DE3048162A1

DE3048162A1 - Verstaerkerschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE3048162A1
Application number: DE19803048162
Authority: DE
Inventors: Richard Allen 97006 Aloha Oreg. Sunderland
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1979-12-20
Filing date: 1980-12-19
Publication date: 1981-09-10
Also published as: US4319199A; DE3048162C2; JPS5694809A; NL8006879A; JPS606131B2; FR2473232B1; FR2473232A1; CA1149891A; GB2066013B; GB2066013A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann., Pjpl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. ϊ^ιί¹/¹»?^ Dr. Ing. H. Liska 3UhO \bl

8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Tektronix, Inc.,

4900 S.W. Griffith Drive, Beaverton, Oregon 97005, V.St.A.

Verstärkerschaltungsanordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltungsanordnung, insbesondere eine Leistungs-Verstärkerschaltungsanordnung in Form eines linearen Verstärkers, in dem der Leistungsverlust in seinen Ausgangsstufen minimal gehalten ist. Obwohl die Verstärkerschaltungsanordnung grundsätzlich zur Ansteuerung einer induktiven Last, nämlich eines magnetischen Ablenkjoches, optimal ausgelegt ist, stellt sie einen Operationsverstärker mit gutem Lexstungswirkungsgrad zur Ansteuerung sowohl von Widerstands- als auch von Blindlasten dar.

Es ist bekannt, daß die Spannungsversorgung für einen Verstärker, welcher eine Last direkt speist, eine Speisespannung besitzen muß, welche geringfügig größer als die durch die Last geforderte maximale Ausgangsspannung ist. Die Differenz zwischen der Speisespannung und der Augenblicks-Lastspannung tritt an den Ausgangsstufen des Verstärkers auf. Da der Last-

130037/0780

strom auch durch die Ausgangsstufen fließt, tritt notwendigerweise ein Leistungsverlust in diesen AusgangsStufen auf. Ist der Speisestrom in erster Näherung gleich dem Laststrom, so ist der Wirkungsgrad des Verstärkers bei der Ansteuerung einer Widerstandslast durch folgende Formel gegeben:

Wirkungsgrad =

durch den Lastwiderstand verbrauchte Leistung Last

durch die Spannungsquelle gelieferte Leistung V .

Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß der Wirkungsgrad zunimmt, wenn die Last- bzw. Ausgangsspannung sich der Speisespannung nähert. In den meisten Verstärkern ändert sich jedoch die Lastspannung und ist für die meiste Zeit kleiner als das Maximum. Daher ist auch der Wirkungsgrad für die meiste Zeit schlecht. Die gebräuchlichen A-Verstärker, welche durch eine Speisespannung betrieben werden, die zur Anpassung an die höchste zu erwartende Ausgangsspannung groß genug ist, zeigen diese Charakteristik.

Es hat sich gezeigt, daß bekannte Verstärker zur wirksamen Ansteuerung einer Last sowohl bei hohen als auch bei kleinen Ausgangsspannungen einen Laststrom für kleine Ausgangsspannungen aus einer kleinen Speisespannung und lediglich bei hohen Ausgangsspannungen aus einer höheren Speisespannung liefern müssen. Dadurch wird der Spannungsabfall an den Verstärker-Ausgangsstufen reduziert und damit der Wirkungsgrad verbessert. Bekannte Schaltungsanordnungen mit einem Mehrfach-Speisespannungsbetrieb entsprechen der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Derartige Schaltungsanordnungen besitzen mehrere Ausgangsstufen, die so geschaltet sind, daß ihre Eingänge effektiv parallel liegen, wobei der Laststrom sie jedoch in Serie durchfließt. Beispielsweise fließt der Laststrom lediglich durch eine Ausgangsstufe von einer Spannungsquelle V- für eine Ausgangsspannung V < V₁ und durch zwei Ausgangsstufen von einer Spannungsquelle V₀ für eine Ausgangsspannung V > V₁ , usw.

