DE2409929C3 - Verzerrungsarmer, niederfrequenter Gegentakt-Leistungsverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Beim Entwurf von verzerrungsarmen, niederfrequenten Gegentakt-Leistungsverstärkern für B- und AB-Betrieb muß dem Problem der primären und sekundären Übernahmeverzerrungen, die im folgenden auch als Überschneidungsverzerrung bzw. Einkerbungsverzerrung bezeichnet werden, besonderes Augenmerk gewidmet werden. In der Zeitschrift »audio«, Mai 1969, Seiten 26 bis 30, ist der Unterschied zwischen diesen beiden Verzerrungsarten herausgearbeitet Die Einkerbungsverzerrung hat danach ihre Ursache in den kapazitiven Sperrschichten der Transistoren, die bewirken, daß die angelegten Spannungen nicht sofort mit dem Verscl.winden des Signals zu Null werden. Diese Erscheinung ist frequenzabhängig. Die genannte Literaturstelle befaßt sich auch mit der Vermeidung der Einkerbungsverzerrung. In Fig. 9 des Aufsatzes ist eine Schaltung gezeigt, die einen verzerrungsarmen, niederfrequenten Gegentakt-Leistungsverstärker für B- und AB-Betrieb zeigt, dessen Endstufe von komplementären Transistorpaaren gebildet wird. Nach Angaben des Autors ist wohl eine Verringerung, nicht jedoch eine Unterdrückung der Einkerbungsverzerrung zu erzielen.

Durch die DE-OS 22 03 817 ist ein Leistungsverstärker bekanntgeworden, dem die Aufgabe zugrunde liegt, eine Zunahme der Verzerrung bei schwachen Signalpegeln, d. h. die obenerwähnte Überschneidungsverzerrung zu vermeiden, die durch die Nichtlinearität im Übergangsbereich zwischen den beiden Teilkennlinien eines Gegentaktverstärkers entsteht. Die in der genannten DE-OS angegebene Schaltung erreicht für einen im AB-Bereich arbeitenden Verstärker Verzerrungseigenschaften, wie sie bis dahin nur mit im Α-Betrieb arbeitenden Schaltungen erreicht wurde.

Ferner sind komplementäre Transistorpaare aus Application. Information 14t Philips (1942), aus der US-PS 33 19 175 sowie aus »Funktechnik« 1970, Nr. 23, Seite 932, Bild 1, bekannt, wobei in der letztgenannten Literaturstelle die Eingangsstufe von einem Differentialverstärker gebildet ist, dessen zweiter Transistor vom Lautsprecher her gegengekoppelt ist. Die genannten Schriften befassen sich jedoch nicht mit dem Problem der Überschneidungs- oder Einkerbungsverzerrung.

Darlington-Schaltungen von Transistoren sind in Philips Application Note 187 sowie in der Zeitschrift »Electronic« Januar 1970 dargestellt. Das Problem der Überschneidungs- oder Einkerbungsverzerrungen ist hierin jedoch ebenfalls nicht angesprochen. Die DE-AS 19 15 005 zeigt ebenfalls Verstärker mit komplementären Transistorpaaren. Auch diese Schrift befaßt sich mit dem Problem der Vermeidung der Überschneidungsverzerrung. Das Problem der Einkerbungsverzerrung ist jedoch in dieser Schrift weder angesprochen noch einer Lösung näher gebracht.

Durch den Aufsatz »EQUA-Verstärker« in der Zeitschrift »Elektor«, Dezember 1972, Seiten 1216 bis 1222, ist ein Verstärker der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Art bekannt. Dieser Aufsatz befaßt sich in besonderer Weise mit dem Problem der sekundären Übernahmeverzerrungen, d. h. der Einschneideverzerrungen. Er gibt eine Schaltung an, bei deren Entwicklung Anstrengungen unternommen wurden, um diese Verzerrungen so niedrig wie möglich zu halten. Dazu bedient man sich zweier Maßnahmen, nämlich der Anordnung niederohmiger Widerstände zwischen Basis und Emitter der Endtransistoren, über die die Ladung der Sperrschichten schneller abfließen kann, sowie geeigneter Kompensationsglieder in den Emitterkreisen der Steuertransistoren. Diese Kompensationsglieder enthalten Dioden, die die Nichtlinearitäten der Basis-Emitter-Übergänge der Endtransistoren nachbilden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem sowohl die Überschneidungsverzerrung als auch die Einkerbungsverzerrung so gering wie möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst

