DE2802189B2

DE2802189B2 - Gegentakt-Verstärkerschaltung

Info

Publication number: DE2802189B2
Application number: DE2802189A
Authority: DE
Inventors: Petrus Adrianus Maria Van De Nijmgen Sande (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-01-31
Filing date: 1978-01-19
Publication date: 1980-03-13
Also published as: IT7867167A0; DE2802189A1; JPS6120168B2; GB1588293A; NL7700969A; US4152663A; JPS5396651A; DE2802189C3; FR2379193A1; FR2379193B1; CA1089037A; IT1156431B

Description

Die Erfindung betrifft eine Gegentakt-Verstärkerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Eine derartige Schaltung ist u. a. in der integrierten Schaltung vom Typ Nr. TBA 700 der N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken enthalten. Bei dieser Schaltung wird die erste Verstärkerstufe durch einen Differenzverstärker gebildet, der aus zwei emittergekoppelten Transistoren besteht, deren beide Kollektorströme je einem der Eingangskreise der genannten Stromspiegel zugeführt werden. Da die Ruheströme in den Ausgangskreisen dieser Stromspiegel in bezug auf den Ausgangsanschlußpunkt einander entgegengerichtet sind und die Signalstromkomponenten in bezug auf diesen Ausgangsanschlußpunkt gleichphasig sind, kann dem Ausgangsanschlußpunkt ein ruhestromfreier Signalstrom entnommen werden. Ein derartiger Ausgang wird als Klasse-A-Ausgang bezeichnet.

In einer Anzahl von Anwendungen, z. B. in jenen Fällen, in denen eine minimale Verlustleistung erforderlich ist, ist ein Gegentakt-B-Ausgang, d. h. ein Ausgang, bei dem die beiden zu diesem Ausgang führenden Kreise keinen oder in bezug auf den Signalstrom verhältnismäßig wenig Ruhestrom führen und je eine der be^;den Richtungskomponenten des Ausgangssignalstroms führen, erwünscht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gegentakt-Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art mit einem Gegentakt-B-Ausgang zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst. Verstärkerstufen mit gleichphasig angesteuerten ruhestromfreien Ausgängen, wie sie bei der Erfindung benutzt werden, sind an sich bekannt (DE-OS 25 38 362).

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß, wenn ein ruhestromloser Ausgangsstrom des Verstärkers über den Eingangskreis eines Stromspiegels zu einem Speisungsanschlußpunkt geführt wird, nur eine der beiden Richtungskomponenten zu dem Ausgangskreis durchgelassen und gespiegelt wird. Indem zwei solcher Ausgangsströme je einem von zwei komplementären Stromspiegeln zugeführt werden, wird ein Klasse-B-Ausgang erhalten. Die beiden Stromspiegel können dabei eine Stromverstärkung aufweisen.

Beide Ausgangskreise können auf verschiedene Weise gleichphasig angesteuert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verstärkerstufe weiter enthält: einen ersten Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor, deren Steuerelektroden mit einem ersten bzw. einem zweiten Eingangsanschlußpunkt verbunden sind, wobei der erste Ausgangskreis der

ersten Verstärkerstufe durch den Drainkreis des zweiten Transistors gebildet wird; einen zweiten Differenzverstärker mit einem dritten und einem vierten Transistor, deren Steuerelektroden mit dem ersten bzw. dem zweiten Eingangsanschlußpunkt verbunden sind, wobei der zweite Ausgangskreis der ersten Verstärkerstufe durch den Drainkreis des vierten Transistors gebildet wird; einen dritten Stromspiegel, dessen Eingangskreis in den Drainkreis des ersten Transistors aufgenommen ist und dessen Ausgangskreis zu der Drain-Elektrode des zweiten Transistors und zu dem Eingangskreis des ersten Stromspiegels führt, und einen vierten Stromspiegel, dessen Eingangskreis in den Drainkreis des dritten Transistors aufgenommen ist und dessen Ausgangskreis zu der Drain-Elektrode des vierten Transistors und zu dem Eingangskreis des zweiten Stromspiegels führt.

