DE3101675C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klasse-B-Verstärkerschaltung. Eine solche Verstärkerschaltung ist aus der US-PS 39 21 090 bekannt. Die Einstellstromschaltung liefert dabei der Einstellstromklemme des Eingangs­ differenzverstärkers einen konstanten Gleichstrom. Dieser Gleichstrom muß so groß sein, daß der Strom an einer der beiden differentiellen Ausgangsklemmen allenfalls bei der größten im Betrieb vorkommenen Signalamplitude gesperrt wird, da sich andernfalls Verzehrungen ergeben. Das bedeutet aber, daß bei kleineren Eingangssignalamplituden oder gar im Ruhezustand den Eingangsklemmen der Ausgangs­ verstärkerschaltung ein relativ großer Strom zugeführt wird, so daß die damit gekoppelten Transistoren ebenfalls einen verhältnismäßig großen Strom führen. Die Verlust­ leistung bzw. der Stromverbrauch ist dabei verhältnismäßig hoch; ein Wirkungsgrad und ein Verhalten wie bei einem echten B-Betrieb zeigt die bekannte Schaltung allenfalls bei sehr großen Eingangssignalamplituden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ver­ stärkerschaltung der eingangs genannten Art so auszuge­ stalten, daß sich die Wirkungen des B-Betriebes auch schon bei kleinen Eingangssignalen ergeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung gründet sich auf die Anwendung einer Ein­ stellstromschaltung, die mit einem hochohmigen Eingangs­ differenzverstärker und einem Ausgangsverstärker gekoppelt ist, in dem keine Basis/Emitterübergänge mit dem Ausgangs­ signal in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise wird ein möglichst großer dynamischer Bereich erhalten und kann die Schaltung bei niedrigen Speisespannungen zweckmäßig wirken.

Bei der Erfindung ist eine Ausgangsklemme der Einstell­ stromschaltung mit einer Einstellstromklemme des Diffe­ renzverstärkers verbunden, um dieser Klemme ein moduliertes Gleichstromeinstellsignal zuzuführen, während die diffentiellen Ausgangsklemmen des Differenzverstärkers ihrerseits mit einem Stromsummierknoten der Klasse-B-Um­ setzerschaltungen gekoppelt sind. Die differentiellen Aus­ gangsklemmen des Differenzverstärkers sind ebenfalls mit der Ausgangsverstärkerschaltung des Klasse-B-Verstärkers verbunden, wobei keine Reihe geschalteten Basis/Emitter­ übergänge in dem Ausgangskreis vorhanden sind. Emitter­ folger-Ausgangsstufen wie sie in den US-PS 35 73 645 und 37 86 364 beschrieben sind, können dabei vermieden werden.

Eine Klasse-B-Umsetzung findet mittels einer einfachen, aber zweckmäßigen Einstellstromschaltung statt, die einen ersten und einen zweiten Bipolartransistor enthält, wobei der Emitter des ersten Transistors mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist. Zwei Dioden sind mit gleicher Polarität in Reihe zwischen der Basiszone des ersten Transistors und dem Erdungspunkt oder dem Bezugs­ punkt der Schaltung angeordnet, während ein Einstellein­ gangsstrom dieser Basiszone und den Dioden zugeführt wird. Die Emitterzone des ersten Transistors ist mit dem Bezugspunkt der Schaltung über eine dritte Diode ver­ bunden, während die Emitterzone des zweiten Transistors unmittelbar mit dem Bezugspunkt der Schaltung verbunden ist. Die Kollektorzone der beiden Transistoren sind miteinander und mit der Stromeinstellklemme der Differenzverstärkerschaltung verbunden. Der Hauptzweck dieser Umsetzerschaltung ist, den Einstellgleichstrom, der dem Differenzverstärker zugeführt wird, als Funktion des Eingangssignals zu modulieren, wodurch der Klasse-B-Betrieb erhalten wird.

