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Transistor-Gegentaktverstärker
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistor-Gegentaktverstärker
zum Verstärken von Wechselstrom- oder Impulssignalen mit einer Gegentakt-Treiberstufe
und einer Gegentakt-Endstufe, wobei die Treiberstufe und die Endstufe je zwei mit
ihren-Emitter-Kollektorstrecken gleichstrommäßig in Reihe und für die zu verstärkenden
Signale parallel liegende Transistoren haben.
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Als Leistungsendverstärker zum Verstärken von Wechselstrom-oder Impulssignalen
werden häufig Gegentaktverstärker eingesetzt. Diese üblicherweise mit Transistoren
aufgebauten Verstärker haben zum Beispiel eine Gegentakt-Treiberstufe mit zwei komplementären
Transistoren und eine Gegentakt-Endstufe, die ebenfalls zwei komplementäre Transistoren
enthält; vgl.
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Tietze und Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag,
1969, Seite 241. Bei einer bekannten Schaltung bilden die beiden Transistoren eines
jeden Gegentaktzweiges je eine komplementäre Darlington-Schaltung. Ausgangsseitig
sind die Darlington-Schaltungen über zwei in Serie geschaltete Widerstände verbunden,
zwischen deren gemeinsamen Anschluß und zum Beispiel Masse das verstärkte Signal
abgenommen werden kann.
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Soll die Ausgangsleistung P bei einer gegebenen Betriebsspannung UB
möglichst groß seinj so muß aufgrund der Beziehung
P AR t worin
UA die Ausgangs spannung des Verstärkers und R der Widerstandswert der Last ist,
dafür gesorgt werden, daß der bei der Aussteuerung der Endstufe erzielbare größte
Amplitudenwert der Ausgangsspannung möglichst nahe an die Betriebsspannung herankommt.
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Um dieses Ziel zu erreichen, kann man auf die erwähnte Reihenschaltung
der beiden Widerstände zwischen den beiden Endstufen-Transistoren verzichten. Dann
ergibt sich je Gegentaktzweig aber immer noch an den Transistoren jeder Darlington-Schaltung
ein Spannungsabfall, der sich aus der Basis-Emitterspannung UBE des Transistors
der Endstufe und der dazu wechselstrommäßig in Reihe liegenden Kollektor-Emitterspannung
UCE des Transistors der Treiberstufe zusanmensetzt. Für den bekannten Transistor-Gegentaktverstärker
gilt die Beziehung U - 2(UBE + UCE)' wobei U den Spannungs-+ISS A55 wert der Ausgangsspannung
von Spitze zu Spitze gemessen bezeichnet.
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Da die Spannung UBE bei Transistoren einen annähernd konstanten Wert
von etwa 0,7 V hat, während die Spannung UCE von der jeweiligen Aussteuerung des
Transistors abhängt, ist die Ausgangsspannung U also immer mindestens um 2 0,7 V
= 1,4 V kleiner als die A55 Betriebsspannung UB. Der Spannungsabfall von 1,4 V kann
bei höheren Betriebsspannungen vernachlässigt werden. Liegt die Betriebsspannung
aber beispielsweise bei nur etwa 3 V, dann ist der Spannungsabfall von 1,4 V keinesfalls
mehr vernachlässigbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transistor-Gegentaktverstärker
zu schaffen, dessen Ausgangsspannung bzw. Ausgangsleistung bei einer gegebenen Betriebsspannung
größer ist als bei den bisher bekanntgewordenen Gegentaktverstärkern.
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Erf indungsgemäß
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe
bei einem Transistor-Gegentaktverstärker nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs
dadurch gelöst, daß ein Schaltungspunkt zwischen den einander zugekehrten Anschlüssen
der Transistoren der Treiberstufe erstens über einen für die zu verstärkenden Signale
eine geringe Impedanz aufweisenden Kondensator mit einem festen Bezugspotential,
zum Beispiel dem Massepotential, und zweitens über einen Widerstand, dessen Widerstandswert
so gewählt ist, daß die Transistoren des Gegentaktverstärkers den gewünschten Arbeitspunkt
haben, mit einem Schaltungspunkt zwischen den einander zugekehrten Anschlüssen der
Transistoren der Endstufe verbunden ist.
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Bei einem derartigen Verstärker gilt für die größtmögliche Ausgangsspannung
die Beziehung U - U - 2U , wobei mit A55 die Beziehung UASS UB CEsätt.
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UcEsätt. die Kollektor-Emitterspannung der in den Sättigungszustand
gesteuerten Endstufen-Transistoren bedeutet. Die Sättigungsspannung UCE beträgt
bei Transistoren beispielsweise sätt.