130037/0780

Wenn derartige Schaltungsanordnungen von einer Speisespannung, welche größer als die kleinste Speisespannung ist, betrieben werden, so muß der Eingangsstrom für derartige Verstärker charakteristischerweise um einen Betrag zunehmen, welcher zur Aufrechterhaltung des leitenden Zustandes einer zusätzlichen Ausgangsstufe erforderlich ist. Eine Zunahme um einen zusätzlichen Betrag muß vorhanden sein, wenn der Betrieb aus einer dritten Speisespannung erfolgt, welche größer als die zweite Speisespannung ist. Diese Gesetzmäßigkeit setzt sich entsprechend fort. Jede Zunahme des Eingangsstroms bedingt größere Anforderungen an die Ansteuerung der Ausgangsstufen und kann bei der Umschaltung von einer Spannungsquelle auf die andere zu Verzerrungen des Ausgangssignals führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltungsanordnung, insbesondere einen Leistungsverstärker mit hohem Wirkungsgrad anzugeben.

Insbesondere sollen Verstärker-Ausgangsstufen angegeben werden, deren Stromverstärkung sich als Funktion der den Laststrom liefernden Spannungsquellen sich nur minimal ändert.

Die Verstärker-Ausgangsstufen sollen darüber hinaus eine sehr große Stromverstärkung besitzen.

Schließlich soll speziell ein generell verwendbarer Leistungs-Operationsverstärker mit gutem Leistungs-Wirkungsgrad geschaffen werden, welcher eine große Leistungs-Bandbreite besitzt und für einen stabilen Betrieb in vielen Anwendungsfällen keine Frequenzkompensation erfordert.

Diese Aufgabe wird bei einer Verstärkerschaltungsanordnung der eingangs genannten Art durch folgende Merkmale gelöst: mehrere unterschiedliche Spannungspegel liefernde Spannungsquellen, mehrere ein Eingangssignal aufnehmende Ausgangsstufen zur Einspeisung eines Ausgangsstroms in eine Last, welche parallel-

130037/0780 ORIGINAL INSPECTED

geschaltet und jeweils an eine der Spannungsquellen angekoppelt sind,

und einen an die Ausgangsstufen angekoppelten Steuerkreis zur Umschaltung des AusgangsStroms von einer Ausgangsstufe auf eine andere als Punktion des Augenblickszusammenhangs zwischen dem Speisespannungspegel und einer an der Last erzeugten Ausgangs spannung.

Zur Erhöhung des Leistungs-Wirkungsgrades werden bei der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltungsanordnung die die Last speisenden Ausgangsstufen von mehreren Spannungsquellen unterschiedlicher Spannung in der Weise betrieben, daß jede Ausgangsstufe immer nahezu ihr maximales Ausgangssignal liefert. Darüber hinaus zeigt die erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung eine geringere Änderung ihrer Stromverstärkung als Funktion der den Laststrom liefernden Speisespannung gegenüber bekannten Verstärkerschaltungsanordnungen.

In der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltungsanordnung sind dabei mehrere effektiv parallel geschaltete Emitterfolger-Ausgangsstufen vorgesehen, für die jeweils eine andere Speisespannung vorhanden ist. Steuerkreise dienen dabei zur Umschaltung des Einsatzstroms von einer Emitterfolgerstufe zur anderen. Die Steuerkreise stellen sicher, daß die kleinste brauchbare Speisespannung den Ausgangsstrom erzeugt.

Um Verzerrungen so klein wie möglich zu halten, welche durch die Umschaltung von einer Ausgangsstufe auf eine andere hervorgerufen werden können, glättet die erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung die Umschaltung durch Aufspreizen in einem zulässigen Bereich der Ausgangsspannung. Beim Durchlaufen eines Übergangsbereiches reduziert die Ausgangsstufe, welche anfänglich den gesamten Laststrom liefert, ihren Beitrag für die Last glatt von 100 % auf 0, während die Ausgangsstufe mit der nächsthöheren Spannung ihren Beitrag von 0 auf 100 % erhöht.

130037/0780

Der jeweiligen Ausgangsstufe ist eine konventionelle Verstärkerstufe vorgeschaltet, deren SteuerSpannungsbereich gleich dem der gesamten Verstärkerschaltungsanordnung ist.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine bereits angesprochene bekannte Verstärkerschaltungsanordnung;

Fig. 2 eine grundsätzliche Verstärker-Ausgangsschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein Diagramm des Verlaufs .des EingangsStroms der vorbekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Diagramm des Verlaufs des Eingangsstroms der Schaltungsanordnung nach Fig. 2;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 6 Steuerkreise, welche an die Stelle eines Schalters 25 in den Fig. 2 und 5 treten können;

Fig. 7 ein Diagramm des Verlaufs der Spannung in verschiedenen Schaltungspunkten der Schaltungsanordnung nach Fig. 6;

Fig. 8 ein Schaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gegentaktverstärkers; und

Fig. 9 einen vollständigen erfindungsgemäßen Operationsverstärker.

