DE2319824A1 - Gegentaktverstaerkerschaltung - Google Patents

Description

MDCrRCA 6597OA 13.April 1973

GB-PA 19338/72 7537-73 Dr.ν.Β/Ε

Filed: April 26, 1972

RCA Corporation

New York N.Y. (V.St.A.)

Gegentaktverstarkerschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft Gegentaktverstärkerschaltungen mit geregeltem Ruhestrom.

Bei Gegentaktverstärkerschaltungen, wie quasi-

komplementärsymmetrischen Transistorverstärkerschaltungen, können Schwankungen der Betriebsspannung oder der Temperatur der Transistoren eine Verschiebung des Gleichstromarbeitspunktes des Verstärkers verursachen, was zu einem nicht^Linearen Arbeiten des Verstärkers und Verzerrungen in den verstärkten Signalen führt. Dies tritt ein, wenn sich der Ruhestrom infolge von Speisespannungsschwankungen oder Temperaturschwankungen ändert.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, solche Verzerrungen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Eine Gegentaktverstarkerschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält eine Ruhe-

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stromregelschaltung, die den Ruhestrom unabhängig von Schwankungen der Speisespannung im wesentlichen konstant hält. Die Hauptstromstrecken zweier Transistoren sind in Reihe geschaltet und mit einer Betriebsspannungsquelle gekoppelt. Der Hauptstromstrecke des ersten dieser Transistoren ist eine Stromabgreif schaltung in Reihe geschaltet, welche zwei Richtleiter (Bauelemente, die den Strom ausschließlich oder bevorzugt in nur einer Richtung leiten), welche durch eine Impedanzanordnung überbrückt sind, enthält. Eine Elektrode der Hauptstromstrecke eines dritten Transistors ist mit der Impedanzanordnung gekoppelt und die andere Elektrode mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors. Die Steuerelektrode des dritten Transistors ist mit der.Verbindung der beiden Richtleiter gekoppelt und wird durch ein Signal gesteuert, das der erste Transistor erzeugt, um das Leiten des zweiten Transistors zu steuern und den Ruhestrom im ersten Transistor im wesentlichen konstant zu halten, wenn der zweite Transistor Laststrom führt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der

Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Gegentaktverstärkerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 3 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispieles der Erfindung.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein quasi-komplementärsymmetrischer Verstärker mit automatischer Ruhestromregelung dargestellt. Der Verstärker hat eine Eingangsklemme 11, der von einer nicht dargestellten

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Eingangssignalquelle ein Eingangssignal zugeführt wird, das beispielsweise als Sinusschwingung 10 dargestellt ist. Die Eingangsklemme 11 ist mit der Basiselektrode eines Transistors 12 verbunden. An die Basiselektrode des Transistors 12 ist außerdem die Verbindung zweier in Reihe geschalteter Widerstände 13 und 14 angeschlossen, die zwischen einer Betriebsspannungsklemme +V und Masse liegen und zur Basisvorspannung dienen. Die Kollektorelektrode des Transistors 12 ist über zwei in Reihe geschaltete Dioden 15 und 16 mit der Betriebsspannungsklemme +V gekoppelt. Den Dioden 15 und 16 ist ein Widerstand 17 parallel geschaltet. Die Emitterelektrode des Transistors 12 ist mit einer Verstärkerausgangsklemme 22 und der Kollektorelektrode eines Transistors 21 gekoppelt,dessen Emitterelektrode an Masse liegt. Die Ausgangsklemme 22 ist ferner über einen Kopplungskondensator 23 mit einem Verbraucher verbunden, der als Widerstand 24 dargestellt!st und mit seiner anderen Klemme an Masse liegt. Mit der Kollektorelektrode des Transistors 12 ferner die Emitterelektrode eines Transistors 18 verbunden, der als Verstärker in Basisschaltung arbeitet und mit seinem Kollektor an die Basis des Transistors 21 angeschlossen ist. Die Basiselektrode des Transistors 18 ist über einen Widerstand 20 mit Masse und über eine Diode 19 mit der Verbindung der Dioden 15 und 16 gekoppelt»