Die Ausgangsklemme des Klasse-B-Verstärkers ist mit den Kollektoren zweier komplementärer in Reihe geschalteter Transistoren verbunden, die je in einer gemeinsamen Emitterkonfiguration angeordnet sind. Da das Ausgangs­ signal des Klasse-B-Verstärkers den Kollektoren zweier in einer gemeinsamen Emitterkonfiguration angeordneter Transistoren entnommen wird, wird eine wesentliche Verbes­ serung des dynamischen Bereiches im Vergleich zu den Emitterfolgerausgangskreisen bekannter Verstärker erzielt.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Klasse-"B"-Verstärkerschaltung nach der Erfindung zeigt die einzige Figur der Zeichnung.

Ein Eingangssignal V _in wird einer Eingangsklemme 1 zugeführt, die mit der Basiszone eines Transistors Q 3 des Eingangskreises eines Differenzverstärkers mit Transistoren Q 3 und Q 4 verbunden ist. Die Emitterzonen dieser Transistoren, die vom gleichen Typ sind, sind miteinander verbunden, um eine Stromeinstellklemme zu bilden, während ihre Kollektorzonen die differentiellen Ausgangsklemmen des Eingangskreises bilden.

Die Stromeinstellklemme des Eingangskreises des Differenzverstärkers ist mit einer Klasse-"B"-Umsetzerschaltung mit Transistoren Q 5 und Q 6 vom gleichen Typ zusammen mit Dioden D 1, D 2 und D 3 verbunden. Es sei bemerkt, daß in der vorliegenden Beschreibung jeweils wenn der Ausdruck "Diode" angewandt oder ein Diodensymbol dargestellt wird, darunter tatsächlich ein als Diode geschalteter Transistor (d. h. ein Transistor, dessen Basis- und Kollektorzonen miteinander verbunden sind) zu verstehen ist. In der Figur sind die Transistoren Q 2 und Q 8 als als Dioden geschaltete Transistoren dargestellt, während die verbleibenden als Dioden geschalteten Transistoren (D 1, D 2, D 3 und D 4) der Einfachheit halber als Dioden dargestellt sind.

Wie in der Figur gezeigt ist, sind die Kollektorzonen der Transistoren Q 5 und Q 6 miteinander verbunden, um die Ausgangsklemme des Umsetzers zu bilden, und diese Ausgangsklemme ist mit der Stromeinstellklemme des Differenzverstärkers verbunden. Ein Einstellstrom I _q wird der Eingangsklemme 3 der Umsetzerschaltung zugeführt und diese Klemme ist sowohl mit der Basiszone des Transistors Q 5 als auch mit der Diode D 1 verbunden, wobei die Dioden D 1 und D 2 mit gleicher Polarität in Reihe zwischen der Klemme 3 und der Erdungsklemme 6, die die Bezugsklemme der Schaltung ist, angeordnet sind. Die Emitterzone des Transistors Q 5 und die Basiszone des Transistors Q 6 sind miteinander verbunden, um einen Wechselstromsummierknoten zu bilden, während die Diode D 3 zwischen diesem Summierknoten und der Erdungsklemme 6 angeordnet ist. Zur Vervollständigung der Umsetzerschaltung ist die Emitterzone des Transistors Q 6 unmittelbar mit der Bezugs- oder Erdungsklemme 6 verbunden.

Die Ausgangsklemmen des Differenzverstärkers an den Kollektorzonen der Transistoren Q 3 und Q 4 sind mit den Eingängen eines ersten bzw. eines zweiten Stromspiegels Q 1-Q 2 bzw. Q 8-Q 9 verbunden. Der Ausgang des ersten Stromspiegels Q 1-Q 2 ist mit dem Wechselstromsummierknoten der Klasse-"B"-Umsetzerschaltung über die Kollektorzone des Transistors Q 1 verbunden, während der zweite Stromspiegel Q 8-Q 9 mit dem Wechselstromsummierknoten des Umsetzers über die Kollektorzone des Transistors Q 9 und einen dritten Stromspiegel mit einer Diode D 4 und einem Transistor Q 7 verbunden ist.

