DE2702536C3 - Leistungsverstärkeranordnung mit konstantem Stromverbrauch - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsverstärkeranordnung mit konstantem Stromverbrauch der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art

Bei Tonverstärkern, für die eine beträchtliche Ausgangsleistung vorgesehen werden muß, besteht die Neigung, zumindest die Endstufe des Verstärkers in der Klasse B oder in der Klasse AB zu betreiben. Dies beruht auf der Erwägung, daß die B- und A B- Verstärker gegenüber den A-Verstärkern den Vorteil haben, daß größere Ausgangssignale aus relativ kleinen Verstärkerelementen erzielbar sind. Dieser Vorteil macht sich besonders bei Tonverstärkern in integrierter Bauweise bemerkbar.

Wenn in einem Gerät derartige B- oder AB-Verstärker aus Gründen der Wirtschaftlichkeit von derselben Gleichstromquelle gespeist werden, von der auch andere Schaltungsteile gespeist werden, können sich Schwierigkeiten daraus ergeben, daß derartige Verstärker einen Stromverbrauch haben, der sich mit dem ihnen zugeführten Signal ändert, wodurch sich störende Wirkungen auf die übrigen von der gemeinsamen Quelle gespeisten Schaltungsteile ergeben können. Eine naheliegende, jedoch unwirtschaftliche Lösung zur Oberwindung dieses Nachteils besteht darin, eine gesonderte Speisung für den B- oder AB-Verstärker vorzusehen.

Eine weitere bekannte Lösung (Valvo, Vorläufige "> Daten, TDA 2610, 1975; RTC, Note d'applications circuits integres, LNA 123, TDA 2610, 1975) besteht darin, einen zusätzlichen Schaltungszweig vorzusehen, der bei Speisung von der Gleichstromquelle parallel zu dem B- oder AB-Verstärker eine Strommenge verbraucht, die — jeweils mit der vom Verstärker verbrauchten Strommenge summiert — einen konstanten Stromverbrauch ergibt Diese Lösung bedingt jedoch die Verwendung mindestens einer Leistungskomponente zusätzlich zu den denjenigen des Verstär-

>5 kers, die den überschüssigen Strom aufnehmen kann und den damit verbundenen Verbrauch von Wärmeenergie ermöglicht

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen konstanten Stromverbrauch der Leistungsverstärkeranordnung zu erzielen, ohne daß zusätzliche Leistungskomponenten zu denjenigen des Verstärkers vorgesehen werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Bei der Leistungsverstärkeranordnung nach der Erfindung dient der .zwischen der Endstufe und der Betriebsspannungsquelle liegende Widerstand zum Erfassen der signalbedingten Komponente des Stroms der Endstufe, während der Differentialverstärker auf die

ⁱⁿ Erfassung einer Änderung dieser signalbedingten Komponente in der Weise anspricht, daß sie über das Vorspannelement eine Änderung des Ruhestroms der Endstufe bewirkt die zu der erfaßten Änderung der signalbedingten Komponente des Stroms der Endstufe entgegengesetzt ist, so daß sich in der Endstufe immer ein im wesentlichen konstanter Strom ergibt

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiden in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausfühf ungsbeispiele der Erfindung näher erläutert

⁴⁽¹ Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung bildet einen integrierten Schaltungsteil H, der mit gestrichelten Linien eingeschlossen ist und fünf Anschlüsse B, D, E, F und M aufweist, die zur Verbindung mit äußeren Komponenten oder Schaltungstellen bestimmt sind. Die

^v' Anschlüsse D und M sind mit dem Pol V₅ bzw. mit dem negativen Pol, der durch das Symbol der Masse dargestellt ist einer Gleichstromquelle (nicht dargestellt) verbunden. Zwei pnp-Transistoren Ti und T₂ sind mit ihren Emittern gemeinsam mit einem Anschluß

^r>" einer Konstantstromquelle G\ verbunden, deren anderer Anschluß mit dem positiven Pol Vs verbunden ist. Der Kollektor von T₂ liegt direkt an Masse, während der Kollektor von T\ über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R₃ und einer Kollektor-Emitter-Strecke

