DE3012560A1

DE3012560A1 - Leistungsverstaerker

Info

Publication number: DE3012560A1
Application number: DE19803012560
Authority: DE
Inventors: Takashi Ishii; Hiroyasu Yamaguchi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-03-31
Filing date: 1980-03-31
Publication date: 1980-10-02
Also published as: FR2453541B1; DE3012560C2; GB2047031A; JPS6212693B2; GB2047031B; US4330755A; JPS55132113A; FR2453541A1

Description

Leistungsverstärker

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker mit einer Vorverstärkerstufe, deren Ausgängen eine Endstufe mit einem ersten und einem zweiten Transistor nachgeschaltet ist, die in Gegentaktschaltung angeordnet sind,und einer Detektorstufe, die die Ausgangssignale des ersten und zweiten Transistors erfaßt und über eine Gegenkopplungsleitung ein Signal zur Vorverstärkerstufe zurückführt, das dem Produkt der beiden Ausgangssignale der beiden Transistoren entspricht.

Bei herkömmlichen, integrierten Leistungsverstärkern treten Schwierigkeiten in der Herstellung von pnp Transistoren großer Leistung auf. Die Ausgangsstufe von Leistungsverstärkern wird daher als ςμβΞΧ^ΐιιρΙβίΐιβηΐΕΓβ Seriengegentaktschaltung aufgebaut. In solchen quasikomplementären Schaltungen sind zwei komplementäre Transistoren und zwei Leistungstransistoren kombiniert. In solchen Gegentaktverstarkern benutzte, laterale pnp Transistoren besitzen jedoch eine geringe

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Strombelastbarkeit, einen kleinen Stromverstärkungsfaktor und eine geringe Breitbandverstärkung (f.). Ein solcher Transistor kann daher Anlaß zu Schwingungen sein, was wiederum die Herstellung eines Verstärkers großer Ausgangsleistung verhindert. Sind die beiden komplementären Transistoren der Endstufe in der üblichen Emitterschaltung, dann kann die Amplitude des Ausgangssignals, das heißt seine Leistung,vergrößert werden, sogar ohne einen gesonderten Bootstrap Schaltkreis vorzusehen. Dabei entstehen jedoch, wegen der thermischen Stabilität, Schwierigkeiten bei der Festlegung des Ruhestroms der Transistoren der Endstufe und außerdem lassen sich Übernahmeverzerrungen im AB- oder B-Betrieb schwierig verhindern. Wird hingegen die Ausgangsstufe eines Leistungsverstärkers anstelle von komplementären Transistoren mit Transistoren des gleichen Leitfähigkeitstyps bestückt, beispielsweise mit npn-Transistören, die große Strombelastbarkeit besitzen, dann kann die Größe des Chips des Schaltkreises verkleinert werden, da es nicht erforderlich ist, einen lateralen Transistor einzusetzen, der eine große Chipgröße benötigt. Aber auch in diesem Falle ist es schwierig, den Ruhestrom der Ausgangstransistoren geeignet einzustellen, um die bereits erwähnten ÜbernahmeVerzerrungen zu verhindern.

Es besteht die Aufgabe, einen Leistungsverstärker der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Ruhestrom von in Gegentakt geschalteten Transistoren der Endstufe in einfacher

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Weise auf eine vorgegebene Größe eingestellt werden kann, womit Übernahmeverzerrungen eliminiert und ein stabiler A-bzw. AB-Gegentaktbetrieb ermöglicht wird_/und daß der Verstärker für eine monolithische Integration geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Kompensationswiderstand in eine Leitung geschaltet ist, die von der Ausgangsstufe zu der Vorverstärkerstufe führt, um die parasitären Widerstände des ersten und zweiten Transistors aus zuglei chen.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker ist die Vorverstärkerstufe ein Differenzverstärker, bei dem an die Basis eines seiner Transistoren ein Eingangssignal gelegt ist und bei dem am Kollektor eines seiner Transistoren das nichtinvertierte verstärkte Eingangssignal und am Kollektor des anderen seiner Transistoren das invertierte verstärkte Eingangssignal ansteht. In einer Ausgangs- bzw. Endstufe sind zwei Leistungstransistoren angeordnet, die im Gegentaktbetrieb in Abhängigkeit von den am Ausgang der beiden Transistoren des Differenzverstärkers anstehenden Signalen arbeiten. Weiterhin ist in einer Detektorstufe ein dritter und ein vierter Transistor vorgesehen, mit denen die Ausgangsströme der beiden Transistoren erfaßt werden und denen ein Schaltkreis nachgeschaltet ist, mit dem ein Strom zu dem Differenzverstärker über eine negative Rückkopplungsleitung zurückgeführt wird, der dem Produkt der Ausgangsströme des ersten

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und zweiten Transistors entspricht und mit dem die Ausgangssignale der Leistungstransistoren stabilisiert werden. Ein Kompensationswiderstand ist mit der Basis oder dem Emitter entweder des dritten oder des vierten Transistors der Detektorstufe verbunden, um die parasitären Widerstände auszugleichen, die im ersten und zweiten Transistor auftreten können.

