DE2429848B1 - Komplementäre Transistor-Gegentakt-B-Endstufe - Google Patents

Description

• Da die Spannungsvel-!;tii rkung der Endstufe knapp unter 1 liegt. muß Ztll X ollen Durchsteuerung der Endstufe om Treiber bereits eine Steuerspannung von der Gr(ißenordntlng der Betriebsspannung geliefert werden.
• Bei Endstufcn mit größeren Ausgangsleistungen ltißt sich die dazu erforderliche Ansteuerleist ung nicht mehr wie in einer Schaltung nach A b b. 2 aus schließlich durch einen gemeinsamen Treibertrinsistor aufbringen. Des'alb sie rd den Endi,tufen-Transistoren je ein komplementärer Treibertransisto r die zueinwander ebenfalls komplementäre Typen sind - zorgeschaltet und diese dann iiber ihre verbundenen Basen von einem Vortrciber-Transistor gemeinsam angesteuert.
• A b b. 3 zeigt eine bekannte. jedoch heute kaum mehr benutzte symmetrische Endstufenschal tung mit Kollektor-Ausgang. in der den komplementären Endstufen-Tntnsistoren T 1 und T2 in direkter Kopplung jeweils ein komplementärer Treibertransistor T3 bzw.
• T4 sorgeschaltet ist. Deren iiber die Dioden D miteinander verbundenen Basen werden in bekannter Weise von einer Vortreiberstufe T5 angesteuert. Die in diesen und ähnlichen Stromläufen nicht erreichbare Durchsteuerung nach den Grenzpotentialen UB und Masse ist bedingt durch die direkte Ankopplung der in Punkt M' miteinander verbundenen Emitter der Treibertransistoren T3 und T4 an das im Takt der Signalspannung schwankende Potential am Mittelpunkt M.
• Die Verbindung bewirkt einerseits eine starke Gegenkopplung zwischen den Endstufen- T 1 und T2 und Treiber-Transistoren T3, T4. andererseits wird der zur Durchsteuerung der Endtransistoren T1, T2 erforderliche Basisstrom jeweils dem eigenen Kollektorkreis entnommen. Aus diesem Grunde sind zur Erzielung größerer Ausgangsleistungen relativ hohe Betriebsspannungen UB erforderlich, wobei der Wirkungsgrad derartiger Schaltungen aber deutlich unter 70% liegt.
• Die nachfolgend beschriebene Erfindung erfüllt durch eine modifizierte Gegentakt-B-Endstufen-Schaltung mit Komplementär-Transistoren und Kollektor-Ausgang die Aufgabe einer maximalen Durchsteuerfähigkeit der jeweiligen Signalhalbwelle vom lI,I-Potential bis zum vollen Wert der Betriebsspannung UB. bzw.
• gegen Masse. Dabei wird erfindungsgemäß die gemeinsame VerbindungM' der Emitter der Treibertransistoren T3 und T4 gemäß A b b. 3a in die als Spannungsteiler fungierende Reihenschaltung der beiden zwischen dem Punkt M und der Masse eingefügten Widerständen R 1 und R 2 geschaltet.
• Durch diese Maßnahme machen die Emitter der Transistoren T3/T4 den Potentialhub des Mittelpunktes M nur im Verhältnis R 1/R2 mit. Wird z. B.
• das Verhältnis der Widerstände R I :R2 = 1:1 gewählt. ist der Spannungshub des Verbindungspunktes M' nur noch halb so groß, wie der der Mittenspannung im Punkts und die Gegenkopplungswirkung zwischen T I und T3 bzw. T2 und T4 auf die Hälfte reduziert. Dabei wird der über R 11R2 abfließende Querstrom aus Gründen der Arbeitspunktstabilität so gewählt, daß er deutlich höher ist.
• als der über T3 bzw. T4 geführte Treiberstrom. Der Einsatz dieses so dimensionierten Spannungsteilers bedeutet gleichzeitig aber auch. daß die Aussteuerspannungen der Treiber-Transistoren T3 und T4 nur noch halb so groß zu sein brauchen. wie sie in der Schaltung nach A b b. 3 fiir eine volle Durchsteuerung sein müssen. Diese Maßnahme liißt sich auch in asymmetrischen Endstufenschaltungen nach A b b. 7 durchführen. Da hier der Fußpunktwiderstand R2 des Spannungsteilers nicht mehr direkt an Masse gelegt werden kann, ist ein Kondensator C mit großer Kapazität dazwischengeschaltet, womit gewährleistet ist. daß sich gleichspannungsmäßig die Punkte M und I' auf gleichem Potential befinden. Das kalte NF-Potential liegt sowohl an Masse als auch am Gleichspannungspotential + UB vor. Infolgedessen kann der Fußpunktwiderstand R2 des Spannungsteilers, unter der Bedingung, daß R 3 » R 2 ist, an + UB, aber auch wie in A b b. 4 gestrichelt skizziert -- an Masse geschaltet werden.
