DE3421126C2

DE3421126C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Soll-Gleichspannungsverlaufs am Ausgang einer Gegentaktendstufe

Info

Publication number: DE3421126C2
Application number: DE19843421126
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Hanselmann (FH), 7110 Öhringen; Johann Dipl.-Ing. 7104 Obersulm Mattfeld; Joachim Dipl.-Ing. 7129 Neckarwestheim Sinderhauf
Original assignee: Telefunken Electronic 7100 Heilbronn GmbH; Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1984-06-07
Filing date: 1984-06-07
Publication date: 1986-04-03
Also published as: DE3421126A1

Description

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Zur Erzielung eines möglichst großen Scheitelwertes der Ausgangsspannung eines Transistorverstärkers wird dessen Mittengleichspannung am Ausgang der Gegentaktendstufe in der Regel so gelegt, daß sie etwa halb so groß wie die Batteriespannung bzw. die Versorgungsspannung der Schaltung ist. Dadurch wird erreicht, daß eine Aussteueruhg der Schaltung in der positiven Halbwelle mit der in der negativen Halbwelle des Signals weitgehend übereinstimmt und eine Signalbegrenzung bei etwa gleichen Werten sowohl in der positiven als auch in der negativen Halbwelle erfolgt. Für NF-Verstärker muß die genannte Bedingung für einen möglichst großen Spannungsbereich der Versorgungsspannung erfüllt sein, da diese modernen Schaltungen sowohl bei abfallender Batteriespannung bis etwa auf den halben Wert der Nennspannung als auch bei sehr unterschiedlichen Versorgungsspannungen immer optimal funktionieren sollen. Bei Erfüllung dieser Dimensionierungsvorschrift wird für die Ausgangsleistung ein Maximum erzielt. Bei den bekannten Verstärkerschaltungen mit Gegentakt-B-Endstufe beträgt folglich die Mittengleichspannung am Ausgang des Verstärkers die Hälfte der Batteriespannung oder der Versorgungsspannung. Diese Spannungsteilung wird in der Regel mit Hilfe eines Spannungsteilers herbeigeführt.

Die genannte Dimemsionierung der Mittengleichspannung ist jedoch nur dann optimal, wenn es gelingt, vollkommen symmetrische Verstärkerschahungen herzustellen. Da Verstärker jedoch heute in aller -tiegel in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut werden, ist eine absolute Symmetrierung im Hinblick auf die zur Verfügung stehenden Integrationstechnologien mit NPN- und PNP-Transistoren nur mit sehr großem Aufwand möglich, so daß aus wirtschaftlichen und technischen Gründen Kompromisse gefunden werden müssen. So bestehen die Endstufentransistoren einer integrierten Gegentakt-B-Endstufe in der Regel aus gleichartigen Transistoren, beispielsweise vom NPN-Lehungstyp, wobei zur Phasenumkehrung einem dieser Transistoren ein PNP-Transistor vorgeschaltet ist. Diese Endstufen werden als quasikomplementär bezeichnet Weitere Unsymmetrien ergeben sich durch die an den Treibertransistoren und an den Spannungseinstellungsdioden abfallenden Restspannungen.

Der Erfindung liegt daher die Erkenntnis zugrunde, daß bei den modernen integrationsfähigen Verstärkerschaltungen die Mitisngleichspannung am Ausgang der Schaltung nur annähernd der halben Betriebsspannung entspricht. Die Abweichung vom halben Wert der Betriebsspannung ist, falls eine Optimierung der Schaltung gewünscht wird, vom Absolutwert der Betriebsspannung abhängig. Dies bedeutet, daß bei sehr niederen Betriebsspannungen die Abweichung der Mittengleichspannung von dieser Betriebsspannung prozentual relativ größer ist als bei größeren Werten für die Betriebsspannung. Dies beruht darauf, daß bei kleinen Betriebsspannungswerten die Unsymmetrien in der Verstärkerschaltung stärker zur Geltung kommen.