Der erfindungsgemäße Leistungsverstärker wird beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines

erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers; Fig. 2A, 2B und Fig. J Diagramme der Ausgangssignale bzw. Ausgangsströme des Leistungsverstärkers nach Fig. 1

zur Verdeutlichung seiner Arbeitsweise; Fig. 4 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines

erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers; Fig. 5 das Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lei stungsverstärkers.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers. Dem Eingangsanschluß 10 wird das zu verstärkende Signal zugeführt, das im folgenden.. als Eingangssignal bezeichnet wird. Der Eingangsanschluß 10 ist eine abgeschirmte Buchse, deren Außenleiter geerdet ist und deren Innenleiter über einen Kondensator 12 mit der Basis

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eines pnp Transistors/verbunden ist. Der Emitter des Transistors

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14 ist mit dem Emitter eines pnp Transistors 16 verknüpft und liegt über einen Widerstand 18 am positiven FoI einer Gleicbspannungsquelle 20 an. Die Basis des Transistors 14 ist über den Widerstand 22 und die Basis des Transistors ist über den Widerstand 24 geerdet bzw. an Bezugspotential gelegt. Der Kollektor des Transistors 14 ist über den Widerstand 26 und der Kollektor des Transistors 16 ist über den Widerstand 28 mit dem Anschluß eines Widerstandes JO verknüpft. Der andere Anschluß des Widerstandes 30 liegt am negativen Pol der Gleichspannungsquelle 20. Die Transistoren 14 und 16 bilden einen Differenzverstärker der 'Vorverstärkerstufe.

Der Kollektor des Transistors 14 ist mit der Basis eines npn Transistors 32 und der Kollektor des Transistors 16 ist mit der Basis eines npn Transistors 34 verbunden. Der Kollektor des Transistors 32 liegt über einen Widerstand und der Kollektor des Transistors 34 über einen Widerstand am positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle 20. Die Emitter der Transistoren 32 und 34 sind miteinander verknüpft und über einen Widerstand 40 mit dem negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle 20 verbunden. Der Kollektor des Transistors 32 ist mit der Basis eine npn Transistors 42 und der Kollektor des Transistors 34 mit der Basis eines npn Transistors 44 verbunden. Die Transistoren 32 und 34 bilden zusammen einen Differenzverstärker einer Treiberstufe für

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die Transistoren 42 und 44. Der Kollektor des Transistors 42 ist mit dem Kollektor eines npn Transistors 46 verknüpft. Der Emitter des Transistors 42 ist sowohl mit der Basis des Transistors 46 als auch mit der Basis eines npn Transistors 50 über einen Kcmpensationswiderstand 48 verbunden. Der Kollektor des Transistors 44 ist mit dem Kollektor eines npn Transistors 52 verknüpft. Der Emitter des Transistors 44 ist sowohl mit der Basis des Transistors 52 als auch mit der Basis eines npn Transistors 56 über einen Kompensationswiderstand 54- verbunden. Das bedeutet, daß sowohl die Transistoren 42 und 46 als auch die Transistoren 44 und 52 jeweils eine Darlington-Schaltung bilden. Der Kollektor des Transistors liegt am positiven Pol der Gleichspannungsquelle 20. Der Emitter des Transistors 46 ist direkt mit dem Kollektor des Transistors 52 und über einen Widerstand 58 mit der Basis des Transistors 16 verbunden. Der Emitter des Transistors 46 liegt auch am Innenanschluß einer Ausgangsbuchse 60. Der Außenanschluß der Ausgangsbuchse 60 ist über einen Verbraucher 62, der beispielsweise ein Lautsprecher sein kann, mit Erde bzw. Bezugspotential verbunden. Der Emitter des Transistors 52 liegt am negativen Pol der Gleichspannungsquelle 20 an. Die Transistoren 42, 44, 46 und 52 bilden zusammen die Ausgangs- bzw. Endstufe des Leistungsverstärkers, womit die Endstufe des Leistungsverstärkers nur mit npn Transistoren bestückt ist. Die Transistoren 50 und 56 bilden die Detektor-bzw. Erfas-

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sungsstufe für die Leistungstransistören 46 und 52.

Der Kollektor des Transistors 50 ist mit der Basis und dem Kollektor eines pnp Transistors 64 und mit der Basis eines npn Transistors 66 verbunden. Der Emitter des Transistors ist über einen Kompensationswiderstand 68 mit dem Emitter des Leistungstransistors 46 verknüpft. Der Transistor 64 wirkt somit als Diode, da Basis und Kollektor kurzgeschlossen sind. Der Emitter des Transistors 66 ist mit dem Kollektor des Transistors 56 und der Basis eines pnp Transistors 70 verbunden. Der Emitter des Transistors 56 liegt über einen Kompensationswiderstand 72 an dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 20. Der Emitter des Transistors 70 ist mit dem Emitter eines npn Transistors 74- verbunden. Der Transistor'74-wirkt als Diode, da seine Basis und sein Kollektor kurzgeschlossen sind. Der Kollektor des Transistors 70 ist mit dem Verknüpfungspunkt der Widerstände 26, 28 und 30 der Vorverstärkerstufe verbunden. Der Emitter des Transistors 64 und die Kollektoren der Transistoren 66 und 74· liegen am positiven Pol der Gieichspannungsquelle 20 an. Die Transistoren 64, 66, 70 und 74· bilden zusammen eine Rückkopp lungs stufe des Leistungsverstärkers.