130037/0780

30A8162

Erfindungsgemäß sind Ausgangsstufen vorgesehen, welche effektiv parallel geschaltet und selektiv so wirksam geschaltet werden, daß die kleinste brauchbare Speisespannung den Laststrom liefert. Dadurch werden Änderungen in der Stromverstärkung, welche durch den Betrieb aus unterschiedlichen Speisespannungen hervorgerufen werden, minimal gehalten. Figur 2 zeigt eine grundsätzliche erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung. Emitterfolger-Transistoren 30 und 35 sind effektiv parallel geschaltet, wobei deren gemeinsames Ausgangssignal dem Eingangssignal nur folgen kann, wenn die Basis eines der Transistoren Strom über einen Widerstand 20 erhält.

Ein Eingangssignal V _± wird über eine Diode 10 auf die Basis des Transistors 35 und über eine Diode 15 auf die Basis des Transistors 30 gekoppelt. Die Basen der Transistoren 30 und 35 sind über einen Widerstand 20 umschaltbar an eine nicht-geerdete Stromquelle V, angekoppelt. Ein Schalter 25 liefert Strom in die Basis des Transistors 35 lediglich für Ausgangsspannungen, welche um einen festen Betrag kleiner als die Spannung einer Spannungsquelle V₁ sind, während die Basis des Transistors 30 für größere Ausgangsspannungen Strom erhält. Der Emitter des Transistors 30 ist mit dem Emitter des Transistors 35 verbunden. Dieser Verbindungspunkt ist an die negative Seite der Quelle V, und an ein Ende eines Lastwiderstandes 40 Φ

angekoppelt. Der Kollektor des Transistors 30 ist an die positive Seite einer Spannungsquelle V₂ angekoppelt, während der Kollektor des Transistors 35 über eine Diode 45 an die positive Seite der Spannungsquelle V₁ angekoppelt ist. Die Ausgangsspannung der Spannungsquelle V~ ist größer als die Ausgangsspannung der Spannungsquelle V₁. Die negativen Seiten der Spannungsquellen V₁ und V₂ sowie ein Ende des Lastwiderstandes 40 sind zur Vervollständigung der Schaltungsanordnung auf den Eingang zurückgeführt.

13003 7/0780

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 sei angenommen, daß die Exngangsspannung V . so beschaffen ist, daß der Schalter 25 einen Strom i in die Basis des Transistors 35 einspeist. Dieser Strom hebt die Spannung an der Basis des Transistors 35 um einen Betrag über die Eingangsspannung V . an, welcher gleich dem Spannungsabfall an der Diode 10 ist. Die die Eingangsspannung V . liefernde Quelle muß den über die Diode 10 fließenden Strom aufnehmen können. Die Spannung am Emitter des Transistors 35, d.h. die Spannung

V ist um einen Betrag kleiner als die Spannung an der Basis aus

dieses Transistors, welcher gleich der Durchlaßspannung der Basis-Emitter-Strecke dieses Transistors ist. Der doppelte Spannungsversatz löscht sich aus, so daß die Ausgangsspannung V nahe-

aus

zu gleich der Eingangsspannung V . ist. Die Ausgangsspannung folgt der Exngangsspannung V . , wobei der Laststrom so lange von der Spannungsquelle V₁ über die Diode 45 fließt, wie der

Strom X₁ vorhanden ist. Ist die Ausgangsspannung V größer l aus

als der vorgenannte Schwellwert des Schalters 25, so wird X₁ zu 0, wobei dann ein Strom i« zur Basis des Transistors fließt. Unter diesen Umständen verhalten sich die Diode 15 und der Transistor ebenso wie dies oben für die Diode 10 und den Transistor 35 beschrieben wurde. Die Diode 45 wird in Sperrrichtung vorgespannt, so daß der Transistors 35 über die Speisespannung V₁ angehoben werden kann. Da die Ströme X₁ und idurch die Quelle V- und nicht durch die Quellen V.. oder V₂ geliefert werden, sind sie unabhängig von der Ausgangsspannung

