DE2558161C3 - PDM-Signalverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen PDM-Signalverstärker entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US-PS 36 29 616 ist ein PDM-Signalverstärker mit zwei im Gegentakt geschalteten bipolaren Transistoren bekannt Bipolare Transistoren als Schalter haben jedoch den Nachteil, daß sie aufgrund ihrer Trägerspeicherwirkung Signaiverzenungen verursachen.

Aus der DE-AS 12 93 230 ist ein komplementärer Verstärker mit FETs bekannt, bei denen die Drain- und Source-Elektroden mit den Anschlüssen einer Gleichspannungsquelle in Drain-Folger-Schaltung verbunden sind, wobei die Signalquelle an die Gate-Elektroden gekoppelt ist und die FETs im Gegentaki geschaltet sind. FETs haben zwar gute Schaltcigcnschaftcn, da sie aufgrund ihrer unipolaren Ausbildung keine Trägerspeicherwirkung zeigen, jedoch ist ihre Anwendung wegen ihrer geringen Drainstronikapazillt begrenzt.

■»ο Es sind auch FETs mit Triodencharakteristik bekannt, die eine größere Drainstromkapazität haben. Außer der größeren Drainstromkapazität haben derartige FETs auch gute Schalteigenschaften und lineare Übertragungskennlinien, so daß sie für Gegentaktsignalverstärker geeignet sind.

Bei dem bekannten PDM-Signalverstärker mit bipolaren Transistoren ist deren Verbindungspunkt über eine Last mit einer Drosselspule als Tiefpaßfilter verbunden. Bei solch einem Verstärker muß der Gegenstrom aufgrund der Gegenspannung der Drosselspule über zwei Dioden abgeleitet werden, von denen die eine zwischen den Kollektor und den Emitter der bipolaren Transistoren geschaltet ist. Es müssen daher Dioden verwendet werden, die in einem relativ hohen Frequenzbereich funktionsfänig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen PDM-Signalverstärker zu schaffen, bei dem die günstigen Eigenschaften von FETs mit Triodencharakteristik ausgenutzt werden.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine derartige Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß keine genauen, für hohe Geschwindigkeiten geeigneten Dioden erforderlich sind, bei den FETs keine Trägerspeicherwirkung auftritt, eine hohe Ansprechge-

schwindigkeit erreicht wird und die Signalverzerrungen gering sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der F i g. 1 bis 10 beispielsweise erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Impulsbreitenmodulationsschaltung,

Fig.2 ein Schaltbild eines bekannten PDM-Signalverstärkers,

Fig.3A Lis 3G den Verlauf von Signalen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Verstärkers der Fig. 2,

Fig.4 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines PDM-Signalverstärkers gemäß der Erfindung,

Fig.5A bis 5E den Verlauf von Diagrammen zur Erläuterung der Arbeitsweise des PDM-Signalverstärkers in F i g. 4,

F i g. 6 ein Diagramm, aus dem die Id— Vd-Kennlinien des PDM-Signalverstärkers der F i g. 4 hervorgehen,

F i g. 7 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

F i g. δ und 9 Querschnitte von Beispielen von Feldeffekttransistoren mit Triodencharakteristik und

Fig. 10 ein Diagramm, aus dem die Id- Vd-Kennlinien der Feldeffekttransistoren in den Fig.8 und 9 hervorgehen.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Impulsgenerator, der einen Impuls wie einen Rechteckimpuls erzeugen kann. Der Impuls des Impulsgenerators 1 wird einem Sägezahnsignalgenerator 2 zugeführt 3 bezeichnet eine Modulationssignalquelle wie eine Tonsignalquelle. Die Ausgangssignale des Sägezahngenerators 2 und der Modulationssignalquelle 3 werden dem Abtasthaltekreis 4 zugeführt, von dem ein PDM-Signal erhalten wird, das dann einem Ausgangsanschluß 5 zugeführt wird.

Γ i g. 2 zeigt den bekannten PDM-Signaiverstärker vom Typ eines D- Verstärkers, dem das PDM-Signal von der in F i g. 1 gezeigten Schaltung zugeführt wird, der dieses verstärkt und das ursprüngliche Modulationssignal wie aas ursprüngliche Tonsignal erzeugt das dann einer Last zugeführt wird. Solch ein Verstärker hat einen hohen Wirkungsgrad, seine Transistoren haben keine Nichtlinearität und er arbeitet richtig, selbst wenn die statischen Eigenschaften seiner Transistoren streuen.

