DE4307606C2 - Leistungsverstärker - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker zum Vermindern
nichtlinearer Verzerrung.
Bei einer einpolig geerdeten oder Eintakt-Gegentaktschaltung
(SEPP) zeigt die VBE-IC Charakteristik eine exponentiale
Veränderung, so daß dann, wenn diese Schaltungsart als ein
Leistungsverstärker oder Endverstärker verwendet wird, eine
Verzerrung auftreten kann. Normalerweise wird eine
Spannungsverstärkung einer vorhergehenden Stufe für eine negative
Rückführung (NFB) verwendet, um eine solche Verzerrung abzubauen,
wodurch das Verzerrungsverhältnis verbessert wird.
Wenn jedoch, wie bei einem Tonfrequenzverstärker, die Lastimpedanz
nicht genau bekannt ist, kann das Durchführen einer negativen
Rückführung NFB von einem Ausgang zu Schwierigkeiten beim
Gewährleisten der Stabilität eines NFB-Schleifensystems führen.
Zum Vorsehen eines Leistungsverstärkers mit einem geringen
Verzerrungsverhältnis, oder Klirrfaktors, ohne negative
Rückführung von einem Ausgang, ist ein Verstärker notwendig, der
die Verzerrung einer vorhergehenden Stufe vermindert. Ein zur
Verwendung einer solchen vorhergehenden Stufe geeigneter
Verstärker ist beispielsweise in dem JP-GM 61-41293 und der US-A-4,420,725 beschrieben.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird bei diesem Verstärker ein
PNP-Transistor Q1, an dessen Basis ein Eingangssignal anliegt, als ein
Emitterfolger betrieben, und das Ausgangssignal des Emitterfolgers
wird als ein Eingangssignal für die Basis eines NPN-Transistors Q2
verwendet. Diese Transistoren Q1, Q2, die zueinander
entgegengesetzte Leitfähigkeitsarten aufweisen, werden mit Strömen
i1 und i2, welche stets ein festes Verhältnis zueinander haben,
durch eine aus Transistoren Q3, Q4 und Widerständen R2, R3
gebildete Stromspiegelschaltung versorgt. Ferner ist ein
Ermitterwiderstand R1 zwischen dem Emitter von Transistor Q2 und
Masse angeschlossen, um einen Schaltungsstrom zu bestimmen. Ein
Transistor Q5 ist vorgesehen, der ein Ausgangssignal dieser
Schaltung erhält und dessen Basis mit der Basis von Transistor Q3
verbunden ist, um eine Stromspiegelschaltung zu bilden. Die
Stromspiegelschaltung legt am Widerstand R5 einen Ausgangsstrom
an, der ein festes Verhältnis zu einem durch den Transistor Q2
fließenden Strom einhält. Ferner ist mit dem Ausgang des
Verstärkers ein Ausgangstransistor verbunden, um einen
Leistungsverstärker oder Endverstärker, zu bilden. Wenn der
Verstärker als ein Tornfrequenzverstärker verwendet wird, wird die
Ausgangsstufe im allgemeinen von einer komplementären SEPP
gebildet.
Um jedoch eine Last mit einem stabilem Strom vom Ausgang der
vorhergehenden Stufe zu versorgen, muß an den oben beschriebenen,
herkömmlichen Leistungsverstärker eine Ausgangsstufe, wie ein
Emitterfolger, angeschlossen werden, so daß sein Ausgangsstrom an
die Last abgegeben wird, wobei ein Nachteil darin liegt, daß die
Anzahl der den Leistungsverstärker bildenden Elemente zunimmt und
der Schaltungsaufbau kompliziert wird. Auch die von den
Transistoren in der Ausgangsstufe erzeugte Verzerrung verursacht
nach wie vor Probleme.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Leistungsverstärker
vorzusehen, der eine gute lineare Verstärkungscharakteristik bei
einem relativ einfachen Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Leistungsverstärker
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker wird das
Ausgangssignal des ersten Transistors, an dessen Basis ein
Eingangssignal anliegt, der Basis des zweiten Transistors
zugeführt, ein zum Kollektorstrom des zweiten Transistors
proportionaler Strom wird durch eine Stromspiegelschaltung an den
Emitter des ersten Transistors angelegt, und die Emitterströme des
zweiten und des dritten Transistors werden nach Maßgabe eines
Emitterspannungspegels des ersten Transistors als ein
Ausgangsstrom verwendet.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand bevorzugter
Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 einen Schaltplan eines herkömmlichen Leistungsverstärkers und
Fig. 2 einen Schaltplan einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Leistungsverstärker nach der Erfindung. Bei dem
Leistungsverstärker stehen erste Transistoren Q1a, Q1b in
Emitterfolge-Anordnung in zueinander komplementärer Beziehung,
wobei deren Basen mit einem Eingangsanschluß IN verbunden sind.