V . Daher kann der Verstärker eine Ausgangsspannung von jeder Speisespannung bis zu einem Sättigungsabfall unterhalb dieser Speisespannung aufnehmen. Um eine maximale Ausgangsspannung zu erhalten, müssen der Widerstand 20 und die Ausgangsspannung der Quelle V, so gewählt werden, daß ein ausreichender Strom zur Sättigung des Transistors 30 geliefert wird.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß zur Lieferung eines Laststroms aus der Quelle V- lediglich der Transistors 30 und zur Lieferung

130037/0780

- 10 -

eines Laststroms aus der Quelle V₁ lediglich der Transistor 35 wirksam geschaltet werden müssen. In der vorbekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist dagegen für beide Transistoren ein Basisstrom erforderlich, um einen Laststrom aus der Quelle V2 zu liefern, während zur Lieferung eines Laststroms aus der Quelle V₁ lediglich der Transistor 4 Basisstrom benötigt.

Fig. 3 zeigt den Eingangsstrom der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 als Funktion der Ausgangsspannung an einem Widerstand bzw. des AusgangsStroms. Eine Kurve 110 zeigt die Verhältnisse für den Fall, daß die Stromverstärkung β des Transistors 2 gleich der Hälfte der Stromverstärkung β des Transistors 4 ist. Eine Kurve 120 zeigt die Verhältnisse, wenn die Stromverstärkungen 3 gleich sind. Eine Kurve 130 zeigt die Verhältnisse, wenn die Stromverstärkung β des Transistors gleich dem doppelten Wert der Stromverstärkung 3 des Transistors 4 ist. Fig. 4 zeigt die gleichen Bedingungen für die erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung, wobei der Transistor 3 0 dem Transistor 2 und der Transistor 35 dem Transistor 4 entspricht. Für den Fall, daß die Stromverstärkungen β gleich sind, ergeben sich keine Diskontinuitäten im Eingangsstrom. Werden angepaßte Elemente nicht verwendet, so haben die Transistoren unterschiedliche Stromverstärkungen ß, so daß in beiden Schaltungsanordnungen Diskontinuitäten auftreten. In der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 sind die Diskontinuitäten jedoch weniger schwerwiegend und normalerweise weniger abrupt als in der vorbekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1, wenn in beiden Schaltungsanordnungen Transistoren des gleichen Typs verwendet werden.

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Ersichtlich hat eine derartige Verstärkerschaltungsanordnung eine weit größere Stromverstärkung als die Ausführungsform nach Fig. 2. Da die erste Folgerstufe durch Transistoren 215 und 220 und die zweite Folger-

130037/0780

stufe durch Transistoren 205 und 210 gebildet wird, welche jeweils eine Darlington-Konfiguration bilden, ist die Stromverstärkung gleich dem Produkt der Stromverstärkungen der einzelnen Transistoren, so daß die Ströme I₁ und i₂ wesentlich reduziert werden können. Darüber hinaus reduziert ein Transistor 200 den Eingangsstrom des Verstärkers um einen Faktor, welcher gleich dessen Stromverstärkung ist.

Ein Diagramm des Eingangsstroms der Ausführungsform nach Fig. entspricht in seiner Form dem Diagramm nach Fig. 4, da die grundsätzliche Funktion der Ausführungsformen nach den Fig. und 5 die gleiche ist.

Speisespannung -V . und V , sind in nicht-geerdeter Weise auf den Ausgangsknoten bezogen. Aufgrund dieser Schaltungskonfiguration ändert sich die Basis-Kollektor-Spannung des Transistors 200 lediglich geringfügig im gesamten Ausgangsspannungsboryich. Daher 1st lediglich ein geringfügiger Basisstrom für den Transistors 200 erforderlich, um dessen Kollektor-Basis-Kapazität aufzuladen (vervielfacht durch den an sich bekannten Miller-Effekt), woraus folgt, daß die am Eingang des Verstärkers vorhandene Kapazität minimal ist. Diese Reduzierung der Eingangskapazität erhöht die Zeit- und Frequenzcharakteristik des Gesamtverstärkers gegenüber einem dem Verstärker nach Fig. 5 gleichen Verstärker, bei dem der Kollektor des Transistors nicht an die Spannung -V, sondern an Masse angekoppelt ist.

