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"Schaltung einer Eomplementär-Leistungsendstufe mit Transistoren
für einen Operationsverstärker Die Erfindung betrifft eine Schaltung einer ruhestromfreien
Komplement är-Iieistungs endstufe mit zwei Transistoren in Gegentaktschaltung für
einen Operationsverstärker, bei welcher Schaltung der Ausgang des Operationsverstärkers
über eine Stromverzweigung mit den Basen der Transistoren der Leistungsendstufe
verbunden ist.
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Es ist eine derartige Schaltung durch "Elektronik Arbeitsblatt Nr.
52, 1970, Heft 11, Seite 404, Bild 17 bekannt, ferner durch "Siemens Halbleiter-Schaltbeispiele"
1972/73, Seite 18, Bild 1.5.2 und Seite 19, Bild 1.6.
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Bei der Schaltung nach Bild 17 der erstgenannten Literaturstelle
liegt zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und der Stromverzweigung zu
den Basen der zwei Transistoren der Komplementär-Leistungseadstufe ein Schutzwiderstand.
In der Schaltung nach Bild 1.6 der letztgenannten Literaturstelle ist der invertierende
Eingang des Operationsverstärkers, auf welchen der Ausgang der Komplementär-
Leistungsendstufe
rückgeführt ist, von außen her nicht zugänglich. Es seien hier diese Anmerkungen
zur Erläuterung der angeführten bekannten Schaltungen gegeben.
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Da ihre Komplementär-Leistungsendstuf aber ruhestromfrei ausgeführt
sind und die Transistoren der Leistungsendstufen nicht verzögerungsfrei stromleitend
bzw. stromfrei schaltbar sind, wird die über die Steuerstrecken der Transistoren
verlaufende Rückfuhrstromschleife bei den Nulldurchgängen der Ausgangs-Wechselspannung
des Operationsverstärkers kurzzeitig unterbrochen, wobei die Verstärkung des Operationsverstärkers
den Verstärkungsgrad des Offenzustandes erreicht. Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers
steigt im Bereiche der doppelten Schleusenspannung der Emitter-Basis-Dioden der
Endstufentransistoren schneller an als die Transistoren umgesteuert werden. Der
die Leistungsendstufe treibende Operationsverstärker hat auch in der Regel eine
höhere Grenzfrequenz als die Transistoren der Endstufe.
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So entstehen unerwünschte tfbernahmeverz errungen bei den Nulldurchgängen
der Ausgangsspannung der Endstufe.
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Dies ist nicht der Fall, wenn die Eomplementär-Leistungsendstufe
mit Ruhestrom betrieben wird. Eine solche Schaltung ist z. B. durch "TI-Handbuch
- Komplementäre Transistoren im Kunststoffgehäuse", Seite 2 bis 4 bekannt. Sie erfordert
wie ersichtlich, daß die Steuerstromkreise der Endstufentransistoren voneinander
getrennt sind und aufwendig sind.
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Außerdem kann die Stabilisierung des Arbeitspunktes gegen das thermische
Driften nicht über die Rückführungsschleife geschehen, sondern muß gesondert vorgenommen
werden.
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Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung einer
ruhestromfreien ELomplementär-Leistungsendstufe mit zwei Transistoren für einen
Operationsverstärker, bei welcher der Ausgang des Operationsverstärkers über eine
Stromverzweigung mit den Basen der Transistoren der Leistungsendstufe verbunden
ist, anzugeben, bei der die Ubernahmeverzerrungen
auf einen nicht
störenden Grad vermindert sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen diese Stromverzweigung
und die Stromverzweigung zu den Emittern der Transistoren der Leistungsendstufe
verbindenden Widerstand gelöst, welcher eine die Steuerstrecken der Transistoren
umgehende Rückführung des Ausganges der Leistungsstufe auf den invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers ermöglicht.
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Bei einer als Eomplementär-Darlington-Schaltung mit zwei Gegentakt-Leistungsendstufen
erweiterten Schaltung sind entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung Transistoren
mit annähernd gleichen Stromverstärkungsfaktoren für die Gegentakt-Leistungsendstufen
verwendet und es ist ein eine die Steuerstrecken der Transistoren der zweiten Gegentakt-Leistungsst\1fe
umgehende Rückführung des Ausganges dieser Stufe auf den invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers ermöglichender Widerstand zwischen der Stromverzweigung
zu den Emittern der Transistoren der ersten und zu den Basen der Transistoren der
zweiten GegentaktaEomplementär-Leistungsstufe und der Stromverzweigung zu den Emittern
dieser zweiten Leistungsstufe angeordnet.
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Die Bemessung der zwei Widerstände ist nachstehend in der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der Erfindung angegeben.
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Im folgenden wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigt: Fig.
1 eine Schaltung einer ruhestromfreien Komplementär-Leistungsendstufe, die einem
Operationsverstärker nachgeschaltet ist, und Fig. 2 eine als Komplementär-Darlington-Schaltung
mit zwei Leistungsendstufen erweiterte Schaltung nach Fig. 1.
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In den Fig. 1 und 2 sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Einander entsprechende Elemente haben ebenfalls gleiche Bezugszeichen,
sind aber durch Apostrophierung voneinander zu unterscheiden.