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etwa 100 mV, so daß bei einem mit zum Beispiel 3 V betriebenen Transistor-Gegentaktverstärker
die Ausgangsspannung UA einen SS Wert von 2,8 V erreichen kann. Ein derart hoher
Wert ist mit den bekannten Transistor-Gegentaktverstärkern nicht erreichbar.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im folgenden wird die Erfindung an Hand zweier
in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung
bedeuten: Fig. 1
Fig. 1 ein Schaltbild eines Transistor-Gegentaktverstärkers
in einer ersten Ausführungsform und Fig. 2 ein Schaltbild eines Transistor-Gegentaktverstärkers
in einer zweiten Ausführungsform.
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Ein Transistor-Gegentaktverstärker nach Fig. 1 hat zwei Anschlüsse
1, 2 zum Zuführen von mit dem Verstärker zu verstärkenden Wechselstromsignalen der
Spannung UE. Mit dem Gegentaktverstärker können aber nicht nur Wechselstromsignale,
sondern auch impulsförmige Signale verstärkt werden. Der Anschluß 1 steht über einen
Kondensator 3 mit der Basis eines Transistors 4 in Verbindung, dessen Emitter auf
dem Massepotential liegt und dessen Kollektor erstens mit der Basis eines Transistors
5 und zweitens über zwei in Reihe geschaltete Dioden 6, 7 mit der Basis eines Transistors
8 verbunden ist. Die Transistoren 5 und 8 bilden eine komplementäre Gegentakt-Treiberstufe.
Die Basis des Transistors 8 steht außerdem über einen Widerstand 9 mit einem Anschluß
10 einer Betriebsspannungsquelle in Verbindung, die eine Gleichspannung UB von zum
Beispiel 3 V liefert.
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Während die Emitter der Transistoren 5 und 8 der Treiberstufe unmittelbar
miteinander verbunden sind (= Schaltungspunkt-A), schließt sich an den Kollektor
des Transistors 5 die Basis eines Leistungstransistors 11 und an den Kollektor des
Transistors 8 die Basis eines Leistungstransistors 12 an. Die Leistungstransistoren
11 und 12 bilden eine komplementäre Gegentakt-Endstufe, wobei die Kollektoren der
beiden Leistungstransistoren unmittelbar miteinander verbunden sind (= Schaltungspunkt
B>,
punkt B), während der Emitter des Transistors 11 auf dem
Massepotential und der Emitter des Leistungstransistors 12 auf dem, zum Beispiel
positiven, Betriebspotential des Anschlusses 10 liegt.
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Die beiden miteinander verbundenen Kollektoren der Leistungstransistoren
11 und 12 stehen erstens über einen Kondensator 13 mit einem Anschluß 14 in Verbindung,
der zusammen mit einem auf dem Massepotential liegenden Anschluß 15 den Ausgang
des Gegentaktverstärkers bildet. Zweitens steht der Verbindungspunkt zwischen den
Kollektoren der Leistungstransistoren über einen Widerstand 16 mit der Basis des
Transistors 4 und einen in Reihe zu dem Widerstand 16 liegenden weiteren Widerstand
17 mit Masse in Verbindung.
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Außer den komplementären Transistoren -5 und 8 bzw. 17 und 12 in der
Treiberstufe und in der Gegentakt-Endstufe sind auch die Transistoren 8 und 12 bzw.
5 und 11 zueinander komplementär.
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Auf diese Weise entstehen, sofern der Emitter der Transistoren 5 und
8 und die Kollektoren der Leistungstransistoren 11 und 12 miteinander galvanisch
verbunden wären, zwei komplementäre Darlington-Schaltungen.
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Der vorstehend beschriebene Teil der Gegentaktverstärker-Schaltung
mit zwei komplementären Darlington-Schaltungen ist bekannt. Die Eingangsspannung
UEr das ist zum Beispiel eine Wechselspannung 18, erscheint an dem Kollektor des
Transistors 4 als gegenphasige Spannung 19, die den Basen der Transistoren 5 und
8
und 8 gleichphasig zugeführt wird. Die Komplementär-Darlington
Schaltungen mit den Transistoren 5, 11 bzw. 8, 12 bilden für die Wechselspannung
19 parallele Verstärkungswege, die ausgangsseitig zusammengeführt sind. Das verstärkte
Wechselstromsignal kann dann zwischen den Anschlüssen 14, 15 abgenommen werden.