Wie beim zuletzt beschriebenen Stand der Technik sind auch bei dem Verstärker gemäß der Erfindung Dioden vorgesehen, die mit einer Elektrode unmittelbar an die Kol'sktoren der Endtransistoren angeschlossen sind und mit ihren anderen Elektroden mit den Emittern der betreffenden Steuertransistoren in Verbindung stehen. Diese Dioden sind bei dem Verstärker gemäß der Erfindung jedoch nicht Bestandteile von Kompensationsnetzwerken zur Nachbildung der Emitter-Basis-Übergänge der Endtransistoren, sondern dienen als Schalter, die durch die vom zu verstärkenden Signal verursachten Potentialverschiebungen an dem die Emitter der Steuertransistoren miteinander verbindenden Widerstand wechselweise in ihren leitenden bzw. nichtleitenden Zustand gesteuert werden und dadurch eine vollständige Sperrung des von einer Signalhalbwelle nicht betroffenen Transistorpaares verhindern. Auf diese Weise gelingt es, die Ursache für die Einkerbungsverzerrung, nämlich ein Aufladen der Sperrschichten der Transistoren, zu vermeiden. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß eine derartige Vorkehrung wirkungsvoller sein muß als Maßnahmen, die lediglich eine möglichst rasche Abführung der entstandenen Ladungen bewirken können.

Im folgenden sei die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch die Schaltung einer Ausführungsform eines Niederfrequenz-Leistungsverstärkers, und

F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des Verstärkers nach F i g. 1.

Gemäß F i g. 1 gehört zu der dargestellten Schaltung ein Differentialverstärker 4 mit zwei PNP-Transistoren 7*1 und 7*2, deren Emitter miteinander verbunden und über einen Widerstand 5 an eine Klemme 1 einei Stromquelle angeschlossen sind. Der Kollektor des Transistors 2 ist direkt mit der anderen Klemme 2 der Stromquelle verbunden, an die auch der Kollektor des Transistors 7*1 über einen Widerstand 6 angeschlossen ist. Mit der Basis des Transistors TI ist ein Kondensator 7 verbunden, dessen andere Klemme eine Eingangsklemme 8 bildet, und außerdem liegt die Basis des Transistors Ti über einen Widerstand 9 an Masse. Die Basis des Transistors T2 ist über einen Widerstand 10 mit einer Last RL verbunden, und außerdem einen mit einem Widerstand 12 in Reihe geschalteten Kondensator 11 geerdet.

Ferner ist ein als Leistungstreiber arbeitender NPN-Transistor 7*3 vorhanden, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 7*1 verbunden ist, und dessen Emitter an die Klemme 2 der Stromquelle angeschlossen ist.

Weiterhin ist ein NPN-Transistor Qi vorhanden, dessen Basis mit dem Kollektor des Leistungstreibertransistors T3 über einen Vorspannkreis 3 und mit der Klemme 1 der Stromquelle über eine einen konstanten Strom liefernde Stromquelle 13 verbunden ist. Ferner gehört zu der Schaltung nach F i g. 1 ein PNP-Transistor Q 2, dessen Basis am Kollektor des NPN-Transistors Q 1 liegt, der über einen Widerstand R 4 an der Klemme 1 der Stromquelle liegt. Der Emitter des PNP-Transistors Q2 ist an die Klemme 1 der Stromquelle angeschlossen, während sein Kollektor mit der Last RL über einen Widerstand R 1 verbunden ist Gemäß F i g. 1 ist eine Diode Dl vorhanden, deren positive und negative Elektroden an den Emitter des NPN-Transistors Qi bzw. den Kollektor des PNP-Transistors Q2 angeschlossen sind.

Ein weiterer PNP-Transistor ζ>3 ist mit seiner Basis direkt an den Kollektor des Treibtrtransistors 7*3 angeschlossen, während ein weiterer Transistor (?4 vom NPN-Typ mit seiner Basis direkt an den Kollektor des PNP-Transistors Q3 angeschlossen ist, welcher außerdem über einen Widerstand R 5 mit der Klemme 2 der Stromquelle verbunden ist Der Emitter des NPN-Transistors QA ist an die Klemme 2 der Stromquelle angeschlossen, während sein Kollektor mit der Last RL über einen Widerstand R 2 verbunden ist. Außerdem ist eine zweite Diode D 2 vorhanden, deren positive und negative Elektroden mit dem Kollektor des NPN-Transistors Q4 bzw. dem Emitter des PNP-Transistors Q 3 verbunden sind.

