DE2409928A1 - Gegentaktverstaerker - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl. lug. C. Wallach Dipl. Ing. G. Koch

Dr. T. Haibach 14 450 L- 1 MR7

8 München 2 Ji-SSS - 1. HKZ.

Kaufingerstr.8, TcL 240275

Beckman Instrumente, Inc· Fullterton, CaI. USA 2409928 Gegentaktverstärker

Die Erfindung betrifft einen Gegentaktverstärker zur Leistungszufuhr an eine Ausgangs-Verbraucherlast.

Bei Gegentakt-Transistorverstärkern ist es häufig notwendig, im Eingang des Verstärkers einen Transformator vorzusehen. Außerdem ist es häufig erforderlich, auch im Ausgangskreis einen Transformator für Impedanzanpassungszwecke anzuordnen. In beiden Fällen wird durch den Transformator eine von dem Frequenzansprechverhalten des Transformators bedingte Frequenzabhängigkeit in das System eingeführt. Bei anderen Gegentakt-Transistorverstärkern werden häufig Phasenschieber verwendet, um zu gewährleisten, daß die Ausgangs-Halle eine getreue Wiedergabe der Eingangs-Wellenform ist. Bei manchen Gegentaktschaltungen hat man versucht, paarweise komplementäre Transistoren in der Ausgangsstufe zu verwenden, was häufig Fehlanpassungsprobleme im Ausgang hervorruft. Außerdem müssen derartige Schaltungen insoweit temperaturstabilisiert sein, als die Transistoren sich im leitenden Zustand erwärmen, was eine änderung der Spannung zwischen Basis und Emitter von etwa 2 UV/ C zur Folge hat· Um dies zu kompensieren, muß die Gleichstromvorspannung beider Transistoren in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert bzw. geregelt werden.

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines Gegentaktverstärker zugrunde, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachtelle und Probleme der bekannten Transistor-Gegentaktver-

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stärker vermieden werden. Insbesondere soll eine Gegentakt-Transistorverstärkungeschaltung geschaffen werden, bei welcher keine Transformatoren oder anderweitigen einen Frequenzgang in das System einführenden Schaltelemente im Eingang oder Ausgang erforderlich sind und bei welcher in der Leistungs-Ausgangsstufe im wesentlichen gleichartige Transistoren verwendet werden können, ohne daß sich hierdurch Anpassungsschwierigkeiten ergeben und komplizierte Temperaturstabilisierungsmafinahmen erforderlich sind.

Zu diesem Zweck ist bei einem Gegentaktverstärker gemäß der Erfindung vorgesehen, daß er folgende Schaltmittel in der angegebenen Schaltungsverbindung aufweist: Zwei im wesentlichen gleichartige Transistoren, einen Operations- bzw. Funktionsverstärker, dessen Ausgang mit der Basis des ersten Transistors gekoppelt ist und die Vorspannung dieses Transistors steuert, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist; Eingang&schaltmittel zur Zufuhr eines Eingangssignals an den Operationsbzw· Funktionsverstärker; Block- bzw. Sperrschaltmittel zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors, die auf den ersten Transistor ansprechen und in Abhängigkeit hiervon den zweiten Transistor nicht-leitend machen; eine Bückführschaltung zwisc hen der Basis des zweiten Transistors und dem Eingang des Operations- bzw. Funktionsverstärkers, welche die Basisspannung des zweiten Transistors in Abhängigkeit von dem Eingangssignal steuert; sowie mit dem ersten und dem zweiten Transistor verbundene Ausgangsschaltmittel zur Leistungszufuhr an die Verbraucherlast.

Bei dem erfindungsgemäßen Gegentaktverstärker wird somit die Gleichstromvorspannung des ersten Transistors durch einen Operations- bzw. Funktionsverstärkers gesteuert, während die Gleichstromvorspannung des zweiten Transistors über eine

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Rückführschaltung gesteuert ist. Durch die Block- bzw. Sperrschal taittel wird verhindert, daß gleichzeitig beide Transistoren leiten.