Der Ausgangskreis des Klasse-"B"-Verstärkers enthält einen ersten und einen zweiten Bipolarausgangstransistor Q 10 bzw. Q 11 entgegengesetzter (komplementärer) Typen, die in Reihe zwischen einer Speisespannungsklemme 4 und der Bezugs- oder Erdungsklemme 6 angeordnet sind. Die Kollektorzonen der Transistoren Q 10 und Q 11 sind miteinander und mit der Ausgangsklemme 5 der Schaltung verbunden. Auf diese Weise sind beide Ausgangstransistoren Q 10 und Q 11 in einer gemeinsamen Emitterkonfiguration angeordnet, wobei keine Ausgangsverstärker-Basis/Emitter-Übergänge in Reihe mit dem Ausgangssignalweg zu der Klemme 5 angeordnet sind.

Die Eingangsklemmen der Ausgangsverstärkerschaltung an den Basiszonen der Ausgangstransistoren Q 10 und Q 11 sind auf die differentiellen Ausgangsklemmen des Eingangskreises des Differenzverstärkers rückgekoppelt.

Insbesondere ist die Basiszone des Transistors Q 10 mit dem Übergang der Basiszonen der Transistoren Q 1 und Q 2 des ersten Stromspiegels und der Kollektorzone des Transistors Q 3 verbunden, während die Basiszone des Ausgangstransistors Q 11 mit der Kollektorzone des Differenzverstärkertransistors Q 4 über die Kollektorzone des Transistors Q 9 des zweiten Stromspiegels Q 8-Q 9 gekoppelt ist.

Die Verstärkerschaltung wird von einem Widerstandsnetzwerk mit Widerständen R 1, R 2 und R 3 eingestellt und stabilisiert. Die Widerstände R 1 und R 2 sind zwischen einer Einstellklemme 2 (die eine Spannung gleich der Hälfte der Speisespannung V _cc empfängt, die der Klemme 4 zugeführt wird) und den Basiszonen der Transistoren Q 3 bzw. Q 4 eingeschaltet, während der Widerstand R 3 zwischen der Ausgangsklemme 5 und der Basiszone des Transistors Q 4 eingeschaltet ist. Der Widerstand R 1 dient dazu, die Eingangsstufe des Differenzverstärkers einzustellen, während die Widerstände R 2 und R 3 den Ausgangsruheeinstellpunkt bestimmen und auf übliche Weise für eine Gegenkopplung zur Regelung der Stabilität und Verstärkung sorgen.

Ein Ruhezustand oder stabiler Zustand wird in der Schaltung nach der Figur dadurch erhalten, daß ein gewünschter Ruheeinstell­ strom, I _q der Klemme 3 zugeführt wird. Dadurch werden gleiche Gleichströme in den Transistoren Q 5 und Q 6 des Klasse-"B"-Umsetzers unter stabilen Bedingungen erzeugt, weil die Umsetzertransistoren alle gleiche Geometrien aufweisen. Der stabile Strom, der an der Ausgangsklemme des Umsetzers (dem Übergang der Kollektorzonen der Transistoren Q 5 und Q 6) auftritt) erzeugt den Ruheeinstellgleichstrom am Übergang der Emitterzonen der Transistoren Q 3 und Q 4 des Eingangskreises des Differenzverstärkers. Unter stabilen Bedingungen wird dieser Einstellstrom gleichmäßig über die Transistoren Q 3 und Q 4 verteilt, so daß der Ruhestrom durch die Transistoren Q 3, Q 4, Q 5 und Q 6 derselbe sein wird.

Der im Transistor Q 3 fließende Ruhekollektorstrom wird über den Stromspiegel Q 1-Q 2 gespiegelt, um ein Stromausgangssignal von dem Kollektor von Q 1 dem Wechselstromsummierknoten des Klasse-"B"-Umsetzters zuzuführen. Die Emittergeometrien der Transistoren Q 1 und Q 2 werden derart ausgewählt, daß der Stromspiegel Q 1-Q 2 einen Stromvervielfachungsfaktor von 2 aufweisen wird.