Für die Erläuterung der Arbeitsweise des beschriebenen Gegentaktverstärkers sei zuerst angenommen, daß dem Transistor 12 keine Eingangssignale zugeführt werden. Die Dioden 16 und 19 sowie der Widerstand 20 erzeugen eine Vorspannung für die Basiselektrode des Transistors 18, die diesen leiten läßt. Der Strom in der Hauptstromstrecke des Transistors 18 wird durch den Wert des Widerstandes 17 bestimmt. Der im Transistor 18 fließende Strom steuert seinerseits den Transistor 21, welcher einen Ruhestromweg für den Transistor 12 bildet. Der Ruhestrom der Transistoren 12 und 21 (Ausgangstransistorsn ) wird dem Betrag nach also durch das Leiten des

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Transistors 18 bestimmt und fließt von der Betriebsspannungsklemme +V durch die den Widerstand 17 sowie die Hauptstromstrecke der Transistoren 12 und 21 enthaltende Schaltung nach Masse.

Wenn ein Eingangssignal in Form der Sinusschwingung 10 an der Eingangsklemme 11 liegt, bewirkt die positive Halbwelle der Sinusschwingung 10 daß der Transistor 12 Laststrom führt und den Kondensator 23 mit der eingezeichneten Polarität auflädt. Wenn der Laststrom des Transistors 12 den Ruhestrom übersteigt, entsteht an den Dioden 15 und 16 sowie am Widerstand 17 eine Spannung, die gleich dem Spannungsabfall an den beiden Dioden ist. Unter diesen Bedingungen nimmt dann die Spannung an der Emitterelektrode des Transistors 18 zu, so daß sie ungefähr gleich der Spannung an der Basiselektrode dieses Transistors wird und dieser wird dadurch gesperrt, was wiederum zur Sperrung des Transfetors 21 führt.

Wenn der Laststrom des Transistors 12 unter den Wert des Ruhestroms fällt, leitet der Transistor 18 und damit auch der Transistor 21 wieder. Während des negativen Teiles des als Sinusschwingung 10 dargestellten Eingangssignals arbeitet der Transistor 12 als Spannungsfolger und das Steuersignal wird von der Kollektorelektrode des Transistors 12 über den Transistor 18 zur Basiselektrode des Transistors 21 übertragen, der dadurch ausgesteuert wird und Laststrom vom Kondensator 23 und Widerstand 24 leitet.

Der den Transistor 21 insgesamt durchfließende Strom ist also der Laststrom zuzüglich des Ruhestroms des Transistors 12. Während der maximale Laststrom durch den Transistor 21 fließt, wird der Ruhestrom des Transistors 12 etwas durch den den Transistor 18 durchfließenden Steuerstrom herabgesetzt, der sich vom Ruhestrom des Transistors 12 subtrahiert. Der durch den Transistor 18 fließende Steuerstrom ist

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jedoch verglichen mit dem Ruhestrom verhältnismäßig klein und der den Transistor 12 durchfließende Ruhestrom bleibt daher während der Halbwelle des Eingangssignales (Sinusschwingung 10) _f die den Transistor 21 Laststrom führen läßt, im wesentlichen konstant.

Die Diode 19 dient zur Temperaturkompensation

des Emitter-Basis-Oberganges des Transistors 18 und gewährleistet dadurch ein konstantes Leiten des Transistors 18 und hierdurch einen konstanten Ruhestrom im Transistor 12 unabhängig von Schwankungen der Speisespannung +V und des Gleichstromarbeitspunktes des Transistors 12.

