DE2836914C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine komplementäre Transistoraus
gangsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige komplementäre Transistorausgangsschaltung
ist bereits aus der DE-OS 26 43 209 bekannt. Sie enthält
- - einen Eingang und einen Ausgang,
- - einen ersten Ausgangstransistor eines ersten Leitungstyps mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einer Steuerelektrode, die mit dem Eingang verbunden ist,
- - einen zweiten Ausgangstransistor eines zweiten Leitungs typs mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einer Steuerelektrode, wobei die erste Elektrode des er sten Ausgangstransistors mit der ersten Elektrode des zweiten Ausgangstransistors und dem Ausgang verbunden ist,
- - eine erste Stromquellenschaltung zwischen der Steuerelek trode des ersten Ausgangstransistors und einem Leiter mit negativem Potential,
- - eine zweite Stromquellenschaltung zwischen der Steuer elektrode des zweiten Ausgangstransistors und einem Lei ter mit positivem Potential, und
- - eine zwischen den Steuerelektroden der Ausgangstransisto ren liegende Schalteinrichtung zur Ableitung einer Strom menge zur ersten Stromquellenschaltung in Abhängigkeit eines Steuersignals zwecks Aufrechterhaltung der Ruhe ströme der Ausgangstransistoren.
Aus U. Tietze, Ch. Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik,
2te Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York,
1971, Seiten 313 bis 315 sind bereits als Emitterfolger
aufgebaute Leistungsverstärker mit Ruhestromstabilisierung
bekannt. Keine der dort genannten Schaltungsanordnungen
weist jedoch Rückkopplungszweige auf, die von den Kollek
toranschlüssen der Ausgangstransistoren abgehen.
Darüber hinaus ist aus der GB-PS 9 40 672 der Einsatz eines
Impedanzelements in einem Rückkopplungszweig bekannt, wobei
die Impedanz des Impedanzelements durch die auftreffende
Lichtintensität bestimmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs
genannten komplementären Transistorausgangsschaltung durch
einfache schaltungstechnische Mittel dafür zu sorgen, daß
der durch die Ausgangstransistoren hindurchfließende Ruhe
strom unabhängig von thermischen Instabilitäten und Schwan
kungen der Eingangsspannung der komplementären Transistor
ausgangsschaltung ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich dadurch
aus, daß
- - die Schalteinrichtung eine auf optische Strahlung anspre chende Einrichtung ist,
- - eine lichtemittierende Diode zur Erzeugung eines opti schen Steuersignals für die Schalteinrichtung vorhanden ist,
- - zwischen dem zweiten Anschluß des zweiten Ausgangstransi stors und der Anode der lichtemittierenden Diode eine er ste Rückkopplungseinrichtung zur Erhöhung der Anodenspan nung bei steigendem Strom durch den zweiten Anschluß des zweiten Ausgangstransistors und
- - zwischen dem zweiten Anschluß des ersten Ausgangstransi stors und der Kathode der lichtemittierenden Diode eine zweite Rückkopplungseinrichtung zur Verringerung der Ka thodenspannung bei steigendem Strom durch den zweiten An schluß des ersten Ausgangstransistors angeordnet sind.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind den Unteran
sprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer komplementä
ren Transistorausgangsschaltung,
Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der komplementä
ren Transistorausgangsschaltung für hohe Ströme,
und
Fig. 3a und 3b Schaltungen der Stromquellen 32 und 44 gemäß
Fig. 1.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Schaltung ei
ner Ausgangsstufe 10 mit komplementären Transistoren der
Klasse AB. Ein NPN-Ausgangstransistor 24 und ein PNP-Aus
gangstransistor 26 sind als ein komplementäres Transistor-Ausgangspaar
miteinander verbunden. Die Emitter der Ausgangstransistoren 24 und
26 sind mit einem Ausgangsanschluß 14 verbunden, welcher eine
durch einen Widerstand 22 dargestellte Last R L treibt. Ein Ein
gangsanschluß 12 ist mit einem Knotenpunkt 42 verbunden, wel
cher seinerseits mit der Basis des PNP-Ausgangstransistors
26 verbunden ist. Ein optischer Koppler mit einer licht
emittierenden Diode 36 und einem NPN-Phototransistor 34 spricht
auf die negative Rückkopplung von den Kollektoren der Aus
gangstransistoren 24 und 26 an und bewirkt eine präzise Ein
stellung eines Ruhestroms durch die
Ausgangstransistoren 24 und 26. Eine Stromquellenschaltung
44 liegt zwischen der Basis des PNP-Ausgangstransistors 26 und
einem (V-)-Leiter 18. Eine Stromquellenschaltung 32 ist zwi
schen einem (V+)-Leiter 16 und der Basis des NPN-Ausgangs
transistors 24 gekoppelt. Verschiedene
Konstantstromquellenschaltungen können als Stromquellenschal
tungen 32 und 44 dienen. Sie sind in der Literatur hinrei
chend bekannt. Die Fig. 3a und 3b zeigen einige Schaltungs
beispiele für die Stromquellenschaltungen 32 und 44. Der
Fachmann ist mit ihrer Arbeitsweise und ihren Vorteilen hin
länglich vertraut.