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Die in der Zeichnung dargestellten Schaltungen enthalten jeweils
eine Vorstufe 1 mit einem Operationsverstärker 0 und dieser nachgeschaltet eine
Komplementär-Leistungsstufe 2 mit zwei Transistoren 21, 22 in Gegentaktschaltung.
Die Schaltung nach Fig. 2 enthält außerdem eine nach Darlington ausgeführte der
ersten Leistungsstufe 2 nachgeschaltete zweite Leistungsendstufe 2'. Es sind alle
Stufen an einer gemeinsamen zum Schaltungsnullpunkt symmetrischen Gleichstromquelle
mit einer Spannung UB betrieben und es ist dem Operationsverstärker 0 über dessen
zwei Eingänge 11 und 12 eine z. B.
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sinusförmige Wechselspannung ue zugeführt, welche möglichst verzerrungsfrei
verstärkt auf eine am Ausgang der Leistungsendstufe 2 bzw. 2' angeschlossene Belastung
L übertragen werden soll. Die an die Belastung L übertragene Ausgangsspannung ua
und die Eingangs spannung u e werden in Bezug auf Massepotential PO gemessen. Zwischen
Ausgang 24 bzw. 24' der Leitungsendstufe 2 bzw. 2' und Massepotential PO liegt ein
ohmscher Spannungsteiler, bestehend aus zwei Widerständen 26 und 13, dessen Geilungspunkt
mit dem invertierenden Eingang 12 des Operationsverstärkers 0 verbunden ist. tber
diesen Spannungsteiler wird ein Teil tF H7+26 ' Ua der Ausgangsspannung ua auf den
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers rückgeführt.(R13 und R26 sind die
Widerstandswerte der Elemente 13 und 26). Der Spannungsteiler bildet einen Stromzweig
des Rückführungsstromkreises 24, (24'), 26 (26'), 12, 14, 24, (24'). Damit dieser
Stromkreis nicht nur über die Steuerstrecken der Transistoren 21, 22, 21', 22' führt,
also unabhängig vom Steuerungszustand der Transistoren stets geschlossen ist, liegt
bei den dargestellten Schaltungen zwischen der Stromverzweigung 14 zu den Basen
der Transistoren 21 und 22 und der Stromverzweigung 24 zu
den Emittern
dieser Transistoren und zugleich dem Ausgang der Stufe 2 jeweils ein Widerstand
25 und bei der Schaltung nach Fig. 2 zwischen der Stromverzweigung 24, die auch
zu den Basen der Transistoren 21' und 22' der Leistungsendstufe 2' führt, und der
Stromverzweigung 24' zu den Emittern dieser Transistoren und zugleich dem Ausgang
der Stufe 2' ferner ein Widerstand 25'. Die infolge der Rückführung wirksame Kreisverstärkung
der Schaltungen nach Fig. 1 und 2 beträgt ua R26 V = = 1 + .
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ue R13 Die Widerstandswerte R25 und R25, sind im wesentlichen in
Abhängigkeit von dem maximalen Basistrom IB max der Transistoren der Komplementär-Leistungsendstufe
2 bzw. 2' und dem maximalen Ausgangsstrom Io max des Operationsverstärkers O bemessen.
Für die Schaltung nach Fig. 1 gilt die Beziehung UBE R = R25 = I0 max - IB max .
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UBE ist die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren 21 und 22 beim
Kollektorstromeinsatz, die etwa der Schleusenspannung der Basis-Emitter-Dioden der
Transistoren entspricht.
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Der maximale Basisstrom 1B max ergibt sich aus dem maximalen Belastungsstrom
und der Stromverstärkung B1,2 der Transistoren 21 und 22. Für die Schaltung nach
Fig. 2 gilt entsprechend U'BE R25 = .
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B1,2 . I0 max - IB' max Hierin bedeuten U'BE die Basis-Emitter-Spannung
der Transistoren 21' und 22' beim Kollektorstromeinsatz und IBt max der aus dem
maximalen Belastungsstrom und der Stromverstärkung B3,4 der Transistoren 21' und
22' sich ergebende maximale Basistrom der Transistoren 21' und 22'.
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Verwendet man Transistoren 21, 22, 21' und 22' mit UBE # U'BE und
B1,2 # B3,4, dann gilt R25' # R25/B1,2 .
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Durch die Anordnung der Widerstände 25 und 25' ist die Rückführungsschleife
ständig geschlossen und es sind die Ubernahmeverzerrungen, die bei den Nulldurchgängen
der Spannung ua am Ausgang der Leistungsendstufe entstehen können, so stark vermindert,
daß sie auch meßtechnisch zu vernachlässigen sind. Hiervon unabhängig sind die Transistoren
der Leistungsstufen bei den Nulldurchgängen der Wechselspannung nicht stromleitend.
Infolge des exponentiellen Verlaufes der Strom-Spannungs-Eennlinie 1B (UBE) der
Steuerstrecken der Leistungsstufen-Transistoren erfolgt die Stromübernahme dieser
Transistoren nicht sprunghaft, sondern stetig.