DE3330048C2

DE3330048C2 - Eintakt-Gegentakt-Schaltung mit Eintakt-Ausgang vom Emitterfolgertyp

Info

Publication number: DE3330048C2
Application number: DE3330048A
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Tokio/Tokyo Nakayama
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1982-08-20
Filing date: 1983-08-19
Publication date: 1985-12-12
Also published as: US4520323A; JPS5933911A; DE3330048A1

Abstract

Eine Eintakt-Gegentakt-Verstärkerschaltung der Klasse "B" der nichtbegrenzenden Art wird verbessert, indem die Schaltung derart ausgebildet wird, daß Leerlaufströme, die von den ersten und zweiten Verstärkern stammen, von dem Eingangssignal der Schaltung unabhängig gemacht werden, indem Fehlerverstärker mit drei Eingangsklemmen in einer Rückkopplungsschleife vorgesehen werden, die als Eingangssignale pegelverschobene Schaltungseingangssignale sowie Ausgangssignale von Ausgangswiderstandsnetzwerken so wie Verstärkerausgangssignale empfangen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Eintakt-Gegentakt-Schaltung mit Eintakt-Ausgang vom Emltterfolgertyp nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Schaltung ist aus der DE-PS 2905 6S9 bekannt.

Ein konventioneller Gegentaktverstärker mit Eintakt-Ausgang der vorgenannten Art neigt dazu, Schaltstörungen zu erzeugen. Um diesen Nachteil zu vermelden, Ist der B-Verstärker vom nlcht-begrenzenden Typ vorgeschlagen worden, bei dem ein Rückkopplungskreis einen konstanten Leerlaufstrom erzeugt, der eine Begrenzung 4« verhindern soll.

F1 g. 1 der Zeichnungen zeigt ein Beispiel eines solchen, aus der obengenannten Patentschrift bekannten Klasse-B-Verstärkers. Dieser hat jedoch den Nachteil, daß sich aus der Nlchtllnearität der St rom übertragungscharakteristik, die dem Transistor Innewohnt, Stromverzerrungen und aus der exponentlellen Übertragungscharakteristik Spannungsverzerrungen ergeben.

Weiterhin hat ein Leerlaufstrom den Nachteil des thermischen Fortlaufens, wenn die Temperatur nicht in dem Fall eines Bipolartransistors kompensiert wird. Bei dem letztgenannten Transistor gab es bislang keine Einrichtung zum Steuern des Leerlaufstromes auf einen konstanten Wert, so daß der Wert des Leerlaufstromes dementsprechend in Abhängigkeit vom Vorliegen eines Signales oder von der Höhe der Umgebungstemperatur beeinflußt wurde. Ein derartiges Verhalten ist nicht wünschenswert, da der Arbeltspunkt unabhängig von dem so Vorliegen eines Signales für eine gegebene Zeitdauer verändert werden könnte.

Da darüber hinaus eine derartige Temperaturkompensation sehr schwer zu realisieren Ist, und da Insbesondere die übliche Schaltung der nlchtbegrenzenden Klasse vom »B«-Typ eine positive Rückkopplung verwendet, wird die Instabilität des Leerlaufstromes begünstigt. Daher Ist es sehr schwierig, eine Schaltung zu entwerfen, die sowohl eine vollständige Temperaturkompensation aufweist als auch weiteren Anforderungen beim Entwurf nachkommt.

Flg. 1 zeigt die Grundstruktur einer üblichen Eintakt-Gegentakt-Schaltung (single-ended push pull circuit, als »SEPP«-Schaltung bezeichnet) der nlchtbegrenzenden Klasse vom »B«-Typ. Die Bezugszeichen A, und A₂ bezeichnen Fehlerverstärker, von denen jeder eine Verstärkung von 1 oder weniger aufweist. Die Bezugszeichen B, und Bi bezeichnen Spannungsaddltlonsschaltungen, während das Bezugszeichen C eine Eingangsstromquelle «> bezeichnet, wobei V_B die Bezeichnung für eine Vorspannungsquelle für die Transistoren Q, und Qi ist.