Die scharfen Übergänge im Diagramm nach Fig. 4 können dadurch abgeschwächt werden, daß der Stromschalter 25 nach den Fig. und 5 durch einen Kreis ersetzt wird, welcher den wirksamen Strom zwischen den Werten i~ und i„ in der Weise teilt, daß er in einem kleinen Spannungsbereich der Ausgangsspannung proportional ist. Eine derartige Ausführungsform einer {Schaltungsanordnung ist in Form eines Verstärkers 250 in Fig. 6 dargestellt, welche im folgenden als Steuerschaltung bezeichnet

130037/07 80

wird. Die als "erster Folger" und "zweiter Folger" bezeichneten Blöcke enthalten Schaltungsteile, die mit den in Fig. 5 in gestrichelten Blöcken eingefaßten Schaltungsteilen identisch sind. Das Eingangssignal wird an die Basis des NPN-Transistors 200 eingespeist,welcher als Puffer wirkt. Der Emitter dieses Transistors 200 ist über eine Diode 201 an einem Knoten A an die erste Folgerstufe und über eine Diode 2Ϊ4 an den entsprechenden Teil der zweiten Folgerstufe angekoppelt. Der Emitter eines PNP-Transistors 206 bildet einen Knoten B, der über einen Widerstand 217 auch an die Bases des Transistors 206 angekoppelt ist. Der Knoten B ist über einen Widerstand 209 und eine Diode 207 an den Knoten A und über einen Widerstand 211 an die Speisespannung V» angekoppelt. Der Kollektor des Transistors 206 ist an den Eingang der zweiten Emitterfolgerstufe angekoppelt. Die Basis des Transistors 206 ist über eine Diode 213 an den Kollektor eines NPN-Transistors 204 angekoppelt. Die Basis dieses Transistors 204 ist an die Spannungsquelle V₁ angekoppelt. Die Kollektoren des ersten Emitterfolgers sind über eine Diode 212 an die Spannungsquelle V₁ angekoppelt.

Die Steuerschaltung nach Fig. 6 verschiebt den wirksamen Strom von einer Emitterfolgerstufe zur nächsten Emitterfolgerstufe als Funktion der Amplitude der Ausgangsspannung. Der übergang ist über einen Bereich der Ausgangsspannung aufgespreizt. Wenn die Ausgangsspannung einen Übergangsbereich durchläuft, so reduziert die Emitterfolgerstufe, welche anfänglich den gesamten Laststrom führt, ihren Anteil am Laststrom glatt von 100 % auf 0, während die nächste Emitterfolgerstufe ihren Anteil am Laststrom von 0 auf 100 % erhöht.

Fig. 7 zeigt ein Diagramm der Spannung am Knoten A, am Knoten B und am Ausgangsknoten der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 als Funktion der Eingangsspannung. Die Funktion der Steuerschaltung kann mit unterschiedlichen Ausgangsspannungsbereichen, welche in Fig. 7 mit 1 bis 5 bezeichnet sind, korreliert werden. Eine gemäß Fig. 7 ansteigende Ausgangsspannung legt die Be-

13003 77 0780

dingungen für die folgende Stufe fest, wenn die Spannung die vorgenannten Spannungsbereiche durchläuft.

Ausgangsspannung im Bereich 1

Dieser Bereich umfaßt Ausgangsspannungen zwischen Null und derjenigen Ausgangsspannung, für die die Spannung am Knoten B gerade groß genug ist, um die Diode 213 durchzuschalten. In der Praxis ist diese Spannung etw gleich der Ausgangsspannung der Spannungsquelle V- (wenn der Transistor 204 und die Diode 213 entweder beide aus Germanium oder beide aus Silizium hergestellt sind). Vor dem Durchschalten der Diode 213 ist der Knotenpunkt B um einen festen Betrag positiver als der Ausgangsknoten, wobei dieser Betrag gleich dem Spannungsabfall am Widerstand 209 plus dem Spannungsabfall an der Diode und plus der Summe der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 215 und 220 ist.

Daher existieren die folgenden Bedingungen in diesem Bereich:

V=V + der oben angegebenen festen Spannung; x3 aus

die Diode 213 ist in Sperrichtung vorgespannt; der Transistor 206 ist gesperrt; und der Transistor 204 ist gesättigt. Daher ist der Strom ±₂ gleich Null und der Strom i.. größer als Null, wobei lediglich der erste Emitterfolger wirksam geschaltet ist. Daher wird der Laststrom von der Spannungsquelle V₁ geliefert.

Ausgangsspannungsbereich 2

Die Breite dieses Bereichs ist gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 206.