Der Kollektor des PNP-Transistors Q1a ist mit einer Leistungsquelle
-B verbunden, und der Emitter ist über einen Emitterwiderstand R1a mit
einem Slave-Anschluß S einer Stromspiegelschaltung 1 verbunden.
Der Kollektor des NPN-Transistors Q1b ist mit einer Leistungsquelle
+B verbunden, und sein Emitter ist über einen Emitterwiderstand R1b
mit einem Slave-Anschluß S einer Stromspiegelschaltung 2
verbunden. Der Slave-Anschluß S der Stromspiegelschaltung 1 ist
jeweils mit den Basen eines zweiten Transistors Q2a und einen
dritten Transistor Q3a verbunden. Der Transistor Q2a ist ein NPN-
Transistor zur Ansteuerung, sein Kollektor ist mit einem Master-
Anschluß M der Stromspiegelschaltung 1 verbunden, und sein Emitter
ist über einen Emitterwiderstand R2a mit einem Ausgangsanschluß OUT
verbunden. Der dritte Transistor Q3a ist ein als Ausgangstransistor
eingesetzter NPN-Transistor, dessen Kollektor mit der
Leistungsquelle +B verbunden ist und dessen Emitter über einen
Emitterwiderstand R3a mit dem Ausgangsanschluß OUT verbunden ist.
Der Slave-Anschluß S der Stromspiegelschaltung 2 ist jeweils mit
den Basen eines Steuertransistors Q2b und eines Ausgangstransistors
Q3b verbunden. D. h., das Ausgangssignal von Transistor Q1a wird an
die Basen der Transistoren Q2a und Q3a angelegt. Die zweiten
Transistoren Q2a, Q2b bzw. die dritten Transistoren Q3a, Q3b stehen
in zueinander komplementärer Beziehung. Die Transistoren Q2b, Q3b
sind zu den Transistoren Q2a, Q3a symmetrisch angeordnet, wobei der
Kollektor des PNP-Transistors Q2b mit einem Master-Anschluß M der
Stromspiegelschaltung 2 verbunden ist, und der Emitter ist über
einen Emitterwiderstand R2b mit einem Ausgangsanschluß OUT
verbunden. Der Kollektor des PNP-Transistors Q3b ist mit der
Leistungsquelle -B verbunden, und der Emitter ist über einen
Emitterwiderstand R3b mit dem Ausgangsanschluß OUT verbunden. Es
sei bemerkt, daß, obwohl die ersten und zweiten Transistoren
zueinander entgegensetzt leitende Typen sind, ihre Kenngrößen die
selben sind.
Die Stromspiegelschaltung 1 wird von Transistoren Q4a, Q5a und
Widerständen R4a, R5a gebildet, während die Stromspiegelschaltung
2 von Transistoren Q4b, Q5b und Widerständen R4b und R5b gebildet
ist. Eine Vorspannungsschaltung 3 ist zwischen den Master-
Anschlüssen M der Stromspiegelschaltungen 1 bzw. 2 angeschlossen.
Die Vorspannungsschaltung 3 umfaßt eine bekannte, geregelte
Stromschaltung und arbeitet als eine Anlaufschaltung beim
Einschalten der Leistung.
Der Betrieb des so aufgebauten Leistungsverstärkers ist im
folgenden beschrieben.
Während einer Periode ohne Signal, in der am Eingangsanschluß IN
kein Tonsignal anliegt, fließt ein Strom vom Master-Anschluß M der
Stromspiegelschaltung 1 zum Kollektor des Transistors Q2a und der
Vorspannungsschaltung 3. Wenn insbesondere angenommen wird, daß
ein durch die Vorspannungsschaltung 3 fließender Vorspannungsstrom
IB ist und daß ein durch den Kollektor von Transistor Q2a
fließender Kollektorstrom IC2 ist, fließt ein Strom IC2 + IB. Dabei
sei bemerkt, daß beim Einschalten der Leistungsversorgung der
Vorspannungsstrom IB zuerst zum Aktivieren des Schaltungsbetriebes
fließt. Der Strom IC2 + IB wird durch den Stromspiegeleffekt der
Stromspiegelschaltung 1 mit (1 + m) multipliziert und am Slave-
Anschluß S der Stromspiegelschaltung 1 ausgegeben. Der
Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung 1 fließt über den
Emitterwiderstand R1a in den Emitter von Transistor Q1a. Ein
Anschluß-Spannungspegel des Emitterwiderstandes R1a auf der Seite
des Slave-Anschlusses S wird an die Basen der Transistoren Q2a, Q3a
angelegt, um die jeweiligen Kollektor-Emitter-Ströme zu steuern.