Der Kollektor des NPN-Phototransistors 34 ist mit der
Basis des NPN-Ausgangstransistors 24 verbunden. Sein Emitter
ist mit der Basis des PNP-Ausgangstransistors 26 verbunden.
Ein Widerstand 30 hat den Widerstandswert R₁ und befindet
sich zwischen V+ und dem Kollektor des NPN-Ausgangstransi
stors 24. Die Basis eines PNP-Steuertransistors 46 ist mit
einem Knotenpunkt 28 verbunden und sein Emitter ist mit V+
verbunden, während sein Kollektor mit der Anode der licht
emittierenden Diode 36 verbunden ist. Ein Widerstand 52 hat
einen Widerstandswert R₂ und liegt zwischen V- und einem
Knotenpunkt 50. Der Emitter eines NPN-Steuertransistors 48
ist mit V- verbunden. Seine Basis ist mit einem Knotenpunkt 50
verbunden und sein Kollektor ist mit der Kathode der licht
emittierenden Diode 36 verbunden. Ferner ist ein Kompensa
tionskondensator 38 vorgesehen. Er hat eine genügend große
Kapazität und führt zu einer genügend großen Zeitkonstante
bei jeder beliebigen Änderung der Spannungsdifferenz zwischen
den Knotenpunkten 40 und 42, und zwar im Vergleich zu der
Periode jeder beliebigen, an die Knotenpunkte 40 und 42 an
legbaren Signalfrequenz. Ein typischer Kapazitätswert des
Kondensators 38 liegt z. B. in der Größenordnung von 10 Mikro
farad.
Im folgenden soll die Arbeitsweise der komplementären
Ausgangsstufe gemäß der Fig. 1 erläutert werden. Wenn kein
Eingangssignal anliegt, so fließt ein Strom der Größe
V BE(46) ÷ R₁ durch den Widerstand 30. Dabei bedeutet V BE(46)
die Emitter-Basis-Spannung des PNP-Steuertransistors 46.
In ähnlicher Weise fließt durch den Widerstand 52 ein Strom
V BE(48) ÷ R₂.
Zum leichteren Verständnis des Ruhebetriebs der Aus
gangsstufe 10 mit komplementären Transistoren soll angenommen
werden, daß der Widerstandswert des Widerstands 22 unendlich ist, so daß
kein Ausgangsstrom fließt. Ferner soll angenommen werden,
daß die Stromversorgungsspannung an den Leitern 16 und 18
jeweils von Erdpotential auf V+ erhöht bzw. von Erdpotential
auf V- gesenkt wird. Zu Anfang sind die Steuertransistoren
46 und 48 ausgeschaltet. Daher sind die lichtemittierende
Diode 36 und der Phototransistor 34 ebenfalls ausgeschaltet.
Die Stromquellenschaltung 32 schickt einen Strom I₁ in die Basis des
NPN-Ausgangstransistors 24, und die Stromquellenschaltung 44 zieht ei
nen Strom I₂ aus der Basis des PNP-Ausgangstransistors 26.
Daher fließt ein Strom durch den Widerstand 30 und den Wider
stand 52. Der Steuertransistor 46 oder der Steuertransistor 48 (es ist
gleichgültig welcher) wird durch die Spannung über R₁ bzw.
