DE2821549A1

DE2821549A1 - Mehrstufen-verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE2821549A1
Application number: DE19782821549
Authority: DE
Inventors: Kunio Seki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1978-05-17
Publication date: 1978-11-23
Also published as: DE2821549B2; US4145666A; JPS6046847B2; NL7805338A; DE2821549C3; JPS53142153A

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrstufen-Verstärkerschaltung .

In der Beschreibung soll mit "Mehrstufen-Verstärkerschaltung" eine Schaltung bezeichnet werden, die mehrere kaskadenförmig verschaltete Verstärkerschaltungen und eine Gegenkopplungssehaltung zum Anlegen einer Gegenkopplung an die Verstärkerschaltungen enthält.

In einer in obiger Weise definierten Mehrstufen-Verstärkerschaltung werden die kaskadenförmig verschalteten Verstärkerschaltungen gewöhnlich einer Phasenkompensation unterworfen, um die Gegenkopplung zu stabilisieren.

Bei einem monolithischen Leistungs-IC (IC = integrierte Halbleiterschaltung), wie er beispielsweise in einem im August 1976 herausgegebenen Katalog "HITACHI LINEAR IC¹S POR ACOUSTIC EQUIPMENT", Seite 65 beschrieben ist, ist eine Mehrstufen-Verstärkerschaltung aus einer ersten Verstärkerstufe zur Umwandlung eines EingangsspannungsSignaIs in ein Stromsignal, einer A-Treiberverstärkerstufe vergleichsweise hoher Verstärkung zur Verstärkung des Stromsignals und einer B-Ausgangsverstärkerstufe aufgebaut. Die Phasenkompensation wird ausgeführt, indem ein Phasenkompensationskondensator zwischen dem Ein- und Ausgang der Treiberverstärkerstufe, welche die hohe Verstärkung erzielt, angeordnet wird.

Bei obiger Schaltung liefert der Phasenkompensationskondensator einen lokalen Gegenkopplungspfad für die A-Treiberverstärkerstufe und unterdrückt infolgedessen die Entstehung einer Signalverzerrung in der A-Treiberverstärkerstufe im Bereich hoher Frequenzen. Bei der Mehrstufen-Verstärkerschaltung führt jedoch die Ausgangsverstärkerstufe den B-Betrieb durch und verursacht eine vergleichsweise starke Signalverzerrung, und im Hochfrequenzbereich nimmt

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die Stärke der Gegenkopplung von der Ausgangsverstärkerstufe zur ersten Verstärkerstufe als Folge der lokalen Gegenkopplung ab und es wird unmöglich, die Signalverzerrung der Ausgangsverstärkerstufe durch das Gegenkopplungssignal zu eliminieren, so daß die Verzerrung des Ausgangssignals zunimmt.

Andererseits .wird in einem Fall, wo, wie auf Seiten 130 und 131 des vorgenannten Katalogs beschrieben, ein erster Kondensator zur Ehasenkompensation zwischen dem Ausgang der Ausgangsverstärkerstufe und dem Eingang der Treiberverstärkerstufe und ein zweiter Kondensator zwischen dem Eingang der Treiberverstärkerstufe und dem Erdpunkt der Mehrstuf en—Verstärkerschaltung angeordnet wird, die lokale' Gegenkopplung im Ausmaß der Absenkung der Leerlaufverstärkung infolge des ersten Kondensators im Hochfrequenzbereich an die Ausgangsverstärkerstufe gelegt, so daß die Zunahme der Verzerrung des Ausgangssignals, die der Absenkung der Leerlaufverstärkung zuschreibbar ist, eingeschränkt werden kann. Der zweite Kondensator beschränkt die Stärke lokaler Rückkopplung, die über den ersten Kondensator im Hochfrequenzbereich durchzuführen ist, und verhindert lokale Schwingungen, die auf eine Phasennacheilung zwischen der Treiberverstärkerstufe und der Ausgangsverstärkerstufe zurückzuführen sind.