Der bekannte PDM-Signalverstärker in Fig.2 wird nun im einzelnen anhand seines Aufbaus und seiner Arbeitsweise unter Bezugnahme auf die F i g. 3A bis 3G beschrieben. In F i g. 2 /eigen Q\ und Qi einen ersten und zweiten bipolaren Transistoren. Einer der bipolaren so Transistoren bzw. Qi bei diesem Beispiel ist ein NPNTransistor, während der andere bipolare Transistor Q₂ ein PNP-Transistor ist. Diese Transistoren sind in sogenannter komplementärer Gegentaktschaltung geschaltet. Die Basen der Transistoren Qi und Q₂ sind zusammen mit einem Eingang 7 verbunden, dem ein PDM-Signal zugeführt wird, das von der Modulationsschaltung in F i g. 1 erzeugt wird. Die Kollektoren der Transistoren Q\ und Q₂ sind zusammen mit einem Ausgang 8 verbunden, der über ein Trägerunterdrük· so kungsfilter bzw. ein Tiefpaßfilter wie eine Drosselspule 9 mit einem Ende einer Last 10 wie einem Lautsprecher verbunden ist, dessen anderes Ende geerdet ist. Die Kollektoren der Transistoren Qi und Q₂ sind mit Gleichspannungsquellen + Bi und — B\ verbunden, die verschiedene Polarität haben. Dioden D\\ und D\2 sind 7-wischen die Kollektoren und Emitter der Transistoren Vi und Qi geschaltet. Die Anode der Diode Dn ist mit dem Emitter des Transistors Q\ und deren Kathode ist mit dessen Kollektor verbunden, während die Anode der Diode Dn mit dem Kollektor des Transistors Qi und deren Kathode mit dessen Emitter verbunden ist

Die Arbeitsweise des PDM-Signalverstärkers 6 in F i g. 2 wird nun anhand der F i g. 3A bis 3G beschrieben.

Ohne Modulation wird ein PDM-Signalspannung Vi, die in Fig.3A gezeigt ist (deren Tastverhältnis 50% beträgt) dem Eingangsanschluß 7 zugeführt Am Ausgang 8 wird eine Ausgangsspannung V₀ erhalten, deren Verlauf näherungsweise der gleiche wie der der Eingangsspannung Vi ist wie F i g. 3B zeigt Ober den Transistor Q\, die Diode Ai, den Transistor Qi und die Diode Dyi fließen Ströme l\, I₂, h und U, die in den Fig.3C bis 3F gezeigt und deren Richtung in Fig.2 gezeigt sind. Daher fließt über die Spule 9 ein Strom /o, der in F i g. 3G und dessen Richtung in F i g. 2 gezeigt ist

Da bei dem bekannten PDM-Signalverstärker 6 in F i g. 2 d:e Ströme h und U infolge der Energie, die in der Spule 9 gespeichert wird, fließe- nüssen, werden die Dioden D\i und Dn für den Gegenstrr m verwendet Da jedoch die Frequenz des PDM-Signals, das an den PDM-Signalverstärker 6 angelegt wird, ziemlich hoch ist sind Spezialdioden für hohe Geschwindigkeiten als Dioden Dn und D12 notwendig.

Es wird nun eine Ausführungsform des PDM-Signalverstärkers 6 gemäß der Erfindung anhand der F i g. 4 beschrieben.