Die Mittengleichspannung muß _;^her in Abhängigkeit von der zur Verfugung stehenden Batteriespannung unterschiedliche Prozentsätze dieser Batteriespannung annehmen, wobei sich die Mittengleichspannung an die halbe Batteriespannung mit zunehmenden Werten dieser Batteriespannung annähen. So wurde bei einem NF-Verstärker mit quasikomplementärer Endstufe gemäß F i g. 1 festgestellt, daß bei einer Versorgungsspannung Ub von 2 V die Mittengleichspannung Um 30% der Batteriespsinnung betragen muß, während bei einer Batteriespannung von 9 Volt die Spannung U_M 45% des Wertes der Batteriespannung hat, um eine optimale Aussteuerung der Verstärkerschaltung und damit eine maximale Ausgangsleistung zu erzielen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit deren Hilfe eine Mittengleichspannung bei NF-Verstärker erzielt wird, die sich mit der Versorgungsspannung derart verändert, daß eine optimale Aussteuerung und eine maximale Ausgangsleistung erzielt wird.

Bei einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Soll-Gleichspannungsverlaufs am Ausgang einer Gegentakt-Endstufe in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Spannungseinstellung ein aus verschiedenen Stromzweigen bestehendes Netzwerk vorgesehen ist, das so dimensioniert ist, daß die einzelnen Stromzweige mit zunehmender Versorgungsspannung nacheinander stromführend werden. Die Spannungseinstellung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Stromspiegelschaltung, in deren Eingangskreis das Netzwerk liegt und in deren Ausgangskreis die Last liegt, an der die

Ausgangsgleichspannung Um ansteht.
' Das Netzwerk besteht in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung aus mehreren parallel geschalteten Stromzweigen, deren Aktivierungsspannung, bei der diese Stromzweige stromführend werden, im wesentlichen durch die Zahl der in Reihe und in Flußrichtung geschalteten Dioden im jeweiligen Stromzweig bestimmt wird. Dadurch wird erreicht, daß mit zunehmende/ Versorgungsspannung nach und nach die parallel geschalteten Stromzweige derart stromführend werden, daß die Ausgangsgleichspannung aufgrund des ansteigenden Summenstroms durch die Stromspiegelschaltung und damit durch die Last überproportional mit der Versorgungsgleichspannung ansteigt In Abhängigkeit von der Versorgungsspannung ergeben sich somit die gewünschten prozentualen Werte für die Ausgangsgleichspannung Um.

Die Erfindung wird nachstehend noch anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert Die

F i g. ί zeigt einen NF-Verstärker mit quasikomplementärer Gegentakt-B-Endstufe.

F i g. 2 zeigt eine vorteilhafte und geeignete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Netzwerkes. In

F i g. 3 ist der Spannungsverlauf der Ausgangsgleichspannung des Verstärkers in Abhängigkeit von der Batteriespannung dargestellt

Der NF-Verstärker gemäß Fig. 1 enthält eine Vorstufe aus dem Transistor Γι 9 und der Differenzverstärkerstufe mit den Transistoren Γι7 und T_x& eine Treiberstufe mit dem Transistor T20 und eine quasikomplementäre Gegentakt-B-Endstufe mit den NPN-Endstufentransistoren T_x und T₂ und dem PNP-Transistor T_Xe, der dem Endstufentransistor Γ2 vorgeschaltet ist und die erforderliche Phasendrehung bewirkt. Die Ausgangsgieichspannung Uy,, die vielfach auch als Mittenspannung bezeichnet wird, fällt an der Verbindung zwischen Kollektor und Emitter beider Endstufentransistoren T_x und T2 und damit an der Reihenschaltung aus Auskoppelkondensaior C_L und Last R_L ab. Zur Arbeitspunkteinstellung der Endstufe dient auch der Widerstand Rj zwischen Kollektor und Basis des Endstufentransistors T\, der mit den in Flußrichtung betriebenen Dioden D_x und D₂ und der Kollektoremitterstrecke des Treibertransistors T20 in Reihe geschaltet ist. Die Restspannungen der Transistoren der Treiberstufe und der Endstufe sowie der Dioden D_x und D₂ bewirken die Unsymmetrien, die insbesondere bei niederen Batteriespannungen Ub eine prozentuale Anpassung der Ausgangsgleichspannung Um in der bereits geschilderten Weise erforderlich macht.