Im folgenden wird die Arbeitsweise eines ersten Ausführungs- beispiels des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers beschrie ben. Es sei vorausgesetzt, daß dem Singangsanschluß 10 ein

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sinusförmiges Eingangssignal mit abwechselnd wiederkehrenden positiven und negativen Halbwellen zugeführt wird. Das Eingangssignal wird an die Basis des Transistors 14 über ein RC-Glied mit vorgegebener Zeitkonstante gelegt, das aus dem Kondensator 12 und dem Widerstand 22 besteht. Da die Transistoren 14 und 16 einen Differenzverstärker bilden, erhält man am Kollektor des Transistors 14 einen Strom,der dem verstärkten, invertierten Eingangssignal und an Kollektor des Transistors 16 einen Strom, der dem verstärkten, nichtinvertierten Eingangssignal entspricht. Der Transistor 32 wird durch den Kollektorstrom des Transistors 14 und der Transistor 34 durch den Kollektorstrom des Transistors 16 ausgesteuert. Der Transistor 42 wird durch den Kollektorstrom des Transistors 32 und der Transistor 44 durch den Kollektorstrom des Transistors 34 ausgesteuert. Die Transistoren 42 und 46 bilden ebenso wie die Transistoren 44 und 52 eine Darlington-Schaltung. Deshalb wird der Transistor 46 von einem Strom durchflossen, der dem verstärkten nichtinvertierten Eingangssignal entspricht. Der Transistor 52 wird demgegenüber von einem Strom durchflossen, der dem verstärkten,' invertierten Eingangssignal entspricht. Am Ausgangsanschluß 60 steht demnach ein Ausgangssignal an, das der Differenz zwischen den Amplituden der Ströme entspricht, die durch die Transistoren 46 und 52 fließen. Das heißt, daß die Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers als Gegentaktverstärker arbeitet. Der Anteil der Ausgangssignale der Transistoren 46 und

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52, der der Gleichspannung und Teilen der Wechselspannung entspricht, ist an die Basis des Transistors 16 über eine negative Rückkopplungs- bzw. Gegenkopplungsleitung geführt, in die der Widerstand 58 geschaltet ist.

Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 46 der Endstufe wird mittels der Kompensationswiderstande 48 und 68 an Basis und Emitter des Transistors 50 und die Basis-Emitterspannung des Transistors 52 der Ausgangsstufe wird mittels der Kompensationswiderstande 5^ und 72 an Basis und Emitter des Transistors 56 geführt. Somit werden sowohl die Transistoren 50 "und 56, als auch die Transistoren 46 und 52 durch die Emitterströme der Transistoren 42 und 44 ausgesteuert. Es sei vorausgesetzt, daß die Betriebsströme, das sind die Ströme, die die Transistoren 46, 42, 50, 56 und 70 durchfließen mit I , Ip,I.,, I. und I-ci bezeichnet werden und daß die Emitterflächen der Transistoren 46 und 50 ebenso wie die Emitterflächen der Transistoren 52 und 56 ein Verhältnis von N:1 haben. Dann füllen die Betriebsströme I. und I^ folgende Beziehungen:

Für die Betriebsströme Ip und I₁, läßt sich folgende Beziehung angeben:

¹⁴ N¹²

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Das Potential im Punkt A, der in Fig. 1 eingezeichnet ist, kann entweder als Summe der Basis-Emitterspannung des Transistors 64 und der Basis-Emitter spannung V-org des Transistors 66 oder als Summe der Basis-Emitterspannung -Vggr^des Transistors 74 und der Basis-Emitterspannung V-n-grjQ des Transistors 70 ausgedrückt werden. Weiterhin sei vorausgesetzt, daß der Kollektorreststrom des pnp Transistors 64 mit Igp bezeichnet wird, daß die Emitterflächen des Transistors 64 und des Transistors 70 ein Verhältnis von K-:1 haben, daß der Kollektorreststrom des npn Transistors 66 mit IojT bezeichnet wird und daß die Emitterflächen der Transistoren 66 und 64 ein Verhältnis von Kp:1 haben und daß weiterhin die Stromverstärkungen, d. h. die Stromverstärkungsfaktoren dieser Transistoren groß genug sind, um die Basisströme vernachlässigen zu können. Für die Basis-Emitterspannungen der Transistoren 64, 66, 74 und 70 erhält man dann folgende Beziehungen:

^VBE64 =
^VBE66 =

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wobei mit:

k die Boltzmann-Konstante
T die absolute Temperatur
q die Ladung eines Elektrons bezeichnet ist.

Die folgende Beziehung ergibt sich aufgrund dieser vier Gleichungen, bezogen auf das Potential im Punkt A der Pig.1:

Io I4 Ip Ip

Ip = /K1K2I3I4 ^tt /I3I4 ₍₃₎

Vom Kollektor des Transistors 70 fließt der Strom Ij, zum Verknüpfungspunkt der Widerstände 30j 26 und 28 der Vorver stärkerstufe. Daraus ergeben sich folgende Beziehungen:

dabei ist:

^V3E34

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die Ba sis-Emitter spannung des Transistors 32 die Basis-Emitterspannung des Transistors 34 der Kollektorstrom des Transistors 14 der Kollektorstrom des Transistors 16 del¹ Strom, der den Widerstand 18 durchfließt ₂Q und R^q die Widerstandswerte der Widerstände 30» 28 und 40 und

der Stromverstärkungsfaktor.

Soiüit ist der Kollektor strom Ip des Transistors 70 weitgehend konstant. Daraus ergibt sich, daß bei positiver Halbwelle des Eingangs signal s der Betriebsstrom I_x, des Transistors 46 zunimmt und entsprechend der Betriebsstrom Ip des Transistors abnimmt. Demgegenüber nimmt bei negativer Halbwelle des Eingangssignals der Betriebsstrom I^ des Transistors 52 zUjUnd der Betriebsstrom I- des Transistors 46 nimmt entsprechend ab. Das heißt, daß die Endstufe des Leistungsverstärkers im Gegentaktbetrieb arbeitet. Wenn kein Eingangssignal anliegt, ergibt sich

I₁HI₂ oder I₃I-I₄

Damit erhält man für den Ruhestrom ^_dle der Transistoren 46 und 52 der Endstufe folgende Beziehung:

Folglich ist der Ruhestrom I-jt im wesentlichen konstant.