Zwischen den Emittern der Transistoren Q1 und Q 3 liegt ein Widerstand R 3, dessen Aufgabe im folgenden näher erläutert wird.

Nachstehend ist die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 beschrieben. Für den Fall, daß an der Eingangsklemme 8 kein Signal vorhanden ist, sei angenommen, daß die Spannungen zwischen den Basiselektroden und den Emittern der Transistoren C1 und Q3 mit Vbe\ und Vbe3 gegeben sind, daß der Spannungsabfall in der Durchlaßrichtung an den Dioden Dl und D 2 den Wert V₀ 1 bzw. Vb₂ hat, daß die Spannung an dem Widerstand R 3 mit V« bezeichnet ist, und daß sich an dem Vorspannkreis 3 eine Spannung 14 ergibt, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Die Widerstandswerte der Widerstände R 1 und R 2 sind so klein, und der durch die Transistoren Q 2 und Q 4 fließende Strom ist so schwach, daß man den Spannungsabfall an diesen Wiederständen vernachlässigen kann. Hieraus ergibt sich ohne weiteres, daß für diese Bedingungen die nachstehende Gleichung gilt:

V₆- Vbeι-

r= Vd\+V_d1

Für den Fall, daß an der Eingangsklemme 8 ein

ι. Eingangssignal erscheint, sei bezüglich jeder positiven Halbperiode des Eingangssignals angenomen, daß gemäß F i g. 2 ein Strom / durch die Last RL fließt.

Ferner sei angenommen, daß der durch die Last fließende Strom / erheblich stärker ist als der

■υ Vorspannstrom, und daß die Spannungsänderungen an den Arbeitspunkten der Transistoren Qi und Q 2 mit + λ bzw. — β gegeben sind. Für diesen Fall nimmt die vorstehende Gleichung die folgende Form an:

V_b-(V_BE\+M)-(V_BE3-ß)

= Vb-VBEi-Vbe ζ-(α-ß)

(
(Gewöhnlichgilt V_R>(<x-ß))

Normalerweise ist der auf die Zunahme des Kollektorstroms zurückzuführende Spannungsabfall an dem Widerstand R 1 größer als die Änderungen der Basis-Emitter-Spannung. Daher gelten die nachstehenden Beziehungen:

(oc -V_R-(<x-ß)<(V_Di+V_D2+IR2)

In diesem Fall wird die Diode D1 dadurch leitfähig gemacht, daß durch sie der Emitterstrom des Transistors Q1 fließt, während die Diode D 2 dadurch in den Sperrzustand gebracht wird, daß die an ihr erscheinende Spannung nicht den Pegel der Durchlaßvorspannung erreicht. Außerdem ist die Änderung der Spannung an dem Widerstand A3 gering, und der durch diesen Widerstand fließende Strom wird veranlaßt, als Emitterstrom durch den Transistor (?3 zu fließen, so daß sich auch der Emitterstrom nur wenig ändert. Da somit die Änderung des Emitterstroms bei dem Transistor Q 3 gering ist, ändert sich auch der Spannungsabfall an dem Widerstand R 5 nur wenig, so daß der Transistor <?4 immer noch leitfähig ist. Somit sind während jeder positiven Halbperiode des Eingangssignals die beiden Transistoren Q 3 und Q 4 leitfähig, so daß das Signal keiner Einkerbungsverzerrung unterliegt. Während jeder negativen Halbperiode des Eingangssignals wird die Diode DX in den Sperrzustand gebracht, so daß die Transistoren Q1 und Q 2 leitfähig bleiben, da ihnen der Vorspannstrom zugeführt wird, wie es aus der vorstehenden Beschreibung für jeden Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist.