Die Ausgangsgleichspannung Um wird gemäß der Schaltung nach F i g. 1 mit Hilfe eines Stromspiegelverstärkers aus den Transistoren Γ3 und Γ4 eingestellt. Im Eingangsstromkreis dieses Stromspiegelverstärkers und damit in der Kollektorstrecke des ab Diode betriebenen Transistors Γ3 liegt beim Stand der Technik ein Widerstand R_x. Der Ausgangcstromkreis des Svromspiegelverstärkers und damit der Kollektorzweig des Transistors Ta ist über die in Reihe geschalteten Widerstände R'i und R 2 mit dem Ausgang A des Verstärkers verbunden; wobei gilt R'2 < R2- Der als Diode betriebene Transistor Tz ist parallel zur Basisemitterstrecke des Transistors T* geschaltet. Durch den Transistor Tj fließt ein Strom /3, für den ρilt:

<->BE

Übe bezeichnet den Spannungsabfali an der Basrsemitterstrecke des Transistors Γ3. Am Widerstand R_x fällt dann die Spannung

U_x = /3 ■ Ri

ab. Da im Transistor Γι ein Kollektorstrom U fließt, der dem Strom im Transistor Γ3 und dem Emitterflächenverhältnis der beiden Transistoren proportional ist, er- !0 gibt sich für den Strom U der Wert:

I₄=I₃
wobei

Fei '

das EmiUerRächenverhäitnis der Transistoren Γ3 und Ta bezeichnet. Wenn gleiche Transistoren Γ3 und Ta verwendet werden, ist das Verhältnis FeJFe3 = 1 und es gilt:

/4 = Λ-

Hiermit ist der Spannungsabfall am Widerstand R2 und damit auch die Ausgangsgleichspaiinung am Punkt A durch die Wahl des Widerstandes R₂ gegeben. Es gilt dann

Um = U₂ + Übe - /3 ■ R₂ + U_8E

wobei sich der Faktor Übe dadurch ergibt, daß an der Basiselektrode des Transistors Γ·β dieser Spannungswert ansteht. Wenn somit der Widerstand R₂ halb so groß ist wie der Widerstand R\, liegt am Pjnkt A etwa 50% der Spannung Ub an. Diese Spannung Um ändert sich proportional mit der Batteriespannung, da sich auch der Strom /3 und damit der Strom /4 proportional mit der Batteriespannung verändert.

In der F i g. 3 zeigt die Kurve a die Abhängigkeit der Spannung Um von der Batteriespannung Ub in einem logarithmischen Maßstab. Es gilt:
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U_M=\I1 Ub.

Die Kurve b zeigt den optimalen Verlauf der Ausgangsgleichspannung, bei der eine maximale Aussteuerung und eine maximale Ausgangsleistung möglich ist. Bei einer Batteriespannung von 2 V beträgt die Ausgang.^ieichspannung 0,6 V und damit 30% der Batteriespannung; dieser prozentuale Wert steigt bis zur Batteriespannung von 9 V auf ca. Um — ⁴ V und damit auf 45% der Batteriespannung an.

Nach der Erfindung wird diese nicht mehr der Batteriespannung proportionale Funktion durch Ersatz des Widerstandes R₁ zwischen den Anschlüssen Sund Cder Schaltung nach F i g. 1 durch ein Netzwerk /Vgelöst.

Das Netzwerk N besteht beispielsweise gemäß F i g. 2 aus vier parallel geschalteten Stromzweigen Z_x, Z₂, Zj und Za. Der Stromzweig Z_x enthält zwei aus Dioden in Flußrichtung geschaltete Transitoren T₅ und T₆ sowie einen Widerstand A3. Der Stromzweig Z2 enthält zwei als Dioden geschaltete und in Flußrichtung betriebene Transistoren T₈ und T₉, den Widerstand Ra und den als Diode betriebenen Transistor Γ7, der Teil einer Stromspiegelschaltung ist. Der Kollektorstromzweig