R₂ zuerst eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt fließt kein
Strom durch die lichtemittierende Diode 36, da der andere der
Steuertransistoren 46 und 48 immer noch ausgeschaltet ist. Der
Phototransistor 34 verbleibt ebenfalls im ausgeschalteten
Zustand. Schließlich wird auch der andere der beiden Steuertransi
storen 46 und 48 eingeschaltet. Dies führt zu einem Strom
fluß durch die lichtemittierende Diode 36. Sie emittiert
Licht, wodurch wiederum der Phototransistor 34 eingeschaltet
wird. Hierdurch wird wiederum ein Teil der beiden Basis
treiberströme I₁ und I₂ abgezweigt, so daß die Spannungs
differenz zwischen den Knotenpunkten 40 und 42 verringert
wird. Hierdurch wird der Stromfluß durch die Ausgangstransistoren
24 und 26, d. h. der Ruhestrom, gleich dem größeren der beiden
Ströme durch die Widerstände 30 und 52. Dies gilt unter der
Bedingung, daß kein Laststrom fließt. Die Werte von R₁ und R₂
werden daher so gewählt, daß aufgrund des Wertes des Ruhe
stroms die Übernahmeverzerrungen am Ausgang der Ausgangs
stufe 10 mit komplementären Transistoren wirksam reduziert
wird. Der Ruhestrom kann typischerweise einen Wert von 50 mA
haben. Die Schaltung mit dem Widerstand 30, dem PNP-Steuer
transistor 46, der lichtemittierenden Diode 36 und dem Photo
transistor 34 bildet einen ersten negativen Rückkopplungs
pfad vom Kollektor des NPN-Ausgangstransistors 24 zur Basis
des NPN-Ausgangstransistors 24. Die Schaltung mit dem Wider
stand 52, dem NPN-Steuertransistor 48, der lichtemittierenden
Diode 36 und dem Phototransistor 34 bildet einen zweiten
negativen Rückkopplungspfad vom Kollektor des PNP-Ausgangs
transistors 26 zur Basis des PNP-Ausgangstransistors 26.
Der Phototransistor 34 wirkt als rückkopplungs
gesteuerte Spannungsquelle, welche die Spannung zwischen den
Knotenpunkten 40 und 42 auf einen Wert einstellt, welcher
jeweils erforderlich ist, und zur Bereitstellung des richti
gen Stroms durch die Ausgangstransistoren 24 und 26, und
zwar ansprechend auf die negative Rückkopplung über die
Rückkopplungspfade durch die lichtemittierende Diode 36 und
den Phototransistor 34. Der Wert des Kondensators 38 ist der
art gewählt, daß die Zeitkonstanten an den Basiselektroden
der Ausgangstransistoren 24 und 26 zur Aufrechterhaltung
der Schleifenstabilität ausreichen.
Optische Koppler mit einer lichtemittierenden Diode
36 und einem Phototransistor 34 sind im Handel erhältlich.
Man kann auch alternative Ausführungsformen von optischen
Kopplern verwenden, z. B. solche mit einem Photowiderstand
anstelle des Phototransistors 34.
Die Ausgangsstufe 10 mit komplementären Transistoren
arbeitet derart, daß bei Erhöhung der am Eingangsanschluß
12 anliegenden Spannung die Spannung zwischen den Knoten
punkten 40 und 42 durch den Phototransistor 34 unter Mithilfe
des Kondensators 38 auf einem im wesentlichen konstanten
Wert gehalten wird. Die Basis-Emitter-Spannung des NPN-Aus
gangstransistors 24 steigt in ausreichendem Maße an, so daß
ein entsprechend erhöhter Ausgangsstrom durch den NPN-Aus
gangstransistor 24 und den Lastwiderstand 22 zur Erde fließt.
Der Strom durch R₁ steigt, so daß auch die Basis-Emitter-
Spannung des Steuertransistors 46 steigt. Hierdurch wird
der Steuertransistor 46 gesättigt. Der durch den Widerstand 52
fließende Strom bleibt jedoch unverändert. Daher bleibt auch
der Strom unverändert, welcher durch die beiden Steuer
transistoren 46, 48 und durch die lichtemittierende Diode 36
fließt. Konsequenterweise bleibt auch der Nebenschlußstrom
durch den Phototransistor 34 unverändert. Der Phototransi
stor 34 leitet die genau ausreichende Strommenge in die
Stromquellenschaltung 44 ab, damit ein ausreichender Basis
strom aus der Basis des PNP-Ausgangstransistors 26 ab
fließen kann, so daß der Ruhestrom durch den PNP-Ausgangs
transistor 26 auf dem Wert V BE(48) ÷ R₂ gehalten wird. Dieser
gleiche Ruhestrom fließt natürlich auch durch den NPN-
Ausgangstransistor 24, und zwar zusätzlich zu dem erhöhten
Signalstrom, welcher ebenfalls durch den NPN-Ausgangstransi
stor 24 fließt, und zwar als Ergebnis der Erhöhung der Span
nung am Eingangsanschluß 12. Man erkennt somit, daß bei
Erhöhung von V EIN der Widerstand 52 und der NPN-Steuertransistor
48 als Steuerelemente wirken, welche den Ruhestrom durch
die Ausgangstransistoren 24 und 26 einstellen. Man erkennt
ferner, daß der Ruhestrom unabhängig ist vom Ausgangsstrom
der Ausgangsstufe 10 mit komplementären Transistoren.