Fig. 2 ist das Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispieles eines quasi-komplementärsymmetrischen Verstärkers gemäß der Erfindung. Schaltungselemente der Fig. 2, die in der Wirkung Schaltungselementen in Fig. 1 entsprechen, tragen dieselben Bezugszeichen wie diese, Das als Sinusschwingung 10 dargestellte Eingangssignal wird wieder einer Eingangsklemme zugeführt und über einen Kopplungskondensator 27 auf die Basiselektrode eines Transistors 28 gekoppelt. Die Signale werden dann durch einen Transistor 30 weiter verstärkt und von dessen Kollektorelektrode der Basiselektrode eines Treibertransistors 32 zugeführt. Die Emitterelektrode des Treibertransistors 32 ist mit der Basiselektrode des Transistors 12 der Endstufe gekoppelt. Die Vorspannung für den Transistor 28 wird durch Widerstände 25, 13 und 14 erzeugt, die zwischen eine Betriebsspannungsklemme +V und Masse geschaltet sind. Zwischen die Verbindung der Widerstände 25 und 13 einerseits und Masse andererseits ist ein zur Entkopplung dienender Kondensator 26 geschaltet. Zwischen die Emitterelektrode des Transistors 12 und Masse sind zwei Widerstände 33 und 34 geschaltet, deren Verbindung mit der Basiselektrode des Transistors 12 und der Emitterelektrode des Treibertransistors 32 gekoppelt ist und eine Vorspannung für den Transistor 12 liefert. Die Emitterelektrode

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des Transistors 12 mit einer Verstärkerausgangsklemme 22 und der Kollektorelektrode des zweiten Endstufen-Transistors 21 verbunden, dessen Emitter an Masse liegt. Die Kollektorelektrode des Transistors 12 ist über zwei in Reihe geschaltete Dioden 15 und 16 mit der Betriebsspannungsklemme +V verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors 12 ist ferner über eine Kopplungsschaltung mit einem Widerstand 35 und einem Kondensator 36 an die Emitterelektrode des Transistors 28 angeschlossen, der als Verstärker in Basisschaltung arbeitet. Den Dioden 15 und ist ein Widerstand 17 parallel geschaltet, der den den Transistor 18 durchfließenden Strom bestimmt. Zur Entkopplung des Transistors 18 ist ein Kondensator 37 vorgesehen, der zwischen die Basiselektrode dieses Transistors und die Betriebsspannungsklemme +V geschaltet ist. Die Vorspannung für die Basiselektrode des Transistors 18 wird von der Verbindung einer Diode 19 und eines Widerstandes 20 abgenommen, die in Reihe miteinander zwischen die Verbindung der Dioden 15 und 16 einerseits und Masse andererseits geschaltet sind. Die Kollektorelektrode des Transistors 18 ist über Widerstände 38 und 39 mit Masse verbunden. Die vom Transistor 18 erzeugten Signale werden von der Verbindung der Widerstände 38 und 39 auf die Basis eines Treibertransistors 40 gekoppelt. Die Emitterelektrode des Treibertransistors 40 liefert ein Steuersignal an die Basiselektrode des Transistors 21 der Endstufe. Zwischen den Emitter des Transistors 40 und Masse ist ein Widerstand 41 geschaltet, an dem die AusgangssigraLe des Transistors 40 auftreten.

Die Ausgangsklemme 22 des Verstärkers ist über einen Kopplungskondensator 23 mit einem Verbraucher gekoppelt, der als zwischen den Kondensator 23 und Masse geschalteter Widerstand 24 dargestellt ist. Zwischen die Ausgangsklemme 22 und die Verbindung des Widerstands 29 mit der Emitterelektrode 2& ist ein Widerstand 42 geschaltet, der zur Gegenkopplung dient und ein lineares Arbeiten des Verstärkers gewährleistet.