• Da zu den Zeitpunkten tl und t2 die Emitter der Treibertransistoren T3 und T4 erfindungsgemäß nicht mehr voll mit nach + UB bzw. Masse gesteuert werden, wo sie im Bereich der Amplitudenspitzen ihre Treiberwirkung verlieren, sondern wie im Diagramm der Ab b. 5 gezeigt, minimal noch auf einem Potential entsprechend UB/4 verbleiben, reicht diese Spannung in jedem Fall noch aus, den auch für eine volle Durchsteuerung der Endstufentransistoren T1 bzw. T2 erforderlichen Basisstrom aulzubringen.
• Damit ist die beschriebene, erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in der Lage, eine vorgegebene Betriebsspannung UB entsprechend der in (I) genannten Abhängigkeit voll zur Erzeugung dieser entsprechend hohen Wechselstrom-Nutzleistung P, auszunutzen und die zugehörige Kollektor-Verlustleistung Pr entsprechend zu reduzieren.
• In A b b. 6, in der der offensichtliche Vorteil einer erfindungsgemäß genutzten Endstufen-Gegentakt-B-Schaltung (A) im Vergleich zu einer mit gleicher Betriebsspannung UB betriebenen konventionellen Gegentakt-B-Schaltung (B) graphisch über die Zeitdauer einer Sinus-Halbwelle dargestellt ist, lassen sich die Zusammenhänge zwischen momentaner und maximal erzielbarer Nutzleistung PL und jeweils zugehöriger VerlustleistungPr erkennen, wobei der kreuzförmig schraffierte Bereich als direktes Maß für die Verbesserung des Wirkungsgrades angesehen werden kann.
• Durch eine Reduzierung der Gegenkopplung zwischen Tl und T3, bzw. T2 und T4, z.B. auf die Hälfte, verringert sich auch die vom Vortreiber T5 für eine volle Durchsteuerung der Endtransistoren T 1/ T2 aufzubringende Aussteuerspannung auf die Hälfte. Damit entsteht aus der vorbeschriebenen Erfindung ein weiterer, sehr entscheidender schaltungstechnischer Vorteil.
• Trotz geringer Betriebsspannung UB für eine maximal erreichbare Verstärker-Endleistung lassen sich als Vortreiber integrierte Schaltungen verwenden, obwohl diese bekannterweise gegenüber der Betriebsspannung relativ hohe Sättigungsspannungen aufweisen. Aus Ab b. 7 ist das Prinzip-Schaltbild einer erfindungsgemäß voll durchsteuerbaren Endstufe mit vorgeschaltetem IC zu ersehen. Der IC kann eingangsseitig, neben dem Gegenkopplungs-Eingang mehrere NF-Vorstufen zur Verstärkung des NF-Nutzsignals enthalten und ausgangsseitig die Vortreiberstufe T5, die die beiden nachgeschalteten Treibertransistoren T3/T4 voll mit der Signalspannung durchsteuern können, die auf Grund des gewählten Widerstandsverhältnisses R I IR 2 zur vollen Durchsteuerung der Endtransistoren T 1/T2 führen und damit den Aufbau einer sehr wirtschaftlichen komplementären Gegentakt-B-Leistungsendstufe ermöglichen.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Transistorisierte Gegentakt-B-Verstärkerschaltung mit einer komplementären Leistungs-Endstufe mit Kollektorausgang und maximaler Durchsteuerfsihigkeit und mit einer komplementüren Treiberstufe, deren gemeinsamer Emitteranschluß mit dem Kollektorausgang der Leistungs-Endstufe verbunden ist, dadurch gekennz ei c h n e t, daß der gemeinsame Emitteranschluß der Treibertransistoren mit dem Abgriff eines nur bei Wechselstromaussteuerung wirksamen Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen dem Kollektorausgang der Endtransistoren und einem kalten NF-Bezugspunkt angeschlossen ist, und daß die beiden Spannungsteiler-Widerstände derart gewählt sind, daß durch die dadurch vollzogene Verminderung der Gegenkopplungswirkung zwischen Endstufen und Treiber-Transistor die Treiber-Transistoren in jeder Phase der eigenen Signal-Durchsteuerung durch den Vortreiber-Transistor in der Lage sind, die Endstufen-Transistoren voll bis an das Potential + UB bzw. -U, durchzusteuern.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit den ohmschen Widerständen R l und R2 des Spannungsteilers ein Kondensator mit großer Kapazität eingefügt ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunktwiderstand R2 des Spannungsteilers im Kollektorkreis des Vortreibers liegt und der Kondensator zwischen die beiden Teiler-Widerstlinde R 1 und R2 geschaltet ist.