Um die Le er lauf verstärkung hoch zu machen, muß jedoch bei obigem Behelf der zweite Kondensator, der auf der Eingangsseite der Treiberstufe angeordnet ist, eine Kapazität haben, die ausreichend höher als die des ersten Kondensators, beispielsweise 100-mal höher, ist. Wenn daher eine Mehrstufen-Verstärkerschaltung in Form eines IC aufgebaut werden soll, läßt sich der Kondensator hoher Kapazität nicht innerhalb des IC ausbilden und stellt eine extern angebrachte Komponente dar, so daß die Anzahl externer Klemmen des IC zunimmt. Da der innerhalb des IC befindliche Kondensator in diesem Fall mit der extern angebrachten Klemme verbunden ist, besteht ferner die Gefahr, daß es infolge von auf die externe Klemme

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gegebener statischer Elektrizität zu einem elektrostatischen Durchbruch des innerhalb des IC befindlichen Kondensators kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Mehrstufen-Verstärkerschaltung zu schaffen, welche den Verzerrurgsfaktor im Hochfrequenzbereich verbessert und mit Phasenkompensationskondensatoren niedriger Kapazität auskommt.

Ferner soll dabei eine Mehrstufen-Verstärker schaltung geschaffen werden, die einem IC angemessen ist.

Erfindungsgemäß werden hierzu ein erster und ein zweiter Kondensator in Serie zwischen Ein- und Ausgang einer der eine Mehrstufen-Verstärkerschaltung bildenden Verstärkerschaltungen geschaltet, und ein Widerstand ist zwischen einem Ausgang einer Verstärkerschaltung, die auf jene eine der Verstärkerschaltungen folgt, und einem gemeinsamen Punkt des ersten und des zweiten Kondensators angeschlossen. Auf diese Weise sind der erste Kondensator und der Widerstand in Reihe zwischen dem Eingang jener einer der Verstärkerschaltungen und dem Ausgang der nachfolgenden Verstärkerschaltung angeschlossen.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 2 ein konkretes Schaltbild hierzu.

Die in Figur 1 gezeigte Mehrstufen-Verstärkerschaltung besteht aus kaskadenförmig verschalteten Verstärkerschaltungen 1 bis 3» einer Phasenkompensatorschaltung 4 und einer Gegenkopplungsschaltung 5-

Bei beispielsweise einer Mehrstufen-Verstärkerschaltung, welche in einem Leistungs-IC für Akustikgeräte verwendet wird, ist die Verstärkerschaltung 1 eine erste Verstärkerstufe zur Umwandlung eines Spannungssignals in ein Stromsignal, die Verstärkerschaltung 2 eine Treiberverstärkerstufe und die Verstärkerschaltung 3 eine Ausgangsverstärker-

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stufe. Die Phasenkompensatorschaltung ist aus phasenkorrigierenden Kondensatoren C₁ und C₂, die in Serie zwischen Ein- und Ausgang der Treiberverstärkerstufe 2 angeschlossen sind, und einem Widerstand R₁₁, der zwischen dem gemeinsamen Punkt der Kodensatoren C₁ und C₂ einerseits und dem Ausgang der Ausgangsverstärkerstufe 3 andererseits angeschlossen ist, aufgebaut.

Bei obiger Schaltung ist in einem vergleichsweise niedrigen Frequenzbereich die Impedanz des Kondensators C₂ hoch verglichen mit dem Widerstandswert des Widerstands FLj ^ , so daß die Phasenkompensation im wesentlichen durch eine Serienschaltung, bestehend aus dem Kondensator C₁ und dem Widerstand R_{1 1} , durchgeführt wird. In einem vergleichsweise hohen Frequenzbereich wird die Impedanz des Kondensators C₂ niedrig verglichen mit dem Widerstandswert des Widerstands R-J₁* so daß die Phasenkompensation dann über eine Serienschaltung, bestehend aus den Kondensatoren C₁ und C₂ durchgeführt wird.

