DE3107588A1 - Power amplifier - Google Patents
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Description
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Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsvertärker. description
The invention relates to a power amplifier.
Bei dem im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen, bekannten Leistungsverstärker ist die äquivalente Basis jedes im B-Betrieb betriebenen Doppeltransistors über einen Widerstand und eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode mit dem entsprechenden Kollektor der Transistoren des Vorverstärkers verbunden. Die äquivalente Basis eines jeden kombinierten Dreifachtransistors der Klasse C ist über eine Sicherheitsdiode mit dem entsprechenden Kollektor der Transistoren des Vorverstärkers verbunden. Außerdem sind die Basen eines jeden kombinierten Doppel- oder Zweifachtransistors der Klasse B untereinander durch Sicherheitstransistoren mit dem entsprechenden Pol der Speisequelle verbunden, wobei die Basen der entsprechenden Sicherheitstransitoren über einen Widerstand mit den Emittern der im B-Betrieb betriebenen kombinierten Doppeltransistoren verbunden sind.The known power amplifier described in the preamble of the patent claim is the equivalent basis each double transistor operated in B mode via a resistor and a diode connected in the forward direction connected to the corresponding collector of the transistors of the preamplifier. The equivalent base of everyone Combined triple transistor of class C is connected to the corresponding collector of the transistors via a safety diode connected to the preamplifier. Also, the bases of any combined double or twin transistor of class B connected to each other by safety transistors with the corresponding pole of the supply source, the Bases of the corresponding security transistors via a Resistance are connected to the emitters of the combined double transistors operated in B mode.
Bei dem bekannten Leistungsverstärker wird bei Eingabe eines Signals am Verstärkereingang in Abhängigkeit von der Polarität des Signals der Ober- oder üntereil leitend. Bei einem Signal mit einem Pegel bis etwa 50% des Maximalwertes werden nur die im B-Betrieb betriebenen Doppeltransistoren angesteuert. Bei Erhöhung des Signalpegels über den genannten Wert hinaus werden auch die kombinierten Dreifachtransitoren leitend, worauf die Leistung der Last bis zu ihrem Maximalwert ansteigt. Damit dem Ansteigen des Momentanwertes des Signals die Kollektorströme sämtlicher Transistoren im leitenden Teil von Null bis zu einem unzulässigen Maximalwert ansteigen, werden bei einem Kurzschluß am Ausgang des Verstärkers und bei Fehlen von Sicherheitstransistoren (eine besondere Sicherheitsschaltung mit Transistoren, Widerständen, Dioden usw.) die Verstärkertransistoren außer Betrieb gesetzt.In the known power amplifier, when a signal is input at the amplifier input, depending on the polarity of the signal of the upper or lower part conductive. For a signal with a level up to about 50% of the maximum value, only the Double transistors operated in B mode are controlled. When the signal level is increased above the stated value the combined triple transistors also become conductive, whereupon the power of the load increases to its maximum value. So that the increase in the instantaneous value of the signal, the collector currents of all transistors in the conductive part from zero to rise to an impermissible maximum value, if there is a short circuit at the output of the amplifier and if there is no Safety transistors (a special safety circuit with transistors, resistors, diodes, etc.) the amplifier transistors put out of service.
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Bei induktiver Belastung und Eingabe eines hohen niederfrequenten Signals am Verstärkereingang (mit einem den normalen Pegel überschreitenden Pegel) treten im Endverstärker Übergangserscheinungen auf,und die Form der dynamischen Charakteristik, wird elliptisch, wodurch die Schaltung in einem verbotenen Bereich betrieben und die Transistoren beschädigt werden.With inductive load and input of a high, low-frequency signal at the amplifier input (with a normal Transient phenomena occur in the output amplifier, and the form of the dynamic characteristic, becomes elliptical, thereby operating the circuit in a prohibited area and damaging the transistors.