   Eisenlose Transistorendstufen sind unter anderem wegen des geringe; Materialaufwandes in Verstärkern der Unterhaltungselektronik bis zu den höchsten Ausgangsleistungen allgemein üblich, wobei die verschiedensten Schaltungen mit ihren mehr oder weniger bekannten Vor- und Nachteilen zur Anwendung gekommen sind.

   Grundsätzlich besteht jedoch in allen Schaltungen ein fester Zusammenhang zwischen Betriebsspannung (UIJ) Ausgangsleistung (Pa) und Lastwiderstand (R L). Da in Tonendstufen der Lastwiderstand (R L) durch die Lautsprecher-lmpedanz gebildet wird und diese bei handelsüblichen Typen in engen Grenzen liegt, können nur die beiden anderen Größen frei gewählt werden.

   In modernen Schaltungsanordnungen benutzt man unter Verwendung komplementärer Transistoren weitgehend die Gegentakt-B-Schaltung. Die beiden Transistoren (T 1 und T2) sind hintereinandergeschaltet und werden von einer vorgeschalteten, im A-Betrieb arbeitenden Treiberstufe (T 3) über den miteinander verbundenen Basisanschluß gegenphasig durchgesteuert.

   Hinsichtlich der Betriebsweise unterscheidet man zwischen der symmetrischen (A b b. 1) und der asymmetrischen (A b b. ') Endstufe. Bei der symmetrischen Endstufe liegt der Lastwiderstand Rz ohne Verwendung eines Koppelkondensato rs C gleichspannungs- mäßig zwischen zwei gleichen Potentialen, da für jeden der beiden Transistoren die halbe Betriebsspannung zur Verfügung steht und der Mittclpunkt M der Endstufe schaltungstechn isch auf () V gehalten wird.

   Durch Beschränkung auf nur eine Betriebsspannungsquelle UZ, wird die Schaltung entsprechend A b b. 2 asymmetrisch da der Lastwiderstand R nun in Reihe mit einem Kondensator großer Kapazität zwischen den Mittelpunkt M der Endtransistoren und Masse geschaltet wird.

   Bei nicht vorliegendem Eingangssignal an der Basis des Treibers T3 übernimmt der Kondensator C zunächst die halbe Betriebsspannung. Während der negativen HaI bvel le eines zugeführten Wechselstromsignals wird der Endstufentransistor T 1 durchgesteuert und T2 gesperrt. Der Kollektorstrom über T1 wird dabei der Spannungsquelle br1? entnommen. Während der positiven Halbwelle wird Tl gesperrt und T2 durchgesteuert, wobei der Kondensator C als Betriebsspannungsquelle wirkt.

   Die in dieser Schal tungsanordn ung maximal erreichbare effektive Ausgangsleistung wird unter Vernachlässigung der Restspannung der Transistoren und der Annahme, daß RL der gesamte Lastwiderstand ist: Zur Erzielung einer hohen Ausgangsleistung verbleibt -- bei vorgegebenem Lastwiderstand RL - nur die Verwendung einer entsprechend hohen Betriebsspannung UB. Je nach Schaltungsdimensionierung wird es in der Praxis jedoch in vielen Fällen nicht erreicht, die volle Betriebsspannung UB an den Verbraucherwiderstand R, durchzuschalten. d. h., die wirklich zur Verfügung stehende Ausgangsleistung bleibt unter dem Wert, der gemäß obiger Abhängigkeit genannt wurde. An den Endstufen-Transistoren entsteht aber auch eine Verlustleistung P,., die ebenfalls von der Größe der Betriebsspannung UB abhängt und sich insbesondere bei Verstärkern mit hohen Ausgangsleistungen in eine beträchtliche Wärmemenge umwandelt, die zur Verhütung von Transistorausfällen über geeignete Kühlmaßnahmen abgeführt werden muß.

   Theoretisch Ilißt sich nachweisen, daß die maximale Verlustleistung eines Endstuientransistol s bei etwa 65% der theoretisch möglichen Vollaussteuerung zu einem Betrag von Pvmax 1 UB2 (2) 40 ~ R, auftritt. Sie liegt damit wie ein Vergleich der Beziehungen (1) und (2) ergibt in der Größenordnung von 20% der am Lastwiderstand RL maximal verfügbaren Nutzleistung.

   Eine maximale Ausgangsleistung bei gleichzeitigem optimalem Wirkungsgrad der Endstufenschaltung erreicht man bei gegebener Betriebsspannung durch eine völlige Durchsteuerung der dynamischen Transistor-Arbeitsgeraden. Bei sinusförmiger Aussteuerung ergäbe sich dabei im günstigsten Fall einer vollen Durchsteuerung ein Wirkungsgrad von etwa 70%.