Bei der Ausführungsform der Erfindung in F i g. 4 ist ein erster und zweiter FET φ und Qi verwendet, deren Drainelektroden zusammen mit einem Ausgang 8 verbunden sind. Die Sourceelektroden der FETs Q\ und Qi sind jeweils mit einer ersten und zweiten Gleichspannungsquelle + B; und — B\ verbunden, die verschiedene Polarität haben. Die Gateelektroden der FETs Qi und

^viuviiovuailung VUiVi 1 i^m-jig

quelle e und eines Widerstandes Ri und eine Reihenschaltung einer PDM-Signalquelle e und einti Widerstandes Ri mit einer dritten u.id vierten Gleichspannungsquelle + Bi und — B₂ verbunden, die verschiedene I olarität haben. Dioden Dn und D₂₂ sind zwischen die Source und Gateelektrode der FETs Q\ und Qi geschaltet, um zu vermeiden, daß die Gateelektroden in Durchlaßrichtung unter Überschreitung ihrer Durchlaßspannung betrieben werden. Hierbei ist die Anode der Diode D21 mit der Sourceelektrode des FETs Qi und der Kathode mit dessen Gateelektrode verbunden, während die Anode der Diode D_n mit der Gateelektrode des FETs Q: und deren Kathode mit dessen Sourceelektrode verbunden ist.

Die Arbeitsweise des PDM-Signalverstärkers 6 vird nun anhand der F i y. 5A bis 5E beschrieben, seine ArL ei:sweise ist grundsätzlich gleich derjenigen des PDM-Signalverstärkers 6 in F i g. 2. F i g. 5A zeigt den Verlauf der Spannung Vi des PDM-Signals, während F i g. 5B den Verlauf des Ausgangssignais V₀ zeigt, aas am Ausgang 8 erhalten wird. F i g. 5C und 5D zeigen den Verlauf der S.röme /1 und /j, die durch die Source-Drain-Sirecken der FETs <?i und Q₂ fließen. Die Ströme /1 und Ii, die in Fig.5C und 5D gezeigt sind, sind im wesentlichen gleich der Summe der St.röma /1 und I₂ in den F i g. 3C und 3D, die durch den Transistor Q\ und die Diode Dn in F i g. 2 fließen, und der Ströme h und U in Fig.3E und 3F, die durch den Transistor Q₂ und die Diode D12 fließen. Fig.5E zeigt den Verlauf eines Stroms /0, der durch die Spule 9 in F i g. 4 fließt

F i g. 6 ist ein Diagramm, das die Vds—/^-Kennlinien der FETs C?i und Q₂ zeigt, bei dem Vds auf der Abszisse

die Drain-Source-Spannung der FETs Qi und Q₂ wiedergibt, während I_D auf der Ordinate deren Drainstrom wiedergibt. Aus dem Diagramm der F i g. 6 ist ersichtlich, daß es möglich ist, daß der Neigungswinkel der Vds—/o-Kennlinie in den positiven und negativen Bereichen der V_Ds etwas verschieden ist, daß jedoch die FETs Qi und Q₂ als Durchlaß- bzw. Sperr-FET betrieben werden. Hierbei sind ihre Durchlaß- und Stehspannung verschieden, weshalb die FETs Qi und Q₂ in Drainfolgerschaltung geschaltet sind, wie F i g. 4 zeigt, um die FETs Qi und Q₂ als Durchlaß-FETs in dem Bereich zu betreiben, indem die Stehspannung notwendig ist, um die FETs Qi und Q₂ jedoch als Sperr-FETs im Gegenstrombereich zu verwenden (sie werden wie in Emitterfolgerschaltung verwendet), damit durch sie der Gegenstrom mit im wesentlichen dem gleichen Ausgangswiderstand wie im Falle des

DiirciuaG-FETs fucut. Kicfuci isi uic Gcgcrispaiiriuiig,

die durch den Strom /o hervorgerufen wird, der durch die Drosselspule 9 fließ;, wesentlich kleiner als die Betriebsspannung ± B_x (z. B. ist B_x = 200 V, B₂ = 50 V), so daß, selbst wenn die FETs Qi und Q₂ eine niedrige Stehspannung haben, wenn sie als Sperrtransistoren verwendet werden, sie nicht beschädigt werden. Außerdem klemmen in dem Bereich, wc die Schallgeschwindigkeit hoch ist, die Sperrdioden D_2x und £>» die zwischen die Gate- und Sourceelektroden der FETs Qi und Q₂ geschaltet sind, ihre Gatespannungen, so daß ihre Schaltuigenschaften verbessert werden.