Wenn V EIN sinkt, so fließt eine erhöhte Strommenge
vom Erdanschluß durch den Lastwiderstand 22 und durch den
PNP-Ausgangstransistor 26. In diesem Falle wird der NPN-Steuer
transistor 48 gesättigt, und zwar aufgrund der Erhöhung der
Spannung am Widerstand R₂. In diesem Fall steuert der PNP-
Steuertransistor 46 die Menge des Stroms, welcher durch die licht
emittierende Diode 36 fließt. Daher hat der Ruhestrom durch
die Ausgangstransistoren 24 und 26 den Wert V BE(46) ÷ R₁ und dieser
Stromwert ist unabhängig vom Ausgangsstrom.
Man erkennt, daß die Ausgangsstufe 10 mit komplemen
tären Transistoren zu einem Ruhestrom durch die Ausgangs
transistoren 24 und 26 führt, welcher vollständig unabhängig
ist von Änderungen der Temperatur des Emitter-Basis-Über
gangs der beiden Ausgangstransistoren 24 und 26. Daher wer
den bei der Schaltung gemäß Fig. 1 die Probleme der thermi
schen Instabilität vermieden, welche bei herkömmlichen Aus
gangsschaltungen mit komplementären Transistoren auftreten.
Die Schaltung führt zu einem Basisstrom
mit einem im wesentlichen konstanten Wert und desgleichen zu
einer geringen Übernahmeverzerrung. Die beschriebene
elektronische Rückkopplung führt zu einer ausgezeichneten
"Verfolgung" der Vorspannung zwischen den Knotenpunkten 40
und 42, und zwar im Hinblick auf Änderungen der Temperatur
des Emitter-Basis-Übergangs, im Hinblick auf Schwankungen
der Stromversorgung und im Hinblick auf Änderungen des Aus
gangsstroms. Probleme der thermischen Instabilität werden
vermieden und man erzielt einen Basisstrom von konstantem Wert
und geringe Übernahmeverzerrungen.
Die Stromquellenschaltungen 32 und 44 können als
Widerstände oder als Verstärkerstufen ausgebildet oder
durch herkömmliche Stromquellenschaltungen gemäß den Fig. 3a
oder 3b gebildet sein.
Die Ausgangstransistoren 24 und 26 bei der Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 1 können bei der Ausführungsform gemäß
Fig. 2 durch Darlington-Stufen ersetzt sein. Hierdurch er
zielt man in der Ausgangsstufe eine erhöhte Stromverstärkung.
Ferner erlaubt die Schaltung gemäß Fig. 2 die Verwendung
billigerer Transistoren, die geringere Ströme führen als
Steuertransistoren 46 und 48, indem man Dioden 62, 64, 80
und 82 für hohe Stromwerte und Widerstände 70 und 76 vor
sieht. Der Betrag, um den der Ausgangsstrom die Summe der
Durchlaßspannungsabfälle der Dioden 62 und 64, dividiert
durch R₃, übersteigt, fließt durch die Dioden 62 und 64
und nicht durch den Emitter-Basis-Übergang des Steuertransi
stors 46.
Claims (9)
1. Komplementäre Transistorausgangsschaltung, mit
- - einem Eingang (12) und einem Ausgang (14),
- - einem ersten Ausgangstransistor (26) eines ersten Lei tungstyps mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einer Steuerelektrode, die mit dem Eingang (12) verbunden ist,
- - einem zweiten Ausgangstransistor (24) eines zweiten Lei tungstyps mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einer Steuerelektrode, wobei die erste Elektrode des ersten Ausgangstransistors (26) mit der ersten Elek trode des zweiten Ausgangstransistors (24) und dem Aus gang (14) verbunden ist,
- - einer ersten Stromquellenschaltung (44) zwischen der Steuerelektrode des ersten Ausgangstransistors (26) und einem Leiter (18) mit negativem Potential,
- - einer zweiten Stromquellenschaltung (32) zwischen der Steuerelektrode des zweiten Ausgangstransistors (24) und einem Leiter (16) mit positivem Potential, und
- - einer zwischen den Steuerelektroden der Ausgangstransi storen (26, 24) liegenden Schalteinrichtung (34) zur Ab leitung einer Strommenge zur ersten Stromquellenschaltung in Abhängigkeit eines Steuersignals zwecks Aufrechterhal tung der Ruheströme der Ausgangstransistoren (26, 24),
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Schalteinrichtung (34) eine auf optische Strahlung ansprechende Einrichtung ist,
- - eine lichtemittierende Diode (36) zur Erzeugung eines op tischen Steuersignals für die Schalteinrichtung (34) vor handen ist,
- - zwischen dem zweiten Anschluß des zweiten Ausgangstransi stors (24) und der Anode der lichtemittierenden Diode (36) eine erste Rückkopplungseinrichtung (46) zur Erhö hung der Anodenspannung bei steigendem Strom durch den zweiten Anschluß des zweiten Ausgangstransistors (24) und
- - zwischen dem zweiten Anschluß des ersten Ausgangstransi stors (26) und der Kathode der lichtemittierenden Diode (36) eine zweite Rückkopplungseinrichtung (48) zur Ver ringerung der Kathodenspannung bei steigendem Strom durch den zweiten Anschluß des ersten Ausgangstransistors (26) angeordnet sind.
