DE3432031C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausgangsstufenschaltung für einen linearen Verstärker.

Analogverstärker weisen normalerweise sehr niedrige Impedanzen am Signalausgang auf, so daß sie als Konstant­ spannungssignalquellen Lasten zu speisen oder zu betrei­ ben vermögen. Wenn mehr als ein Verstärker zum Speisen oder Betreiben einer gemeinsamen Last verwendet wird entstehen Lastverteilungsprobleme. Eine solche Situation kann bei einem Multiplexsystem auftreten, bei dem mehre­ re Signalquellen in einer vorbestimmten Folge betätigt werden, um eine gemeinsame Leitung zu speisen. Wenn mehrere Signalverstärker mit einer gemeinsamen Leitung verbunden werden, besteht eine Steuerungsmöglichkeit darin, den Stromfluß in allen außer einem Verstärker abzuschalten, jedoch kann, wenn dies geschieht, noch immer eine gewisse parasitäre Wirkung auftreten. Z.B. hat in einer Ausgangsstufe deren Eingang eine Streu­ kapazität, welche eine Klemmung des Eingangspotentials bewirken kann. Wenn der Ausgang sich ändert, ändert sich die Transistorvorspannung. Wenn die Emitter/Basis- Diode in der Vorwärts-Vorspannungsrichtung oberhalb 1 V_BF betrieben wird, gelangt der Transistor in den Zu­ stand der Leitfähigkeit. Beim Zustand der umgekehrten Vorspannung kann die Emitter/Basis-Diode bei einer re­ lativ niedrigen Spannungshöhe zum Zener-Durchbruch ge­ trieben werden; dies geschieht in der Regel bei einem gewöhnlichen als integrierte Schaltung (IC) ausgebil­ deten Transistor etwas oberhalb 6 V. Daher muß der Sig­ nalpegel niedrig genug sein, um sowohl die Vorwärts-Leit­ fähigkeit als auch den Zener-Durchbruch bei allen abge­ schalteten Verstärkern zu vermeiden. Eine solche Be­ schränkung ist bei einem in Betrieb befindlichen System gewöhnlich nicht annehmbar. Normalerweise wird das Schalten eines Signalkanals angewendet, um die ge­ wünschten Treiberverstärker selektiv an die gemeinsame Leitung anzuschalten. Dies erfordert jedoch hochleit­ fähige Schaltvorrichtungen, und zwar je eine für jeden Verstärkerkanal. Diese Art des Schaltens wird gewöhnlich mit monopolaren Feldeffekttransistoren ausgeführt, deren Flächen dann ziemlich groß bemessen sein müssen, um die erforderliche Leitfähigkeit zu erhalten. Sehr viel günstiger wäre es, den Stromfluß innerhalb der Ver­ stärker selbst zu steuern (NSC book "LINEAR ICS FOR CONSUMER APPLlCATIONS", 1980, S.2-98).

Der Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aus­ gangsstufenschaltung mit einer Steuereinrichtung für einen linearen Verstärker zu schaffen, durch welche die Transistoren der Ausgangsstufe daran gehindert werden infolge eines Schwingungshubes der Ausgangs­ spannung in die Vorwärts-Leitfähigkeit bzw. den Zener- Durchbruchsbereich getrieben zu werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Ausgangstransistoren des Linearverstärkers werden mit Pufferverstärkern mit dem Verstärkungsgrad 1 ver­ sehen, die, wenn die Ausgangsstufe abgeschaltet wird, eingeschaltet werden, so daß jegliche Streukapazität als Funktion der Ausgangsspannung aufgeladen oder ent­ laden wird und die Ausgangstransistoren abgeschaltet bleiben. Eine Leistungsausgangsstufe wird durch Vermin­ dern ihres vorbelasteten Stroms auf null abgeschaltet. Gleichzeitig wird ein Hochgeschwindigkeitspufferver­ stärker mit dem Verstärkungsgrad 1 um die Stufe herum gekoppelt, so daß die Eingangskapazität in Übereinstim­ mung mit der Ausgangsspannung rasch aufgeladen und ent­ laden wird. Dadurch werden die Schwingungshübe der Aus­ gangsspannung daran gehindert, die Ausgangstransistoren in den Zustand der Vorwärtsleitfähigkeit oder den Rück­ wärts-Zener-Durchbruchsbereich zu treiben. Die Ausgangs­ transistoren bleiben ohne Rücksicht auf die Pegelhöhen des Ausgangsspannungssignals abgeschaltet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeich­ nungen, in welchen Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschema der erfindungsgemäßen Ausgangsstufenschaltung,