Was beide Differenzverstärker anbelangt, kann es vorteilhaft sein, daß der erste, der zweite, der dritte und der vierte Transistor von einem ersten Leitungstyp sind, der zweite Stromspiegel mit Halbleitern von diesem ersten Leitungstyp aufgebaut ist und der erste, der dritte und der vierte Stromspiegel mit Halbleitern von einem zweiten Leitungstyp aufgebaut sind. Beide Differenzverstärker weisen dann den gleichen Leitungstyp auf. Dabei können Transistoren eingespart werden, dadurch, daß der erste und der dritte Transistor, glei h wie die Eingangskreise des dritten und des vierten Stromspiegels, gemeinsam sind.

Bei den Ausführungsformen, bei denen die beiden Differenzverstärker den gleichen Leitungstyp aufweisen, ist es in bezug auf den Gleichspannungspegel des zweiten Ausgangskreises vorteilhaft, daß in dem Drainkreis des vierten Transistors zwischen seiner Drain-Elektrode und dem zweiten Ausgangskreis ein fünfter Stromspiegel vom /weilen Leitungslyp, dessen Eingangskreis in den Drainkreis des vierten Transistors aufgenommen ist, und ein sechster Stromspiegel vom ersten Leitungstyp, dessen Eingangskreis in den Ausgangskreis des fünften Stromspiegels aufgenommen ist und dessen Ausgangskreis zu dem Eingangskreis des zweiten Stromspiegels führt, angeordnet sind.

Der Eingangsspannungsbereich der bevorzugten Ausführungsform kann dadurch vergrößert werden, daß der erste und der zweite Transistor von einem ersten Leitungstyp sind, der erste und der dritte Stromspiegel mit Halbleiterbauelementen von einem zweiten Leitungstyp aufgebaut sind, der dritte und der vierte Transistor vom zweiten Leitungstyp sind und der zweite und der vierte Stromspiegel mit Halbleiterbauelementen vom ersten Leitungstyp aufgebaut sind.

Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, und F i g. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

Das AusführungsPeispiel in F i g. 1 ist mit MOS-Transistoren ausgeführt. Die erste Verstärkerstufe ist aus zwei Differenzverst'irkern aufgebaut. Der erste Differenzverstärker enthalt einen n-Kanal-Tiansistor Ts und einen n-Kanal-TranSistor Tt, wobei die Gateelektroden der Transistoren T^ und T_b mit Eingangsanschlußpunkten 3 bzw. 2 und die Source-Elektroden mit der Drain-Elektrode eine's n-Kanal-Transistors T% der als Stromquelle wirkt, verbunden sind. Dazu ist die Source-Elektrode des Transistors Tq mit einem negativen Speisungsanschlußpunkt — Vb und die Gate-Elektrode mit der Gate-Elektrode eines n-Kanal-Transistors Tin verbunden, dessen Source-Elektrode mit dem Speisungsanschlußpunkt — Vg und dessen Drain-Elektrode mit seiner Gate-Elektrode verbunden ist. Die Transistoren Tg und Tio bilden also zusammen einen Stromspiegel. Der Eingangsstrom für diesen Spiegel wird dadurch erhalten, daß die Drain-Elektrode aes Transistors Tio über einen Widerstand 9 mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt + Vb verbunden wird. Die Auskopplung von Signalstrom findet dadurch statt, daß der Drain-Strom des Transistors T5 in bezug auf den positiven Speisungsanschlußpunkt + Vs zu dem Drainkreis des Transistors Tt reflektiert wird. Dazu enthält der erste Differenzverstärker einen p-Kanal-Transistor Τη, dessen Drain-Elektrode mit der Drain-Elektrode des Transistors Ts verbunden ist. Die Gate-Elektrode des Transistors Ti ist mit seiner Drain-Elektrode und mit der Gate-Elektrode eines p-Kanal-Transistors Te verbunden. Die Source-Elektroden der Transistoren Ti und Tg sind mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt + Vs verbunden. Die Drain-

Elektrode des Transistors Tg ist mit einem Ausgangsanschlußpunkt 4 verbunden, mit dem auch die Drain-Elektrode des Transistors Tf, verbunden ist.

