DE3415040A1

DE3415040A1 - Leistungsverstaerker

Info

Publication number: DE3415040A1
Application number: DE19843415040
Authority: DE
Inventors: Tadashi Koganei Tokio/Tokyo Hanaoka
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1983-04-26
Filing date: 1984-04-21
Publication date: 1984-10-31
Also published as: GB8410120D0; GB2139032A; GB2139032B; JPS59200510A

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Leistungsverstärker werden beispielsweise für die Verstärkung von Wechselstromsignalen, insbesondere von Audiosignalen, verwendet.

Im allgemeinen wird bei einer herkömmlichen Schaltung für den Antrieb einer akustischen Ausgabevorrichtung, z.B. eines Lautsprechers oder einer Last mit niedriger Impedanz, etwa eines Synchronmotors, ein Ausgangstransformator als unmittelbare Einrichtung für die Versorgung der Last mit der notwendigen Leistung in der Weise vorgesehen, daß er ein Spannungssignal von einem Vorstufen-Leistungsverstärker in ein entsprechendes Stromsignal für den Antrieb der Last umwandelt.

Ein Ausgangstransformator ist jedoch unvorteilhaft schwer, und die Reduzierung seines Gewichts bewirkt einerseits eine Verzerrung des übertragenen Signals und übt andererseits einen ungünstigen Einfluß auf die Frequenzcharakteristiken der gesamten Einrichtung aus.

Seit einiger Zeit haben auch Leistungsverstärker mit bipolaren Transistoren breite Anwendung gefunden, und es gibt viele Gebiete, auf denen Verstärker eingesetzt werden, die Niederimpedanzlasten direkt und ohne die Zwischenschaltung eines Transformators antreiben. Einige Leistungsverstärker mit bipolaren Transistoren haben sich als geeignet für die verschiedenen Anwendungsfälle herausgestellt. Bei den meisten dieser bipolaren Transistor-Leistungsverstärkern wird indessen von der niedrigen Ausgangsimpedanz der bipolaren Transistoren Gebrauch gemacht, oder es wird die

komplementäre Verstärkerstruktur ausgenutzt, bei der zwei komplementäre bipolare Transistoren in Reihe mit einer Stromversorgung geschaltet sind. Aufgrund dieses Umstandes besitzen diese bipolaren Transistor-Leistungsverstärker in nachteiliger Weise einen reduzierten dynamischen Bereich für das Ausgangsspannungssignal, bezogen auf eine vorgegebene Le i stungsve rs orgungs spannung.

Um den dynamischen Bereich zu vergrößern, wird im allgemeinen eine Stromversorgung von 5 oder mehr Volt verwendet. Bei einer Stromversorgung von drei Volt wird eine Bootstrap-Schaltung verwendet, welche eine Reihenschaltung aus zwei Batterien enthält. In Diesem Fall wird eine relativ große Kapazität erforderlich. Eine Schaltung mit Bipolartransistoren erfordert die Zuführung eines Vorspannungs-Stroms, damit sie richtig arbeitet, weshalb eine solche Schaltung dazu neigt, einen beachtlichen Betrag an elektrischer Energie im Ruhezustand zu verbrauchen, wenn das zu übertragende Wechselctrom-Nutzsignal auf Null Volt verbleibt. Der Leistungsverbrauch im Ruhezustand nimmt mit der elektrischen Leistung zu, die ein Verstärker an eine zugeordnete Last abgeben kann (auch als "Ausgangsleistung" bezeichnet). Somit ist die in einem Verstärker im Ruhestand verbrauchte Leistung bei einem großen Wert der Ausgangsleistung viel größer als die Leistung, die tatsächlich auf eine zugeordnete Last in einer elektrischen Vorrichtung gegeben wird, in welcher die maximal erzielbare Ausgangsleistung wesentlich größer ist als diejenige, welche für den normalen Bereich der Eingangssignale erforderlich ist.

Aufgrund des relativ großen Leistungsverbrauchs im

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Ruhezustand müssen Mittel für die Wärmeabfuhr vorgesehen werden, und aus demselben Grund wird eine diese Bedingungen erfüllende Stromversorgung unvorteilhaft groß. Falls Batterien als Stromversorgungsquellen verwendet werden, sind sie in verhältnismäßig kurzer Zeit verbraucht.