Der obengenannte Wert m ist nicht größer als 1, und der in den
Basen der Transistoren Q2a und Q3b fließende Gesamtstrom IB2 bzw. IB3
ist m·IC2.
Da die Summe aus der am Widerstand R1a anliegenden Spannung einer
Basis-Emitter-Spannung von Transistor Q1a gleich einer Summe aus
einer Basis-Emitter-Spannung von Transistor Q2a und einer am
Widerstand R2a anliegenden Spannung ist, ist während einer Periode
ohne Signal die folgende Gleichung erfüllt:
wobei VT einer thermoelektromotorischen Spannung entspricht und
VT = kT/q erfüllt ist, wenn k einer Boltzmann-Konstante entspricht. T
ist eine Absoluttemperatur, und Q ist eine Elektronenladung.
Ferner gilt IC2 ≒ IC2 + IB2, und ISD ist ein Sättigungsstrom der
Transistoren Q1a und Q2a.
In der obigen Gleichung (1) entsprechen die Exponentialfunktions-
Bereiche auf beiden Seiten einer Basis-Emitter-Spannung VBE1 von
Transistor Q1a auf der linken Seite und einer Basis-Emitter-Span
nung VBE2 von Transistor Q2a auf der rechten Seite. Ursprünglich
haben diese Spannungen niedrige Werte von etwa 0,6 Volt. Wenn IC2≦λτ
(1+m)·IB » ISD1 erfüllt ist, ist ferner die Differenz zwischen
diesen klein genug, um vernachlässigt zu werden, so daß Gleichung
(1) wie folgt abgewandelt werden kann:
{(1 + m)IB + IC2}R1a ≒ IC2R2a (2)
Der Kollektorstrom IC2 von Transistor Q2a wird daher wie folgt
wiedergegeben:
IC2 ≒ R1a(1 + m)IB/(R2a - R1a) (3)
Da die Spannungen jeweils zwischen den Basen und dem
Ausgangsanschluß OUT gleich sind, genügt die Beziehung zwischen
den Transistoren Q2a und Q3a der folgenden Gleichung:
wobei IE2, IE3 Emitterströmen der Transistoren Q2a bzw. Q3a
entsprechen und ISD ein Sättigungsstrom von Transistor Q3a ist. Bei
einer Umformung von Gleichung (4) erhält man die folgende
Gleichung (5):
Ferner wird angenommen, daß bei den Gleichungen (4) und (5) die
Gleichstrom-Verstärkungsverhältnisse hFE der über ihre Emitter
geerdeten Transistoren Q2a, Q3a genügend groß sind, und daß IE2 = IC2
und IE3 = IC2 erfüllt ist.
Wenn
IE3 = gIE2 (6)
bei einem willkürlichen Stromwert zwischen den Emitterströmen IE2
und IE3 erfüllt ist, wird Gleichung (6) in Gleichung (5)
eingesetzt, um die folgende Gleichung abzuleiten:
Eine Bedingung, damit Gleichung (7) unabhängig vom Wert des
Emitterstromes IE2 immer erfüllt ist, ist, daß der
Exponentialfunktions-Bereich und der Funktionsbereich erster
Ordnung immer 0 (Null) sind. Daher gilt bei
R2a = gR3a, (8)
g = R2a/R3a. (9)
Ferner gilt bei
Aus Gleichungen (9) und (10) folgt, daß der Wert von g die
folgende Gleichung erfüllen sollte, um einen Strom linear zu
verstärken:
g = ISP/ISD + R2a/R3a (11)
Da ISD und ISP den Transistoren Q2a und Q3a eigene Werte sind, wenn
die Spezifikationen der Transistoren Q2a und Q3a bestimmt sind,
wird der Wert von g aus der Gleichung (11) abgeleitet, wodurch das
Verhältnis der Widerstände R2a, R3a geklärt ist. Aus diesem
Verhältnis werden während einer Periode ohne Signal die
Kollektorströme IC2, IC3 ermittelt. Die jeweiligen Stromwerte und
die Werte von m und g werden beispielsweise auf die folgende Weise
festgelegt. IB = 10 mA, IB2 = 1 mA, IB3 = 10 mA, mIC2 = 11 mA,
IC2 = 29 mA, IC3 = 690 mA, m = 11/29, g = (690+10)/(29+1).