Bei dem bekannten Leistungsverstärker sind besondere Sicherheitsschaltungen für die kombinierten Endstufentransistoren bei Kurzschluß am Ausgang und bei induktiver Last nötig. Die Endstufe des Verstärkers wird bei erhöhten nicht-linearen Verzerrungen betrieben, da sie durch. Transistoren mit gemeinsamem Emitter gesteuert wird. Die Transistoren des Vorverstärkers werden bei relativ hoher Kollektor-Emitter-Spannung betrieben, was zu einer Erhitzung auch bei geringem Ruhestrom führt. Der Betriebspunkt wird unbeständig, und der Kollektorstrom sowie der Strom der Endstufentransistoren wächst uneingeschränkt an, so daß der Leistungsverstärker nicht ausreichend temperaturbeständig ist. Dies führt zum Zwecke des Temperaturausgleichs zum Einsatz zusätzlicher Elemente und Schaltungen. Bei Steuerung einer bei hohen Leistungen im B + C-Betrieb betriebenen Endstufe haben beide Teile des C-Verstärkers einen höheren Verstärkungskoeffizienten als die entsprechenden beiden Teile des B-Verstärkers. Das heißt, daß der C-Verstärker eine größere Anzahl von Transistoren als der B-Verstärker aufweisen muß, was seinerseits zu einer komplizierten und teueren Schaltung führt.The known power amplifier has special safety circuits necessary for the combined output stage transistors in the event of a short circuit at the output and an inductive load. the The amplifier's output stage is operated at increased non-linear distortion, as it is caused by. Transistors with common Emitter is controlled. The transistors of the preamplifier are at a relatively high collector-emitter voltage operated, which leads to heating even with a low quiescent current. The operating point becomes unstable, and the Collector current as well as the current of the output stage transistors grows without restriction, so that the power amplifier is not sufficiently temperature-resistant. This leads to Purposes of temperature compensation for the use of additional elements and circuits. When controlling one at high power Both parts of the C amplifier have a higher gain coefficient than the output stage operated in B + C mode corresponding two parts of the B amplifier. That is, the C amplifier has a larger number of transistors than the B amplifier must have, which in turn leads to a complicated and expensive circuit.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Leistungsverstärker zu schaffen, der bei verminderten nicht-linearen Verzerrungen gegen Kurzschluß am Ausgang des Endverstärkers und induktive Belastung geschützt ist.The invention is therefore based on the object of creating a simply constructed power amplifier that can be used with reduced non-linear distortion is protected against short circuit at the output of the power amplifier and inductive load.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch beschriebenen Maßnahmen gelöst.This object is achieved according to the invention by the claims described measures solved.
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Der erfindungsgemäße Leistungsverstärker hat eine vereinfachte Schaltung und ist gegen Kurzschluß und Übergangsvorgänge bei induktiver Belastung geschützt. Die nicht-linearen Verzerrungen sind stark vermindert. Der Verstärker ist im Betrieb temperaturbeständig und stabil.The power amplifier according to the invention has a simplified one Circuit and is protected against short-circuit and transient processes in the event of inductive loading. The non-linear distortions are greatly diminished. The amplifier is temperature-resistant and stable in operation.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Schaltbildes eines Leistungsverstärkers wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail using the circuit diagram of a power amplifier shown in the drawing.
Der Leistungsverstärker enthält einen symmetrischen Zweitaktoder Gegentakt-Vorverstärker I mit zueinander komplementären Transistoren, nämlich einem npn-Transistor 1 und einem pnp — Transistor 2, die in Emitterschaltung betrieben sind. Die Emitter der beiden Transistoren 1,2 sind über Emitterwiderstände 3 und 4 miteinander verbunden.The power amplifier contains a symmetrical two-clock or push-pull preamplifier I with mutually complementary Transistors, namely an npn transistor 1 and a pnp transistor 2, which are operated in a common emitter circuit. The emitters of the two transistors 1, 2 are connected to one another via emitter resistors 3 and 4.