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Bei der folgenden Erläuterung der Arbeitsweise der eben beschriebenen Schaltungsanordnung soll zuerst angenommen werden, daß an der Eingangskleinme 11 kein Signal liegt. Die Transistoren 12, 18, 40 und 21 leiten und der Transistor wird durch die von den Dioden 16 und 19 sowie dem Widerstand erzeugte Vorspannung in Flußrichtung vorgespannt. Der Widerstand 17. bestimmt den den Transistor 18 durchfließenden Strom, welcher den Treibertransistor 40 steuert, welcher wiederum den Transistor 21 leiten läßt. Auf diese Weise wird der Ruhestrom durch die Transistoren 12 und 21 eingestellt. Wenn nun der Eingangskleirane 11 ein Eingangssignal, z.B. die Sinusschwingung 10, zugeführt wird, leitet der Transistor 12 während der positiven Teile der Eingangssignale, die seiner Basiselektrode über die Transistoren 28 und 30 sowie den Treibertransistor 32 zugeführt werden, stark und lädt den Kondensator 23 mit der eingezeichneten Polarität durch einen Strom von der Betriebsspannungsklemme +V auf. Wenn der Signalstrom im Transistor 12 den Ruhestrom übersteigt, wird die an den Dioden 16 und 15 entstehende Spannung der Emitterelektrode des Transistors 18 zugeführt und dieser dadurch gesperrt. Wenn der Transistor 18 aufhört zu leiten, werden auch die Transistoren 40 und 21 gesperrt.

Wenn der Signalstrom im Transistor 12 während

der negativen Teile der Eingangssignale, z.B. der Sinusschwingung IO, unter den Ruhestromwert absinkt, wird der Transistor 18 wieder in Flußrichtung vorgespannt und leitend gemacht. Wenn der Transistor 18 Strom führt, werden auch die Transistoren 40 und 21 wieder leitend gemacht. Bei leitendem Transistor 21 wird der den Transistor 12 durchfließende Ruhestrom während der gesamten Halbwelle, die der Transistor 21 Laststrom führt, verhältnismäßig konstant gehalten. Während des negativen Teiles des Eingangssignals (Sinusschwingung 10) fließt der Laststrom vom Kondensator 23 durch den Transistor 21 nach Masse. Da der Transistor 12 während des negativen Teiles des Eingangssignales

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wegen des ihn durchfließenden Ruhestroms leitend bleibt, arbeitet er als Spannungsfolger für das seiner Basiselektrode zugeführte Signal. Dieses Signal wird dann von seiner Kollektorelektrode über die Kopplungsschaltung aus dem Widerstand 35 an dem ihn überbrückenden Kondensator 36 der Emitterelektrode des Transistors 18 zugeführt. Der Transistor 18 verstärkt die Signale, die dann über den Widerstand 38 zur Basis des Transistors 40 und von der Emitterelektrode des Transistors 40 zur Basis des Transistors 21 gelangen, so daß sie den Fluß des Laststromes durch diesen Transistor während der negativen Teile des Eingangssignales bestimmen.

Ähnlich wie bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 wird der den Transistor 12 durchfließende Ruhestrom durch den den Transistor 18 durchfließenden Steuerstrom etwas herabgesetzt. Der Steuerstrom im Transistor 18 ist jedoch verhältnismäßig klein verglichen mit dem Ruhestrom des Transistors 12 und der Ruhestrom bleibt daher im wesentlichen konstant. Da der Ruhestrom im Transistor 12 durch den Stromfluß im Transistor 18 bestimmt wird, ist er unabhängig von Schwankungen der Speisespannung +V oder der Betriebsgleichspannung an seiner Basiselektrode. Die Diode 19 im Vorspannungsstromkreis des Transistors 18 dient ferner dazu, den Einflüssen von Temperaturänderungen auf den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 18 entgegenzuwirken und die Stabilisierung des Ruhestroms in den Transistoren 12 und 21 zu unterstützen.

Bei der Beschreibung der Verstärker gemäß Figur 1 und 2 wurden die Eingangssignale beispielsweise als Sinusschwingungen vorausgesetzt, dies ist selbstverständlich nicht einschränkend auszulegen, da die Schaltungsanordnungen selbstverständlich auch mit anderen Eingangssignalen betrieben werden, sie eignen sich also z.B. auch für Ablenkschaltungen von Fernsehempfängern sowie für Audiogeräte.