Im folgenden ist ein Übertragungsleitwert Gm erläutert, der die
Spannungs-Strom-Übersetzungscharakteristik des
Leistungsverstärkers darstellt. Zunächst wird angenommen, daß in
einem durch die Transistoren Q1a, Q2a und die Stromspiegelschaltung
1 gebildeten Bereich eine einzelne Spannung am Eingangseinschluß
IN Vin ist und eine einzelne Spannung am Ausgangsanschluß OUT, das
heißt, eine an eine Last RL angelegte Spannung, Vout ist, wobei
dann die folgende Gleichung erfüllt ist:
Vin + VBE1 + R1aIC1 - VBE2 - R2aIC2 = Vout (12)
Bei dieser Gleichung (12) löschen sich VBE1 und VBE2 gegeneinander
aus, weil, wie oben beschrieben, VBE1 ≒ VBE2 erfüllt ist. Wenn
angenommen wird, daß der Kollektorstrom IC1 von Transistor Q1a
gleich dessen Emitterstrom ist, gilt
IC1 = (1+m)·IB+I, wobei wechselnde Stromänderungsbereiche der
Ströme IC1, IC2 gleich werden, weil (1+m)·IB eine Konstante ist.
Angenommen, daß der wechselnde Stromänderungsbereich durch ΔIC
wiedergegeben wird, wird die folgende Gleichung von Gleichung (12)
abgeleitet:
Vin - Vout = (R2a - R1a) ΔIC (13)
Der Übertragungsleitwert G, der einen günstigen Grad der
Verstärkungscharakteristik eines Leistungsverstärkers darstellt,
entspricht einem Verhältnis der Differenz zwischen Eingangs- und
Ausgangsspannungen zum wechselnden Stromänderungsbereich, so daß
der Übertragungsleitwert Gm1 in diesem Bereich durch die folgende
Gleichung wiedergegeben wird:
Gm1 = ΔIC/(Vin-Vout) = 1/(R2a-R21a) (14)
Anders gesagt, ein nichtlinearer Bereich auf Grund der
(VBE-IC)-Charakteristik eines Transistors wird ausgelöscht, und
der Übertragungsleitwert wird nur durch einen Emitterwiderstand
bestimmt. Zusätzlich zu IC2 wird ferner der dem Strom IC2
proportionale Strom IC3 (g mal so groß) der Last RL über den
Transistor Q3a zugeführt, so daß der Übertragungsleitwert Gm1 mit
(1+g) multipliziert wird. Da der Leistungsverstärker einen
einpolig geerdeten oder Gegentakt-Aufbau aufweist, wird ferner der
Übertragungsleitwert Gm1 nochmals verdoppelt, wenn er in Klasse A
betrieben wird, wobei der Übertragungsleitwert Gm für die gesamte
Schaltung gegeben ist durch
Gm = 2(1 + g)/(R2a - R1a) (15)
Da dieser Übertragungsleitwert Gm keinen Term aufweist, der eine
Nichtlinearität umfaßt, kann die Leistungsverstärkung mit einer
linearen Charakteristik durchgeführt werden.
Daraus folgt, daß ein Spannungsverstärkungsfaktor des
erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers gegeben ist durch
Av = GmRL/(1 + GmRL) (16)
Da der Übertragungsleitwert Gm groß ist, ist die
Spannungsverstärkung Av ungefähr 1. Angenommen, daß das
Wechselstrom-Verstärkungsverhältnis der Transistoren Q1a, Q1b, Q2a
und Q2b hfa ist, ist andererseits ein Stromverstärkungsfaktor Ai
gegeben durch
Ai = 2(1 + g)hfa (17)
Dabei sei bemerkt, daß dieser Stromverstärkungsfaktor Ai für einen
Betrieb bei Klasse A gilt, und daß er sich bei einem Betrieb in
Klasse B um die Hälfte vermindert.
Ferner sind bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Slave-
Anschlüsse S der Stromspiegelschaltungen 1 und 2, das heißt, die
Emitterausgänge der ersten Transistoren direkt mit den Basen der
entsprechenden zweiten und dritten Transistoren verbunden. Diese
Verbindung kann alternativ über einen Widerstand zu den Basen der
Transistoren gezogen werden. Um ein höheres Ausgangssignal
vorzusehen, können auch mehrere dritte Transistoren und
Emitterwiderstände parallel angeschlossen werden.