In der Flg. 1 sind mit den Bezugszeichen /_f, und i_n Leerlaufströme Id bezeichnet, wenn kein Strom am Eingang IN anliegt. Die Ströme /_s) und I_B2 werden von einer Spannungsquelle V_B geliefert. Die Basls-Emltter-

(;' Spannung 1st mit V_BE bezeichnet und der Emitterwlderstand Ist mit R_E bezeichnet. Damit ergibt sich folgende

ζ: Gleichung:

Wenn ein Elngangsslgnalstrom /_f fließt, wird der Strom /£, großer. Der Strom-Verstärkungsfaktor eines Transistors Q₁ wird mit h_jd bezeichnet. Es ergibt sich folgende Gleichung:

Der Strom i_m erzeugt einen Spannungsabfall über den Widerstand R_E, so daß die Eingangsspannung V_n des Verstärkers A, durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:

Vn = (Vbe - Ve) + Ie₁Re = (V_S£ - V_e)

Diese Spannung bewirkt eine Rückwärtsvorspannung und Begrenzung des Transistors Qi-, wenn keine Verstärkung vorgesehen ist. Wenn im Gegensatz hierzu die Verstärkung des Verstärkers A_x auf 1 festgelegt ist, und wenn die Spannung V_n positiv an die Basis des Transistors Q_x rückgeführt wird, so ergibt sich ständig ein konstanter Leerlaufstrom I₀. Selbst wenn der Eingangssignalstrom i, umgekehrt wird, so daß der Transistor Q₂ eingeschaltet wird, so werden die gleichen Wirkungen hervorgebracht, so daß eine Elntakt-Gegentakt-Schaltung ohne Ausschalten des Transistors Qi gewährleistet 1st.

Fig. 2 1st eine beispielhafte Darstellung der Stromübertragungscharakteristik in Reaktion auf den Eingangssignalstrom /, in der Schaltung gemäß Fig. 1. Im allgemeinen neigt der Transistor dazu, sehr schnell den Stromverstärkungsfaktor hfti abzusenken, wenn der Emitterstrom ansteigt, so daß sich eine Im wesentlichen nlchtiineare Charakteristik ergibt, wie sie In Flg. 2 dargestellt ist, woraus sich die Erzeugung von Strom Verzerrungen ergibt. Wenn, wie oben beschrieben, die Verstärkung der Verstärker A, und A₂ auf 1 eingestellt ist, so wird das positive Rückkopplungsverhältnis 100% des Leerlaufstromes /_d, so daß die Wirkung des Widerstandes R_E, d. h. die Stabilisierung voltständig verlorengeht. Daraus folgt, daß R_E In der Gleichung (1) als 0 angesehen werden kann. Daher ist der Leerlaufstrom l_d nicht stabilisiert und verursacht eine Schwingung. In der Praxis ist die Verstärkung der Verstärker A₁ und Ai kleiner als 1, jedoch 1st der Leerlaufstrom nichtsdestoweniger äußerst instabil.

Wenn die Schaltung nicht als eine Schaltung der nlchtbegrenzenden Klasse vom »B«-Typ ausgeführt wird und mit einer konstanten Spannung betrieben wird, um lediglich die Verzerrungen zu beseitigen, die aufgrund der Stromübertragungscharakteristika dieser Schaltung erzeugt werden, d.h., wenn die Verstärker A, und A₁ gemäß Fig. 1 beseitigt werden und eine konstante Spannungsquelle als Signalquelle C verwendet wird, so ergibt -W sich die In FI g. 3 gezeigte Übertragungscharakteristik. Auch unter derartigen Bedingungen verbleiben weiterhin die Verzerrungen, die durch die exponentiell Übertragungscharakteristik des Transistors verursacht werden.

Bei der üblichen Elntakt-Gegentakt-Schaltung des »B«-Types, bei der das Verfahren des Betreibens mit einer konstanten Spannung angewendet wird, werden Verzerrungen erzeugt, die sich aus der exponentiellen und funktionalen Übertragungscharakteristik ergeben, und Schaltverzerrungen, die durch die Ein-Aus-Wirkung eines Ausgangstransistors bedingt sind, werden ebenfalls erzeugt.