Ein Zweitakt- oder Gegentakt-Leistungs-Endverstärker II der Klasse B + C -besteht aus zwei zueinander symmetrischen Teilen, die im folgenden auch als Ober- und als Unterteil bezeichnet werden. Der Oberteil enthält zwei kombinierte oder Doppeltransistoren 5 und 7 (zwei in Kaskade geschaltete Transistoren, d.h. die Basis des ersten Transistors ist vom Steuersignal angesteuert, und sein Emitter ist mit der Basis des zweiten Transistors verbunden. Die Kollektoren der beiden Transistoren sind miteinander verbunden), die hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit jeweils einem pnp-Transistor entsprechen. Der Unterteil enthält zwei kombinierte oder Doppeltransistoren 6 und 8, die hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit jeweils einem npn-Transistor äquivalent sind. Die Doppeltransistoren 5, 7 bzw. 8, 6 jedes Teils sind hinsichtlich ihrer Ausgangselektroden in Durchlaßrichtung ihrer Ausgangsströme in Reihe geschaltet, wobei der äquivalente Emitter des ersten Doppeltransistors 5 des Oberteils im B-Betrieb betrieben wird und über einen niederohmigen Widerstand 26 mit dem Pluspol der Speisequelle verbunden ist, die einen auf Masse geschalteten Mittelanschluß aufweist. Der äquivalente Kollektor des Doppeltransistors 5 ist an den äquivalenten Emitter des zweiten, im C-Betrieb betriebenen Doppel-A two-stroke or push-pull power amplifier II of class B + C consists of two symmetrical ones Parts, which are also referred to below as the upper and lower part. The shell contains two combined or Double transistors 5 and 7 (two transistors connected in cascade, i.e. the base of the first transistor is controlled by the control signal, and its emitter is connected to the base of the second transistor. The collectors of the two transistors are connected to each other), each of which corresponds to a pnp transistor in terms of its conductivity. The lower part contains two combined or double transistors 6 and 8, each of which is an npn transistor in terms of its conductivity are equivalent. The double transistors 5, 7 and 8, 6 of each part are in the forward direction with regard to their output electrodes of their output currents connected in series, the equivalent emitter of the first double transistor 5 of the upper part is operated in B mode and is connected to the positive pole of the supply source via a low-resistance resistor 26, which has a center connection connected to ground. The equivalent collector of the double transistor 5 is connected to the equivalent Emitter of the second double-
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transistors 7 verbunden, dessen äquivalenter Kollektor über zwei gleich große in Reihe geschaltete Kondensatoren 9 und 10 hoher Kapazität mit dem äquivalenten Kollektor des im C-Betrieb betriebenen Doppeltransistors 8 des Unterteils verbunden ist. Der äquivalente Emitter des Doppeltransistors 8 ist mit dem äquivalenten Kollektor des im B-Betrieb betriebenen zweiten Doppeltransistors 6 des Unterteils verbunden, dessen äquivalenter Emitter über einen niederohmigen Widerstand 27 mit dem Minuspol der Speisequelle verbunden ist. Die Kollektoren der im B-Betrieb betriebenen, zueinander äquivalenten Doppeltransistoren 5 und 6 sind über zwei gleiche, in Reihe geschaltete Leistungsdioden 11 und 12 miteinander verbunden, deren Durchlaßrichtung den Kollektorströmen der im B-Betrieb betriebenen äquivalenten Transistoren 5, 6 entspricht. Der Verbindungspunkt derbeiden Dioden 11, 12 ist mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren 9, 10 hoher Kapazität verbunden, der seinerseits über einen Rückkopplungswiderstand 13 an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Emitterwiderständen 3, 4 des Vorverstärkers I angeschlossen ist, der wiederum über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 14 und einem Kondensator 15 mit Masse verbunden ist. Der äquivalente Kollektor des im C-Betrieb betriebenen Doppeltransistors 7 im Oberteil ist mit dem Anfang einer von zwei gleichen/ gleichgerichteten Primärwicklungen eines Endstufentransformators 16 verbunden, deren Ende an den Minuspol der Speisequelle angeschlossen ist. Der äquivalente Kollektor des im C-Betrieb betriebenen Doppeltransitors 8 im Unterteil ist an den Anfang der zweiten Primärwicklung des Endstufentransformators 16 angeschlossen, deren Ende mit dem Pluspol der Speisequelle verbunden ist. Die Sekundärwicklung des Endstufentransformators 16 ist an die Last L angeschlossen.transistor 7 connected, the equivalent collector of which via two capacitors 9 and 10 of the same size connected in series with a high capacity with the equivalent collector of the im C-mode operated double transistor 8 of the