Diese Nachteile eines Leistungsverstärkers mit bipolaren Transistoren können bis zu einem gewissen Grad durch die Verwendung von MOS-Transistoren vermieden werden (vergl. z.B. FR-OS 2 418 576). Beispielsweise ermöglicht die Kombination zweier komplementärer Verstärker-MOS-Transistoren (auch als "C-MOS-Struktur" bezeichnet) in einem Verstärker die Ausdehnung des Dynamik-Bereichs des Ausgangssignals in fast dem Umfang des Bereichs der zugehörigen Stromversorgungsspannung. Außerdem gestattet sie die Reduzierung der Vorspannungsströme in den Bereichen außerhalb der Ausgangsstufe des Verstärkers bis zu einem kleinen Strom von einigen Mikroampere im Verhältnis zu einigen Zehntel. Die Zunahme der maximalen Ausgangsleistung in einem Verstärker bewirkt jedoch unvermeidlich ein Ansteigen des Leistungsverbrauchs im Ruhezustand, weshalb der Leistungsver- brauch im Verstärker nicht wesentlich verringert werden kann, indem man die bekannte C-MOS-Struktur heranzieht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Leistungsverbrauch eines Verstärkers im Ruhezustand zu verringern.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit öler Erfindung ^rj^eite Vorteil besteht insbesondere darin, daß der Lei$tungsverbrauch in einer Verstärker-Sti4.fi.^if<? I^ Iw^egusti&nd verringert wird und d»ß <Jtr v<j>-Jt*$g"»yr?-is^;";|l8." ''C-MQS''--Str^ktüa? ausgebildete telftvngiveritäf^*^ gleichzeitig ein verhältniamiißig gfoß## Auggiiigö^ighal abgibt, verglichen mit einer v<tfh.ältriisi^ßig geringen Spannung (etwa drei Volt) d$r verwfn^tten Energieversorgung. Mit der Erfindung ist es also möglich, einen Wechselstrom-Leistungsverstärker en einer Spannungsquelle von drei Volt oder weniger zu betreiben, wobei die im Ruhezustand verbrauchte Verlustleiste auf ein Milliwatt oder noch weniger reduziert wird. Hierdurch kann ein Wechselspannungssignal mit relativ großer Amplitude auf eine Last mit relativ geringer Impedanz gegeben werden.

Ausführungsbeispiele d<£r Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 einen erfindungsgemäßen Leistungsverstärker ι mit geringem Energieverbrauch;

Fig. 2 die Betriebskgtimzeichen zweier Transistoren, die zusammen ßine Ausgan.gsyerstärkerschaltung im Leistungsverstärker mit niedrigen Energie- ί verbrauch gemäß Fig.l bilden;

Fig. 3 das Wechselstromverhältien zweier Transistoren, die zusammen eine Ausgangsverstärkerschaltung im Verstärker mit niedrigem Energieverbrauch gemäß Fig.l bilden;

Fig.4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers mit niedrigem Energieverbrauch;

Pig.5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers mit niedrigem Energieverbrauch;

Fig.6 eine Anwendung des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers bei einer Lautsprecher-

Treiberschaltung;

Fig.7 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers mit niedrigem Energieverbrauch, wobei "C-MOS"-Transistoren

für den Aufbau eines Differenzverstärkers verwendet werden;

Fig.8 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers mit geringem

Energieverbrauch, der einen erhöhten Verstärkungsfaktor aufweist.

In der Fig.1 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die im wesentlichen aus einer Eingangsverstärkerschaltung 1 und einer strichpunktiert umrahmten Ausgangsverstärkerschaltung 2 besteht. Der Eingangsanschluß der Eingangsverstärkerschaltung 1 ist mit dem Eingangsanschluß IN des Leistungsverstärkers verbunden, während der Ausgangsanschluß der Eingangsverstärkerschaltung 1 mit dem Eingangsanschluß der Ausgangsverstärkerschaltung 2 verbunden ist. Die Eingangsverstärkerschaltung 1 ist mit zwei Speiseleitungen V_DD und V_gs verbunden.

Der Eingangsanschluß der Ausgangsverstärkerschaltung 2 ist mit der Steuer-Elektrode eines ersten MOS-Transistors Tr,, der einen p-leitenden Kanal aufweist (im folgenden einfach als "Transistor" bezeichnet), direkt sowie mit der Steuer-Elektrode eines zweiten MOS-Transistors Tr₂/ der einen n-leitenden Kanal aufweist (im folgenden einfach als "Transistor" bezeichnet), über einen Kondensator C₁ verbunden. Eine Vorspannungs-Quelle V_, ist der Steuer-Elektrode des Transistors Tr₀ über einen Widerstand R₁ zugeführt. Die Absaug-Elektroden der Transistoren Tr₁ und Tr₂ sind mit dem Ausgangsanschluß OUT der Einrichtung verbunden. Die Quellenelektrode und das Substrat des Transistors Tr₁ sind mit der ersten Speise-Leitung V^_ verbunden, während die Quellenelektrode und das Substrat des Transistors Tr₀ mit der zweiten Speise-Leitung V_eo verbunden sind.

Bei dieser Anordnung hängt der Gleichstromarbeitspunkt der Ausgangsverstärkerschaltung 2 von der Gleichstrom-Steuer-Spannung V _p des ersten Transistors Tr₁ ab, die der Ausgangsgröße der Eingangsverstärkerschaltung 1 entspricht, und von der Gleichstrom-Steuer-Spannung V-., des zweiten Transistors Tr₀,

WN Δ

die gleich V_ ist.