Der Kollektorstrom des Transistors Q 4 wird ebenfalls vom Stromspiegel Q 8-Q 9 und einem weiteren Stromspiegel D 4-Q 7 gespiegelt, wobei der Kollektor Q 7 mit dem Wechselstromsummierknoten des Umsetzers verbunden ist. Der Stromvervielfachungsfaktor von der Kollektorzone des Transistors Q 4 zu dem Wechselstromsummierknoten ist 2; dieser Faktor kann dadurch erhalten werden, daß die geeigneten Emittergeometrieverhältnisse in den Stromspiegeln in diesem Weg gewählt werden. Um den gewünschten Klasse-"B"-Betriebsmodus zu erzielen, soll der Stromvervielfachungsfaktor von jedem Kollektor des Eingangskreises des Differenzverstärkers zu dem Wechselstromsummierknoten des Umsetzers größer als 1, aber nicht mehr als 2 sein. Bei einem Stromvervielfachungsfaktor von 1 oder weniger wird kein Klasse-"B"-Betrieb erhalten, während bei einem Vervielfachungsfaktor von mehr als 2 Unstabilität auftreten kann.

Unter stabilen Bedingungen fließt ein konstanter und gleichmäßiger Einstellstrom durch jeden der Transistoren Q 3, Q 4, Q 5 und KQ 6, während ein Strom gleich dem Zweifachen dieses Wertes infolge der ausgewählten Geometrieverhältnisse durch die Transistoren Q 1 und Q 7 fließen wird, wie oben erörtert wurde. So wird an dem Wechselstromsummierknoten an der Emitterzone des Transistors Q 5 der von der Kollektorzone des Transistors Q 1 in den Knoten fließende Strom genau dem aus dem Knoten in die Kollektorzone des Transistors Q 7 fließenden Strom gleich sein und von diesem Strom abgeglichen werden. Dementsprechend beeinflußt die oben beschriebene Stromspiegelanordnung die stabile Wirkung der Klasse-"B"-Umsetzerschaltung nicht.

Die Basis/Emitter-Übergänge der Ausgangstransistoren Q 10 und Q 11 sind zu den Basis-Emitterzonen der Transistoren Q 1 und Q 7 parallel geschaltet, damit auch die von den Transistoren Q 3 und Q 4 herrührenden Ströme gespiegelt werden. Die Emittergeometrien der Transistoren Q 10 und Q 11 sind jedoch derart gewählt, daß ein Stromvervielfachungsverhältnis von nahezu 4 erhalten wird. Dieses Stromvervielfachungsverhältnis ist nicht kritisch und ein beliebiges Verhältnis im Bereich zwischen etwa 1 und 10 ist geeignet.

Wenn mit großen Signalen gearbeitet wird, wird ein Klasse-"B"-Betriebsmodus dadurch erhalten, daß der Wechselstromsummierknoten der Umsetzerschaltung mit den an den Kollektoren der Stromspiegeltransistoren Q 1 und Q 7 erzeugten vervielfachten Strömen moduliert wird. Ohne den Vervielfachungsfaktor würde der Augenblickswert des insgesamt durch die Transistoren Q 5 und Q 6 fließenden Stromes (d. h. des der Differenzverstärkerschaltung zugeführten Einstellstroms) nahezu konstant bleiben und würde ein Klasse-"B"-Betrieb nicht erzielt werden. Bei dem vorgegebenen Vervielfachungsfaktor in den Stromspiegeln, die dem Wechselstromsummierknoten Strom zuführen, wie oben beschrieben wurde, bleibt jedoch der Augenblickswert des dem Differenzverstärker zugeführten Einstellstroms nicht konstant, sondern wird stattdessen als Funktion des Eingangssignals moduliert.