Um die Versorgung der Transistoren Q 2 und Q 4 mit dem Vorspannstrom aufrechtzuerhalten, muß man die Widerstandswerte der Widerstände R 4 und R 5 zum Abzweigen der Kollektorströme der Transistoren Q1 und Q 3 vorzugsweise so wählen, daß sie in einem hinreichenden Ausmaß höher sind als die Eingangswiderstände zwischen den Basiselektroden und den Emittern der Transistoren Q 2 und Q 4, damit eine Treiberwirkung durch einen konstanten Strom erreicht wird.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, kann mit den Maßnahmen der Erfindung der durch den ersten Transistor Qi fließende Vorspannstrom ohne Rücksicht darauf, ob ein Eingangssignal vorhanden ist oder nicht, ständig über den Widerstand R 3 zum

ι· Emitter des Transistors ζ)3 fließen; der durch das Eingangssignal verstärkte Strom wird der Last RL über eine der Dioden D1 und D 2 zugeführt, und die an dem Widerstand R 3 erscheinende Spannung wird durch die betreffende andere Diode daran gehindert, sich zu

■ ändern, so daß der erste Transistor Q1 und der dritte Transistor Q 3 ständig leitfähig sind. Selbst wenn der Arbeitspunkt so eingestellt wird, daß der Verstärker als B-Verstärker oder auf ähnliche Weise arbeitet, ist es somit möglich, eine auf die Umschaltvorgänge der

■· Transistoren zurückzuführende Einkerbungsverzerrung zu vermeiden. Die gleiche Wirkung läßt sich sogar dann erzielen, wenn man die Widerstände R1 und R 2 fortläßt. Diese Widerstände können auch zwischen den Emittern des zweiten Transistors Q 2 und des vierten

• Transistors Q 4 einerseits und der Stromquelle andererseits vorgesehen werden. Um die Wirkungsweise zu verbessern, ist der Vorspannkreis 3 vorzugsweise so auszubilden, daß er ohne Rücksicht auf Eingangssignale eine konstante Spannung liefert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

10

Patentanspruch:

Verzerrungsarmer, niederfrequenter Gegentakt-Leistungsverstärker für B- und AB-Betrieb

— mit einem ersten Transistor eines ersten Leitfähigkeitstyps,

— mit einem zweiten Transistor eines zweiten Leitfähigkeitstyps, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist,

— mit einem dritten Transistor vom genannten zweiten Leitfähigkeitstyp,

— mit einem vierten Transistor vom genannten ersten Leitfähigkeitstyp, dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Transistors verbunden ist,

— mit die Kollektoren des zweiten und vierten Transistors miteinander verbindenden ohmschen Widerständen, deren VerDindungspunkt den Ausgang des Verstärkers bildet,

— mit einer ersten und einer zweiten Diode, die an den Kollektor des zweiten bzw. vierten Transistors jeweils mit derjenigen Elektrode (Kathode bzw. Anode) angeschlossen sind, deren Leitfähigkeitstyp demjenigen des betreffenden _r. Kollektors entgegengesetzt ist, derart, daß der Kollektor eines PNP-Transistors mit der Kathode und der Kollektor eines N PN-Transistors mit der Anode der jeweils zugeordneten Diode verbunden ist, sowie

— mit einem zwischen den Basiselektroden des ersten und dritten Transistors angeordneten Vorspannkreis,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die andere Elektrode der ersten Diode (Di) an den Emitter des ersten Transistors (φ,) angeschlossen ist,

— daß die andere Elektrode der zweiten Diode (D₂) an den Emitter des dritten Transistors (Qi) angeschlossen ist und

— daß die Emitter des ersten (Q\) und des dritten (Qi) Transistors in an sich bekannter Weise unmittelbar über einen Widerstand (Ri) miteinander verbunden sind, derart, daß bei Ansteuerung eines der von dem ersten (Q\)\md dem zweiten (Qrfbzv/. von dem dritten (Qi) und dem vierten (Qa) Transistor gebildeten Transistorpaare (z. B. <?i. Qi) durch eine Halbwelle des zu verstärkenden Eingangssignals die dem jeweils anderen Transistorpaar (z. B. Qi, Qa) zugeordnete Diode (D₂) durch die Potentialverschiebung an dem die Emitter des ersten und dritten Transistors (Q\, Qi) miteinander verbindenden Widerstand (R3) in ihren Sperrzustand gesteuert wird und der den genannten Widerstand ('^durchfließende Strom eine Sperrung der das zweite Transistorpaar bildenden Transistoren (Qi, Q*) verhindert.