^>r> eines npn-Transistors Ts an Masse liegt, dessen Basis mit dem Anschluß Fverbunden ist Zwischen den Kollektor von T\ und den positiven Pol Ks ist eine Konstantstromquelle G₂ geschaltet Die Basis von Ti, die einen Eingang der Differentiälschaltung bildet und mit A bezeichnet ist,

''" ist mit dem Pol Ks der Signalquelle über eine Zenerdiode Dz verbunden. Die Basis von T₂, welche den zweiten Eingang der Differentialschaltung bildet, ist mit dem Anschluß β verbunden. Zwischen dem letztgenannten Anschluß und der Masse sind in Reihenschaltung

⁽'^r' zueinander die Kollektor-Emitter-Strecken von zwei komplementären Transistoren T₃ und Tt geschaltet, welche die Endstufe in Gegenphase eines Leistungsverstärkers bilden. Die beiden Transistoren T₃ und T«, die

vom npn- bzw. pnp-Typ sind, sind an ihrem Emitter gemeinsam mit dem Ausgangsanschluß E des Verstärkers verbunden, und ihre Basiselektroden sind mit den Kollektoren der Transistoren 7\ bzw, 7s, d. h. mit den Anschlüssen des Widerstandes A3 verbunden.

Außerhalb der integrierten Schaltung H ist zwischen die Anschlüsse B und D ein Widerstand R\ geschaltet und zwischen denn Anschluß B und der Masse ein Kondensator Q. Außerdem ist zwischen dem Anschluß E und der Masse eine Last Rl in Reihenschaltung mit einem Kondensator C₂ geschaltet

Wie ersichtlich, besitzt die beschriebene Schaltung einen AB-Verstärker mit einer Vorstufe, die durch den Transistor 7s gebildet wird, und einer Endstufe, welche durch die Transistoren Tj und 7} gebildet wird. Die Basis des Transistors 7s nimmt am Anschluß F ein zu verstärkendes Signal auf, das von einer Tonsignalquelle (nicht dargestellt) stammt, und die Emitter der Transistoren T₃ und 7} liefern an die Last R_L über den Anschluß E das verstärkte Signal. Der Widerstand R₃ wird von einem von der Quelle Gi über den Transistor Ti und von der Quelle G₂ stammenden Strom durchflossen. An den Anschlüssen dieses Widerstandes wird ein Spannungsabfall erhalten, der dazu dient, den Basiselektroden der Endstufentransistoren T₃ und 7} eine Durchlaßvorspannung zu geben und damit den Ruhestrom der Endstufe zu bestimmen.

Bei der Erfindung wird durch die dargestellte Schaltung eine Regelung des Ruhestroms in Abhängigkeit von dem Mittelwert der durch das Signal bedingten Komponente des Stroms erhalten, der durch die Endstufe fließt Im besonderen wird diese Regelung durch die Differentialschaltung mit den Transistoren 71 und T₂ erhalten. Der Eingang A dieser Schaltung wird auf einer durch die Zenerdiode Dz festgelegten Bezugsspannung gehalten. Die an den anderen Eingangsanschluß der Differentialschaltung (mit B bezeichnet) gelegte Spannung wird außer durch den Wert des Widerstandes R\ durch den Leitungszustand der Endstufentransistoren T₃ und 7"₄ bestimmt, d. h. durch den Strom, der sie durchfließt

Es sei zunächst die Wirkungsweise der Schaltung unter statischen Bedingungen, d. h. verbunden mit der Betriebsstromquelle und ohne Eingangssignale, untersucht Der voll der Signalquelle G\ abgegebene Strom wird zwischen den beiden Zweigen der Differentialschaltung in einem Maße aufgeteilt, die von der Zündspannung der Zenerdiode Dz und von dem Wert des Widerstandes Ri abhängt Die Schaltungsparameter werden so gewählt, daß beim Fehlen eines Signals der größere Teil des von der Differentialschaltung aufgenommenen Stroms über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 71 läuft, so daß der Spannungsabfall über R₃ maximal wird und derart, daß er den Höchstwert des Ruhestroms in der Endstufe bestimmt.