Sind die Transistoren Tj und Tg identisch, so ist der Ruhestrom im Drainkreis des Transistors Ts gleich dem

-'3 Ruhestrom in dem Drainkreis des Transistors Te und sind die Signalströme gegenphasig. Am Ausgang 4 kann also ein ruhestromfreier Ausgangsstrom fließen. Eine geringe Ungleichheit der Transistoren Tj und Te setzt dem Ausgangsstrom eine geringe Gleichstromkompo-

H) nente zu, die erwünscht sein kann, um die Verzerrung herabzusetzen.

Der zweite Differenzverstärker ist mit dem ersten Differenzverstärker identisch, mit der Maßgabe, daß die entsprechenden Transistoren der beiden Differenzver-

-i^r> stärker vom entgegengesetzten Leitungstyp sind und daß die Speisungsanschlußpunkte verwechselt sind. Den Transistoren Ts, Tf₁, Tj, Tg, Tg und T₁₀, dem Widerstand 9, den Eingängen 2 und 3 und dem Ausgang 4 des ersten Differenzverstärkers entsprechen die Transistoren T^, Tit,, T\j, Tie, Tig bzw. T₂₀, der Widerstand to, Eingänge 2 und 3 und Ausgang 5. Ebenso wie bei dem ersten Differenzverstärker kann am Ausgang 5 ein nahezu ruhestromfreicr Ausgangsstrom gleichphasig zu einem Signal am Eingangsanschlußpunkt 2 und also gleichpha-

■ί^Γ> sig zu dem Ausgangsstrom am Ausgang 4 fließen.

Die zweite Verstärkerstufe ist aus zwei zueinander komplementären Stromspiegeln aufgebaut. Ein erster Stromspiegel enthält p-Kanal-Transistoren T, und T₂. Die Source-Elektroden dieser Transistoren Ti und T2

w sind mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt + V₈ und die Gate-Elektroden sind mit der Drain-Elektrode des Transistors T₁ verbunden, die mit dem Ausgang 4 verbunden ist.

Da der Transistor T₁ nur Strom in einer Richtung

^ri^r) führen kann, fließt nur eine der beiden Richtungskomponenten des Stroms, der am Ausgang 4 fließen kann, durch den Transistor Ti und wird zu der Drain-Elektrode des Transistors T₂ reflektiert. Die andere Richtungskomponente wird dadurch unterdrückt, daß die

w) Spannung über dem Transistor Ti niedriger als die Schwellwertspannung wird, wodurch der Transistor Tf in den gesättigten Zustand gelangt (Source-Drain-Spannung kleiner als die Source-Gate-Spannung).

Der zweite Stromspiegel des zweiten Verstärkers

t>"> enthält die n-Kanal-Transistoren Tj und T₄. Die Source-Elektroden dieser Transistoren Tj und T₄ sind mit dem negativen Speisungsanschlußpunkt — Vb und die Gate-Elektroden sind mit der Drain-Elektrode des

Transistors Tj verbunden, die mit dem Ausgang 5 verbunden ist.

Ebenso wie bei dem ersten Spiegel Ti, Γ2 wird der Transistor T3 nur eine der beiden Richtungskomponenten des Signalstroms, der am Ausgang 5 fließen kann, führen. Da dieser Spiegel zu dem Spiegel Ti, T₂ komplementär ist, ist diese Komponente derjenigen des Transistors 71 entgegengerichtet. Die Drain-Elektroden der Transistoren 7} und 7} führen also wechselweise eine Polarität des aus der Eingangsspannung erhaltenen Signalstroms. Dadurch, daß die Drain-Elektroden der Transistoren T₂ und Ta mit einem Ausgang 8 verbunden sind, fließt durch den Ausgang 8, vorausgesetzt, daß dieser mit einer Belastung R] verbunden ist, ein Strom, in dem wieder beide Polaritäten vorhanden sind. Auf diese Weise bilden die Transistoren T₁ und Ti eine Gegentakt-B-Ausgangsstufe. Dadurch, daß die Stromverstärkungsfaktoren der Spiegel Tj, Tg und Tu und Tie etwas kleiner als 1 gewählt werden, fließt in der Ausgangsstufe ein geringer Ruhestrom, wodurch die Verzerrung herabgesetzt wird.

Wegen des in bezug auf Leitungstypen und Speisespannungen symmetrischen Aufbaus der Schaltung nach Fig. 1 ist der Eingangsspannungsbereich maximal.