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In Fig. 2A ist die Abhängigkeit der Betriebs ströme I₇, des Transistors 50 und I₁, des Transistors 56 der Detektorstufe des Leistungsverstärkers von der Spannung Y des Eingangssignals dargestellt. Die Größe des Betriebs stromes I·™ des Transistors 70 ist mit der strichpunktierten Linie wiedergegeben. Der Ruhestrom I. ,-, ist mit dem Punkt der strichpunktierten Linie gegeben, an dem das Eingangssignal V Null ist. Die in den Gleichungen (1) und (2) dargestellten · Verhältnisse werden unter idealen Bedingungen sowohl von den Betriebsströmen Ί.. und Ip der Transistoren 4-6 und 52 der Endstufe, als auch von den Betriebs strömen I₇. und I^ der Transistoren 50 und 56 der Detektorstufe erfüllt. Tatsächlich steigt jedoch die Basis-Emitterspannung eines Leistungstransistors über einen theoretisch gegebenen Wert an, da bei hohen Strömen in Basis oder Emitter parasitäre Widerstände, beispielsweise Emitterbahn- und Basisbahnwiderstände wirksam werden, wie sie in der Mikroelektronik auftreten. Daraus folgt, daß die Betriebsströme der Transistoren 50 und 56, die mit den Gleichungen (1) und (2) gegebene Beziehung nicht erfüllen. Wie die gestrichelte Linie in Fig. 2A zeigt, wachsen die Betriebsströme der Detektortransistoren 50 und 56 daher gegebenenfalls über einen bestimmten Wert an. Solange die Betriebsströme klein sind, wird die Erfassung des Betriebsstromes von parasitären Widerständen nicht beeinflußt. Damit kann zwar der Rückkopplungs strom Ij,, das heißt der Kollektorstrom des Transistors 70 geregelt bzw. eingestellt werden, jedoch nicht das Produkt der Betriebsströme I,- und

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I₂ der Leistungstransistoren 46 und 52. Infolge dessen stellt sich das Problem, daß einerseits der Betriebsstrom des stromführenden bzw. ausgesteuerten Transistors nicht groß genug gemacht werden kann, um einen Verbraucher zu speisen oder daß andererseits bei kleinem Betriebsstrom des nichtangesteuerten Transistors Übernahmeverzerrungen entstehen. Um die Wirkung des parasitären Widerstandes auszugleichen wird deshalb ein Kompensationswiderstand 4-8 an die Basis und ein Kompensationswiderstand 68 an den Emitter des Transistors 50 der Detektorstufe angeschlossen. Ein Kompensationswiderstand 54· ist mit der Basis und ein weiterer Kompensationswiderstand 72 ist mit dem Emitter des Transistors 56 der Detektorstufe verbunden. Die Aufgabe, die Wirkung eines parasitären Widerstandes auszuschließen, erfüllen die Widerstände 48, 68, 54- und 72 dann, wenn ihr Widerstandswert gleich dem N-fachen des Widerstandswertes des parasitären Widerstandes ist, wobei N durch das "Verhältnis zwischen den Emitterflächen des Ausgangstransistors 46 und des Erfassungstransistors 50 gegeben ist. Durch die Verwendung der Kompensationswiderstände 48, 68, 54 und 72 in der Detektorstufe des LeistungsVerstärkers wird erreicht, daß die mit Gleichung (3) gegebene Beziehung in jedem Fall gilt. Damit ist ein stets stabiler Rückkopplungsstrom gegeben und der Betriebsstrom der Leistungstransistoren 46 und 52 wird stabilisiert bzw. geregelt. ' .

Der Widerstandswert des Kompensationswiderstandes 48, der mit der Basis des Transistors 50 verbunden ist und der Wider-

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standswert des Kompensationswiderstandes 54, der mit der Basis des Transistors 56 verbunden ist, werden auf den Kehrwert des Stromverstärkungsfaktors β der Transistoren 50 und 56 reduziert. Deshalb sind die Kompensationswiderstände 48 und 54 nicht unbedingt erforderlich. Entsprechend können die Widerstandswerte der Kompensationswiderstände und 72, die an die Emitter der Transistoren 50 und 56 angeschlossen sind, durch die Größe der Widerstandswerte der Kompensationswiderstände 48 und 54 vergrößert werden.

Durch die Verwendung von Kompensationswiderständen wird das Produkt der Betriebsströme Ί-. und Ip der Transistoren 46 und 52 der Endstufe, d. h. das Produkt der Ausgangsströme konstant gehalten. Wird also ein Ausgangsstrom von einem der Leistungstransistoren 46 oder 52 beispielsweise um den. Faktor 100 vergrößert, dann wird der Ausgangsstrom des anderen Transistors auf ~ 1/100 verkleinert. Führt eine Reduzierung des Ausgangsstroms auf 1/100 zu einem zu kleinen Stromwert, dann treten Saug- oder Übernahmeverzerrungen auf.