Nach einer besondere bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung weist der Gegentaktverstärker zwei im wesentlichen gleichartige Transistoren auf, wobei der Kollektor des ersten Transistors direkt mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist· Eine Diode verbindet den Emitter und die Basis des zweiten Transistors. Die Diode verhindert, daß beide Transistoren gleichzeitig leitend sind. Die Vorspannung für den ersten Transistor wird über einen Operations- bzw. Funktionsverstärker und einem Strombegrenzerwiderstand der Basis des ersten Transistors zugeführt. Die vorspannung für den zvetten Transistor wird über eine Gegenkopplungs-Rückführschaltung zugeführt, welche die Basis des zweiten Transistors mit dem Eingang des Operations- bzw. Funktionsverstärkers verbindet, dem gleichzeitig das Eingangssignal der Gesamtschaltung zugeführt ist·

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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; die einzige Zeichnungsfigur seigt das Schaltbild eines verlustleistungsannen LeistungsVerstärkers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Zn der Zeichnung ist ein Gegentakt-Transistorverstärker dar* gestellt, welcher einen ersten npn-Transistor 10 und einen zweiten in wesentlichen gleichartigen npn-Transistor 12 aufweist. Der Emitter des Transistors 10 liegt an Masse bzw. Erde 13, sein Kollektor ist über eine Leitung 14 mit der Basis des Transistors 12 verbunden. Der Kollektor des Transistors ist über eine Leitung 15 mit einer Spannungsquelle +V^ (150 VDC) verbunden; die Spannungsquelle ist ferner über Reihenwiderstände 16 (4,3 kOhm) und 17 (3,9 kOhm) mit der Basis des Transistors 12 verbunden. Der Emitter de§ Transistors 12 ist über- einen Block- oder Kopplungskondensator 18 (50 Mikrofarad) mit Ausgangsklemmen 19 und 20 verbunden, über welchen eine (gestrichelt angedeutete) Verbraucherlast 11 liegt. Der Emitter des Transistors 12 1st ferner über einen Widerstand 21 (10 kOhm) mit der Basis des Transistors 10 gekoppelt. Schließlich ist der Emitter des Transistors 12 mit der Anorde einer Diode 22 verbunden, deren Kathode sowohl mit der Basis des Transistors 12 wie auch mit dem Kollektor des Transistors 10 verbunden ist. Kollektor und Basis des Transistors 10 sind über einen Basenkompensationskondensator 23 (1000 Picofarad) miteinander verbunden.

Die Eingangsgröße wird dem Leistungsverstärker an zwei Eingangeklemmen 24 und 25 Ober einen Strombegrenzerwiderstand 26 (6,8 kOhm) und über eine Leitung 27 zum Eingang einer Operations- oder Funktionsverstärkers 28 zugeführt. Die Leitung 27 ist über einen Widerstand 29 (68 kOhm) mit einer negativen Spannungsquelle -V₁ (15 VDC »15 Volt Gleichspannung) verbunden. Der Operations- bzw. Funktionsverstärker 28 ist über eine Leitung 30 aus einer positiven Spannungsquelle +V₁ (15 VDC)

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geeignet vorgespannt; die Spannungsquelle ist ferner über einen Uberbrückungskondensator 31 (0,1 Mikrofarad) mit Masse verbunden; die negative Vorspannung wird über eine Leitung 32 von einer negativen Spannüngsquelle -V₁ geliefert, die ebenfalls fiber einen Überbrückungekondensator 33 gleicher Größe wie der Kondensator 31 an Masse liegt. Die Ausgangsgröße des Operations- bzw. FunktionsVerstärkers 28 auf der Leitung 35 wird fiber einen Phasenkompensationskondensator 36 (1000 Picofarad) dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 28 zugeführt, der gleichzeitig über einen Widerstand 37 (10 kOhm) mit Masse verbunden ist. Der Widerstand 37 dient als Gleichstromvorspannungs- und Neutralisierungswlderstand für den Verstärker 28. Die Ausgangsgröße auf der Leitung 35 wird über einen Stronbegrenzerwiderstand 40 (100 0hm) der Basis des Transistors 10 zugeführt, die gleichzeitig mit der Kathode einer Clipper-Diode 41 verbunden ist, deren Anode an Masse liegt. Die Diode 41 begrenzt die Sperrvorspannung des Transistors 10 auf weniger als 1 Volt.