Es sei nun die Wirkungsweise der Schaltung betrachtet, wenn dem Eingangsanschluß Fein Tonsignal zugeführt wird. Dieses Signal wird von der Vorstufe auf die Endstufe übertragen und von dieser über den Kondensator C₂ auf die Last Rl. In den Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren T₃ und T*, fließt ein Strom, dessen Größe durch die Summe von zwei Komponenten bestimmt wird, nämlich durch den Ruhestrom und den Mittelwert des durch das Signal bedingten Stroms, der durch den Integrator erhalten wird, welcher durch den Widerstand R₁ und at λ Kondensator Q gebildet wird. Es läßt sich leicht darlegen, daß die Summe der Ströme für irgendein beliebiges Eingangssignal im wesentlichen konstant ist und gerade sein Wert ist immer gleich demjenigen des Ruhestroms beim Fehlen eines Signals. Mit anderen Worten, der Ruhestrom, der die durch die Polarisation der Endstufentransistoren bedingte Komponente ist, nimmt mit zunehmendem Mittelwert der durch das Signal bedingten Komponente ab.

Wenn der Stromverbrauch der Endstufe konstant ist ist natürlich, wenn der Basisstrom des Transistors T₁

ίο vernachlässigt wird, die mittlere Spannung des Anschlusses B mit Bezug auf die Masse ebenfalls konstant Zum Beweis dieser Behauptung sei angenommen, daß die Spannung des Anschlusses B die Neigung hat zuzunehmen. Da am Anschluß A der Differentialschaltung eine feste Spannung liegt welche durch die Zenerdiode Dz bestimmt wird, hat die: Basis-Emitter-Spannung des Transistors T₂ die Neigung, abzunehmen, was zur Folge hat daß bei dem letztgenannten Transistor die Neigung besteht eran geringeren Stromantei! aufzunehmen. Wegen der Konstantstromquelle G\ müßte der Transistor 7Ί dann einen größeren Stromanteil aufnehmen. Dies würde zu einer Zunahme des Spannungsabfalls an den Anschlüssen des Widerstandes Ri führen und damit zu einer Erhöhung der Basis-Eimtter-Spannung der Transistoren T₃ und Tt, und damit zu einem höheren Stromverbrauch durch die letzteren. Wenn jedoch der durch die Transistoren der Endstufe fließende Strom die Neigung haf _s zuzunehmen, hat die Spannung des Anschlusses B das Bestreben,

jo abzunehmen im Gegensatz zu der angenommenen Spannungserhöhung. Ein umgekehrtes Verhalten wird im Falle einer Verringerung der Spannung am Anschluß B erhalten, woraus sich schließen läßt daß die Spannung an diesem Anschluß und damit der Stromverbrauch der

Endstufe die Neigung haben, konstant zu bleiben.

Wie erwähnt wird die Komponente des durch die Transistoren T₃ und 7i fließenden Stroms, die sich zu dem Ruhestrom summiert durch den Mittelwert des Stroms gebildet der durch das verstärkte Signal bedingt ist wc,ches durch die Integrationswirkung des Widerstandes R\ und des Kondensators Q erhalten wird. Eine solche Schaltungsanordnung wird bekanntlich vorgesehen, um die Schaltung für einen Stromanteil bemessen zu können, der etwas höher als der Mittelwert des

•»^r> Verbrauchs des Verstärkers ist, um den maximalen Wirkungsgrad mit den verwendeten Komponenten zu behalten, was jedoch für die Zwecke der Erfindung nicht unerläßlich ist Die Schaltung könnte in der Tat für den maximalen Wert statt für den Mittelwert des Stroms der

■ίο Endstufe bemessen werden, da auch dann noch das Ergebnis eines konstanten Stromverbrauchs erzielt wird.

Mit der vorangehend beschriebenen Schaltung wurde das Ziel der Erfindung insofern erreicht, als die Grotte des den /Iß-Verstärker speisenden Gleichstroms unabhängig von der Ausgangsleistung des Verstärkers selbst praktisch konstant gehalten wird, ohne die Verwendung von Leistungskomponenten zusätzlich zu denjenigen des Verstärkers die für übermäßigen

w» Leistungsverbrauch während des Betriebs bes'immt sind. Zu diesem Zweck werden in der Tat die gleichen Leistungsverstärkerelemente verwendet. Die erfindungsgemäße Schaltung hat daher einen geringen Raumbedarf und eignet sich gut zur Verwendung in der

"5 üblichen Integrationstechnik. Außerdem ergeben sich durch die erfindungsgemäße Schaltung geringere Kosten gegenüber den bekannten Schaltungskombinationen mit ähnlichen Funktionen.