Aus diesem Grund sollte der reduzierte Ausgangsstrom vorzugsweise einen größeren Wert aufweisen. Um dies zu erreichen ist es ratsam, den Kompensationswiderständen 48, 68, 54- und 72, mit denen die Detektorstufe des Leistungsverstärkers bestückt ist, Widerstandswerte zu geben, die größer sind als

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das N-fache des Widerstandswertes eines parasitären Widerstandes, der in den Leistungstransistoren 46 und 42 auftritt. U bedeutet hier wieder die Größe des Verhältnisses zwischen den Emitterflächen der Transistoren 46 und 50· Der Rückkopplungsstrom Ι·™ wird entsprechend der Gleichung (3) stabilisiert "bzw. geregelt. Somit wird durch den Kompensationswiderstand 48, der mit der Basis des Transistors 50 und den Kompensationswiderstand 68, der mit dem Emitter des Transistors 50 verknüpft ist, der Betriebsstrom I, des Transistors 50, der den Ausgangsstrom des stromführenden Transistors 46 der Ausgangsstufe erfaßt, auf eine Größe reduziert, die kleiner als IVN ist. In gleicher Weise wird durch den Kompensationswiderstand 54, der mit der Basis des Transistors 56 verbunden ist und den Kompensationswiderstand 72, der mit dem Emitter des Transistors 56 verbunden ist, der Betriebsstrom Iu des Transistors.56, der den Ausgangsstrom des Transistors 52 der Leistungsstufe erfaßt, wenn dieser stromführend ist, auf eine Größe reduziert, die kleiner als Ip/N ist. Daraus ergibt sich, daß die Betriebsströme I_x. oder Ip zunehmen, die im nicht ausgesteuerten Arbeitstakt auftreten.

In Fig. 2B ist der Betriebsstrom I,, der den Detektortransistor 50 durchfließt und der Betriebsstrom 1^, der den Detektortransistor 56 durchfließt, über der Eingangsspannung V aufgetragen. Dabei sind die Kennlinien gezeigt, die man erhält, wenn die Kompensationswiderstände mit der Detektor-

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stufe des Leistungsverstärkers verbunden bzw. niclit verbunden sind. Die durchgehenden Linien der Fig. 2B erhält man, wenn die Kompensationswiderstände in die Detektorstufe des Leistungsverstärkers geschaltet sind. Die gestrichelten Linien der Fig. 2B erhält man, wenn die Detektorstufe nicht mit Kompensationswiderständen bestückt ist. Fig. 2B zeigt, daß unter der Voraussetzung, daß Kompensationswiderstände in die Detektorstufe geschaltet sind und der Ausgangsstrom eines der Transistoren der Detektorstufe abnimmt, der die Ausgangsströme der Leistungstransistoren der Endstufe erfaßt, der Ausgangsstrom des anderen Transistors der Detektorstufe entsprechend dem Ausmaß der Abnahme größer wird.

Die folgende Tabelle 1 enthält gemessene Werte der Betriebsströme I,., Ip, I₇, und In, die durch die Leistungstransistoren 46 und 52 und die Erfassungstransistoren 50 und 56 fließen. Die Tabelle enthält einerseits die Stromwerte für den Fall, daß Kompensationswiderstände 48, 68, 54 und 72 mit den Erfassungstransistoren verbunden sind und andererseits für den Fall, daß keine Kompensationswiderstände vorgesehen sind. Parasitäre Widerstände der Transistoren 46 und 52 wurden vernachlässigt, um das Anwachsen des Stroms im betriebsmäßigen Arbeitstakt durch den Kompensationswiderstand zu verdeutlichen.

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Strom	mit Kompensations- widerständen	ohne Kompensations widerstände
Il	1 A	1 A
I2	0.1 mA	1.0 mA
I3	10 mA	0.7 mA
I4	0.001 mA	0.009 mA

I¹Ur die in Tabelle 1 enthaltenen Werte wurde davon ausgegangen, daß die Größe N des Verhältnisses zwischen den Emitterflächen der Transistoren 46 und 50 gleich 100 ist, daß der Widerstandswert der Kompensationswiderstände 48 und 54 gleich 0 Sl ist und daß der Widerstandswert der Kompensationswiderstände 68 und 72 gleich 100 ß ist. Das führt zur Gleichung

unter Berücksichtigung parasitärer Widerstände, wobei der Widerstandswert des Widerstandes 48 und Yex der Widerstandswert des parasitären Widerstandes im Emitter des Leistungstransxstors 46 ist. Weiterhin wurde davon ausgegangen, daß der Ruhestrom der Transistoren 46 und 52 eine Größe von 10 mA hat, wenn kein Eingangssignal anliegt und daß der Ausgangsstrom 1_Λ des Transistors 46 eine Größe von 1 A hat. Aus der Tabelle 1 geht hervor, daß der Ausgangsstrom I^ des Erfassungstransistors 56,mit dem der Ausgangsstrom des Leistungstransxstors 52 im nichtausgesteuerten Arbeitstakt

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erfaßt wird, einen Wert hat, der etwa 9 mal größer und daß der Ausgangsstrom Ip des Leistungstransistors 52 einen Wert hat, der etwa 10 mal größer ist als wenn die Kompensationswiderstände 68 und 72 nicht vorgesehen sind. Damit wird die Übernahmeverzerrung reduziert.

Anstatt den Kompensationswiderstand 48 mit der Basis des Transistors 50 der Detektorstufe und den Kompensationswiderstand 54- mit der Basis des Transistors 46 der Detektorstufe und den Kompensationswiderstand 68 mit dem Emitter des Transistors 50 und den Kompensationswiderstand 72 mit dem Emitter des Transistors 56 zu verbinden, kann man auch sowohl einen Kompensationswiderstand in Serie zwischen den Kollektor des Transistors 56 und die Basis des Transistors 70 als auch einen Kompensationswiderstand in Serie zwischen den Emitter des Transistors 70 und den Emitter des Transistors 74 schalten. Damit wird die gleiche Wirkung erzielt. In diesem Fall tritt zwischen Basis und Emitter des Transistors 70 eine Spannung auf, die dem Produkt des Betriebsstromes I, des Transistors 50 mit dem Betriebsstrom 1^, des Transistors 56 entspricht. Der Strom Ij, des Transistors 70 nimmt jedoch bei der beschriebenen Serienschaltung der Kompensationswiderstände ab. Hält man allerdings den Betriebsstrom Ij, des Transistors 70 über eine Rückkopplungsschleife konstant, so werden die Ausgangsströme der Ausgangstransistoren 46 und 52 größer.