Wenn z. B. ein positiv verlaufender Signalteil der Eingangsklemme 1 zugeführt wird, nimmt der Kollektorstrom durch den Eingangstransistor Q 3 zu, wodurch bewirkt wird, daß ein weiterer erhöhter Strom (infolge des Vervielfachungsfaktors des Stromspiegels Q 1-Q 2) in den Wechselstromsummierknoten des Klasse-"B"-Umsetzers fließt. Zu gleicher Zeit bewirkt das positiv verlaufende Eingangssignal, daß der Kollektorstrom von Q 4 abnimmt, was eine ebenfalls vervielfachte Abnahme des aus den Wechselstromsummierknoten in den Kollektor des Transistors Q 7 fließenden Stromes zur Folge hat. Der erhöhte in den Wechselstromsummierknoten fließende Strom, der dem Eingangssignal proportional ist, ergibt eine Zunahme des Basisstroms im Transistor Q 6, was wieder eine proportionale Zunahme des Kollektorstroms im Transistor Q 6 zur Folge hat, während zu gleicher Zeit der Kollektorstrom durch den Transistor Q 5 zu Null abnimmt. Auf diese Weise ist der der Einstellklemme des Differenzverstärkers zugeführte Einstellstrom nahezu gleich dem Kollektorstrom des Transistors Q 6 bei positiven Änderungen in großen Signalen und dieser Strom ist dem von der Kollektorzone des Transistors Q 1 gelieferten Strom proportional. Da der vom Transistors Q 1 gelieferte Strom eine vervielfachte Funktion des im Kollektor des Transistors Q 3 infolge des Eingangssignals erzeugten Stromes ist, läßt sich erkennen, daß der Netto-Einstellstrom, der der Differenz­ verstärkerschaltung zugeführt wird, proportional zu dem zunehmenden Signalstrom zunimmt, wodurch ein Klasse-"B"-Betrieb erhalten wird.

Für ein negativ verlaufendes Eingangssignal nimmt ebenfalls der Kollektorstrom im Transistor Q 3 ab, während der Kollektorstrom im Transistor Q 4 zunimmt. Der heraufgesetzte Kollektorstrom im Transistor Q 4 wird multipliziert und über die Stromspiegel Q 8-Q 9 und D 4-Q 7 reflektiert, um einen multiplizierten erhöhten Strom, der dem Eingangssignal proportional ist, aus dem Wechselstromsummierknoten am Emitter von Q 5 in die Kollektorzone des Transistors Q 7 fließen zu lassen. Zu gleicher Zeit nimmt der dem Wechselstromsummierknoten vom Kollektor des Transistors Q 1 zugeführte Strom ab. Wenn der durch die Kollektorzone des Transistors Q 7 fließende Strom zunimmt, nimmt der Strom durch den Transistor Q 6 zu Null ab, während der Strom durch den Transistors Q 5 nach wie vor zunimmt. Wie bei einem positiv verlaufenden Eingangssignal, hat für einen negativ verlaufenden Teil eines großen Signals die Zunahme des von dem stärker leitenden Transistor des Umsetzers gelieferten Einstellstroms wieder eine Netto-Zunahme des dem Differenzverstärker infolge des von den Stromspiegeln gelieferten Stromvervielfachungsfaktors zugeführten Einstellstroms zur Folge.

Gerade durch diese Netto-Zunahme des Einstellstroms für positiv sowie für negativ verlaufende Eingangssignale kann die Schaltung in einem Klasse-"B"-Modus arbeiten. Bei angepaßten β-Werten in den Transistoren Q 5 und Q 6 und angepaßten Geometrien der Stromspiegel, wie oben beschrieben, wird ein symmetrisches Stromeinstellsignal mit einem dem Absolutwert des Eingangssignals proportionalen Augenblickswert der Stromeinstellklemme des Differenzverstärkers von dem Klasse "B"-Umsetzer für große Eingangssignale zugeführt. Auf diese Weise wird ein Klasse-"B"-Betrieb mittels einer Klasse-"B"-Umsetzerschaltung erzielt, die einen dem Eingangssignal proportionalen modulierten Einstellstrom der Einstellstromklemme des Differenzverstärkers zuführt.

Obgleich die Erfindung insbesondere für eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, wird es jedem Fachmann klar sein, daß in bezug auf Form und Detail im Rahmen der Erfindung verschiedene Abwandlungen möglich sind.

