DE2821549B2

DE2821549B2 - Mehrstufen-Verstärkerschaltung

Info

Publication number: DE2821549B2
Application number: DE2821549A
Authority: DE
Inventors: Kunio Tokio Seki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1978-05-17
Publication date: 1979-12-20
Also published as: DE2821549C3; US4145666A; JPS6046847B2; NL7805338A; JPS53142153A; DE2821549A1

Description

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 Gegenkopplungsschaltung 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 m stabilisieren.

Bei einem monolithischen Leistungs-IC (IC = integrierte Halbleiterschaltung), wie er beispielsweise in einem im August 1976 herausgegebenen Katalog »HITACHI LINEAR ICs FOR ACOUSTIC EQUIPMENT«, Seite 65 beschrieben ist, ist eine Mehrstufee-Verstärkerschaltung aus einer ersten VerstärkerstuFe zur Umwandlung eines Eingangsspannungssignals 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 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 Gegenkopplungssigna! 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 Phasenkompensation zwischen dem Ausgang der Ausgangsverstärkerstufe und dem Eingang der Treiberverstärkerstufe und ein zweiter Kondensator zwischen dem Eingang der Treiberverstärkerstufe und dem Erdpunkt der Mehrstufen-Verstärkerschaltung angeordnet wird, die lokale Gegenkopplung im Ausmaß der Absenkung der Leerlaufverstarkung 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 Ausgangs-

■to verstärkerstufe zurückzuführen sind.

Um die Leerlaufverstarkung 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 lOOmal 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 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 Verzerrungsfaktor im Hochfrequenzbereich verbessert und mit Phasenkompensationskondensatoren niedriger Kapazität auskommt.

Ferner soll dabei eine Mehrstufen-Verstärkerschaltung 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 dem Ausgang einer nachfolgenden Verstärkerschaltung und dem gemeinsamen Verbindungspunkt 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 Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung; und

F i g. 2 ein konkretes Schaltbild hierzu.

Die in Fig. 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 Ausgangsverstärkerstufe. Die Phasenkompensatorschaltung ist aus phasenkorrigierenden Kondensatoren Ci und C2, die in Serie zwischen Ein- und Ausgang der Treiberverstärkerstufe 2 angeschlossen sind, und einem Widerstand Ru, der zwischen dem gemeinsamen Punkt der Kondensatoren Q und C₂ einerseits urk i 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 Ru, so daß die Phasenkompensation im wesentlichen durch eine Serienschaltung, bestehend aus dem Kondensator G und dem Widerstand Au, durchgeführt wird. In einem vergleichsweise hohen Frequenzbereich wird die Impedanz des Kondensators Ci niedrig verglichen mit dem Widerstandswert des Widerstands Ru, so daß die Phasenkompensation dann über eine Serienschaltung, bestehend aus den Kondensatoren C\ und C2 durchgeführt wird.

Da die Phasenkompensation, wie oben beschrieben, im vergleichsweise hohen Frequenzbereich im wesentlichen durch den Serienweg aus Kondensatoren G und C2 erfolgt, nimmt bei der Mehrstufen-Verstärkerschaltung die Größe der Signalrückkopplung von der Ausgangsverstärkerstufe 3 zur Treiberverstärkerstufe 21 elativ 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. Infolgedessen erfolgt bei obiger Schaltung ein stabiler Phasenkompensationsvorgang.

Im vergleichsweise niedrigen Frequenzbereich baut die Serienschaltung aus dem Widerstand A₁1 und dem Kondensator Q die lokale Rückkopplungsschleife zwischen dem Eingang der Verstärkerschaltung 2 und dem Ausgang der Verstärkerschaltung 3 auf. Im Bereich niedriger Frequenzen wird die Gegenkopplung 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 Ci und C2 danach richtet, wie die Abschneidfrequenz ausgewählt wird, die durch den Widerstand Ru bestimmt wird, werden sie bei üblichen Leitungs-ICs ungefähr 5—10 pF betragen.

Aus diesem Grund können, wenn die Mehrstufen-Verstärkerschaltung in eine integrierte Halbleiterschaltung eingebaut werden soll, beide Kondensatoren Ci und C₂ darin enthalten sein.