Von der Basis des Transistors 12 führt ein Rückführzweig über die Leitung 45 und einen Widerstand 46 (3OO kOhm) zu der Eingangsleitung 27 des Operations- bzw. FunktionsVerstärkers Parallel zu dem Widerstand 46 liegt ein Phasenkompensationskondensator 47 (1000 Picofarad).

Zm Agenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung beschrieben. Die Transistoren 10 und 12 bilden die Leistungs-Ausgangsstufe und Werden als Klasse B-Verstärker betrieben. Der negative Teil des an der Verbraucherlast 11 über den Ausgangsklemmen 19 und 20 auftretenden Ausgangssig^als wird durch den Transistor 10 geliefert, während der Transistor 12 die Leistung für den positiven Teil des Ausgangssignals liefert. Die Vorspannung für den Transistor 10 wird durch den Operations- bzw. Funktionsverstärker über den Widerstand

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zugeführt, die Vorspannung für den Transistor 12 über die Widerstände 16 und 17· Die Ruhe-Gleichspannung am Emitter des Transistors 12 wird durch den Spannungsteiler aus den Widerständen 46 (im Rückführzweig) und 29 bestimmt.

Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers wird durch das Verhältnis der Widerstandswerte des Widerstands 46 zu dem des Widerstands 26 gesteuert, während der Verstärkungsfaktor der Lelstungs-Ausgangsstufe (Transistoren 10 und 12) durch die Widerstände 21 und 40 gesteuert und bestimmt wird.

Zn ursprünglichen oder Ausgangszustand, wenn also an den Eingangsklemmen 24 und 25 kein Wechselstromsignal anliegt, liegt die Basisspannung des Transistors 12 auf einem durch das Verhältnis der Widerstände 46 und 29 bestimmten Spannungspegel; der Basisstrom wird aus der Spannungequelle +V₂ über die Widerstände 16 und 17 geliefert, überschüssiger Strom fließt durch den Transistor 10 an Masse 13; in diesem Fall ist der Transistor 12 praktisch gesperrt, abgesehen von einem vernachlässigbaren Stromfluß durch seinen Emitter über den Widerstand 21.

Im Ruhezustand (d.h. ohne Eingangssignal an den Klemmen 24 und 25) fließt Strom von der Spannungsquelle +V₂ über die Reihenwiderstände 16 und 17, den Rückfuhrwiderstand 46 und den Widerstand 29 an die negative Klemme der Spannungsquelle -V₁.· Dieser Strorafluß durch den Widerstand 29 reicht aus, um ,das Potential der Leitung 27 auf eint über Masse oder über den Potential des invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 28 liegende Spannung zu heben. In dem Maße, in dem die Leitung 27 (d.h. die nicht-invertierende Eingangsleitung des Operations- bzw. Funktionsverstärkers 28) positiv wird, bewirkt dies, daß die Ausgangsgröße auf der Leitung ebenfalls positiv wird, wodurch der Transistor 10 leitend wird.

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Der Transistor 10 leitet nun genügend Strom über den Stromweg von der Spannungsquelle +V₂ über die Widerstände 16 und 17, um die Spannung auf der Leitung 45 auf einen Punkt zu verringern, daß der Stromfluß durch den Widerstand 46 gerade ausreicht, um die Spannung auf der Eingangsleitung 27 des . Operationsverstärkers 28 auf Massepotential zu halten. Ein kleiner Strom fließt in die Basis des Transistors.12 und bewirkt, daß dieser genügend Strom liefert, um die Spannung an seinem Emitter etwa auf gleichem Wert wie die Spannung der Leitung 45 zu halten. Der Stromfluß durch den Widerstand 21 (zwischen dem Emitter des Transistors 12 und der Basis des Transistors 10) findet nun zwei mögliche Strompfade:

(1) über die Basis des Transistors 10 an Masse oder

(2) über den Widerstand 40 in den Ausgang des Operationsverstärkers 28 und über die Leitung 33 zur negativen Vorspannungsquelle -V₁ des Operationsverstärkers 28.