Fig. 2 das Schaltschema eines Hochgeschwin­ digkeitspufferverstärkers mit dem Verstärkungsgrad 1 zur Anwendung in Verbindung mit der Erfindung oder Benutzung eines NPN-Transistors,

Fig. 3 das Schaltschema eines Hochgeschwin­ digkeitspufferverstärkers mit dem Verstärkungsgrad 1 zur Anwendung in Verbindung mit der Erfindung unter Benutzung eines PNP-Transistors und

Fig. 4 das Schaltschema eines IC-Verstär­ kers in Verbindung mit der Erfindung.

Das Blockschema von Fig. 1 der erfindungsgemäßen Schaltung betrifft einen typischen Linearverstärker. Der Eingangsanschluß 10 ist mit einer Treiberverstärker­ stufe 11 verbunden, in der ein wesentlicher Teil des Verstärkerstroms bzw. der Spannungsverstärkung zustande­ kommt. Beim normalen Betrieb treibt die Verstärkerstufe 11 die Ausgangsstufe 12, welche die gewünschte Ausgangs­ leistung am Anschluß 13 liefert. Die Ausgangsstufe 12 bringt eine unvermeidliche im Nebenschluß liegende Streukapazität 14 an ihrem Eingang mit sich. Der Schal­ ter 15 wird durch eine Steuereinrichtung 16 betätigt, um den Treiberstrom für die Ausgangsstufe 12 zwecks Abschaltung des Verstärkers zu unterbrechen. Der durch die Steuereinrichtung 16 komplementär zu dem Schalter 15 betreibbare Schalter 17 dient zum Verbinden des Aus­ gangs des Pufferverstärkers 18 vom Verstärkungsgrad 1 mit dem Eingang der Ausgangsstufe 12.

Beim Stande der Technik, nach welchem die Verstär­ kerstufe 11 direkt die Ausgangsstufe 12 antreibt, wobei der Pufferverstärker 18 mit dem Verstärkungsgrad 1 ent­ fällt, ist, wenn der Schalter betätigt wird, um den Stromkreis abzuschalten, die Kapazität 14 noch immer vorhanden, so daß sie das Potential am Eingang der Aus­ gangsstufe 12 festklemmt. Wenn mehrere Verstärker mit dem Anschluß 13 verbunden sind, sind Signale an dem An­ schluß 13 vorhanden, so daß dessen Potential Schwankun­ gen unterworfen ist bzw. sich verändert. Es ist also jeder Ausgangstransistor einem sich ändernden Potential ausgesetzt. Für den Fall, daß die Ausgangsstufe einen Transistor in Emitterfolgeschaltung enthält, verändert der Ausgangsanschluß den Emitter und die Kapazität klemmt die Basis fest, so daß die Emitter/Basis-Spannung verändert wird. Wenn die Emitter/Basis-Diode in ihrer Vorwärts-Vor­ spannungsrichtung nach 1 V_BE getrieben wird, wird der Transistor leitfähig, auch wenn vermutet wird, er wäre abgeschaltet. Wenn die Diode in ihrer Gegenrichtung be­ trieben wird, kann sie in ihren Zener-Durchbruchsbereich gelangen, bei dem die Leitfähigkeit relativ niedriger Spannung eintritt. Der Ausgangstransistor kann also, selbst, wenn er abgeschaltet ist, durch ein Signal aus einem der anderen parallel angeordneten Verstärker in seinen leitenden Zustand gebracht werden.

Wenn der Pufferverstärker 18 mit dem Verstärkungs­ grad 1 vorhanden und der Schalter 17 geschlossen ist, wird die Kapazität 14 aufgeladen und entladen, je nach dem Potential am Anschluß 13. Wenn die Umschaltrate oder -geschwindigkeit des Pufferverstärkers 18 mit dem Verstärkungsgrad 1 groß genug gemacht wird, kann die Kapazität 14 rasch genug aufgeladen und entladen wer­ den, so daß der Transistor in der Ausgangsstufe 12 nie­ mals merklich leitend wird. Mit anderen Worten, der Ver­ stärker 18 ist dann ein Schnellpuffer mit dem Verstär­ kungsgrad 1.