Da die Phasenkompensation, wie oben beschrieben, im vergleichsweise hohen Frequenzbereich im wesentlichen durch den Serienweg aus Kondensatoren C₁ und C₂ erfolgt, nimmt bei der Hehrstufen-Verstärkerschaltung die Größe der Signalrückkopplung von der Ausgangsverstärkerstufe 3 zur Treiberverstärkerstufe 2 relativ ab. Die Größe der Phasennacheilung des Signals in der Treiberverstärkerstufe 2 ist kleiner als die zusammengesetzte Größe der Phasennacheilungen in der Treiberverstärkerstufe und der Ausgangsverstärkerstufe. Deshalb lassen sich Schwingungen in einer Schaltungsschleife, die aus der Treiberverstärkerstufe 2, der Ausgangsverstärkerstufe 3 und der Phasenkompensatorschaltung 4 besteht, verhindern. Infolge dessen erfolgt bei obiger Schaltung ein stabiler Phasenkompensationsvorgang.

Im vergleichsweise niedrigen Frequenzbereich baut die Serienschaltung aus dem Widerstand R₁₁ und dem Kondensator C₁ die lokale Rückkopplungsschleife zwischen dem Eingang der Verstärkerschaltung 2 und dem Ausgang der Verstärkerschaltung 3 auf. Im Bereich niedriger Frequenzen wird die Gegenkopplung

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durch die lokale Rückkopplungsschleife auf die Ausgangsverstärkerstufe gegeben, so daß ein auf die Phasenkorrektur zurückgehender Verstärkungsverlust zur Verbesserung der Verzerrung dient.

Obwohl sich die Kapazitäten der Kondensatoren C₁ und C₂ danach richtet, wie die Abschneidfrequenz ausgewählt wird, die durch den Widerstand R₁₁ bestimmt wird, werden sie bei üblichen Leistungs-IC's ungefähr 5 - 10 pF betragen.

Aus diesem Grund können, wenn die Mehrstufen—Verstärkerschaltung in eine integrierte Halbleiterschaltung eingebaut werden soll, beide Kondensatoren C₁ und Cp darin enthalten sein.

Dementsprechend verbessert die Mehrstufen—Verstärkerschaltung dieser.Ausführungsform den Verzerrungsfaktor und ist außerdem der Form der integrierten Halbleiterschaltung angemessen.

Figur 2 zeigt ein Beispiel einer konkreten Schaltung, bei welcher die Erfindung auf einen Audio—Leistungs-IC angewandt ist.

Eine Schaltung 1 , die von einer unterbrochenen Linie umrahmt ist, ist eine erste Verstärker stufe, die aus Verstärkungstransistoren Q-j und Q₂, einem Konstantstrom—Transistor Qq und einem Widerstand R₂ aufgebaut ist. Eine von einer unterbrochenen Linie umrahmte Schaltung 2 ist eine Treiberverstärkerstufe, welche aus einem Verstärkungstransistor Q,, einem Transistor Q^* ^^{er eine} Kollektor-Konstantstromlast bildet, und einer vorspannenden Diode D^ aufgebaut ist. Eine von einer unterbrochenen Linie umrahmte Schaltung 3 ist eine Ausgangsverstärkerstufe, welche aus Transistoren für Gegentaktvorgänge Q^ - Q_Q, einem Konstantstromtransistor Q-j,, Dioden D= - D« und Widerständen Rg - R₁Q aufgebaut ist.

Bei 4 ist eine Phasenkompensatorschaltung gezeigt, welche aus Kondensatoren C₁ und C₂ sowie einem Widerstand R₁₁ zusammengesetzt ist. Die Kondensatoren C₁ und C₂ sind in Serie zwischen der Basis und dem Kollektor des Verstärkungstransistors Q^, der die Treiberverstärkerstufe 2 bildet, ge-

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schaltet. Der Widerstand R^ ist zwischen dem gemeinsamen Punkt der Kondensatoren und der Ausgangsklemme der Ausgangsverstärkerstufe 3· eingebaut.

Eine Gegenkopplungsschaltung ist aus einem Widerstand Rg, der zwischen der Ausgangsklemme P-^ der Ausgangsverstärkerstufe 3 und dem Emitter des Transistors Q₂ der ersten Verstärkerstufe 1 eingebaut ist, sowie einem Widerstand Rq und einem Gleichspannungs-Sperrkondensator C^, die in Serie zwischen dem Emitter des Transistors Q₂ und dem Erdpunkt der Schaltung angeschlossen sind, aufgebaut. Der Kondensator C^ hat eine ausreichend große Kapazität. Infolgedessen wird im Zustand, in welchem die Gegenkopplung angelegt wird, die Verstärkung der Schaltung durch das Verhältnis zwischen den Widerständen Rg und R_Q bestimmt.