Der tatsächliche Stromfluß wird wie folgt bestimmt: Falls er nicht ausreicht, um den zur Aufrechterhaltung der Spannung auf der Leitung 45 erforderlichen Basisstrom für den Transistor 10 zu liefern, so fließt der gesamte Strom in die Basis des Transistors 10, wobei der jeweils zusätzlich zur Aufrechterhaltung der Spannung auf der Leitung 45 erforderliche Strom durch den Operationsverstärker 28 geliefert wird. Ist der Stromfluß durch den Widerstand 21 größer als vom Transistor benötigt, so fällt die Spannung auf der Leitung 45 unter ihren Sollwert, wodurch die Leitung 27 (d.h. die nicht-invertierende Eingangsleitung des Operationsverstärkers 28) negativ wird. Dies bewirkt, daß die auf der Leitung 35 auftretende Ausgangsgröße des Operationsverstärkers 28 negativ wird und eine Stromsenke für den Überschußstrom bildet, bis der Nettostromfluß in die Basis des Transistors 10 den richtigen Pegel erreicht, um die Spannung auf der Leitung 45 auf dem Sollwert zu halten.

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Zu keiner Zelt kann Strom durch den Transistor 12 und Transistor 10 an Masse fließen. Und zwar deshalb nicht, weil der Kollektor des Transistors 10 mit der Basis des Transistors 12 verbunden ist und der Emitter des Transistors 10 etwa 0,7 Volt unter seiner Basis liegen muß, damit der Transistor 12 leitend wird. Hierdurch wird die Diode 22 in Sperrichtung vorgespannt und so ein Stromfluß vermieden. Bei den bekannten Gegentaktverstärker» bilden die in derartigen Gegentaktschaltern allgemein verwendeten Leistungsausgangsschaltmittel, wie beispielsweise Transistoren oder Röhren, einen Strompfad durch beide Transistoren der Leistungsausgangsetufe von der Spannungsquelle zu Masse. Im Netto hat dies die Einführung eines Härmegradienten zur Folge, welcher die über den Transistoren liegende Spannung proportional zu der erzeugten Wärme ändert. Mit zunehmender Aufheizung der Transistoren wird mehr Strom benötigt, der zusätzliche Strom liefert zusätzliche Härme; falls keine Temperaturstabilisierung vorgesehen ist, führt dies zu einem als "thermische Auswanderung" bekannten Zustand. In diesem Zustand kann der Stromfluß durch die Schaltmittel die zulässige Temperaturgrenze der Leistungsaus gangs vor richtung überschreiten, was die Zerstörung der Vorrichtung zur Folge hat. Bei der Schaltanordnung gemäß der Erfindung fließt unter keinem Zustand Strom vom Transistor 12 durch den Transistor 10, wodurch ein Hauptproblem ausgeschaltet wird.

Beim Anlegen eines Wechselstromsignals an die Eingangsklemmen 24 und 26 fließt, wenn die Eingangsklemme 24 positiv wird. Strom durch den Widerstand 26 über die Leitung 27, wobei die Leitung 27 einen Summationsknotenpunkt bildet, der praktisch eine Hasse oder Erde darstellt; der Strom durch den Widerstand 26 kann nirgends anderes als durch den Widerstand 29 abfließen, wodurch er die Spannung der Leitung 27 zu erhöhen strebt. Dies bewirkt, daß die auf der Leitung 35 auftretende Ausgangsgröße des Operationsverstärkers 28 positiv wird und somit mehr

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Strom in die Basis des Transistors 10 zuführt. Der Transistor 10 wird nunmehr mehr Strom leiten, wodurch die Spannung auf der Leitung 45 abnimmt und somit weniger Strom durch den Widerstand 26 fließt. Dies setzt eich fort, bis die Stromabnahme in dem Widerstand 46 gleich der Stromzufuhr durch den Widerstand 26 wird, wodurch der Stromflufi durch den Widerstand 29 konstant, und die am Eingang des Operationsverstärkers auf der Leitung 27 auftretende Spannung im wesentlichen konstant gehalten wird· Unter diesen Bedingungen bei leitendem Transistor 10 ist die Diode 22 wie zuvor erwähnt in Sperrichtung vorgespannt. Sobald das Eingangssignal an der Klemme 24 negativ wird, wird die Ausgangsgröße auf der Leitung 35 des Operationsverstärkers 28 negativ; der Strom durch den Transistor 10 nimmt ab, was einen Anstieg der Spannung auf der Leitung 45 zur Folge hat, bis diese Spannung ausreicht, um einen gleichen Betrag an zusätzlichem Stromfluß zu dem Summationsknotenpunkt an der Leitung 27 zu liefern, um den durch den Transistor 26 in das negative Signal fließenden Strom zu liefern.