Selbst wenn die Elntakt-Gegentakt-Schaltung der nlchtbegrenzenden Klasse vom »B«-Typ mit einem konstanten Strom betrieben wird, sind Verzerrungen aufgrund der Stromübertragungscharakteristik unvermeidbar. Unabhängig von dem Verfahren, das zum Betreiben verwendet wird (Strom bzw. Spannung), wird eine Temperaturkompensation für den Leerlaufstrom benötigt. Jedoch ist es unmöglich, eine vollständige Temperaturkompensation auszuführen. Man benötigt einige Zehn-Minuten ab dem Einschalten der Leistungsquelle, bis der Leerlaufstrom konstant Ist. Der Leeriaufstrom verändert sich bei Vorliegen eines Signales. Die Größe des Leerlaufstromes nach dem Anlegen eines großen Signales weicht erheblich von dem eingestellten Arbeltspunkt ab. Aus den letztgenannten drei Gründen sind die Arbeitspunkte instabil, d. h. sie verändern sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und in Abhängigkeit vom Vorliegen oder Nlcht-Vorllegen eines Signales.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Elntakt-Gegentakt-Schaltung vom Emitterfolgertyp der nichtbegrenzenden Klasse der »B«-Art zu schaffen, die dazu geeignet ist, die obengenannten Nachtelle zu beseitigen, und die eine erheblich verminderte Verzerrung hat, und die darüber hinaus keine Temperaturkompensation für den Leerlauf benötigt. Es sollen Schwankungen der Basls-Emltter-Spannung, die durch Störungen hervorgerufen werden, erheblich herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patenunspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele nach dem Stand der Technik sowie gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. I ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform einer Schaltung nach dem Stand der Technik; Flg. 2 eine graphische Darstellung einer Charakteristik der Schaltung gemäß Fig. 1; Flg. 3 eine graphische Darstellung einer beispielhaften Charakteristik einer üblichen Schaltung; FI g. 4 ein Schaltungsdiagramm einer Grundschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung; FI g. S eine graphische Darstellung einer Charakteristik der In F i g. 4 gezeigten Schaltung:

Fig.6 ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispieles einer Schaltung, bei der das Grunddiagramm ^fi0 nach Fig. 4 verwirklicht 1st;

Flg. 7 und 8 Schaltungsdiagramme von Veränderungen eines Teiles der In Flg. 6 gezeigten Schaltung; und Flg. 9 ein Schaltungsdiagramm eines anderen Ausführungsbeispieles gemäß der vorliegenden Erfindung.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die F l g. 4 bis 9 beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen solche Teile bezeichnen, die denen gemäß FI g. 1 entsprechen.

Flg. 4 zeigt eine Grundstruktur der Eintakt-Gegentakt-Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Schaltung hat Verstärker A \ und A'₂, die als Fehlerverstärker arbeiten, und die jeweils drei Eingänge α bis c und a' bis c' haben. Die Emitter der Ausgangstransistoren Q\ und Qt sind miteinander durch Widerstände R_E

verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen diesen Widerstanden Ist über den Widerstand R_s mit dem Ausgang OUT verbunden. Die Emitter der Transistoren Ot und O₂ sind mit den Eingangen a. a' der Fehlerverstärker A\ und A\ verbunden. Ein Eingang IN der Schaltung Ist mit den Eingangen c und c' über Vorspannungsquellen V_B verbunden. Eine Tellerschaltung, die aus einer Serienschaltung der Widerstände R, und R₂ besteht, um den Ausgangssignalstrom zu ermitteln, liegt in Parallelschaltung zu dem Widerstand R_s. Der Verbindungspunkt der Widerstände Ri und R₁ Ist über Vorspannungsquellen V_B mit den Eingangen b und b' verbunden. Die Ausgange der Verstarker A Ί und A Ί werden an die Spannungsaddierschaltungen S₁ und B₁ angelegt und über diese auf das Eingangssignal addiert.
Der Verstärker A', verursacht, daß der Eingang b geöffnet 1st, d. h. der Verstärker verursacht eine Im weseni-

K) liehen unendliche Impedanz an diesem Eingang, so daß das Signal an b keine Wirkung auf das Verstärkerausgangssignal hat, wenn am Eingang b ein bezüglich des Signales an den Eingangsklemmen α oder c negatives Signal gelegt wird. Der Verstarker A\ schafft einen offenen Eingang c, wenn an dem Eingang c ein Signal angelegt wird, das negativ bezüglich des Signales Ist, das an den Eingangen b oder α anliegt. Der Verstärker ΑΊ schafft einen offenen Eingang b\ wenn an dem Eingang b' ein bezüglich der an den Eingangen a' oder c'

ii anliegenden Signale positives Signal angelegt wird. Darüber hinaus schafft der Verstärker ΑΊ einen offenen Eingang c\ wenn ein positives Signal bezüglich der an den Eingangen b' oder a' anliegenden Signale an den Eingang c' angelegt wird.