F i g. 2 zeigt ein anderes Ausführen gsbeispiel nach der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel enthält, ebenso wie die Verstärkerschaltung nach Fig. 1, die zweite Verstärkerstufe, die aus einem ersten und einem zweiten Stromspiegel mit Transistoren 7Ί, Γ2, Tz und Ta und dem Ausgang 8 besteht. Ebenso enthält dieser einen ersten Differenzverstärker mit T₅. 7"₆, T₇, Ts, T₉, T₁₀ und 9, der mit dem nach F i g. 1 identisch ist. Der zweite Differenzverstärker wird durch einen mit dem ersten Differenzverstärker identischen Differenzverstärker, also mit Transistoren vom entsprechenden Leitungstyp, gebildet. Dieser zweite Differenzverstärker ist möglichst mit dem ersten kombiniert und wird durch die Stromquelle 9, Ti₀, T₉ und die Transistoren T$ und 7"n gebildet, wobei die Source-Elektrode des Transistors Ti 1 mit der Source-Elektrode des Transistors T₆ und dessen Gat;-Elekirode mit der Gate-Elektrode des Transistors T₆ verbunden ist. Wenn der Transistor Γη mit dem Transistor 7ä identisch ist. ist der Drain-Strom des Transistors Tn nahezu gleich dem Drain-Strom des Transistors T₆.

Da der Ausgangsstrom des zweiten Differenzverstärkers in der zweiten Verstärkerstufe gegenüber der negativen Speisespannung — Vbgespiegelt wird und der minimale Drain-Elektrodenspannungspegel des Transi stors 711 dafür zu hoch ist, ist die Drain-Elektrode de; Transistors 711 mit der Drain-Elektrode eines p-Kanal Transistors Γ12 verbunden, dessen Drain-Elektrode mii ι der Gate-Elektrode eines p-Kanal-Transistors 71; verbunden ist, wobei die Source-Elektroden mit derr positiven Speisungsanschlußpunkt + V« verbunden sind Dadurch wird der Drain-Strom des Transistors Tu ir bezug auf den positiven Speisungsanschlußpunkt + Vj zu der Drain-Elektrode des Transistors 7I₃ reflektiert Auf ähnliche Weise wird der Drain-Strom des Transistors Γι3 über einen Spiegel, der aus der n-Kanal-Transistoren Γ|₄ und Γ21 besteht, in bezug aul den negativen Speisungsanschlußpunkt - V« zu der Drain-Elektrode des Transistors Γ21 reflektiert. 1st die ocsarnt ve rs tarnung

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M 1.13 Z. W I5V.I ICl

den Drain-Elektroden der Transistoren Tw und T₂] gleich 1, so ist der Drain-Strom des Transistors T21 gleich dem Drain-Strom des Transistors 7~_n und somii

2u gleich dem Transistor Tf₁.

Die Strcmspiegelauskopplung des zweiten Differenz Verstärkers Γ5, 71t erfolgt dadurch, daß ein p-Kanal Transistor Γ22 in den Drainkreis des Transistors T₂ aufgenommen wird. Die Gate-Elektrode dieses Transi stors ist mit der Gate-Elektrode des Transistors Ti unc die Source-Elektrode dieses Transistors ist mit den positiven Speisungsanschlußpunkt + Vb verbunden. Au diese Weise wird der Drain-Strom des Transistors Γ5 zi der Drain-Elektrode des Transistors Γ22 reflektiert.

Die Drain-Elektroden der Transistoren Γ21 und Γ2; sind mit dem Ausgangsanschlußpunkt 5 verbunden, derr ein ruhestromfreier Signalstrom entnommen werder kann. Die Wirkung der zweiten Verstärkerstufe Ti, T₂ Tt,, Ti ist gleich der bei der Schaltung nach F i g. 1.