In F i g. 2 ist eine gegenüber der in F i g. I gezeigten Schaltung abgeänderte erfindungsgemäße Schaltung dargestellt. Bei dieser geschieht die Vorspannung der Endstufentransistoren Ts und 71 durch zwei in Reihe geschaltete Dioden D\ und ZT₂, die anstelle des Widerstandes A3 in F i g. t vorgesehen sind, und eines Widerstandes R*, der zwischen den Kollektor von 71 und die Anode von D₁ geschaltet ist. Die Dioden, welche durch Übergänge der gleichen Art wie die Basis-Emitter-Obergänge der Transistoren Tz und T₄ gebildet werden, haben die an sich bekannte Funktion, die temperaturbedingten Schwankungen der Basis-Emitter-Spannungen (Vbe) dieser Transistoren zu kompensieren. Bei dieser Schaltung wird die Betriebsspannung Ks an die Quelle G7 über einen Anschluß N der integrierten Schaltung gelegt und kann über den Arm 5 eines Schalters an den Anschluß D oder an den Anschluß B

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Anschluß B liegt die Spannung V_s auch über den Widerstand R\, wie bei der Schaltung nach Fig. 1. Solche Anordnungen ermöglichen eine doppelte Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung. In der Tat ist, wenn der Schaltarm des Umschalters die Verbindung mit dem Anschluß D (Stellung I) schließt, die Wirkungsweise der Schaltung im wesentlichen gleich ί der, wie sie in Verbindung mit F i g. I beschrieben wurde. In der anderen Stellung des Umschalters, die mit II bezeichnet ist, ist der Widerstand R\ kurzgeschlossen und wird der Schaltungsteil, der in F i g. 2 durch strichpunktierte Linien begrenzt ist und die Differential-

M> schaltung enthält, nicht gespeist. Die Schaltung arbeitet nun wie ein normaler A B-Verstärker mit einem geringen Ruhestrom, der durch den Spannungsabfall über die Dioden D\ und Di bestimmt wird. In diesem Falle ist natürlich der Spannungsabfall über den

1'. Widerstand A4 vernachlässigbar, da er nur durch den Basisstrom von T] bedingt ist.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die dargestellten

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schränkt, und kann innerhalb ihres Rahmens verschiede- :<i ne Abänderungen erfahren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Leistungsverstärkeranordnung mit konstantem Stromverbrauch, mit einer Betriebsspannungsquelle, mit einer Treiberstufe, die mit einer Quelle zu verstärkender Tonsignale verbunden ist, mit einer Endstufe im AB-Betrieb, die mit einem Verbraucher für die verstärkten Signale verbunden ist, und mit einem Vorspannelement, das den Ruhestrom der Endstufe bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Endstufe (T₃, T«) und der Betriebsspannungsquelle ein Widerstand (Ri) liegt, daß ein Differentialverstärker, bestehend aus zwei Transistoren (Ti, T₂), vorgesehen ist, deren Emitter Ober eine gemeinsame Konstantstromquelle (G\) mit der Betriebsspannungsquelle verbunden sind, daß die Basis des einen der beiden Transistoren (Ti, T₂) mit dem Verbindungspunkt (B) der Endstufe (T₃, (T^) und des Widerstands (Ri) verbunden ist, und daß die Basis des anderen der beiden Transistoren (Tu T₂) eine feste Spannung bezüglich der Betriebsspannungsquelle aufweist und der Kollektor dieses anderen Transistors (Ti) mit dem Vorspannelement (R₃) für die Endstufe (T₃, 7}) verbunden ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt des Widerstands (Ri) und der Endstufe (T₃, T₄) über einen Kondensator (Q) geerdet ist

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorspannelement durch einen Widerstand (R₄) gebildet ist, der mit einer oder mehreren unipolar leitenden Vonichtungen (Di, D₂) verbunden ist, die Übergänge gleicher Art wie die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren (T₃, T₄) der Endstufe aufweisen und mit einer Konstantstromquelle (G₂) in der Weise verbunden sind, daß sie in Durchlaßrichtung vorgespannt werden.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter zum Kurzschließen des Widerstands (Ri) und Entaktivieren des Differentialverstärkers (T₁, T₂) vorgesehen ist