Claims (6)

1. Klasse-B-Verstärkerschaltung, die enthält:

• - einen Eingangsdifferenzverstärker (Q ₃, Q ₄) mit einer Signaleingangsklemme ( 1) zum Zuführen eines Eingangs­ signals, einer Einstellstromklemme und einer ersten und einer zweiten differentiellen Ausgangsklemme;
  - eine Einstellstromschaltung mit einer Eingangsklemme (3) zum Empfangen eines Eingangseinstellgleichstromes, einer Bezugsklemme (6) und einer Ausgangsklemme, die mit der Einstellstromklemme der Differenzverstärker­ schaltung (Q ₃, Q ₄) verbunden ist zum Zuführen eines Ein­ stellgleichstromes;
  - einen Ausgangsverstärker (Q ₁₀, Q ₁₁) mit einer ersten und einer zweiten Eingangsklemme, die mit der ersten bzw. der zweiten differentiellen Ausgangsklemme gekoppelt sind und einer Ausgangsklemme (5) zur Lieferung eines verstärkten Eingangssignals,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite differentielle Ausgangsklemme über eine erste (Q ₂, Q ₁) bzw. eine zweite (Q ₈, Q ₉, D ₄, Q ₇) Stromverstärkerschaltung mit einem Wechselstromsummierknoten der Einstellstrom­ schaltung verbunden sind, derart daß der Einstellstrom­ klemme ein nahezu mit dem Absolutwert des Eingangssignals proportionaler Einstellstrom zugeführt wird.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellstromschaltung enthält:

• - einen ersten (Q ₅) und einen zweiten (Q ₆) Bipolartransi­ stor vom gleichen Typ, wobei die Basiszone des ersten Transistors (Q ₅) mit der Eingangsklemme (₃) verbunden ist, die Kollektorzonen des ersten (Q ₅) und des zweiten (Q ₆) Transistors miteinander und mit der Ausgangsklemme ver­ bunden sind, die Emitterzone des ersten Transistors (Q ₅) mit der Basiszone des zweiten Transistors (Q ₆) verbunden ist und den Stromsummierknoten bildet, und die Emitterzone des zweiten Transistors (Q ₆) mit der Bezugsklemme (6) ver­ bunden ist;
  - eine erste und eine zweite Diode (D ₁, D ₂), die mit gleicher Polarität in Reihe zwischen der Basiszone des ersten Transistors (Q ₅) und der Bezugsklemme (6) ange­ ordnet sind; sowie eine dritte Diode (D ₃), die zwischen dem Stromsummierknoten und der Bezugsklemme (6) einge­ schaltet ist.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromverstärker­ schaltung einen ersten Stromspiegel (Q ₂, Q ₃) enthält mit einem Eingang, der mit der ersten differentiellen Aus­ gangsklemme und mit einem Ausgang, der mit dem Strom­ summierknoten verbunden ist und daß die zweite Stromver­ stärkerschaltung einen zweiten Stromspiegel (Q ₈, Q ₉) enthält mit einem Eingang, der mit der zweiten differentiellen Ausgangsklemme und mit einem Ausgang, der über einen dritten Stromspiegel (D ₄, Q ₇) mit dem genannten Stromsummierknoten verbunden ist.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromvervielfachungsfaktor des ersten Stromspiegels und der kombinierte Stromverviel­ fachungsfaktor des zweiten und des dritten Stromspiegels jeweils größer als 1, aber nicht größer als 2 sind.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsverstärker einen ersten (Q ₁₀) und einen zweiten (Q ₁₁) Bipolarausgangs­ transistor entgegengesetzten Typs enthält, die je eine Basis-, eine Emitter- und eine Kollektorzone aufweisen, daß die Basiszonen der genannten Ausgangstransistoren die erste und die zweite Eingangsklemme des Ausgangsverstärkers bilden und mit der ersten bzw. der zweiten differentiellen Ausgangsklemme gekoppelt sind, daß die Emitterzone des ersten Transistors (Q ₁₀) mit einer Speisespannungsklemme (4) verbunden ist, daß die Emitterzone des zweiten Transistors (Q ₁₁) mit der Bezugsklemme (6) verbunden ist und daß die Kollektoren der genannten Ausgangstransistoren (Q ₁₀, Q ₁₁) miteinander verbunden sind und die Verstärkerausgangsklemme (5) bilden.