Obwohl beim beschriebenen Ausführungsbeispiel der
Leistungsverstärker als eine SEPP (Eintakt-Gegentakt)-artige
Verstärkerschaltung ausgebildet ist, kann die Erfindung auch in
Form einer Einzelverstärkerschaltung ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß löschen sich also nichtlineare Abschnitte der
Transistorkennlinien gegenseitig aus, wodurch ein
Leistungsverstärker mit guter Linearität geschaffen wird. Da das
verstärkte Ausgangssignal eines an der Basis des ersten
Transistors anliegenden Signals von den Emittern der zweiten und
dritten Transistoren abgenommen wird, kann mit einem einfacheren
Aufbau als bei herkömmlichen Leistungsverstärkern eine Last mit
einem stabilen Strom gespeist werden.
Claims (4)
1. Leistungsverstärker mit
einem ersten Transistor (Q1a, Q1b), der an seiner Basis ein Eingangssignal empfängt,
einem zweiten Transistor (Q2a, Q2b) mit zum ersten Transistor umgekehrter Leitfähigkeitsart, dessen Basis mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden ist.
einer Stromversorgungsvorrichtung (1, 2) zum Speisen eines zum Kollektorstrom des zweiten Transistors proportionalen Stromes zum Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors,
einem als eine Endverstärkungsstufe angeordneten dritten Transistor (Q3a, Q3b) und
einer Ausgabevorrichtung (Out) zum Ausgeben eines Ausgangsstromes des Leistungsverstärkers,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Emitter des ersten Transistors mit dem Verbindungspunkt über einen ersten Widerstand (R1a, R1b) verbunden ist,
der zweite Transistor einen Emitterstrom durch einen zweiten Widerstand (R2a, R2b) abhängig von einer Spannung am Verbindungspunkt erzeugt,
die Basis des dritten Transistors mit dem Verbindungspunkt verbunden ist, und der dritte Transistor einen Emitterstrom durch einen dritten Widerstand (R3a, R3b) abhängig von der Spannung am Verbindungspunkt erzeugt, und
die Ausgabevorrichtung die Gesamtheit der durch den zweiten und den dritten Widerstand fließenden Ströme als den Ausgangsstrom ausgibt.
einem ersten Transistor (Q1a, Q1b), der an seiner Basis ein Eingangssignal empfängt,
einem zweiten Transistor (Q2a, Q2b) mit zum ersten Transistor umgekehrter Leitfähigkeitsart, dessen Basis mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden ist.
einer Stromversorgungsvorrichtung (1, 2) zum Speisen eines zum Kollektorstrom des zweiten Transistors proportionalen Stromes zum Verbindungspunkt zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors,
einem als eine Endverstärkungsstufe angeordneten dritten Transistor (Q3a, Q3b) und
einer Ausgabevorrichtung (Out) zum Ausgeben eines Ausgangsstromes des Leistungsverstärkers,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Emitter des ersten Transistors mit dem Verbindungspunkt über einen ersten Widerstand (R1a, R1b) verbunden ist,
der zweite Transistor einen Emitterstrom durch einen zweiten Widerstand (R2a, R2b) abhängig von einer Spannung am Verbindungspunkt erzeugt,
die Basis des dritten Transistors mit dem Verbindungspunkt verbunden ist, und der dritte Transistor einen Emitterstrom durch einen dritten Widerstand (R3a, R3b) abhängig von der Spannung am Verbindungspunkt erzeugt, und
die Ausgabevorrichtung die Gesamtheit der durch den zweiten und den dritten Widerstand fließenden Ströme als den Ausgangsstrom ausgibt.
2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromversorgungsvorrichtung
eine Stromspiegelschaltung (1, 2) aufweist.
3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens der zweite
Transistor (Q2a, Q2b) oder der dritte Transistor
(Q2a, Q3b) einen Basiswiderstand aufweist.
4. Leistungsverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche,
welcher durch eine komplementäre Schaltung
gebildet ist, die im Gegentakt-Betrieb arbeitet.
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---|---|---|---|---|
CN100412928C (zh) * | 2003-02-28 | 2008-08-20 | 精工爱普生株式会社 | 电流生成电路、电光学装置及电子机器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB2266021A (en) | 1993-10-13 |
US5359295A (en) | 1994-10-25 |
JPH05291834A (ja) | 1993-11-05 |
GB2266021B (en) | 1995-10-04 |
DE4307606A1 (de) | 1993-10-14 |
GB9304782D0 (en) | 1993-04-28 |
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