130037/0780

- 14 -

Wenn die Diode 213 durchgeschaltet ist, fließt Strom durch den Widerstand 217 und beeinflußt die Spannung am Knoten B. Da der Widerstand 217 den Transistor 206 gesperrt haben soll/ wenn die Diode 213 gesperrt ist, kann dessen Wert weit größer als der Wert des Widerstandes 211 gewählt werden, so daß der Effekt auf den Knoten B vernachlässigbar ist.

Die folgenden Bedingungen existieren in diesem Bereich:

V_ = V „ + der im Bereich 1 angegebenen festen Spannung; α aus

die Diode 213 ist durchgeschaltet; der Transistor 204 ist gesättigt; und die Spannung am Widerstand 217 ist von Null auf die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 206 erhöht. In diesem Bereich bleibt der Transistor 206 gesperrt und der Strom ±2 gleich Null, wobei lediglich der erste Emitterfolger wirksamgeschaltet ist. Damit liefert die Spannungsquelle V. weiterhin den gesamten Laststrom.

Ausgangsspannungsbereich 3

In dem Bereich erfolgt der übergang von einer Spannungsquelle zur nächsten. Die Breite dieses Bereiches ist gleich dem nahezu festen Spannungsabfall am Widerstand 209 gemäß den vorstehend erläuterten beiden Bereichen.

Die folgenden Bedingungen existieren in diesem Bereich: der Tranistor 206 befindet sich in seinem aktiven Bereich; V_ß ist aufgrund der Leitung des Transistors 206 nahezu auf einen Dioden-Spannungsabfall oberhalb der Ausgangsspannung der Spannungsquelle V₁ festgelegt; der Transistor 204 ist gesättigt; und die Spannung am Widerstand 209 und damit der Strom I₁ nimmt nahezu auf Null ab, wenn die Ausgangsspannung zunimmt. Abgesehen von dem durch die Diode 213 fließenden festen Strom wird der vom Knotenpunkt B abfließende Strom zwischen den strömen i.. und i₂ aufgeteilt. Wenn die Spannung am Widerstand

130037/0780

209 abnimmt, erfolgt daher proportional eine Abnahme des Stroms I₁ und eine Zunahme des Stroms i₂. Der erste Emitterfolger wird daher weich abgeschaltet, wenn der zweite Emitterfolger weich wirksamgeschaltet wird. Der Laststrom wird in sich ändernden proportionalen Größen durch die beiden Spannungsquellen geliefert.

Da in diesem Bereich die Spannung am Knoten B fest bleibt, während die Ausgangsgröße steigt, nehmen die Spannung am Widerstand 211 und der durch diesen Widerstand fließende Strom ebenfalls zu. Ist die Summe der Ströme I₁ und i₂ nicht konstant, so ist der Emitterstrom des Transistors 200 nicht konstant. Die Eingangsgrößen der Verstärkerausgangsstufe ändern sich daher von einem Bereich zum anderen. Um die Summe der Ströme i.. und i₂ konstant zu halten, kann der Emitterstrom des Transistors 204 so gewählt werden, daß er gleich der vorgenannten Zunahme des Stroms im Widerstand 211 ist. Solange die Summe der Ströme I₁ und i₂ konstant gehalten wird, müssen sich Fluktuationen im Eingangsstrom durch eine Fehlanpassung der Stromverstärkungen der Transistoren in der ersten und der zweiten Folgerstufe und/oder durch Änderungen im Laststrom ergeben.

Ausgangsspannungsbereich 4

Die obere Grenze dieses Bereiches tritt auf, wenn der Transistor 206 in die Sättigung gelangt.

Die folgenden Bedindungen existieren in diesem Bereich: V_ß ist auf den gleichen Pegel wie im Bereich 3 festgelegt; die Spannung am Widerstand 227 (Fig. 5) fällt von der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 220 auf nahezu Null; der Transistor 204 ist gesättigt; die Diode 213 ist durchgeschaltet; und die Transistor 206 ist wirksamgeschaltet.

130037/0780

- 16 -

Der Strom i.. bleibt nahezu gleich Null, so daß lediglich der zweite Emitterfolger wirksamgeschaltet wird und die Spannungsquelle V- den gesamten Laststrom liefert.