Die Fig.2 zeigt, wie der Arbeitspunkt der Ausgangsverstärkerschaltung 2 durch die Gleichstrom-Steuerelektroden-Spannung V des ersten Transistors Tr₁ und die Gleichstrom-Steuerelektroden-Spannung V_._ des zweiten

Cj IN

Transistors Tr_ bestimmt wird. Die Abszisse des Graphen stellt die Absaugelektroden-Spannung V_Dn des ersten Transistors Tr₁ und die Absaugelektroden-Spannung V_DN des zweiten Transistors Tr„ dar, während

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die Ordinate den Absaugelektroden-Strom I_Dp des ersten Transistors Tr, und den Absaugelektroden-Strom I₇.... des zweiten Transistors Tr₀ darstellt. DN ^

Die Kurven Γ IJ und \4j stellen das Verhältnis der Absaugelektroden-Spannung V zum Absaugelektroden-Strom I des ersten Transistors Tr₁ dar, während die Kurven (2J und \3>) die Beziehung der Absaugelektroden-Spannung V_m zum Absaugelektroden-Strom I des zweiten Transistors Tr₂ darstellt. Wenn am Ausgangsanschluß des LeistungsVerstärkers keine Last angelegt ist, sind die Absaugelektroden-Ströme I_Dp und I_n der Transistoren Tr.. und Tr₂ einander gleich, weshalb der Gleichstrom-Arbeitspunkt dieser Transistören auf dem Schnittpunkt der Kurven TlJ und (2J oder der Kurven f4 ) und (3 ) liegt.

Nimmt man an, daß die Transistoren Tr₁ und Tr₉ so arbeiten, wie es durch die Kurven ill und (2J angedeutet ist, dann gibt der Schnittpunkt P₁ dieser Kurven den Gleichstrom-Arbeitspunkt an. Folglich bewegt sich die Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers um ihren Zentralwert herum, der gleich der Absaugelektroden-Spannung V_np1 der Abszisse des Schnittpunkts P₁ ist.

Der Absaugelektroden-Strom I_op1/ der an der Ordinate des Schnittpunkts P₁ angegeben ist, fließt und wird im Ausgangsverstärker 2 während des Ruhezustands verbraucht. Nimmt man an, daß die Vorspannungs-Spannung Vr, erniedrigt wird, um die Gleichstrom-Steuerelektroden-Spannung V_QN des zweiten Transistors Tr₂ nahe an die Spannung der Speiseleitung ν_ςς, zu bringen, dann neigt sich die Kurve (2) der Fig.2 nach

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unten zur Kurve Qf) , Hie^«äisurcit gelangt der Gleichstromarbeitspunkt nach Έ>2> wodurch der Ruhestrom wesentlich reduziert witfd. Der Zentralwert des Ausgangs spannungsbereichs driftet allerdings in nachteiliger Weise in Richtung auf einen Extremwert, wodurch der Dynamikbereich reduziert wird. Um diesen Zustand zu verbessern, wird beispielsweise die Amplitude der Gleichstrom~Spannung, die auf den Eingangsanschluß IN des Leistungsverstärkers gegeben wird, so verändert, daß die Gleichstrom-Steuerelektroden-Spannung V_rp des ersten Transistors Tr- in die Nähe der Spannung V einer der Speiseleitungen gebracht wird, wodurch die Kurve (1) veranlaßt wird, sich nach unten zur Kurve \AJ zu neigen. Hierauf gelangt der Gleichstromarbeitspunkt nach P^. Somit wird der Zentralwert des AusgangsSpannungsbereichs wieder zum Zentralwert zwischen den Spannungen V__ und V₀ _a der

DD oö

Speiseleitungen gebracht, wodurch die Situation nicht geändert wird, daß der Energieverbrauch im Ruhezustand erheblich reduziert wird, und zwar unabhängig von der Impedanz der zugehörigen Last.

Im folgenden wird das Wechselstromverhalten des in der Fig.1 gezeigten Leistungsverstärkers beschrieben.

Die Fig.3 beinhaltet eine graphische Darstellung der Wechselstromeigenschaften der Ausgangsverstärkerschaltung 2 des gesamten Leistungsverstärkers. Die Abszisse stellt die Steuerelektroden-Spannung V des ersten Transistors Tr, und die Steuerelektrodenspannung V_„ des zweiten Transistors Tr₀ dar, während die

(jJN /

Ordinate den Absaugelektroden-Strom I_Dp des ersten Transistors Tr₁ und den Absaugelektroden-Strom I_Q„ des zweiten Transistors Tr₂ darstellt. Die Kurve Γδ) zeigt

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die Beziehung zwischen der Steuerelektroden-Spannung V des ersten Transistors Tr₁ und seinem Absaugelektroden-Strom I_np/ während die Kurve (6/ die Beziehung zwischen der Steuerelektroden-Spannung V"_rN des zweiten Transistors Tr~ und seinem Absaugelektroden-Strom I „ zeigt. Diese Kurven veranschaulichen, daß die Absaugelektroden-Ströme I_n- und I_n„ sehr stark mit der Zunahme der zugeordneten Steuerelektroden-Spannung ansteigen, wenn die Spannung am Ausgangsanschluß OUT des Leistungsverstärkers auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten wird. Die Amplitude des Ruhestroms I_n-, wird durch die Absaugelektroden-Spannungen an den Arbeitspunkten der Transistoren Tr, und Tr₂ bestimmt. Nimmt man an, daß das Potential, welches an einem Ende einer Last erscheint, die mit dem Ausgangsanschluß OUT des Leistungsverstärkers verbunden ist, auf dem Zentralwert des AusgangsSpannungsbereichs gehalten wird und daß dann eine Wechselstromspannung auf die Steuerelektrode jedes Transistors gegeben wird, so bewirkt diese eine starke Änderung des Absaugelektroden-Stroms im Transistor.