lower part is connected. The equivalent emitter of the double transistor 8 is connected to the equivalent collector of the second double transistor 6 of the lower part, which is operated in B mode, whose equivalent emitter is connected to the negative pole of the supply source via a low-resistance resistor 27. The collectors the equivalent double transistors 5 and 6 operated in B operation are connected via two identical, in Series connected power diodes 11 and 12 connected to one another, whose conduction direction corresponds to the collector currents of the im B operation operated equivalent transistors 5, 6 corresponds. The connection point of the two diodes 11, 12 is with connected to the connection point of the two capacitors 9, 10 high capacitance, which in turn via a feedback resistor 13 to the connection point between the two Emitter resistors 3, 4 of the preamplifier I is connected, which in turn consists of a series circuit of a resistor 14 and a capacitor 15 is connected to ground. The equivalent collector of the double transistor operated in C mode 7 in the upper part is one of two equal / rectified primary windings of an output stage transformer 16 connected, the end of which is connected to the negative pole of the supply source is. The equivalent collector of the double transistor operated in C mode in the lower part is at the beginning of the second primary winding of the output stage transformer 16 connected, the end of which is connected to the positive pole of the supply source is. The secondary winding of the output stage transformer 16 is connected to the load L.
Zwischen dem Ausgang des symmetrischen Vorverstärkers I und den Eingängen des Endverstärkers III liegt ein symmetrischer Zweitaktoder Gegentakt-Zwischenverstärker III, dessen Oberteil einen npn - Transistor 17, und dessen Unterteil einen pnp -Transistor 18 enthält. Die Basis des npn-Transistors 17 ist mit dem Kollektor des npn-Transistors 1 des Vorverstärkers I verbunden,Between the output of the symmetrical preamplifier I and the inputs of the output amplifier III there is a symmetrical two-stroke or Push-pull intermediate amplifier III, the upper part of which is an npn transistor 17, and the lower part of which is a pnp transistor 18 contains. The base of the npn transistor 17 is connected to the collector of the npn transistor 1 of the preamplifier I connected,
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sein Kollektor liegt am Pluspol der Speisequelle. Der Emitter des Transistors 17 des Zwischenverstärkers III ist über eine Reihenschaltung aus einer Diode 19 kleiner Leistung, einem ersten, zweiten und dritten Widerstand 20, 21 bzw. 22 und einer zweiten Diode 23 kleiner Leistung mit dem Emitter des pnp—Transistors 18 des Unterteils des Zwischenverstärkers III verbunden. Die Basis des pnp-Transistors 18 liegt am Kollektor des pnp —Transistors 2 des Vorverstärkers I, sein Kollektor ist direkt mit dem Minuspol der Speisequelle verbunden. Die Emitter der beiden Transistoren 17 und 18 des Zwischenverstärkers III sind mit den äquivalenten Basen der im B-Betrieb betriebenen Doppeltransistoren 5 und 6 des Endverstärkers II verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 20, 21 ist über eine Sicherheitsdiode 24 mit der äquivalenten Basis des im B-Betrieb betriebenen Doppeltransistors 7 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand 21 bzw. 22 ist über eine Sicherheitsdiode 25 an die äquivalente Basis des im C-Betrieb betriebenen Doppeltransistors 8 des Endverstärkers II angeschlossen.its collector is at the positive pole of the supply source. The emitter of the transistor 17 of the intermediate amplifier III is via a series circuit of a diode 19 of low power, first, second and third resistors 20, 21 and 22, respectively, and a second low-power diode 23 with the emitter of the pnp transistor 18 of the lower part of the intermediate amplifier III connected. The base of the pnp transistor 18 is at the collector of the pnp transistor 2 of the preamplifier I, its collector is directly connected to the negative pole of the supply source. The emitters of the two transistors 17 and 18 of the Intermediate amplifiers III have the equivalent bases of the double transistors 5 and 6 of the output amplifier operated in B mode II connected. The connection point between the first and the second resistor 20, 21 is via a safety diode 24 connected to the equivalent base of the double transistor 7 operated in B mode. The connection point between the second and the third resistor 21 or 22 is via a safety diode 25 to the equivalent base of the double transistor 8 of the output amplifier II operated in C operation is connected.