Eine solche Wirkungsweise läßt sich mit einer in­ tegrierten Schaltung (IC) üblicher Art mit Hilfe eines Transistors verwirklichen, die als Emitterfolgeglied geschaltet ist, das auf eine Konstantstromlast wirkt wie in Fig. 2 gezeigt. Die Last 21 kann von einem Steuer­ stromkreis aus betrieben werden, der mit dem Anschluß 23 so verbunden ist, daß er die Schalterfunktion für den Puffer übernimmt. Wenn der Steuereingang am Anschluß 23 die Stromsenke 21 abschaltet, ist der in Fig. 1 mit 17 bezeichnete Schalter geöffnet. Tatsächlich wirkt, da der Basisstrom des Transistors 20 über den Anschluß 22 geführt sein muß, der Puffer so, als wenn sowohl am Eingang als auch am Ausgang des Puffers Schalter vorhan­ den wären. Fig. 3 zeigt eine komplementäre Abwandlung der Schaltung nach Fig. 2. Der PNP-Transistor 25 weist vorzugsweise eine vertikale Bauform auf und verwendet die Stromquelle 26 als Emitterlast. Der Basiseingangs­ anschluß 27 liefert das Eingangssignal und führt auch den Basisvorbelastungsgleichstrom. Der Steueranschluß 28 betätigt die Stromquelle 26; diese Elemente sorgen für die Pufferschalterwirkung.

Bei den Schaltungen nach Fig. 2 und 3 liegt die Spannungsverstärkung sehr nahe bei 1. Gleichstrommäßig bringt die Schaltung nach Fig. 2 eine Versetzung oder Verschiebung zwischen Ein- und Ausgang von -V_BE hervor, während Fig. 3 eine Verschiebung oder Versetzung um +V_BE bewirkt Beide Schaltun en haben hohe Umschaltge­ schwindigkeiten, wie dies für Emitterfolgeglieder charak­ teristisch ist.

Da die Ausgangstransistoren paarweise beteiligt sind, wird mindestens ein Paar von Pufferverstärkern mit dem Verstärkungsgrad 1 benötigt, um die Erfindung zu verwirklichen. Der NPN-Transistor 34 und die Diode 35 (die in der Regel ein als Diode geschalteter PNP- Transistor ist), dienen als Vorspannglieder und Treiber für den Transistor 33 aus der Basis des Transistors 32, so daß das Ausgangspaar nach Klasse B oder gewünschten­ falls nach Klasse AB arbeitet. Der Eingangstransistor 36 ist als Treiber mit hoher Stromverstarkung in Emit­ terfolgeschaltung geschaltet, so daß er die Ausgangs­ stufe 12 aus dem Eingangsanschluß 10 betreibt.

Die Stromsenken 37 und 38 bestimmen die Betriebs­ bedingungen der Schaltung und sind normalerweise ein­ geschaltet. Die Steuerschaltung 16 liefert die gewünsch­ te Einschaltspannung für die Senke 38 über die Leitung 40. Hierzu liefern die Leitungen 41 bzw. 42 eine Vor­ belastung für die Ausschaltung der Konstantstromvorrich­ tung 44 und 45. Diese wiederum schalten die Transisto­ ren 47 bzw. 46 ab. In diesem Zustand arbeitet die Schal­ tung in gewöhnlicher Weise als Signalverstärker.

Wenn der Verstärker abgeschaltet werden soll, schal­ tet die Leitung 40 die Stromsenke 38 ab. Diese schaltet den Transistor 34 und die Diode 35 ab. Gleichzeitig schaltet die Leitung 41 die Stromsenke 44 und die Lei­ tung 42 die Stromquelle 45 ein. Dadurch wiederum wer­ den die Transistoren 47 und 46 eingeschaltet.