Der Kurvenverlauf V_,_. zeigt im einzelnen eine Wechsel-

GP

Stromkomponente des Spannungssignals, das direkt auf die Steuerelektrode des ersten Transistors Tr. über den Eingangsverstärker 1 gegeben wird, während der Kurvenverlauf V_,„_T ein Signal zeiat, das auf die Steuerelektrode des zweiten Transistors Tr« gegeben wird, nachdem die Gleichstromkomponente von diesem Spannungssignal, das auf die Steuerelektrode des ersten Transistors Tr, gegeben wird, mit Hilfe des Kondensators C. beseitigt wurde. Die Kurvenverläufe ¹DP ^{und 1}DN' ^{äie man} ^^urcl1 Projizieren der Kurvenver-

verlaufe V„,_ vm* ν_ΛΜ auf die .Ordinate über die und [6J erhält, zeigen die Schwankungen der Absaugelektroden-Ströme in den Transistoren Tr₁ und Tr₂- Wie dargeitellt/ ändern sich die Kurvenverlaufe i_Dp und i „ polöuritätsmäßig entgegengesetzt zueinander, wobei sie um eine halbe Periode phasenverschoben sind. Folglich ergibt sich ein resultierender Kurvenverlauf aus diesen zwei Stromverläufen i _N und i über der Last, die mit dem Ausgangsanschluß OUT des Leistungsverstärkers verbunden ist. Die maximale Amplitude des elektrischen Stroms, der auf die Last gegeben wird, ist durch die Impedanz der Last und die Spannung der Stromversorgung bestimmt, aber der elektrische Strom, der im Ruhezustand fließt, ist nicht unmittelbar mit diesen Faktoren verknüpft.

Wie man leicht aus der Fig.3 ersieht, bewirkt die Zunahme der Amplituden der Wechselstrom-Spannungskurven V__ und V__N eine erhebliche Zunahme der Spitzenwerte der Stromkurvenverläufe i_Dp und i_DN- Ein sehr kleines Wechselstromsignal, das auf den Eingangsanschluß IN der Eingangsverstärkerschaltung 1 gegeben wird, wird in diesem verstärkt, bevor es auf die Ausgangsverstärkerschaltung 1 gegeben wird. Mit der in der Fig.1 dargestellten Vorverstärkeranordnung kann ein recht großer elektrischer Strom in einer Last fließen.

Im folgenden werden einige Abwandlungen des Leistungsverstärkers gemäß Fig. 1· beschrieben. 30

Die Fig.4 zeigt eine zweite Ausführungsform, deren Ausgangsverstärkerschaltung 2' Transistoren mit Polaritäten enthält, die entgegengesetzt zu jenen der entsprechenden Transistoren der Ausgangsverstärker-

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schaltung 2 der ersten Ausführungsform der Fig.l ist. Das von einer Eingangsverstärkerschaltung 1 kommende Signal wird direkt auf die Steuerelektrode eines ersten Transistors Tr~ gegeben, der ein "n"-Kanal-MOS-Transistor ist.

Andererseits wird dasselbe Signal über einen Kondensator C. auf die Steuerelektrode des "p"-Kanal-MOS-Transistors gegeben, der einen zweiten Transistor Tr₄ bildet. Eine Verspannung V₀ wird auf die Steuerelektrode

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des zweiten Transistors Tr₄ über einen zugeordneten Widerstand R... gegeben. Der Leistungsverstärker der Fig.4 arbeitet auf eine ähnliche Weise wie derjenige der ersten Ausführungsform, weshalb eine Erläuterung der Wirkungsweise der zweiten Ausführungsform.nicht erforderlich erscheint.

Die Fig.5 zeigt eine dritte Ausführungsform, deren Wechselstromleistungsverstärkerschaltung in praktischer Hinsicht verbessert ist. Im einzelnen besteht hierbei eine Eingangsverstärkerschaltung aus einem Differenzverstärker 3, während eine Ausgangsleistungsverstärkerschaltung 2" eine einfache Spannungsstabilisierungsschaltung aufweist, die aus einem "p"-Kanal-MOS-Transistor Tr₅ mit seinen miteinander verbundenen Steuer- und Absaugelektroden und einem zugehörigen Widerstand R₂ zum Erzeugen einer Vorspannung besteht, die auf die Steuerelektrode eines zweiten Transistors Tr₄ gegeben wird.