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Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung stimmt mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 im wesentlichen überein, mit der Ausnahme daß die Diode 15 der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 3 durch einen npn-Transistor 15A ersetzt ist. Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 15A ist ebenso geschaltet wie die Diode 15 in Fig. 1 und erfüllt den gleichen Zweck. Die Kollektorelektrode des Transistors 15A ist mit der Betriebsspannungsklemme +V gekoppelt. Die Ausführungsform gemäß Fig.3 arbeitet im Prinzip wie die gemäß Fig. 1. Wenn jedoch die Verstärkerschaltung mit hoher Frequenz und sehr hoher Strombelastung betrieben wird, kann das einwandfreie Arbeiten des Verstärkers durch die relativ lange Erholungszeit der Diode 15 gestört werden. Die unter diesen Umständen gegebenenfalls zu lange Erholungszeit der Diode 15 hat zur Folge, daß der Transistor 18 zu lange gesperrt bleibt und dadurch Verzerrungen im verstärkten Signal entstehen. Der Transistor 15A erhält seine Basisvorspannung durch die Diode 16, dadurch daß diese Vorspannung auf den Spannungsabfall an der Diode 16 begrenzt ist, kann der Transistor 15A nicht in die Sättigung ausgesteuert werden. Die Erholungszeit des Transistors 15A ist daher verhältnismäßig kurz, so daß sich ein günstiges Verhalten der Verstärkerschaltung bei hohen Frequenzen und hohen Lastströmen ergibt.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   Verstärkerschaltung mit einem ersten und einem zweiten Transistor, deren Hauptstromstrecken in Reihe mitenander zwischen zwei durch eine Betriebsspannungsquelle speis— bare Klemmen geschaltet sind, einer Ausgangsklemme, die mit einem Punkt des Stromweges zwischen den beiden Transistoren gekoppelt und zum Anschluß einer Belastung vorgesehen ist, und einer Eingangsklemme zur Zuführung von Eingangssignalen, welche mit einer Steuerelektrode des ersten Transistors gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstromweg des ersten Transistors (12) mit einer Stromabgreif vor richtung gekoppelt ist, die zwei in Reihe geschaltete Richtleiter (16, 15) enthält; daß den Richtleitern eine Impedanz (17) parallel geschaltet ist und daß die Verbindung zwischen dem zweiten Richtleiter (15) und dem ersten Transistor (12) mit einer Elektrode des Hauptstromweges eines dritten Transistors (18) gekoppelt ist, dessen andere Elektrode mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors (21) gekoppelt ist;

   daß der dritte Transistor (18) mit seiner Steuerelektrode an die Verbindung zwischen den beiden Bbhtleitern (15, 16) gekoppelt ist und durch ein in der Stromabgreifvorrichtung erzeugtes Signal derart gesteuert ist, daß er einen Steuersignalstrom an den zweiten Transistor (21) liefert und den Ruhestrom im ersten Transistor im wesentlichen konstant hält, wenn der zweite Transistor Laststrom führt.
2. 2. Verstärker-schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Verbindung der beiden Richtleiter (15, 16) sowie der Steuerelektrode des dritten Transistors (18) ein dritter Richtleiter (19) gekppelt ist, der eine Vorspannung für diese Steuerelektrode liefert.
3. 3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite

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   Transistor (12, 21) dem selben Leitungstyp angehören.
4. 4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Richtleiter einen Transistor (15A) enthält, dessen Basis-Emitter-Strecke mit dem ersten Richtleiter (16) und den Hauptstromstrecken des ersten und zweiten Transistors (12, 21) in Reihe geschaltet ist und dessen Basis-Kollektor-Übergang dem ersten Richtleiter (16) parallel geschaltet ist.

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