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Bei der soweit beschriebenen und in ihrer Funktion erläuterten bekannten
Schaltung kann die Ausgangsspannung UASS nur einen solchen Wert haben, der gleich
der Betriebsspannung UB vermindert um die Spannungen UBE der Leistungstransistoren
11 und 12 und vermindert um die Spannungen UCE der Transistoren 5 und 8 ist.
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Wie bereits weiter oben erwähnt, hat in diesem Falle die Ausgangsspannung
UA höchstens einen Wert, der um 1,4 V kleiner SS ist als die Betriebsspannung UB.
Um zu einer höheren Ausgangsspannung UA zu kommen, wird nach Fig. 1 auf die bekannte
gal-SS vanische Verbindung zwischen den Schaltungspunkten A und B verzichtet. Der
Schaltungspunkt A steht vielmehr erstens über einen Kondensator 20 mit Masse und
zweitens über einen Widerstand 21 mit dem Schaltungspunkt B in Verbindung. Auf diese
Weise bilden die Transistoren 8 und 12 bzw. 5 und 11 keine komplementären Darlington-Schaltungen
mehr.
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Die Ansteuerung der Leistungstransistoren 11 bis 12 geschieht nun
über die Transistoren 5 bzw. 8 und den Kondensator 20. Da die Schaltungspunkte A
und B über den Widerstand 21 verbunden sind, kann Punkt B andere Spannungswerte
annehmen als Punkt A.
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Der Kondensator 26 hat wechselspannungsmäßig eine sehr kleine Impedanz.
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Impedanz. Dadurch erhalten die Leistungstransistoren einen genügend
hohen Steuerstrom, so daß sie bis in den oberen Sättigungsbereich hinein ausgesteuert
werden-kdnnen.
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Durch den Widerstand 21 werden die Gleichspannungsverhältnisse des
Verstärkers eingestellt.
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Dem Widerstand 21 kann ein- Kondensator 22 parallel geschaltet sein,
der durch eine Wechselspannungsgegenkopplung verhindert, daß der Verstärker zu schwingen
beginnt. Der Kapazitätswert des Kondensators 22 muß zu diesem Zweck kleiner sein
als der Kapazitätswert des Kondensators 20; Die mit dem Verstärker erzieL-bare Verstärkung
ist frequenzunabhängig und hängt von dem-Verhältnis der Kapagitätswerte der Kondensatoren
20 und 22 ab.
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Für die neue Schaltung mit dem Widerstand 21 und dem Kondensator 20
und gegebenenfalls dem zusätzlichen Kondensator 22 gilt die-Beziehung UA8S = UB
- 2UCEsätt.r wobei mit UCEsätt die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung der Transistoren
11 bzw. 12 bezeichnet ist.
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Ein Vergleich mit der für die bekannte komplementäre Gegentaktverstärker-Schaltung
geltende Beziehungzeigt, daß-die neue Schaltung eine um 2UBE größere Ausgangs spannung
U abgeben ASS-kann. Bei einer Betriebs spannung UB von zum Beispiel 3 V kann also
die Ausgangsspannung UA Werte bis zu 2,8 V haben. Da SS zwischen Ausgangsleistung-
und Ausgangs spannung eine-quadrati-sche Beziehung besteht, ist auch die erzielbare
Ausgangsleistung-erheblich höher.
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Die
Die in Fig. 1 angegebenen Werte für die Kondensatoren
20 und 22 und den Widerstand 21 haben sich bei einem Gegentaktverstärker für niederfrequente
Wechselströme bewährt. Allgemein liegt der Widerstandswert des Widerstandes 19 vorzugsweise
zwischen einigen hundert Ohm und einigen Kilo-Ohm.
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In einer Schaltungsvariante zu Fig. 1 liegt nach dem Schaltbild in
Fig. 2 zwischen dem Schaltungspunkt A und Masse eine Reihenschaltung aus einem Widerstand
23 und einem Kondensator 24 sowie zwischen den Schaltungspunkten A und B ein Widerstand
25. Eine Voraussetzung für das Funktionieren der Schaltung nach Fig. 2 besteht darin,
daß die Impedanz des Kondensators 24 erheblich kleiner sein muß als der Widerstandswert
des Widerstandes 23.
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Der Widerstand 25 hat in dieser Schaltung die gleiche Funktion wie
der Widerstand 21 in dem Schaltbild nach Fig. 1.
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Es sei noch erwähnt, daß der Kondensator 20 bzw. 24 auch zwischen
dem Schaltungspunkt A und dem Anschluß 10 liegen kann; vgl. gestrichelte Linien
in Fig. 1.
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Patentansprüche