Wie dargestellt, weist der Differenzverstärker 3 zwei Eingangsanschlüsse auf, und zwar einen nicht-invertierten (+) und einen invertierten (-) Anschluß· Wenn ein Signal auf den invertierten (-) Anschluß des

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Differenzverstärkers 3 gegeben Wird, wird es invertiert und verstaut» JEn der Ausgangsverstärkerschaltung 2" wird 0s daiaft/hochmsle invertiert und verstärkt, bevor «s amAu^gangs-anschluß OUT des Leistungsverstärkt/rss

Andererseits wird ein Signal, das auf den nicht-invertierten (+) Anschluß des Differenzverstärkers 3 gegeben wird, in diesem verstärkt, worauf das verstärkte Signal in der Ausgangsverstärkerschaltung invertiert und verstärkt wird, bevor es ain Ausgangsanschluß OUT des LeistungsVerstärkers erscheint. Vom Gleichstromgesichtspunkt aus entspricht die Kombination des Differenzverstärkers 3 mit der Ausgangsverstärkerschaltung 2" einem Operationsverstärker, sie ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der äquivalente Operationsverstärker bei offener Schleife verschiedene Verstärkungsgrade für Wechselstrom- und Gleichstromsignale hat, weil ein Wechselstrom-Koppelkondensator C., in der Ausgangsverstärkerschaltung 2" verwendet wird. Diese verschiedenen Verstärkungsfaktoren sind jedoch so groß, daß diese Schaltungsanordnung, wenn sie als Wechselstromverstärker verwendet wird, wie dies bei der Einrichtung gemäß Fig, 5 der Fall ist, als ein Wechselstromverstärker angesehen werden kann, der einen

normalen Operationsverstärker verwendet. ■

Wie in der Fig.5 dargestellt, wird ein Wechselstromsignal von einer Signalquelle 4 auf den invertierten Eingangsanschluß (-) des Eingangsverstärkers 3 über einen gleichstromabtrennenden Kondensator C₂ und einen Eingangswiderstand Rj gegeben. Außerdem wird ein Rückkopplungssignal von dem Ausgangsanschluß OUT des Leistungsverstärkers auf den invertierten Eingangsan-

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Schluß (-) des Eingangsverstärkers 3 über eine Rückkopplungsschaltung gegeben, die aus einer Parallelschaltung eines Widerstands R. mit einem Kondensator C-, besteht. Bei diesem Inversions-Verstärker ist die Spannung V_DC, die im Ruhestand am Ausgangsanschluß OUT des Leistungsverstärkers erscheint, gleich der Bezugsspannung V^_n, die am nicht-invertierenden Anschluß (+) des Eingangsverstärkers 3 ansteht. Deshalb kann der Arbeitspunkt des Leistungsverstärkers leicht auf eine gewünschte Spannung gelegt werden, indem die Bezugsspannung V-^_n in geeigneter Weise ausgewählt wird. Die Rückkopplungsschaltung kann anstelle einer Parallelschaltung von Kondensator und Widerstand auch eine Diode aufweisen.

Mit dieser Schaltungsanordnung wird während der Ruhezeit kein elektrischer Strom auf die Last L gegeben, falls ein Ende der Last auf der Bezugsspannung V gehalten wird und falls das andere Ende der Last mit dem Ausgangsanschluß OUT des LeistungsVerstärkers verbunden ist. Auf diese Weise wird der Verbrauch elektrischer Energie während der Ruhezeit auf wirksame Weise verringert. Für den Fall, daß der Verstärkungsfaktor - wie oben erwähnt - bei offener Schleife für ein Wechselstromsignal groß ist, so ist der Wechselspannungs-Verstärkungsfaktor des invertierten Verstärkers, der mit einer Rückkopplungsschaltung ausgerüstet ist, gleich dem Verhältnis des Eingangswiderstands R^ zum Rückkopplungswiderstand R., weshalb ein gewünschter Verstärkungsfaktor leicht ausgewählt werden kann.

Die Eigenschaften der Ausgangsverstärkerschaltung werden im folgenden näher beschrieben. In der Aus-

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gangsverstärkerschaltuftg wirf die Ausgangs spannung einer Konstantspannungsschaltung auf die Steuerelektrode des zweiten Transistors Tr. gegeben. Die Transistoren Tr₄ und Tr₅ bilden zusammen eine elektrische Strom-'Spiegelschaltung, weshalb sich die elektrischen Ströme, die durch die Transistoren Tr₄ und Tr^ fließen, zueinander proportional verhalten und eine gute Reproduzierbarkeit aufweisen, wenn die Schaltung in Form einer integrierten Schaltung aufgebaut wird. Dank dieses Umstands kann ein Gleichstrom, der in dem Transistor Tr₄ fließt, d.h. ein Ruhestrom, leicht durch geeignete Auswahl des Widerstands R₂ bestimmt werden, und dementsprechend ist auch der Schaltungsentwurf einfach.

Die Kombination des Differenzverstärkers 3 mit der Ausgangsverstärkerschaltung 2" hat ein ebenso breites Anwendungsgebiet wie ein Operationsverstärker. Beispielsweise kann diese Kombination als ein nicht-invertierender Verstärker dienen, wenn Wechselstromsignale auf den nicht-invertierten Eingangsanschluß (+) des Eingangsverstärkers 3 gegeben werden. Ferner kann sie als aktives Filter wirken, wenn der Kondensator C_?, der Widerstand R₃ und die Rückkopplungsschaltung des Kondensators C₃ und des Widerstands R₄ für diesen Zweck durch ein geeignetes Netzwerk ersetzt werden.