J5 Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die gezeigter Ausführungsbeispiele. Es gibt verschiedene Verfahrer zum Erhalten zweier gleichphasig angesteuerter unc nahezu ruhestromfreier Ausgangssignalstromkreise Auch die unterschiedlichen Stromspiegel lassen sich au vielerlei Weise herstellen; z. B. ist es möglich, Wider stände in die Source-Kreise der unterschiedlicher Strornspiegeitransistoren aufzunehmen, in bezug auf die gezeigten Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein die Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 dadurch zi kombinieren, daß zwei Schaltungen nach F i g. 2, die mii zueinander komplementären Transistoren ausgefühn sind, auf gleiche Weise wie bei der Schaltung nacr F i g. 1 zusammengebaut werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Gegentakt-Verstärkerschaltung mit einer ersten Verstärkerstufe zur Verstärkung eines Eingangssignals, das einer zweiten Verstärkerstufe zugeführt wird, die einen ersten und einen zweiten Stromspiegel enthält, wobei der zweite Stromspiegel (Ti, Ti) in bezug auf seine Funktion zu dem ersten Stromspiegel (Ty, Tt) komplementär ist — insbesonder durch Verwendung von Halbleitern entgegenge- ·ο setzten Leitfähigkeitstyps — und wobei die Ausgangskreise beider Stromspiegel in Reihe zwischen den Speisespannungsanschlußpunkten (+Vb, — Vb) angeordnet und an einen gemeinsamen Ausgangsanschluß (8) geführt sind, dadurch gekenn- '5 zeichnet, daß die erste Verstärkerstufe so ausgebildet ist, daß ihre beiden Ausgänge ruhestromfrei sind und gleichphasig angesteuert werden.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verstärkerstufe weiter enthält: einen ersten Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Transistor (T5, T₆) deren Gate-Elektroden mit einem ersten bzw. einem zweiten Eingangsanschlußpunkt verbunden sind, wobei der erste Ausgangskreis der ersten Verstärkerstufe durch den Drainkreis des zweiten Transistors gebildet wird; einen zweiten Differenzverstärker mit einem dritten und einem vierten Transistor (Ti₅, /ie), deren Gate-Elektroden mit dem ersten bzw. dem zweiten Eingangsanschlußpunkt -JO verbunden sind, wobei der zweite Ausgangskreis der ersten Verstärkerstufe durch den Drainkreis des vierten Transistors gebildet wird; einen dritten Stromspiegel (Tj, T₈), dessen Eingangskreis in den Drain-Kreis des ersten Transistors (T₅) aufgenom- « men ist und dessen Ausgangskreis zu der Drain-Elektrode des zweiten Transistors und zu dem Eingangskreis des ersten Stromspiegels (Ty, T2) führt, und einen vierten Stromspiegel (Ti₇, Ti₈) enthält, dessen Eingangskreis in den Drain-Kreis des *> dritten Transistors (Ti₅) aufgenommen ist und dessen Ausgangskreis zu der Drain-Elektrode des vierten Transistors und zu dem Eingangskreis des zweiten Stromspiegels führt.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch <t^r> gekennzeichnet, daß der erste, der zweite, der dritte und der vierte Transistor von einem ersten Leitungstyp sind, der zweite Stromspiegel mit Halbleitern von diesem ersten Leitungstyp aufgebaut ist und der erste, der dritte und der vierte ^Γ>< > Stromspiegel mit Halbleitern von einem zweiten Leitungstyp aufgebaut sind.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der dritte Transistor gemeinsam durch einen Transistor « gebildet werden und daß die Eingangskreise des dritten und des vierten Stromspiegels gemeinsam durch einen Kreis gebildet werden.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Drain-Kreis des f>o vierten Transistors zwischen seiner Drain-Elektrode und dem Eingangskreis des zweiten Stromspiegels ein fünfter Stromspiegel vom zweiten Leitungstyp, dessen Eingangskreis in den Drain-Kreis des vierten Transistors aufgenommen ist, und ein sechster M Stromspiegel vom ersten Leitungstyp, dessen Eingangskreis in den Ausgangskreis des fünften Stromspiegels aufgenommen ist und dessen Ausgangskreis zu dem Eingangskreis des zweiten Stromspiegels führt, angeordnet sind.

6. Verstärkerschaltung nacii Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor von einem ersten Leitungstyp sind, der erste und der dritte Stromspiegel mit Halbleiterbauelementen von einem zweiten Leitungstyp aufgebaut sind, der dritte und der vierte Transistor vom zweiten Leitungstyp sind, und daß der zweite und der vierte Stromspiegel mit Halbleiterbauelementen vom ersten Leitungstyp aufgebaut sind.