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Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird der Betriebsstrom eines der Detektortransistoren nicht nennenswert abnehmen, obwohl der des anderen Detektortransistors anwächst. Folglich ist damit die gleiche Wirkung sichergestellt, wie wenn ein Kompensationswiderstand mit einem Detektortransistor verbunden ist. In diesem Fall wird, wie die gestrichelte Linie in Fig. J verdeutlicht, die -JlTl/ größer, wenn die Eingangs spannung wächst.

Der Kollektor des Transistors 70 der Rückkopplungsstufe kann über einen Kondensator geerdet werden. Das heißt, daß die Rückkopplungsleitung für den Wechselstrom mit einer Nebenleitung geerdet werden kann oder nicht. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Ausgangsstufe von npn Transistoren gebildet, so daß der Leistungsverstärker eine hohe Strombelastbarkeit besitzt und auch als integrierter Schaltkreis ausgeführt werden kann.

In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers dargestellt. Ein nichtinvertierender Eingangsanschluß 110 ist mit der Basis eines pnp Transistors 114 und ein invertierender Eingangsanschluß 112 ist mit der Basis eines pnp Transistors 116 verbunden. Die Transistoren 114 und 116, deren Emitter miteinander verknüpft sind, bilden einen Differenzverstärker der Vorverstärkerstufe. Die Emitter der Transistoren 114 und 116 liegen

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über die Kollektor-Emitterstrecke eines pnp Transistors 118 am positiven Anschluß einer Gleichstromquelle 120. Der Kollektor des Transistors 114 ist über die Kollektor-Emitterstrecke eines npn Transistors 122 und einen Widerstand 124 mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle 120 verbunden. Der Kollektor des Transistors 116 ist mit der Anode einer Diode 126 verknüpft, deren Kathode über einen Widerstand 128 an dem negativen Anschluß der Gleichstromquelle 120 liegt. Die Anode der Diode 126 ist mit der Basis des Transistors 122 verbunden. Die Basis des Transistors 118 ist mit der Basis eines pnp Transistors 1JO verknüpft, der als Diode wirkt, da Basis und Kollektor kurzgeschlossen sind. Der Emitter des Transistors 130 liegt am positiven Anschluß der Gleichstromquelle 120. Der Kollektor des Transistors I30 ist über Widerstände 132 und 134 mit dem negativen Anschluß der Gleichstromquelle 120 verbunden.

Der Kollektor des Transistors 114 ist mit der Basis eines npn Transistors 136 verknüpft. Der Kollektor des Transistors 116 ist an die Basis eines npn Transistors 138 geführt. Der Kollektor des Transistors 138 ist direkt mit der Basis eines pnp Transistors 140 und mit dessen Emitter über einen Widerstand 142 verbunden. Der Emitter des Transistors 138 ist über einen Widerstand 144 zum Emitter des Transistors 136 geführt. Die Kollektoren der Transistoren 140 und 136 sind

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miteinander verbunden. Am Kollektor des Transistors 140 liegt der Ausgangsanschluß 146 des Leistungsverstärkers. Der Emitter des Transistors 140 ist mit dem positiven Anschluß der Gleichstromquelle 120 verbunden. Der Emitter des Transistors 136 liegt am negativen Anschluß der Gleichstromquelle 120. Die Transistoren 140 und 136 bilden somit zusammen die Ausgangsbzw. Leistungsstufe des Leistungsverstärkers. Der Transistor 138 stellt eine Treiber- bzw. Steuerstufe für den Ausgangstransistor 140 dar. Die Endstufe ist mit üblichen komplementären pnp und npn Transistoren in Emitterschaltung bestückt. Die Basis des Transistors 140 ist mit der Basis eines pnp Transistors 148 verknüpft. Die Basis des Transistors 136 ist mit der Basis eines npn Transistors 150 verbunden. Der Kollektor des Transistors 148 liegt am positiven Anschluß der Gleichstromquelle 120. Der Emitter des Transistors 148 ist sowohl mit dem Kollektor des Transistors 150, als auch mit der Basis eines pnp Transistors 152 verbunden. Der Emitter des Transistors 150 liegt über einen Kompensationswiderstand 154 am negativen Anschluß der Gleichstromquelle 120. Der Emitter des Transistors 152 ist mit der Kathode einer Diode 156 verknüpft, deren Anode zum positiven Anschluß der Gleichstromquelle 120 geführt ist. Der Kollektor des Transistors ist mit dem Verknüpfungspunkt der Widerstände 132 und 134 verbunden. Die Transistoren 148 und I50 bilden zusammen die Detektor- bzw. Erfassungsstufe des Leistungsverstärkers. Der Transistor 152 repräsentiert eine Rückkopplungsstufe.