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

F i g. 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 Verstärkerstufe, die aus Verstärkungstransistoren Qt und Qz, einem Konstantstrom-Transistor Qi und einem Widerstand /?2 aufgebaut ist. Eine von einer unterbrochenen Linie umrahmte Schaltung 2 ist eine Treiberverstärkerstufe, welche aus einem Verstärkungstransistor Q₃, einem Transistor Qn, der eine Kollektor-Konstantstromlast bildet, und einer vorspannenden Diode Da, aufgebaut ist. Eine von einer unterbrochenen Linie umrahmte Schaltung 3 ist eine Ausgangsverstärkerstufe, welche aus Transistoren für Gegentaktvorgänge Q₄-Qs, einem Konstantstromtransistor Qu, Dioden Eh-Di und Widerständen Ri- /?io aufgebaut ist.

Bei 4 ist eine Phasenkompensatorschaltung gezeigt, welche aus Kondensatoren Ci und C2 sowie einem Widerstand R₁1 zusammengesetzt ist. Die Kondensatoren Ci und C2 sind in Serie zwischen der Basis und dem Kollektor des Verstärkungstransistors Qi, der die Treiberverstärkerstufe 2 bildet, geschaltet. Der Widerstand Ru ist zwischen dem gemeinsamen Punkt der Kondensatoren und der Ausgangsklemme der Ausgangsverstärkerstufe 3 eingebaut.

Eine Gegenkopplungsschaluing ist aus einem Widerstand Re, der zwischen der Ausgangsklemme Pz der Ausgangsverstärkerstufe 3 und dem Emitter des Transistors Q2 der ersten Verstärkerstufe 1 eingebaut ist, sowie einem Widerstand R₀ und einem Gleichspannungs-Sperrkondensator G, die in Serie zwischen dem Emitter des Transistors Q2 und dem Erdpunkt der Schaltung angeschlossen sind, aufgebaut. Der Kondensator G 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 Re und Ro bestimmt.

Der Kondensator Q, ist ein Bootstrap-Kor.densator.

Die Transistoren Q10 und Qi 1, die Dioden D\ — Di, die Widerstände R3—R5 und Ä7 und ein Kondensator Cj bilden Schaltungen zur Zufuhr von Vorspannungen an die Transistoren Qs, Qu und Q13.

Da, wie oben beschrieben, die Phasenkompensatorschaltung 4 so niedrige Kapazitäten für die Kondensatoren C₁ 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 und 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-Verstärkerschaltung auch in weitem Maße auf eine Operationsver-Stärkerschaltung usw. anwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrstufen-Verstärkerschaltung mit einer Anzahl kdskadenförmig verschalteter Verstärkerschaltungen und einer Gegenkopplungsschaltung, welche zusammen mit den kaskadenförmig verschalteten Verstärkerschaltungen eine geschlossene Schaltungsschleife bildet, gekennzeichnet durch eine Phasenkompensatorschaltung (4) mit einem ersten Kondensator (Q) und einem zweiten Kondensator (Q), die in Reihe zwischen Eingang und Ausgang einer (2) der Verstärkerschaltungen (1, 2, 3) angeschlossen sind, sowie durch einen Widerstand (Ru), der zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der zwei Kondensatoren und dem Ausgang der nachfolgenden Verstärkerschaltung (3) angeschlossen ist.

2. Verstärkerschaltung mit einer ersten Verstärkerstufe, einer Treiberverstärkerstufe und einer Ausffangsverstärkerstufe, die kaskadenförmig verschaltet sind, und mit einer Gegenkopplungsschaltung, die zwischen einem Ausgang der Ausgangsverstärkerstufe und einem Rückkopplungseingang der Eingangsverstärkerstufe angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine Phasenkompensatorschaltung (4) mit einem ersten Kondensator Ci) und einem zweiten Kondensator (C₂), die in Reihe zwischen Eingang und Ausgang der Treiberverstärkerstufe (2) angeschlossen sind, sowie durch einen Widerstand (An), der zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren und dem Ausgang der Ausgangsverstärkerstufe (3) angeschlossen ist.

3. Mehrstufen-Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verstärkerstufe (1), die Treiberverstärkerstufe (2), die Ausgangsverstärkerstufe (3) und die Phasenkompensatorschaltung (4) in Form einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet sind.

4. Mehrstufen-Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsverstärkerstufe (3) aus Gegentakttransistoren (Qa-Qs) des B-Betriebs aufgebaut ist.