Beim Ausschaltzustand des Verstärkers bewirkt die Stromsenke 37 das Herabziehen der Basis des Transistors 32 zusammen mit den Emittern der Transistoren 36 und 49. Aufgrund des Schaltungszusammenhanges ist entweder der Transistor 36 oder der Transistor 49 im leitenden Zu­ stand, aber nicht beide. Wenn die Stromsenke 44 über die Leitung 41 eingeschaltet ist, leitet der Transistor 47 den Strom zwangsläufig. Seine Leitfähigkeit hält zwangs­ läufig die Basis des Transistors 36 um 1 V_BE unter sei­ nem Transistor. Somit wird der Transistor 36 durch die Wirkung eines Puffers in Form des Transistors 47 abge­ schaltet. Dies bedeutet, daß der Transistor 49 aufgrund des Umstandes leitfähig wird, daß die Stromsenke 37 den Emitter des Transistors 49 um 1 V_BE unter seine Basis zieht. Dadurch wird die Basis des Transistors 32 unterhalb von dessen Emitter gebracht, so daß er ausgeschaltet gehalten wird. Ferner erscheint jedes Signal am Anschluß 13 auch an der Basis des Transistors 32, da der Transistor 49 als Schnellpufferverstärker mit dem Verstärkungsgrad 1 wirkt. Somit wird die Basis des Transistors 32, die eine beträchliche Streukapazi­ tät aufweisen kann, zwangsläufig dem Potential des Aus­ gangsanschlusses folgen, so daß der NPN-Ausgangstran­ sistor 32 im nichtleitenden Zustand verbleibt.

Da die Leitung 42 die Stromquelle 45 eingeschaltet hat, fließt deren Strom in dem Transistor 46, der da­ durch eingeschaltet ist. Mit anderen Worten, die Quelle 45 zieht den Emitter des Transistors 46 um 1 V_BE über dessen Basis. Diese Wirkung hält den Transistor 33 aus­ geschaltet. Der Transistor 46 wird in seinem Einschalt­ zustand ein Hochgeschwindigkeitspuffer mit dem Verstär­ kungsgrad 1, der die Streukapazität an der Basis des Transistors 33 entsprechend jedem Signal am Anschluß 13 auflädt und entlädt.

Wenn die Steuerung 16 die Schaltung abschaltet, bewirken die Pufferverstärker mit dem Verstärkungsgrad 1 (Transistoren 47, 46 und 49) das Aufladen und Entla­ den der Signalknoten-Streukapazitäten derart, daß die normal arbeitenden-Transistoren abgeschaltet bleiben, selbst, wenn Signale an dem Verstärkerausgang vorhan­ den sind.

Claims (5)

1. Ausgangsstufenschaltung für einen linearen Verstär­ ker, der gemeinsam mit einem oder mehreren zusätzli­ chen Verstärkern an ein Lastelement ankuppelbar ist, mit Eingangs- und Ausgangsanschluß und mit mindestens einem Ausgangsverstärker, der so geschaltet ist, daß er in Abhängigkeit von einem Signal an dem Eingangsan­ schluß ein verstärktes Ausgangssignal an dem Ausgangs­ anschluß hervorbringt, mit einem Pufferverstärker mit dem Verstärkungsgrad 1, dessen Eingang mit dem Ausgangsanschluß und dessen Ausgang mit dem Eingangsanschluß der Ausgangsstufe verbunden ist, und mit einer Steuervorrichtung, die den Strom für den Ausgangstransistor in Abhängigkeit zu einem Steuersignal an- und abschaltet und die den Pufferverstärker komplementär zu dem Strom zu dem Ausgangsverstärker an- und abschaltet.

2. Ausgangsstufenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferverstärker mit dem Verstärkungsgrad 1 einen in Emitterfolgeschaltung angeordneten Tran­ sistor mit einer Konstantstromquelle in seinem Emitterkreis aufweist und daß die Steuervorrichtung eine Vorrichtung zum Steuern der Leitfähigkeit der Konstantstronquelle aufweist.

3. Ausgangsstufenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe ein komplementäres Paar von Ausgangstransistoren und der Pufferverstärker mit den Verstärkungsgrad 1 ein erstes und ein zweites Emitterfolgeglied aufweist, wobei der Eingang je­ des dieser beiden Emitterfolgeglieder mit den Aus­ gangsanschluß und die entsprechenden Ausgänge mit den Eingängen der beiden Ausgangstransistoren ver­ bunden sind.

4. Ausgangsstufenschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich eins Verstärkerstufe, deren Aus­ gang so geschaltet ist, daß sie die beiden Ausgangs­ transistoren treibt, einen Eingang, und eine Ein­ richtung, die einen Vorbelastungsstrom für die Ver­ stärkststufe liefert, aufweist.

5. Ausgangsstufenschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein drittes Emitterfolgeglied, dessen Ein­ gang nit dem Ausgang der Verstärkerstufe verbunden ist, einen Ausgang, der nit den Eingang der Verstär­ kerstufe verbunden ist, und eine Vorrichtung zum Ein- und Ausschalten des dritten Emitterfolgegliedes kon­ plenentär zu dem betriebsmäßigen Vorbelastungsstrom aufweist.