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Im folgenden wird die Funktion des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers beschrieben. Werden den Eingangsanschlüssen 110 und 112 Eingangssignale zugeführt, so stehen an den Kollektoren der Transistoren 114 und 116 Signale an, die der verstärkten Differenz der EingangssignaIe entsprechen. Der Kollektorstrom des Transistors 116 steuert den Ausgangsstrom 140 über einen die Phase umkehrenden Transistor 138 an. Damit werden zwischen Basis und Emitter der Leistungstransistoren 140 und 136 Signale unterschiedlicher Phase aufgeprägt. Die Leistungstransistoren 140 und 136 arbeiten demnach im Gegentaktbetrieb. Die verstärkten Signale werden dem Ausgangsanschluß 146 zugeführt."

Das Basispotential des Leistungstransistors 140 liegt an der Basis des Detektortransistors 148. Das Basispotential des Leistungstransistors 136 liegt an der Basis des Detektortransistors 150 und das Emitterpotential des Transistors 136 wird zum Emitter des Detektortransistors 150 über einen Kompensationswiderstand 154 geführt. Ausgangsströme dieser Detektor- bzw. Erfassungstransistoren 148 und 150 werden zur Basis eines Transistors 152 geleitet. Der Kollektorstrom des Transistors 152 wird der Vorverstärkerstufe über eine negative Rückkopplungsleitung eingespeist. Es werden der Betriebsstrom des Detektortransistors 148 mit 1^, der Betriebsstrom des Detektortfansistors 150 mit Ig und der Betriebsstrom des Transistors 152, das heißt der Rückkopplungsstrom mit Ij, be-

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zeichnet. Für die Betriebsströme der Transistoren 148, 150 und 152 ergibt sich folgende Beziehung:

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In Fig. 4 ist ein Kompensationswiderstand 154 an dem Emitter des Detektortransistors 15O angeschlossen, der genauso wirkt, wie die Kompensationswiderstände 54 und 72 des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels, wenn ihr Widerstandswert die gleiche Größe hat. Der Transistor 148 ist nicht mit einem Kompensationswiderstand versehen, der den in Fig. 1 gezeigten Kompensationswiderständen 48 und 68 entsprechen würde. Deshalb wird in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 die Wirkung eines parasitären Widerstandes, der im Ausgangstransistor 136 auftritt, nur bei einer Halbwelle des Eingangssignals unterdrückt. Abhängig vom Anwendungsfall besitzt das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers jedoch ebenfalls die beschriebenen Vorteile. Wie im ersten Ausführungsbeispiel kann weiterhin der Kollektor des Transistors über einen Kondensator geerdet werden.

In Fig. 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers dargestellt. Ein Eingangsanschluß 210 ist an die Basis eines npn Transistors 212 gelegt, dessen Emitter direkt mit dem Emitter eines npn Transistors 214 verknüpft ist und über einen Widerstand 216 an dem negativen Anschluß einer Gleichstromquelle 218 liegt.

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Die Basis des Transistors 212 ist über den Widerstand 220 -und die Basis des Transistors 214- ist über den V/iderstand 222 geerdet bzw. an Bezugspotential gelegt. Der Kollektor des Transistors 212 ist mit dem Emitter eines pnp Transistors 228 über einen Widerstand 224 verbunden. Der Kollektor des Transistors 214 ist über einen Widerstand 226 an den Emitter eines pnp Transistors 230 geführt. Die Basen der Transistoren 228 und 230 sind miteinander verknüpft und liegen an dem negativen Pol einer Hilfsgleichstromquelle 232, deren positiver Anschluß mit dem positiven Anschluß der Gleichstromquelle 218 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 212 liegt über einen Widerstand 234 und der Kollektor des Transistors 214 über einen Widerstand 236 an dem positiven Anschluß der Gleichstromquelle 218. Der Emitter des Transistors 228 ist über den Widerstand 238 und der Emitter des Transistors 230 ist über den Widerstand 240 mit dem positiven Anschluß der Gleichstromquelle 218 verbunden. Der Kollektor des Transistors 228 ist mit der Basis eines npn Transistors 242 direkt verknüpft und liegt über den Widerstand 246 am negativen Anschluß der Gleichstromquelle 218. Der Kollektor des Transistors 230 ist mit der Basis eines npn Transistors 244 direkt und über einen Widerstand 248 mit dem negativen Anschluß der Gleichstromquelle 218 verbunden. Ein npn Transistor 250 und der Transistor 242 bilden eine Darlington-Schaltung. Der Kollektor des Transistors 250 liegt am positiven Anschluß der Gleichstromquelle 218. Der Emitter des Transistors 250 ist mit der Anode einer Diode 252

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verknüpft, deren Kathode mit der Anode einer Diode 254 verbunden ist. Die Kathode der Diode 254 ist mit dem Kollektor eines npn Transistors 256 verbunden. Die Transistoren 256 und 244 bilden ebenfalls eine Darlington-Schaltung. Der Emitter des Transistors 256 ist an den negativen Anschluß der Gleichstromquelle 218 geführt. Der Verknüpfungspunkt der Dioden 252 und 254 ist sowohl über einen Widerstand mit der Basis des Transistors 214 als auch direkt mit dem Ausgangsanschluß 260 verbunden. Der Außenleiter des Ausgangsanschlusses 260 ist über einen Widerstand 262 geerdet. Die Ausgangs- bzw. Endstufe des Leistungsverstärkers wird also von den npn Transistoren 250 und 256 gebildet. Die Dioden 252 und 254 stellen eine Detektorstufe dar. Die Anode der Diode 252 ist mit den Basen von npn Transistoren 264 und 266 verknüpft. Der Emitter des Transistors 264 ist über einen Kompensationswiderstand 268 mit der Anode einer Diode 270 verbunden. Der Kollektor des Transistors 264 ist über eine Kollektor-Emitterstrecke eines npn Transistors 272 mit dem Kollektor des Transistors 214 verbunden. Der Emitter des Transistors 266 ist über einen Kompensationswiderstand 274 mit der Anode einer Diode 276 verknüpft. Die Kathoden der Dioden 270 und 276 sind mit dem Kollektor des Transistors 256 verbunden. Der Kollektor des Transistors 266 ist über die Emitter-Kollektorstrecke eines npn Transistors 278 an den Kollektor des Transistors 212 geführt. Die Basen der Tran-

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sistoren 272 und 278 sind mit der Basis des Transistors verknüpft.