F i g. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Bezugsziffern und -buchstaben entsprechend F i g. 4 entsprechende Elemente bezeichnen, weshalb ihre Beschreibung unterbleibt. In F i g. 7 sind die PDM-Signalquellen e mit dem ersten und zweiten FET Qi und Q₂ über bipolare Transistoren Qi_a un<j /Tu. verbunden, deren Kollektor "serdst ist. Hierbei sind die Widerstände der Kollektoren der bipolaren Transistoren Qi₁ und Q₂₃ und die der Betriebsspannungsquellen ±B₂(B₂> B_x) gleich gemacht

Wenn bei der Ausführungsform der F i g. 7 die FETs Qi und Q₂ angesteuert werden, können die Spannungen zwischen ihren Gate- und Sourceelektroden nahezu auf 0 V gebracht werden. Da die Gate- und Sourceelektroden der FETs Qi und Q₂ nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, können die Sperrdioden D_2x und D₂₂ bei der Ausführungsform der Fig.4 weggelassen werden.

Bei den obigen Ausführungsformen kann als erster und zweiter FET Q, und Q₂ ein Vertikalsperrschicht-FET verwendet werden, der eine Triodencharakteristik hat und der so betrieben werden kann, daß nicht an seiner Gesamtkanallänge ein Durchgriff auftritt Ein solcher Vertikalsperrschicht-FET wird nun beschrieben. Der bekannte Sperrschicht-FET hat eine Pentodencharakteristik, jedoch hat der Vertikalsperrschicht-FET eine Triodencharakteristik, eine niedrige Ausgangsimpedanz und kann mit einer großen Leistung betrieben werden. Solch ein Vertikalsperrschicht-FEr ist sehr geeignet, wenn er als Verstärkerelement z. B. in einem Ausgangsverstärker einer Audioschaltung verwendet wird

Eine Ausführungsform des Vertikalsperrschicht-FETs wird nun anhand der Fig.8 beschrieben. Hi Fig.8 bezeichnet 11 eine Eigenhalbleiterzone /, die eine geringe Verunreinigungskonzentration und einen hohen Widerstand hat Eine P-Halbleiterzone 12 ist auf der Eigenhalbleiterzone 11 als Ring und eine N-Halbleiterzone 13, die eine hohe Verunreinigungskonzentration hat, ist über der Eigenhalbleiterzone 11 und der P-Halbleiterzone 12 gebildet.

Eine Drainelektrode D ist auf der Unterseite der Eigenhalbleiterzone 11, eine Gateelektrode G auf der Oberseite der P-Halbleiterzone 12 und eine Sourceelektrode S ist auf der Oberseite der N-Halbleiterzone 13 gebildet

F i g. 9 zeigt eine Ausführungsform des Vertikalsperrschicht-FETs, der in der Praxis verwendet wird und eine Anzahl von Vertikalsperrschicht-FETs der Fig.9 ίιΐΐϊίαΰί. Bei der Ausfünruiigsfunn der F i g. 9 ist die P-Halbleiterzone 12 als Gitter ausgebildet und eine N-Halbleiterzone 14 hoher Verunreinigungskonzentration ist auf der Unterseite der Eigenhalbleiterzone 11 bzw. zwischen deren Unterseite und der Drainelektrode D gebildet
Bei dem obigen Vertikalsperrschicht-FET ist die Strecke von der Sourceelektrode S zu dem Kanal, der am Umfang der P-Halbleiterzone 12 gebildet ist, kurz und auch dL· Kanallänge selbst ist kurz.

Da bei dem bekannten Sperrschicht-FET dessen Kanal schmal und lang ist und damit das Verhältnis zwischen Kanallänge und Kanalbreite groß ist, hat dieser Sperrschicht-FET Pentodencharakteristik und die Drainspannung-Drainstrom-Kennlinie ist derart, daß, wenn die Drainspannung zunimmt, der Drainstrom in den Sättigungsbereich gelangt.