Die Fig.6 zeigt eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Wechselstromleistungsverstärkers bei einer Lautsprechertreiberschaltung. Wie dargestellt, ist der Verstärker als BLT-Schaltung ausgebildet, die aus zwei Wechselstromleistungsverstärkern besteht, von denen jeder einen Differenzverstärker 5 oder 6 und

eine Ausgangsverstärkerschaltung 7 oder 8 aufweist. Im einzelnen weist die Lautsprecher-Treiberschaltung eine erste Verstärkerschaltung mit einem Differenzverstärker 5, einer Ausgangsverstärkerschaltung 7, einem Kondensator C., mit Widerständen R^, Rg und R-, einem Eingangsanschluß IN und einem ersten Ausgangsanschluß OUT auf, sowie eine zweite Verstärkerschaltung mit einem Differenzverstärker 6, einer Ausgangsverstärkerschaltung 8, mit Widerständen R„ und Rg, mit einem Eingangsanschluß, dem ein Ausgangssignal von der ersten Verstärkerschaltung zugeführt wird, sowie mit einem zweiten Ausgangsanschluß OUTj auf. Die erste Verstärkerschaltung ist als nicht-invertierter Verstärker ausgebildet, dessen

Verstärkungsfaktor G durch _~ 7_ bestimmt ist.

R₇
Andererseits ist die zweite Verstärkerschaltung als invertierender Verstärker ausgebildet, und die zugehörigen Widerstände R_R und Rg sind so ausgewählt, daß sie einander gleich sind, so daß der Verstärkungsfaktor des invertierten Verstärkers gleich -1 sein kann.

Bei dieser Anordnung erscheint ein Spannungssignal am Ausgangsanschluß OUT. G-mal so groß wie ein Spannungssignal, das auf den Eingangsanschluß IN der Treiberschaltung gegeben wird, während am Ausgangsanschluß OUT₂ ein Spannungssignal G-mal so groß wie ein Spannungssignal erscheint, das auf den Eingangsanschluß IN gegeben wird. Somit kann die erforderliche elektrische Leistung auf einen kleinen dynamischen Lautsprecher SP gegeben werden, der zwischen den Anschlüssen OUT. und OUT₂ liegt.

Die Figuren 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsformen,

wobei eine Eingangsverstärkerschaltung als C-MOS-Differenzverstärker ausgebildet ist. In den Fig. und 8 ist der positive Anschluß der Stromversorgung mit V_nn bezeichnet, während der negative An-Schluß der Stromversorgung mit V_oc, bezeichnet ist.

ob

Der invertierte Eingangsanschluß des Eingangsverstärkers ist durch das Symbol (*-O gekennzeichnet; dagegen ist der nicht-invertierte Eingangsanschluß des Eingangsverstärkers durch das Symbol Γ-Γ) gekenn ze ichnet. Der Ausgangsanschluß der Vorrichtung ist mit OUT bezeichnet.

Die in der Fig.7 gezeigte Einrichtung besteht aus drei Teilen, die mit gestrichelten Linien eingerahmt sind. Der erste Teil weist einen Gleichstrom-Differenzverstärker 9 auf, der einen "p"-Kanal-MOS-Transistor Tr,, zwei "p"-Kanal-MOS-Transistoren Tr₇ und Tr_g, die mit zwei Differenz-Eingangsanschlüssen verbunden sind und zwei "n"-Kanal-MOS-Transistoren Tr_g und Tr₁₀ enthält, die mit den zwei Verstärker-Transistoren Tr₇ und Tr₈ als deren Lastwiderstände verbunden sind. Der Gleichstrom-Differenzverstärker 9 stellt am Verbindungspunkt zwischen der Absaugelektrode des Transistors Tr₀ und

der Absaugelektrode des Transistors Tr₁ ein Ausgangssignal bereit. Der zweite Teil besteht aus einer Ausgangsverstärkerschaltung 10, die einen ersten Leistungstransistor Tr₁₁ enthält, d.h. einen großen "n"-Kanal-MOS-Transistor; sowie einen zweiten Leistungstransistor T^₁₂/ d.h. einen "p"-Kanal-MOS-Transistor, dessen Kanalbreite ungefähr zweimal so groß ist wie die des ersten Transistors Tr₁₁; sowie einen Wechselstrom-Koppelkondensator C_x-, einen Widerstand R₁₁/ der mit einer Schaltung für die Zuführung

der Vorspannung verbunden ist; und einen Rückkopplungskondensator Cg, der das Auftreten einer höheren Frequenz verhindert.

Der dritte Teil besteht aus einer Konstantspannungsschaltung 11, die einen "p"-Kanal-MOS-Transistor Tr₁₃ und einen Widerstand R., aufweist. Der Spannungsstabilisierer gibt eine Vorspannung sowohl auf den Transistor Tr, im Differenzverstärker 9 als auch auf

die- Steuerelektrode des zweiten Transistors Tr-jo ^^η der Ausgangsverstärkerschaltung 10.

