DE2836914C2 - - Google Patents

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).