Der Strom für die Verbraucherlast 11 wird wie folgt zugeführt: Bei positivem Eingangssignal (entsprechend einem negativen Schwingungszug an der Verbraucherlast 11) fließt der Strom durch den Kondensator 18, die Diode 22 und den Transistor 10 zu Masse 13. Während der anderen Halbperiode wird der Strom über den Transistor 12 zugeführt, der sich nunmehr infolge der positiv gewordenen Leitung 45 im leitenden Zustand befindet, und dieser Strom fließt über den Kondensator 18 in die Verbraucherlast.

Zn keinem Zustand und unter keinen Bedingungen fließt Strom von dem Transistor 12 durch den Transistor 10, da die Diode wirksam verhindert, daß beide Transistoren gleichzeitig leitend sein können. Man erkennt, daß die beschriebene Schaltung einen Verstärker mit geringerer Verlustleistung ergibt, bei dem

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dementsprechend Temperaturprobleme weitgehend vermieden werden.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben, das jedoch selbstverständlich in mannigfacher Weise abgewandelt werden kann, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Zusammenfassung»

Es wurde einen Gegentaktverstärker mit zwei im wesentlichen gleichartigen Transistoren beschrieben, wobei der Kollektor des ersten Transistors direkt mit der Basis des zweiten Transistors und die Basis des ersten Transistors über einen widerstand mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden ist. Die Vorspannung für den ersten Transistor wird über einen Operations- bzw. Funktionsverstärker und einen Strombegrenzerwideretand der Basis des ersten Transistors zugeführt, während die Vorspannung für den zweiten Transistor durch einen Rückführzweig gesteuert wird, welcher die Basis des zweiten Transistors mit dem Eingang des Operations-* bzw. Funktionsverstärkers verbindet. Zwischen Emitter und Basis des zweiten Transistors liegt eine Diode, welche verhindert, daß beide Transistoren gleichzeitig leiten.

Patentansprüche:

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Claims (3)

- 11 - 14 450 L1. HRl 1974 Patentansprüche:

1. /Gegentaktverstärker zur Leistungszufuhr an eine Ausgangs-Verbraucherlast, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Schaltmittel in der angegebenen Schaltungsverbindung aufweist: Zwei im wesentlichen gleichartige Transistoren (10,12); einen Operations- bzw. Funktionsverstärker (28), dessen Ausgang mit der Basis des ersten Transistors (10) ' gekoppelt ist und die Vorspannung dieses Transistors steuert, dessen Emitter an Masse (13) liegt und dessen Kollektor mit der Basis des zweiten Transistors (12) verbunden ist; Eingangsschaltmittel (24 bis 27) zur Zufuhr eines Eingangssignals an den Operations- bzw. Funktionsverstärker (28); Block- bzw. Sperrschaltmittel (22) zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors (12), die auf den ersten Transistor (10) ansprechen und in Abhängigkeit hiervon den zweiten Transistor (12) nichtleitend machen; eine Rückführschaltung (45 bis 47) zwischen der Basis des zweiten Transistors (12) und dem Eingang (27) des Operations- bzw. Funktionsverstärkers (28), welche die Basisspannung des zweiten Transistors (12) in Abhängigkeit von dem Eingangssignal steuert; sowie mit dem ersten und dem zweiten Transistor verbundene Ausgangsschaltmittel (18 bis 21) zur Leistungszufuhr an die Verbraucherlast (11).

2· Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da6 als Block- bzw. Sperrschaltmittel eine Diode (22) in Sperrichtung im Basls-Emltter-Zweig des zweiten Transistors (12) vorgesehen ist.

3. Gegentaktverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltmittel einen in Reihe mit dem Eingangssignal liegenden Strombegrenzerwiderstand

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(26) aufweisen und daß der Eingang (27) des Operationsbzw· Punktionsverstärkers (28) über einen Widerstand (29) mit einer negativen Spannungsquelle (-V₁) verbunden ist, wobei die negativ« Spannungsquelle (-V₁) und der Widerstand ein Teil der Rückführschaltung von der Basis des zweiten Transistors (12) zum Eingang des Operationsverstärkers (28) sind.

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