Bei der oben beschriebenen Anordnung wird eine Rückkopplungsschlelfe gebildet, die die Eingänge c. <·' der Verstärker A',, ΑΊ als Signaleingange und die Eingänge a, a' als Rückkopplungseingange verwendet, so daß der

Leerlaufstrom l_d unabhängig vom Eingangssignal gemäß der folgenden Gleichung erzeugt wird:

h = — (2)

Als nächstes Ist der Eingang b geöffnet, wenn ein positives Signal an diesen angelegt wird, da das negative Signal, das i_s ■ R_E entspricht, zwangsweise den Eingängen α und c zugefügt wird. Wenn daher die Verstärkung des Verstärkers A\ auf α eingestellt Ist, kann die Eingangsspannung V₁ durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

V, = V₀ + AV_BE + I₁(Rf + R₅) - aV, (3)

wobei V₀ - Ausgangsspannung, V_BE = Veränderung von V_BE, i, = Signalstrom, und wobei V_g die Eingangsspannung zwischen den Eingängen a-c Ist, so daß sich folgende Gleichung ergibt

V, = V, - (V₀ + I₁(R^+ R₅)) (4)

Durch Einsetzen der Gleichung (4) in Gleichung (3) ergibt sich folgende Gleichung:

-»ο V, = V₀ + AVbe + i, (Rf + Rs) - α [ V, - {V_o + I₅ (Re + Ri)}]

= V₀ + AVbe + i_s (Rf + R₅) - aV, + eV₀ + ja, (Rf-I-R₅)

Diese Gleichung kann durch den Ausdruck V₀ folgendermaßen ausgedrückt werden:

V₀ = V₁-I₁(Rf-I-R₅) S£ (5)

1 + a

wobei der Wert α groß 1st, so daß die Wirkung von V_BE sehr klein wird, wobei dieser Ausdruck die Erzeugung so von Verzerrungen darstellt, die sich aus der exponentialen und funktionalen Übertragungscharakteristik ergeben. Daher erzeugt selbst eine linear angelegte Last keine Verzerrung in ;_s, so daß V₁ und V₀ einander ähneln, so daß Verzerrungen beseitigt werden. Dies ergibt sich aus der Verwendung eines Fehlerverstärkers, der den Eingang mit dem Verstärkungsausgang vergleicht.

Andererseits wird unter Berücksichtigung des Verstärkers ΑΊ der Eingang c' aufgrund eines positiven Signales offen sein, das höher ist als die Spannung an den Eingangen b' und a\ und zwar ungefähr um den Ausdruck (R_Ei_s + V_x), welcher zwangsweise hieran angelegt wird, der Verstärker A \ wird daher zu einem Fehlerverstärker vermindert, der b' und α als Eingänge verwendet, wodurch der Leerlaufstrom durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann: ........

. V_fl

so daß der Leerlaufstrom auf einen Wert eingestellt wird, der demjenigen nach Gleichung (2) entspricht.

Wenn ein negatives Signal an die Eingangsklemme IN angelegt wird, wird die gleiche Operation ausgeführt, welche dadurch beschrieben werden kann. Indem Jn obigem Text in einfacher Welse die Erläuterungen der Bezugszeichen ersetzt werden.

Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung 1st aufgebaut, um eine Übertragungscharakteristik gemäß der In Fig. 5 gezeigten Art zu erzeugen. Diese Schaltung 1st eine Eintakt-Gegentakt-Schaltung der nichtbegrenzenden Klasse

Ι' ι ' ■ ι .ι ■ ■ » ι. - , .

1 1 1f\ f\AQ

vom »B«-Typ, die eine resultierende Charakteristik mit linearer Form hat.

Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm, in dem die Schaltung nach Fig. 4 verkörpert Ist. In dieser Schaltung wird der Fehlerverstärker A', durch die Transistoren Q₅ bis Q_s gebildet, wobei die Basen dieser Transistoren Q\ bis Qi als Eingangsklemmen α bis c dienen. Andererseits wird der Fehlerverstärker A'₂ durch die Transistoren Q_b bis Qt gebildet, deren Basen als Eingangsklemmen a' bis c' dienen. Die Bezugszeichen I, und /₂ bezeichnen Konstantstromquellen, durch die die Beziehung /, > /j erzeugt wird.

Die Ausgangswiderstandsschaltung gemäß F1 g. 6 kann In eine X-J-Anordnung umgewandelt werden, wodurch die in Fig. 7 gezeigte Schaltung erhalten wird. Diese Ausgangswiderstandsschaltung hat als Brückenschaltung die In F1 g. 8 gezeigte Schaltungsanordnung.