Wie in der Fig.8 dargestellt, ist der Leistungsverstärker der Fig.7 durch das Hinzufügen einer C-MOS-Verstärkerschaltung 12 zwischen dem Ausgang der Differenzverstärkerschaltung 9 und dem Eingang der Ausgangsverstärkerschaltung 10 modifiziert, wodurch die Verstärkung der.Einrichtung bei offener Schleife vergrößert wird. Die Verstärkerschaltung 12 besteht aus einer ersten Inverterschaltung mit einem '^"-Kanal MOS-Transistor Tr-. und einem zugehörigen Lastwiderstand in Form eines "p"-Kanal-MOS-Transistor Tr,₅ sowie einer zweiten Inverter-Schaltung mit einem "n"-Kanal-MOS-Transistor Tr.,,- und einem zugehörigen Lastwiderstand in Form eines "p"-Kanal-MOS-Transistor Tr₁₇, wobei die erste und die zweite Inverterschaltung direkt miteinander verbunden sind. Die Transistoren Tr₁₅ und Tr₁₇, die als Lastwiderstände verwendet werden, haben eine im Vergleich zur Breite vergrößerte Kanallänge, weshalb ihre Impedanzen groß genug sind, um den elektrischen Energieverbrauch auf einen sehr niedrigen Wert zu drücken.

Wie sich aus den obigen Erläuterungen ergibt, besitzt

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ein erfindungsgemäßer Wechselstromverstärker einen Dynamikbereich, der in seinem Umfang dem Spannungsbereich der Stromversorgung entspricht. Außerdem weist er einen erniedrigten Ruhe-Energieverbrauch auf, verglichen mit der verfügbaren Ausgangsleistung. Außerdem ist es durch die Verwendung eines Differenzverstärkers in der Eingangsstufe eines Wechselstromleistungsverstärkers möglich, die Gleichstrom-Arbeitspunktspannung wunschgemäß festzulegen (also die Spannung, die am Ausgangsanschluß des Wechselstromverstärkers im Ruhezustand erscheint). Die Verwendung einer Rückkopplungsschaltung erleichtert zudem die Auswahl eines Verstärkungsfaktors beim Schaltungsentwurf. Ein erfindungsgemäßer Wechselstromleistungsverstärker kann entweder als nichtinvertierter oder als invertierten Verstärker ausgebildet sein, weshalb leicht eine BLT-Schaltung aufgebaut werden kann. Die notwendigen Teile für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wechselstromleistungs-Verstärkers dind auf MOS-Transistoren, Widerstände und Kondensatoren beschränkt, weshalb dieser Verstärker leicht in Form einer C-MOS integrierten Schaltung hergestellt werden kann und somit sehr klein ist. Ein erfindungsgemäßer Wechselstromverstärker und digitale Schaltungen können auf einfache Weise in hybrider Form als integrierte Schaltung aufgebaut werden.

Ein erfindungsgemäßer Wechselstromverstärker kann überdies in vorteilhafter Weise in einer kleinen Einrichtung eingesetzt werden, die mir Batterien bestückt ist, z.B. in einer zeitsignalisierenden Armbanduhr, in der eine Lautsprecher mit niedriger Impedanz von einer Batterie mit großem Innenwider-

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widerstand angetrieben wird.

Die Erfindung wurde zwar im Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsformen beschrieben, doch versteht es sich, daß Abwandlungen noch im Rahmen der Erfindung liegen.

Claims

P 276-CW/84 Leistungsverstärker Patentansprüche

1. Leistungsverstärker, gekennzeichnet durch eine Eingangsverstärkerschaltung (1) und eine Ausgangsverstärkerschaltung (2), an welche eine Last anschließbar ist, wobei der Ausgang der Eingangsverstärkerschaltung (1) mit dem Eingang der Ausgangsverstärkerschaltung (2) verbunden ist und die Ausgangsverstärkerschaltung (2) steuerbare elektronische Elemente aufweist.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Elemente Feldeffekttransistoren sind.

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3. Lelstung$vers1^pk(5ijr-,.äntaiJh.^nsp3ruch 2, dadurch ge Kennte iohne,,fc > da:ß, die Feldeffekttransistoren Metalloxid-Halbleiter Sind (MOS-Transistoren).

4. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenem Ansprüche/ dadurch gekennzeichnet, daß zwei komplemeiitärö Transistoren (Tr₁, Tr₂) vorgesehen sind. ν ■ >

5. Leistungsverstürksr n^ch Anspruch 4, dadurch gefrennsfrichyiij,^, daß eine Vorspannungsschaltung (V_) vorgesehen ist, elie eine feste Vorspannung auf einen der Transistoren C?^) gibt.

6. Leistungsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Transistor (Tr-) als Vorspannung die Gleichstromkomponente eines Ausgangssignals der Eingangsverstärkerschaltung (1) erhält.

7. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungen der Transistoren (Tr₁, Tr₉) auf den gleichen und relativ niedrigen Wert gesetzt sind.