Der Leistungsverstärker wirkt folgendermaßen:The power amplifier works as follows:
Im Ruhezustand fließt ein minimaler Kollektor-Anfangsstrom durch die Transistoren 1 und 2 des Vorverstärkers I und die Doppeltransistoren 5 und 6 des B-Verstärkers des Endverstärkers II, so daß diese im wesentlichen gesperrt sind. Die Schaltung muß so bemessen sein, daß ein dem Maximalstrom etwa entsprechender Strom durch die Transitoren 17 und 18 fließt, das heißt, sie sollen sich annähernd im gesättigten Betrieb befinden.A minimal initial collector current flows in the idle state through the transistors 1 and 2 of the preamplifier I and the double transistors 5 and 6 of the B amplifier of the final amplifier II, so that they are essentially blocked. The circuit must be dimensioned so that a maximum current approximately the same current flows through the transistors 17 and 18, that is, they should be approximately saturated Operation.
Bei Eingabe eines Signals am Eingang des Vorverstärkers I wird je nach dessen Polarität der Transistor 1 oder der Transistor 2 im Ober- bzw. Unterteil des Vorverstärkers I leitend. Hierdurch vermindert sich der Kollektorstrom des mit dem KollektorWhen a signal is input at the input of the preamplifier I, the transistor 1 or the transistor becomes, depending on its polarity 2 in the upper or lower part of the preamplifier I conductive. This reduces the collector current with the collector
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des Transistors 1 oder 2 verbundenen Transistors 17 bzw. 18 des Zwischenverstärkers III. Hierdurch wiederum werden die entsprechenden Transistoren des Endverstärkers II leitend, die B-Transistoren des gegenüberliegenden Teils werden vollständig gesperrt. Folglich wird über die Transistoren 17 und 18 des Zwischenverstärkers III eine umgekehrte Steuerung des Endverstärkers II ausgeführt, das heißt, sie machen im sperrenden Zustand den entsprechenden Teil des Endverstärkers II leitend. Die Summe der Widerstände der in Reihe geschalteten Elemente 19, 20, 21, 22 und 23 zwischen den beiden Emittern der Transistoren 17 und 18 wird so gewählt, daß bei maximalem Eingangssignal der gerade steuernde Transistor des Zwischenverstärkers III sperrt. Wird diese Voraussetzung erfüllt, so wirkt der Zwischenverstärker III nicht nur verstärkend, sondern bildet auch einen schnellwirkenden Strombegrenzungsschutz des Endverstärkers II. Der Endverstärker II wird dadurch vor einer Überlastung bei einem kurzdauernden (bis zu einigen Minuten) Kurzschluß in der Last und vor einem Anstieg des Eingangssignals über den zulässigen Maximalwert geschützt. In einer Reihe von Anwendungsfällen führt dies zu einem einfachen und billigen Schaltungsaufbau, da sich besondere Sicherheitsschaltungen im Verstärker erübrigen. of the transistor 1 or 2 connected transistor 17 or 18 of the intermediate amplifier III. This in turn makes the corresponding transistors of the output amplifier II conductive, the B transistors of the opposite part become complete locked. As a result, transistors 17 and 18 of the Intermediate amplifier III executed a reverse control of the output amplifier II, that is, they do in the blocking State the corresponding part of the power amplifier II is conductive. The sum of the resistances of the elements connected in series 19, 20, 21, 22 and 23 between the two emitters of the transistors 17 and 18 is chosen so that at maximum input signal the currently controlling transistor of the intermediate amplifier III blocks. If this requirement is met, the Intermediate amplifier III not only amplifies, but also provides fast-acting current limiting protection for the output amplifier II. The power amplifier II is thereby protected from overload in the event of a brief (up to a few minutes) Short-circuit in the load and protected against an increase in the input signal above the permissible maximum value. In a In a number of applications, this leads to a simple and inexpensive circuit structure, since special safety circuits in the amplifier are unnecessary.
