Leitzustand steuern. Insbesondere wird also keine Verstärkerstufe vom Eingangssignal in

„ Sperrichtung gepolt, wie dies etwa bei Parallelschaltung aller Stufeneingänge der Fall wäre. Damit werden die sogenannten »Übergangsverzerrungen« völlig vermieden, wie sie z. B. in jedem gewöhnlichen Gegentakt-B Verstärker auftreten. Wenn man nämlich durch jede Verstärkerstufe einen geringen Ruhestron: fließen läßt, dann wird keine Stufe im nichtlinearen Kennlinienbereich, d. h. unterhalb des Ruhestrompegels, ausgesteuert. Damit ist also die wirksame Kennlinie einer jeden Verstärkerstufe weitgehend linear. Außerdem

3j vermeidet man dadurch das besonders bei bipolaren Transistoren lästige Umladen der Basis-Emitter Sperrschicht, das für Nichtlinearitäten und Verzögerungseffekte beim Umschalten von Transistoren hauptsächlich verantwortlich ist. Die Aussteuerung jeder Stufe nur mit unipolaren Signalen trägt also zur Verzerrungsarmut des gesamten Verstärkers entscheidend bei. Die Vorteile des erfindungsmäßigen Verstärkers lassen sich dahingehend zusammenfassen, daß er trotz eines ähnlich hohen Wirkungsgrades wie ihn der Schaltverstärker besitzt, ähnlich verzerrungsarm ist wie ein Gegentakt-B Verstärker. Er benötigt keine komplizierten Filterschaltungen und läßt sich daher vollintegriercn, was für alle bisher bekannten Verstärker mit einem höheren Wirkungsgrad als Gegentakt-B Verstärker nicht zutrifft.

Das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verstärkers läßt sich leicht zu einer symmetrischen Gegentaktanordnung erweitern, ebenso, wie dies bei einem üblichen Verstärker erfolgen würde.

Zweckmäßigerweise schaltet man hierbei die Eingänge zweier solcher symmetrisch angeordneten Verstärker nicht parallel, sondern steuert jeden Verstärker nur mit der zugehörigen Halbwelle des Eingangssignals.

uie Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 2 das Schaltbild eines Transistor-Eintakt-Verstärkers im Sinne der Erfindung und
Fig. 3 das Schaltbild eines Gegentakt-Verstärkers in Klasse B-Einstellung im Sinne der Erfindung.

Erläuterungen zu Fig. 2: T₁, T₂, ... 7* stellen die parallelgeschaltelen Verstärkerstufen dar (es ist nur

T₁, T₂ eingezeichnet). Die Kombination Γ;,, Γ;₂ (Differenzverstärker) übernimmt hier die Funktion des /-ten Gates und des Pulshöhenanalysators. Die eingezeichneten Dioden schützen die Transistoren vor unerwünschten Durchbrüchen. Falls nun die Ausgangsspannung am Lastwiderstand Riast wesentlich kleiner ist als diejenige an der Basis von T_n, so ist T₁₂ gesperrt und der gesamte Eingangsstrom des Verstärkers fließt durch T_n und steuert somit T₁, der den gesamten LaGtstrom liefert, da T₂, T₃ usw. alle nicht angesteuert werden. Falls die Verstärkerausgangsspannung so hoch ist wie diejenige an der Basis von T_n, fließt nun rund die Hälfte des Eingangsstroms durch T₁₂ und steuert somit T₂, da T₂₂ noch gesperrt ist. T₁ und T₂ tragen jetzt zum Laststrom gleich viel bei. Steigt die Ausgangsspannung weiter an, wird T_n ganz gesperrt und T₂ liefert den gesamten Laststrom. Der Umschaltvorgang von T₂ zu T₃ verläuft völlig analog. Die Umschaltpunkte werden durch die Spannung an den Basen von Ti₁ bestimmt (/' = 1,2 ... jV).

Der Gegentaktverstärker in Fig. 3 ist von dem Eintaktverstärker in Fig. 2 abgeleitet. Der Übersicht wegen sind nur 4 parallelgeschaltete Verstärker eingezeichnet. Ein komplementäres Transistorpaar T, T' in Gegentakt-Basisschaltung leitet jedem Verstärkerblock die zugehörige Halbwelle des Eingangssignals zu, d. h. dem »oberen« Verstärkerblock die »untere« Halbwelle und dem »unteren« Verstärkerblock die »obere« Halbwelle des Eingangssignals.

Es ist hierbei zweckmäßig, für die Transistoren 7", 7", Tt₁, Ti₂ Kleinieistungstypen mit einer sehr hohen Grenzfrequenz zu wählen, insbesondere sollten die Kapazitäten zwischen den einzelnen Elektroden sehr gering sein. Bei höheren Frequenzen verwendet man für T, 7", Ti₁, Ti₂ vorteil hafterweise unpolare Transistortypen. Die Forderung nach einer hohen Grenzfrequenz für diese Transistoren führt dazu, daß die Verstärkerstufen T_f eine sehr hohe Leistungsver-Stärkung aufweisen müssen. Daher wird man unter anderem die Stufen Ti selbst mehrstufig und mit lokaler Gegenkopplung aufbauen (z. B. in Garlingtonschaltung). Wie schon erwähnt, ist es dabei vorteilhaft, jede Verstärkerstufe Ti mit einem geringen Ruhestrom

ίο auszustatten, im wesentlichen aus denselben Gründen, wie dies bei einem üblichen Gegentakt-B Verstärker auch geschieht.

Die in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 gewählte Art der Umschaltung der Verstärkerstufen Ti weist zwei besondere Vorteile auf. Zum Einen wird die Größe des Laststroms von der Umschaltung kaum beeinflußt. Zum Anderen ist die Geschwindigkeit der Umschaltung direkt proportional der Frequenz des Eingangsstroms. Da die Summe der Kollektorströme von Ti₁ und Ti₂ gleich dem Eingangsstrom des Verstärkers ist, ist auch die Summe der Kollektorströme von Ti und Tn₁ (= Laststrom) direkt proportional dem Eingangsstrom, weil die Übertragungsfaktoren von Ti und T^₁ durch lokale Stromgegenkopplung annähernd gleich sind. Daher ist der Laststrom unabhängig von der Umschaltung der einzelnen Verstärkerstufen Ti.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß es beim erfindungsgemäßen Verstärker besonders einfach und naheliegend ist, eine wirkungsvolle Leistungsbegrenzerschaltung einzufügen. Es genügt vollständig, die Verstärkerstufen mit den höheren Betriebsspannungen aul irgendeine Weise unwirksam zu machen, z. B. durch Unterdrückung des Steuersignals für diese Stufen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I. Elektronischer Verstärker mit hohem Wirkungsgrad bzw. geringer elektrischer Verlustleistung, derart, daß die Ausgänge mehrerer Verstärkerstufen (genauer: η Verstärkerstufen, η > 2) mit unterschiedlicher, aber progressiv zunehmenden Betriebsspannung parallelgeschaltet sind und im wesentlichen jeweils nur eine Verstärkerstufe den Laststrom führt, dadurch gekennzeichnet, daß