Es wird im folgenden die Punktion des dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers erläutert. Bei einem positiven Eingangssignal wird dem Transistor 250 ein verstärktes Signal zugeführt. Bei einem negativen Eingangssignal wird der Transistor 256 mit einem verstärkten Signal ausgesteuert. Diese verstärkten Signale stehen am Ausgangsanschluß 260 an. Der Betriebsstrom des Transistors 250 wird von der Diode 252, der Betriebsstrom des Transistors 256 von der Diode 254- erfaßt und gleichgerichtet. Die Transistoren 264 und 266 werden in Abhängigkeit von den erfaßten Betriebsströmen der Transistoren 250 und ausgesteuert. Damit haben die Ströme, die die Transistoren und 266 durchfließen die gleiche Größe. Die Betriebsströme der beiden Transistoren 264 und 266 werden daher gemeinsam mit Ιπ bezeichnet. Der Betriebsstrom des Leistungstransistors 250 wird mit I₇ und der Betriebsstrom des Leistungstransistors 256 mit In bezeichnet. Da die Spannung, die an die beiden Anschlüsse der Serienschaltung der Dioden 252 und 254 gelegt ist, die gleiche Größe hat, wie die Spannung, die an den beiden Anschlüssen der Serienschaltung der Kompensationswiderstände 268 und der Diode 270 liegt, ergibt sich folgende Beziehung:

Ip «

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Der der Vorverstärkerstufe über den negativen Rückkopplungszweig tatsächlich zugeführte Strom ist gegenüber dem mit dieser Beziehung gegebenen Strom um einen Wert kleiner, der dem Spannungsabfall entspricht, der vom Kompensationswiderstand 268 bewirkt wird. Daraus folgt, daß der Betriebsstrom des Ausgangstransistors 252 im Ausmaß dieses Spannungsabfalls anwächst. Der Betriebsstrom in einem ausgesteuerten Leistungstransistor wird deshalb nicht nennenswert reduziert. Das erste, zweite und dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungstransistors können deshalb für einen A-, B- und AB-Betrieb eingestellt werden.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung einen Leistungsverstärker mit einem Differenzverstärker (14,16) in der Vorverstärkerstufe, bei dem an die Basis eines seiner Transistoren ein Eingangssignal

dem an die Basis eines seiner Transistoren ein Eingangssignal gelegt ist und bei dem am Kollektor eines seiner Transistoren das nicht invertierte verstärkte Eingangssignal und am Kollektor des anderen seiner Transistoren das invertierte verstärkte Eingangssignal ansteht. In einer Ausgangs- bzw. Endstufe sind zwei Leistungstransistoren (46, 52) angeordnet, die im Gegentaktbetrieb in Abhängigkeit von den am Ausgang der beiden Transistoren (14, 16) des Differenzverstärkers anstehenden Signalen arbeiten. Weiterhin ist in einer Detektorstufe ein dritter und ein vierter Transistor (50, 56) vorgesehen, mit dem die Ausgangsströme der beiden Leistungstransistoren (46, 52) der Ausgangsstufe erfaßt werden' und

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denen ein Schaltkreis nachgeschaltet ist, mit dem ein Strom zu dem Differenzverstärker (14, 16) der Vorverstärkerstufe über eine negative Rückkopplungsleitung zugeführt ist, der dem Produkt der Ausgangsströme der beiden Leistungstransistoren (46, 52) entspricht. Wenigstens ein Kompensationswiderstand (48, 68, 54, 72) ist mit der Basis oder dem Emitter entweder des dritten oder vierten Transistors (50, 56) verbunden, um die parasitären Widerstände auszugleichen, die in den beiden Leistungstransistoren (46, 52) auftreten können (Fig. 1).

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Leerseite

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER

ZV\/1RNER · HOFFMANN .A_4OC(?ft

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Tokyo Shibaura Denki K.K.
72 Horikawa-cho, Saiwai-ku,
Kawasaki-shi, Japan

Patentanspruch

Leistungsverstärker mit einer Vorverstärkerstufe, deren Ausgängen eine Endstufe mit einem ersten und einem zweiten Transistor nachgeschaltet ist, die in Gegentaktschaltung angeordnet SiHd₇ und einer Detektorstufe, die die Ausgangssignale des ersten und zweiten Transistors erfaßt und über eine Gegenkopplungsleitung ein Signal zur Vorverstärkerstufe zurückführt, das dem Produkt der beiden Ausgangssignale der beiden Transistoren entspricht, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Kompensationswider st and (4-8, 68, 54, 72) in eine Leitung geschaltet ist, die von der Endstufe zu der Vorverstärkerstufe führt, um die parasitären Widerstände des ersten und zweiten Transistors auszugleichen.

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser.Dipl.-Phys. Dr. ter. nat. . E. Hoffmann Dlpl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dlpl.-Ing. . P. Bergen Prof.Dr. jur.Dipl.-Ing., PaL-AsS₁₁PaL-AnW.bis 1979 · e. Zwirner Dipl.-Ing. Dlpl.-W.-Ing.

ORIGINAL IHSPECTED