Andererseits wird dadurch, daß die Transistoren 17 und 18 des Zwischenverstärkers III in gemeinsamer Kollektorschaltung betrieben werden, eine minimale nicht-lineare Verzerrung des Endverstärkers II ermöglicht. Dies gilt bei als einfachem Verstärker der Klasse B mit gemeinsamen Emittern ausgeführtem Endverstärker II und ist von besonderer Bedeutung, wenn der Endverstärker II im B + C-Betrieb mit gemeinsamen Emittern betrieben wird. Dabei entfällt die Notwendigkeit einer Erhöhung der Anzahl der in beiden Teilen des C-Verstärkers im Vergleich zu den beiden Teilen des B-Verstärkers eingesetzten Transistoren.On the other hand, the fact that the transistors 17 and 18 of the Intermediate amplifier III are operated in common collector circuit, a minimal non-linear distortion of the Power amplifier II allows. This applies to the output amplifier designed as a simple class B amplifier with common emitters II and is of particular importance if the power amplifier II is operated in B + C operation with common emitters will. This eliminates the need to increase the number of the two parts of the C-amplifier in comparison transistors used in the two parts of the B amplifier.
Da im Betrieb mit steigender Temperatur die Transistoren immer stärker leitend werden und ihre Kollektor-Emitter-Spannung abfällt, tritt ein teilweiser Ruhestromabfall der Leistungs-Since the transistors become increasingly conductive during operation with increasing temperature and their collector-emitter voltage drops, if a partial quiescent current drop occurs in the power
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einheit ein, das heißt, die Wärme wird ohne den Einsatz besonderer wärmeabhängiger Elemente kompensiert.unity, that is, the heat becomes special without the use of it compensated for heat-dependent elements.
Bei induktiver Last L und bei Eingabe einer niederfrequenten Spannung am Verstärkereingang, deren Pegel den maximal zulässigen Pegel übersteigt, wird das den Endverstärker II erreichende Signal rechteckig. Das heißt, es werden die Voraussetzungen für einen Durchschlag in den Leistungstransistoren geschaffen. Da aber am Ende des rechteckigen Impulses der rücksteuernde Transistor des entsprechenden Teils des Zwischenverstärkers III entsperrt ist, und dies mit einem geringen dynamischen Widerstand, wird die Basis-Emitterstrecke des entsprechenden Doppeltransistors des Endverstärkers II geshuntet. Der Vorgang der elektrischen Stromentladung wird bei dieser Strecke beschleunigt, wodurch auch die Voraussetzungen für einen Durchschlag in den Endtransistoren beseitigt werden.With inductive load L and when entering a low frequency The voltage at the amplifier input, the level of which exceeds the maximum permissible level, is that which reaches the output amplifier II Signal rectangular. This means that the prerequisites for a breakdown in the power transistors are created. Since, however, at the end of the rectangular pulse, the reverse control transistor of the corresponding part of the intermediate amplifier III is unlocked, and this with a low dynamic resistance, the base-emitter path of the corresponding double transistor of the output amplifier II is shunted. The process of Electric current discharge is accelerated along this route, which also creates the conditions for a breakdown in the final transistors are eliminated.
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