des Transistors Ti bildet den Eingangskreis dieser Stromspiegelschaltung. Der Ausgangsstromkreis dieses Stromspiegelverstärkers wird durch die Kollektorstrekke des Transistors Γιο gebildet, der mit dem Punkt C verbunden ist. Im Emitterstrompfad dieses Transistors Tio liegt noch ein Widerstand Rj. Die Reihenschaltung aus Widerstand R5 und Kollektoremitterstrecke des Transistors Γιο bildet den Stromzweig Zz. Der Stromzweig Z₄ besteht aus fünf in Reihe und in Flußrichtung geschalteten, als Diode betriebenen Transistoren Tw bis Γ|₅ und dem hierzu in Reihe geschalteten Widerstand /?6. Bei einem geeigneten Ausführungsbeispiel hatten die Widerstände R] und R₆ den Wert von 39 kO. Der Widerstand R₄ hatte den Wert von 6,1 kQ und der Widerstand Ri hatte einen Wert von 75 Ω.

Bei Spannungen ab etwa 1,2 V aufwärts fängt der Stromzweig Zi an stromführend zu werden, während die anderen Stromzweige Zi bis Z₄ gesperrt bleiben. Der Ausgangsstrom durch den Widerstand /?2 wird somit bei niedrigen Werten der Batteriespannung Ub ausschließlich durch den Stromzweig Z\ bestimmt. Ab etwa 1,8 V wird auch der zweite Stromzweig Zi leitend, so daß sich die beiden Ströme durch die Stromzweige Z\ und Zi addieren. Der Strom durch den Transistor Γ? öffnet nun auch verzögert den Transistor Γιο der Strom-Spiegelschaltung, so daß auch dieser Stromzweig Zj mit zunehmender Batteriespannung aufgesteuert wird. Der Summenstrom /3 setzt sich nun bereits aus drei Teilströmen durch die Stromzweige Z\ bis Z^ zusammen. Schließlich wird ab einer Batteriespannung von ca. 3 V auch der Stromzweig Z₄ leitend, so daß der durch diesen Stromzweig fließende Strom den Summenstrom /3 zusätzlich erhöht. Insgesamt bedeutet dies, daß der Strom /3 stärker als proportional mit der Batterispannung Ub ansteigt, so daß auch die Ausgangsgleichspannung Um stärker als proportional gemäß dem Kurvenverlauf b in F i g. 3 erhöht wird. Durch eine Abänderung des Netzwerkes, beispielsweise durch Hinzufügen einzelner Dioden in den verschiedenen Stromzweigen, kann die Ausgangsgleichspannung in weiten Grenzen an die geforderte Funktion der Schaltung angepaßt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

10 15 Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Soll-Gleichspannungsverlaufs am Ausgang einer Gegentakt-Endstufe (Ti, T₂) in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung (Ub), dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungseinstellung ein aus verschiedenen Stromzweigen (Zi -Z₄) bestehendes Netzwerk (N) vorgesehen ist, das so dimensioniert ist, daß die einzelnen Stromzweige mit zunehmender Versorgungsspannung nacheinander stromführend werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungseinstellung mit Hilfe einer Stromspiegelschaltung (T₃. T₄) erfolgt, in deren Eingangskreis das Netzwerk (N) liegt und κι deren Ausgangskreis die Last (R₂) liegt, an der die Ausgangs-Gleichspar.nun.g (Uu) ansteht

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (N)Jaus mehreren parallel geschalteten Stromzweigen (Zi-Zt) besteht, deren Aktivierungsspannung im wesentlichen durch die Zahl der in Reihe und in Flußrichtung geschalteten Dioden bestimmt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in einem Stromzweig (Z₂) eine Diode (T₇) Teil einer Stromspiegelschal fing (T₁, Ti 0) ist, deren Ausgangskreis (Zi) gleichfalls parallel zu den Stromzweigen (Zi, Z₂, Zi) geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ^kennzeichnet, daß mit zunehmender Versorgungsspannung (Ub) nach und nach die parallel geschalteten Stromzweige (Zi-Z₄) derart stromführend werden, daß die Ausgangs-Gleichspannung aufgrund des ansteigenden Summenstroms durch die Stromspiegelschaltung (T₃, T₄) und damit durch die Last (Ri) überproportional mit der Versorgungsspannung ansteigt.

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