AusgangsSpannungsbereich 5

In diesem Bereich existieren die folgenden Bedingungen: die Diode 213 ist durchgeschaltet; der Transistor 204 ist aktiv und der Transistor 206 ist gesättigt. Daher ist der zweiter Emitterfolger weiterhin wirksamgeschaltet. Die Diode 212 ermöglicht, daß. die erste Emitterfolgerstufe oberhalb der Ausgangsspannung der Spannungsquelle V₁ betrieben werden kann. Die Spannungsquelle V„ liefert den gesamten Laststrom.

Fig. 8 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Gegentaktverstärker gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform enthält zwei Schaltungsanordnungen des in Fig. 6 dargestellten Typs, welche mit 250 und 250' bezeichnet sind, wobei eine Schaltung ein exaktes Duplikat und die andere Schaltung eine sogenannte komplementäre Schaltung ist. In der komplementären Schaltung sind die Dioden- und die Spannungsquellen-Polaritäten umgekehrt und die NPN- und PNP-Transistoren ausgetauscht.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Verstärker derart erweitert ist, daß er mit drei Speisespannungspegeln betrieben werden kann. Darüber hinaus ist eine konventionelle Steilheitsverstärkerstufe vorgesehen, um einen vollständigen Operationsverstärker zu bilden.

In allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen können die Ausgangsspannungen der Spannungsquellen V₁, V₂, V₃, -V₁, -V₂ und -V₃ so gewählt werden, daß der Leistungswirkungsgrad für spezielle Anwendungsfälle maximal ist. Dies wird durch eine Analyse der zu speisenden Last und des Charakters der zu erwartenden Ausgangsspannung realisiert.

130037/0780

Zusammenfassend ergibt sich aus den vorstehenden Ausführungen, daß die erfindungsgemäße Verstärkerschaltungsanordnung einen minimalen Leistungsverlust in ihrem Ausgangspuffer aufgrund der Verwendung einer Vielzahl von Ausgangsstufen ^; aufweist, welche aus getrennten, mit verschachtelten Spannungspegeln arbeitenden Spannungsquellen betrieben werden. ^: Die Ausgangsstufen, welche parallele Signalwege besitzen, werden durch Emitterfolgerstufen mit der Verstärkung Eins gebildet, so daß der an die kleinste brauchbare Spannungsquelle gekoppelte Folger immer den Laststrom liefert. Daher ist die Differenz zwischen der Speisespannung und der Ausgangsspannung minimal, wodurch Leistung eingespart wird.

Im Rahmen der vorstehenden Ausführungen wurden Gesichtspunkte beispielsweise hinsichtlich der Vorspannung nicht berücksichtigt, da derartige schaltungstechnische Einzelheiten an sich selbstverständlich sind.

130037/0780

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. "Weickmann/ DjPl.-Pv.ys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Wi
Dr. Ing. H. Liska

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8000 MÜNCHEN 86, DEN ^ 9. 0β£ .t

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Tektronix, Inc.,

4900 S.W. Griffith Drive, Beaverton, Oregon 97005, V.St.A.

Verstärkerschaltungsanordnung

Patentansprüche

'1. Verstärkerschaltungsanordnung, gekennzeichnet durch mehrere unterschiedliche Spannungspegel liefernde Spannungsquellen (V₁, V₂), durch mehrere ein Eingangssignal aufnehmende Ausgangsstufen (30, 35; 205, 210, 215, 220) zur Einspeisung eines Ausgangsstroms in eine Last (40) , welche panallelgeschaltet und jeweils an eine der Spannungsquellen (V₁, V₂) angekoppelt sind,

und durch einen an die Ausgangsstufen (30, 35; 205, 210, 215, 220) angekoppelten Steuerkreis (V,, 20, 25) zur Umschaltung des Ausgangsstroms von einer Ausgangsstufe auf eine andere als Funktion des Augenblickszusammenhangs zwischen dem Speisespannungspegel und einer an der Last (40) erzeugten Ausgangsspannung.

130037/0780
2. Verstärkerschaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf ein differentielles Eingangssignal ansprechende Eingangsstufe zur Erzeugung eines dem Eingangssignal proportionalen Stroms.
3. Verstärkerschaltungsanordnung nach Anspruch 1. und/oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgangsstufen jeweils durch eine Emitterfolgerstufe (30, 35; 205, 210, 215, 220, 227) mit der Verstärkung (1) gebildet sind.
4. Verstärkerschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Emitterfolgerstufen mit der Verstärkung (1) durch Darlington-Transistorpaare (205, 210, 215, 220) gebildet sind.

130037/0780