Bei dem obigen Vertikalsperrschicht-FET ist das Verhältnis von Ksiislian^e zu K^nälbreite **n Vergleich zu dem bekannten Sperrschicht-FET derart, daß der Vertikalsperrschicht-FET einen kleinen Ausgangswiderstand und solch eine Charakteristik hat, daß, obwohl die Spannung zwischen seiner Drain- und Sourceelektrode zunimmt dessen Drainstrom nicht wie bei der bekannten Triode in den Sättigungsbereich gelangt

F i g. 10 zeigt ein Diagramm, aus dem die Drainspannung-Drainstrom-Kennlinien Vd-/odes Vertikalsperrschicht-FETs hervorgehen, in dem die Abszisse die Drainspannung V_D in Volt, die Ordinate den Drainstrom Jd in Milliampere wiedergeben und die Gatespannung Vc als Parameter 0, - 2, - 4, - 6, - 8 und -1G V auftritt Die in Fig. 10 gezeigten Kennlinien sind einer sogenannten Triodencharakteristik ähnlich. Aus den Vd-/o-Kennlinien in Fig. 10 ist ersichtlich, daß der VertikalspeiTSchicht-FET ein Ausgangssigna! erzeugen kann, das, ähnlich einer Triode, groß ist und eine geringe Verzerrung hat Da der VertiTcalsperrschicht-FET eine unipolare Vorrichtung ist, hat er keine Trägerspeicherwirkung, wie ein bipolarer FET. Daher hat der Vertikalsperrschicht-FET ausgezeichnete Schalteigenschaften und ist zur Verwendung in einem B- oder D-Audioverstärker geeignet

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. PDM-Signalverstärker, mit aus einer Gleichspannungsquelle mit zwei Anschlüssen und mit einer PDM-Signalquelle, bestehend aus einem ersten und zweiten FET mit Triodencharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain- und Sourceelektroden des ersten und zweiten FETs mit den Anschlüssen der Gleichspannungsquelle in Drain-Folger-Schaltung verbunden sind, daß die PDM-Signalquelle mit den Gateelektroden der FETs verbunden ist, die im Gegentakt geschaltet sind, daß ein Tiefpaßfilter mit dem Verbindungspunkt der Drainelektroden des ersten und zweiten FETs verbunden ist, um ein Trägersignal in dem verstärkten PDM-Signal zu unterdrücken, und daß eine Last zwischen den Ausgangsanschluß des Tiefpaßfilters und einen Bezugspunkt geschaltet ist

2. PDM-Signilverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste FET einen P-Kanal und der zweite FET einen N-Kanal aufweist

3. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter aus einer Drosselspule besteht

4. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Gleichspannungsquelle mit zwei Anschlüssen, und dadurch, daß die PDM-Signalquelle zwischen die Gateelektrode des ersten und zweien FETs und den entsprechenden Anschluß der zweiten Cleichsp/nnungsquelie geschaltet ist, um die FETs im Gegentakt zu betreiben.

5. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Spannung der iwciien G'icichspänriungsquelle größer als die der ersten Gleichspannungsquelle ist.

6. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine erste und zweite Spannungsbegrenzungseinrichtung zwischen der Gate- und Sourceelektrode des ersten und zweiten FETs, so daß diese in den Durchlaßbereich gesteuert werden.

7. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Spannungsbegrenzungseinrichtung eine Diode ist, und daß die Diode zwischen die entsprechende Gate- und Sourceelektrode des ersten und zweiten FETs mit der gleichen Polarität wie der entsprechende Gate-Source-Übergang dieses Transistors geschaltet ist.

8. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Gleichspannungsquelle mit zwei Anschlüssen, einen ersten und zweiten bipolaren Transistor, einen ersten und zweiten Widerstand und dadurch, daß der erste Widerstand und die Kollektor-Emitter-Strecke des ersten bipolaren Transistors zwischen den einen Anschluß der ersten und zweiten Gleichspannungsquelle geschaltet sind, und daß der zweite Widerstand und die Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten bipolaren Transistors zwischen den anderen Anschluß der ersten und zweiten Gleichspannungsquelle geschaltet sind, wobei das Ausgangssignal der PDM-Signalquelle auf die Basis des ersten und zweiten bipolaren Transistors gegeben wird, um diese im Gegentakt zu betreiben.

9. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste FET einen P-Kanal und der zweite FET einen N-Kanal aufweist

10. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste bipolare Transistor ein NPN- und der zweite bipolare Transistor ein PNP-Transistor ist

11. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite bipolare Transistor den ersten und zweiten FET im Gegentakt betreiben.

12 PDM-Signalverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter eine Drosselspule ist

13. PDM-Signalverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte des ersten und zweiten Transistors gleich sind.