8. Leistungsverstärker mit niedrigem Energieverbrauch, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Eingangsverstärkerschaltung (1) für die Verstärkung von Wechselstromsignalen enthält; daß er ferner eine Ausgangsverstärkerschaltung (2) aufweist, die einen ersten MOS-Transistor (Tr.) besitzt, dessen Steuer-Elektrode mit dem Ausgangsanschluß der Wechselstromeingangsverstärkerschaltung (1) verbunden ist;

daß ein zweiter MOS-Transistor (Tr_n) vorgesehen ist, dessen Polarität komplementär zur Polarität des ersten MOS-Transistors (Tr₁) ist; daß die Steuerelektrode des zweiten MOS-Transistors (Tr₉) über einen Kondensator (C₁) mit dem Ausgangsanschluß der Wechselstromeingangsverstärkerschaltung (1) verbunden ist, wobei die Saugoder Abzugselektroden des ersten und des zweiten MOS-Transistors (Tr₁, Tr₉) miteinander verbunden sind und einen Ausgangsanschluß (OUT) bereitstellen, wobei die Quellenelektroden des ersten und des zweiten MOS-Transistors (Tr₁, Tr₂) mit einer ersten beziehungsweise einer zweiten Speiseleitung (V_DD, ^v _ss) verbunden sind;

und daß eine Vorspannungs-Versorgungsschaltung (V ) vorgesehen ist, welche eine geeignete Gleichstrom-Vorspannung an die Steuerelektrode des zweiten MOS-Transistors (Tr₂) legt.

9. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsverstärkerschaltung (1) einen Differenzverstärker enthält.

10. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungs-Versorgungsspannungsschaltung aus einer Konstantspannungsschaltung besteht.

11. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantspannungsschaltung aus einer Stromspiegelschaltung bezüglich des zweiten MOS-Transistors (Tr₄) in der Ausgangsverstärker-

Schaltung (2") besteht.

12. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß eine negative Rückkopplungsschaltung (C_n., R.) zwischen dem Ausgangsanschluß der Ausgangsverstärkerschaltung (2") und dem Eingangsausschluß der Eingangsverstärkerschaltung (3) vorgesehen ist.

13. Leistungsverstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet. daß die negative Rückkopplungsschaltung einen Widerstand (R₄) enthält.

14. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsverstärkerschaltung (1) und die Ausgangsverstärkerschaltung (2) monolithisch aufgebaut sind.

15. Anwendung des in einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüchen beschriebenen Leistungsverstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Verstärker (5, 7; 6, 8) vorgesehen sind, die eine Last (SP) speisen.

16. Anwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leistungsverstärker (5, 7; 6, 8) so miteinander verbunden sind, daß sie komplementäre Ausgangssignale abgeben.

17. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des zweiten Transistors

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(Tr₂) an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C-) und einem Widerstand (R₁) angeschlossen ist, wobei dieser Widerstand an einer Gleichspannungsquelle (V₀) liegt.
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18. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsverstärkerschaltung (2") drei MOS-Transistoren (Tr₃, Tr₄, Tr₅) enthält, von denen die Steuerelektrode eines MOS-Transistors (Tr₁-) über einen Widerstand (R₁) mit der Steuerelektrode eines anderen MOS-Transistors (Tr₄) verbunden ist.

19. Leistungsverstärker nach einen oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung aus der Parallelschaltung eines Kondensators (C₃) ^m^ einem Widerstand (4) besteht.

20. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker (9) einen "p"-Kanal-MOS-Transistor (Tr,-) und zwei "p"-Kanal-MOS-Transistoren (Tr₇, Tr₈) aufweist, wobei letztere an zwei Differenzanschlüsse angeschlossen sind, und daß diese Differenzverstärker (9) außerdem mit zwei "n"-Kanal-MOS-Transistoren (Tr„, Tr_1n) versehen ist, die als Last-Widerstände der verstärkenden Transistoren (Tr₇, Tr₇) dienen.

21. Leistungsverstärker nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ,gekennzeichnet, daß die Konstantspannungsschaltung (11) einen "p"-Kanal-MOS-Transistor (Tr₁₃) ^un^ einen Widerstand (R₁₀) enthält.

22. Leistungsverstärker naqh einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine C^MOS-Verst^rkerschaXtung (12) zwischen den Ausgang des Piffexenzverstärkers (9) und den Eingang der Ausgangsverstärkerschaltung (10) gelegt ist.

23. Leistungeverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei über ein Feld steuerbare elektronische Verstärkerelemente (Tr,, Tr~) vorgesehen sind, die einen gemeinsamen Verbindungspunkt (OUT) aufweisen, an den eine Last (L) anschließbar ist, und daß diese Verstärkerelemente (Tr₁, Tr₉) mit Vorspannungen betrieben werden, die eine minimale Verlustleistung der Verstärkerelemente (Tr₁, Tr₂) im Ruhezustand bewirken.

24. Leistungsverstärker nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ansprüchen 1 bis 22 erwähnten Merkmale einzeln oder in ihrer Gesamtheit als Ausgestaltungen vorgesehen sind.

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