2. Komplementäre Transistorausgangsschaltung nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgangs
transistor (26) ein PNP-Ausgangstransistor und daß der
zweite Ausgangstransistor (24) ein NPN-Ausgangstransistor
sind, und daß die Basisanschlüsse der beiden Ausgangstran
sistoren die Steuerelektroden bilden, wobei die erste Elek
trode eines jeden der beiden Ausgangstransistoren durch die
Emitterelektrode und die zweite Elektrode eines jeden der
beiden Ausgangstransistoren durch die Kollektorelektrode
gebildet wird.
3. Komplementäre Transistorausgangsschaltung nach An
spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltein
richtung (34) ein Phototransistor (34) ist.
4. Komplementäre Transistorausgangsschaltung nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die er
ste Rückkopplungseinrichtung einen PNP-Steuertransistor
(46) umfaßt, dessen Emitter mit dem positiven Leiter (16),
dessen Kollektor mit der Anode der lichtemittierenden Diode
(36) und dessen Basis mit dem Kollektor des NPN-Ausgangs
transistors (24) verbunden ist, und die zweite Rückkopp
lungseinrichtung einen NPN-Steuertransistor (48) umfaßt,
dessen Emitter mit dem negativen Leiter (18), dessen Kol
lektor mit der Kathode der lichtemittierenden Diode (36)
und dessen Basis mit dem Kollektor des PNP-Ausgangstransi
stors (26) verbunden ist.
5. Komplementäre Transistorausgangsschaltung nach einem
der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine erste Re
gelschaltung, welche mit der Steuerelektrode des ersten
Ausgangstransistors (26) verbunden ist, zur Herabsetzung
des Vorspannungsstroms durch den ersten Ausgangstransistor
(26), ansprechend auf eine Erhöhung des Vorspannungsstroms
durch den ersten Ausgangstransistor (26), und durch eine
zweite Regelschaltung, welche mit der Steuerelektrode des
zweiten Ausgangstransistors (24) verbunden ist, zur Herab
setzung des Vorspannungsstroms durch den zweiten Ausgangs
transistor (24), ansprechend auf eine Erhöhung des Vorspan
nungsstroms durch den zweiten Ausgangstransistor (24).
6. Komplementäre Transistorausgangsschaltung nach einem
der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch einen Kompensa
tionskondensator (38) zwischen den Basiselektroden des PNP-
Ausgangstransistors (26) und des NPN-Ausgangstransistors
(24) zur Erzeugung einer relativ großen Zeitkonstanten an
den Basiselektroden im Vergleich zur Periode beliebiger, am
Eingang (12) anliegender Signale.
7. Komplementäre Transistorausgangsschaltung nach einem
der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der NPN-
Ausgangstransistor der Ausgangstransistor einer ersten Dar
lington-Ausgangsstufe (74) ist, der Eingang mit dem Kollek
tor des Phototransistors verbunden ist, und der NPN-Aus
gangstransistor (24) der Ausgangstransistor einer zweiten
Darlington-Stufe (72) ist, deren Eingang mit dem Emitter
des Phototransistors verbunden ist.
8. Komplementäre Transistorausgangsschaltung nach einem
der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen ersten
Widerstand (68) und ein Paar zu diesem parallel und zuein
ander in Reihe geschalteten Dioden (62, 64) zwischen dem
Kollektor des NPN-Ausgangstransistors (24, 72) und dem po
sitiven Leiter (16) sowie durch einen zweiten Widerstand
(78) und zwei hierzu parallel und zueinander in Reihe ge
schalteten Dioden (80, 82) zwischen dem Kollektor des PNP-
Ausgangstransistors und dem negativen Leiter (18).
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