Der Kondensator Cg ist ein Bootstrap-Kondensator.

Die Transistoren Q^₀ und Q-j-j > die Dioden D^ - E^* die Widerstände R, - Rk und Ry und ein Kondensator C, bilden Schaltungen zur Zufuhr von Vorspannungen an die Transistoren Q₉, Q₁₂ und Q₁₃.

Da, wie oben beschrieben, die Phasenkompensatorschaltung 4 so niedrige Kapazitäten für die Kondensatoren C-] und C₂ wie 5 - 10 pF. zuläßt, läßt sie sich innerhalb einer durch strichpunktierte Linien umrandeten integrierten Halbleiterschaltung 5 ausbilden. Aus diesem Grund können, wenn eine Mehrstufen-Verstärkerschaltung in eine integrierte Halbleiterschaltung eingebaut werden soll, externe Anschlußklemmen weggelassen undr.damit eine Verbesserung des Verzerrungsfaktors erreicht werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehende Ausführungsform und läßt sich neben obigem Audio-Leistungs-IC als Mehrstufen-Verstärker schaltung auch in weitem Maße auf eine Operationsverstärker schaltung usw. anwenden.

Dr.Ki/Ug

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Leerseite

Claims

FATENTAN WALTS

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCH ÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95Ο16Ο, D-8OOO MÖNCHEN 95

HETACHI, LTD. 17. Mai 1978

DA-5587

Mehrstufen-Verstärkerschaltung

PATENTANSPRÜCHE

/I J Mehrstufen-Verstärkerschaltung mit einer Anzahl kaskadenförmig verschalteter Verstärkerschaltungen und einer Gegekopplungsschaltung, welche zusammen mit den kaskadenförmig verschalteten Verstärkerschaltungen eine geschlossene Schaltungsschleife bildet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenkompensatorschaltung (4) mit einem ersten Kondensator (C₁ ) und einem zweiten Kondensator (C₂), die in Reihe zwischen Eingang und Ausgang einer der Verstärkerschaltungen angeschlossen sind, und mit einem Widerstand (R₁₁), der zwischen dem gemeinsamen Punkt der zwei Kondensatoren und dem Ausgang der auf jene eine der Verstärkerschaltungen folgenden Verstärkerschaltung angeschlossen ist, wobei der Eingang der nachfolgenden Verstärkerschaltung mit dem Ausgang jener einer der Verstärkerschaltungen verbunden ist, vorgesehen ist.

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ORIGINAL INSPECTED

2. Verstärkerschaltung mit einer ersten Verstärkerstufe, einer Treiberverstärkerstufe und einer Ausgangsverstärkerstufe, die kaskadenförmig verschaltet sind, und mit einer Gegenkopplungsschaltung," die zwischen einem Ausgang der Ausgangsverstärkerstufe und einem Rückkopplungseingang der Eingangsver— stärkerstufe angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Phasenkompensatorschaltung (4) mit einem ersten Kondensator (Cj) und einem zweiten Kondensator (C2), die in Reihe zwischen Eingang und Ausgang der Treiberverstärkerstufe (2) angeschlossen sind, und mit einem Widerstand (R^ ^), der zwischen dem gemeinsamen Punkt der beiden Kondensatoren und dem Ausgang der Ausgangsverstärkerstufe (3) angeschlossen ist, vorgesehen ist.

3. Mehrstufen-Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Ver- , stärkerstufe (1), die Treiberverstärkerstufe (2), die Ausgangsverstärkerstufe (3) und die Phasenkompensatorschaltung (A-) in Form einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet sind.

k. Mehrstufen-Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgangsverstärkerstufe (3) aus Gegentakttransistoren (Q^-Qg) des B-Betriebs aufgebaut ist.

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5. Mehrstufen-Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangsverstärkerstufe (1) so aufgebaut ist, daß sie auf ein Eingangsspannungssignal am Eingangsanschluß hin ein Stromsignal am Ausgang liefert.

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