Die Schaltung nach Fig. 8 kann als Brückenschaltung die gleiche sein wie diejenige gemäß Fig. 4, die derart angeordnet ist, daß die Eingänge a. a' der Fehlerverstärker A\, A\ in äquivalenter Welse an dem Punkt A" angeschlossen sind, um eine Verzerrung zu vermeiden, die sich aus einem Ungleichgewicht aufgrund der senkrechten Verteilung des Emitterwiderstandes R_E ergibt. In diesem Fall kann das Ausgangssignal V₀ als Alternative zu Gleichung (S) folgendermaßen ausgedrückt werden:

Aus dieser Gleichung Ist offensichtlich, daß R_E fortgelassen werden kann, wenn α ausreichend groß 1st.

Fig. 9 ist ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbelspleles, bei dem eine Ideale Verstärkung erreicht wird. Indem der Fehlerverstärkerabschnitt im Gleichgewicht gehalten wird.

In jedem der obengenannten Fälle kann die zwischen den Eingängen c-c' und b-b' oder d-d' angelegte Vorspannung so ausgewählt werden, daß Irgendein Wert erhalten wird, bei dem sich ein vorbestimmter Leerlaufstrom ergibt, wobei dies nicht durch den Wert V_B gemäß FI g. 4 beschränkt 1st.

Jede der In den F1 g. 6 und 9 gezeigten Schaltungen kann eine Elntakt-Gegentakt-Schaltung sein, die durch eine Servoschaitung stabilisiert wird und selbst dann als nichtbegrenzendes Gerät der Klasse »B« arbeitet, wenn der Konstantspannungstreiberpunkt, der die Eingangsklemme 1st, geöffnet 1st, und wenn /1 In eine Eingangssignalquelle, d. h. zu einer Konstantstrom-Treiberschaltung abgewandelt wird. Selbstverständlich können die ersten und zweiten Verstärkerelemente in Darlington-Anordnung hergestellt sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elntakt-Gegentaktschaitung mit Eintakt-Ausgang vom Emltterfolgertyp, enthaltend erste und zweite Verstärkerelemente, die jeweils In Emltterfolger-Gegentaktanordnung der Klasse »B« mit Eintakt-Ausgang angeordnet sind, erste und zweite Fehlerverstarker, die entsprechend der ersten und zweiten "Verstärkeretemente vorgesehen und jeweils eingangs- und ausgangsseltig In einer Schleife mit dem zugehörigen Verstärkerelement verbunden sind, erste und zweite Spannungserzeugereinrichtungen, die zwischen einem Schaltungseingang und Eingängen der ersten und zweiten Verstärkerelemente angeordnet sind, um eine Spannung mit den Ausgangssignalen der entsprechenden Fehlerverstärker zu bilden, und eine Widerstandsanordnung,

¹⁽¹ die zwischen den Ausgängen der ersten und zweiten Verstärkerelemente und einem Schaltungsausgang vorgesehen Ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerverstärker (A',, ΑΊ) jeweils wenigstens drei Eingänge (a. b, c, a'. b', cO aufweisen, die jeweils

a. a' mit dem Emitter des zugehörigen Verstärkerelementes (Q_x, Q₂),

b. b' mit einem aus dem Ausigangssignalstrom eine Spannung erzeugenden Widerstandsneuwerk (R₁. R_x. R,. Ri) und

c. r' mit dem Eingang (WV) der Schaltung verbunden sind,

und daß die Fehlerverstärker (A',. ΑΊ) derart In der Rückkopplungsschleife angeordnet sind, daß die Lccrlaufströme unabhängig von den an die Schaltung angelegten Eingangssignalen sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schaltungseingang (IN) und den mit diesem verbundenen Eingängen (c, c") der Fehlerverstärker (A\, ΑΊ) jeweils eine Vorspannungsquelle (V_B) angeordnet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der eine Fehlerverstärker (A',: ΑΊ) als Verstärker für die pegelverschobene Fehlerspannung zwischen der Spannung am Ausgang des zugehörigen Verstärkerelements ((?■, Qi) und der aus dem Ausgangssignalstrom am Widerstandsnetzwerk (R_t:. R_x.

R\. R₁) gewonnenen Spannung arbeitet, wenn der andere Fehlerverstärker (ΑΊ; A',) als Verstärker fur die pegelverschobene Fehlerspannung zwischen der Spannung am Ausgang des zugehörigen Verstärkerelements (Qi: Qt) und der Spannung des Schaltungseingangs arbeitet.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Widerstandsnetzwerk (R_E, R₅, Rt, Ri) und die mit diesem verbundenen Eingänge (b. b") der Fehlerverstärker (A',. ΑΊ) jeweils Vorspannungsquellen (V_B) zwischengeschaltet sind.