DE2438883B2

DE2438883B2 - Durch rueckkopplung stabilisierte verstaerkeranordnung

Info

Publication number: DE2438883B2
Application number: DE19742438883
Authority: DE
Inventors: Jack Somerville N.J. Craft (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Licensing Corp
Priority date: 1973-08-13
Filing date: 1974-08-13
Publication date: 1977-10-27
Also published as: GB1473299A; FI234074A; FI60329C; DE2438883C3; DK142477C; JPS5046242A; FR2241164A1; BR7406464D0; NL176990B; DK142477B; AT362420B; ATA661074A; DE2438883A1; SE405781B; DK428474A; FI60329B; FR2241164B1; SE7409950L; HK41779A; AU7213074A

Description

Die Erfindung betrifft eine durch Rückkopplung stabilisierte Verstärkeranordnung mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die emittergekoppelt sind und als Differenzverstärker verbunden sind und deren Hauptstromstrecken in parallelen Zweigen des Stromkreises einer Vorstromquelle liegen, ferner mit einer an die Basis des einen der beiden Transistoren gekoppelten Eingangsklemme und mit einer mit: dem Differenzverstärker gleichstromgekoppelten Ausgangsklemme sowie mit einem ersten Stromverstärker, dessen Eingangskreis! mit dem Kollektorkreis des einen und dessen Ausgjangskreis mit dem Kollektorkreis des anderen der beiden Transistoren gekoppelt ist.

Es ist vorteilhaft, zum Bau elektronischer Verstärkerschaltungen Differenzverstärker zu verwenden, insbesondere, wenn solche Schaltungen in monolithischer integrierter Form hergestellt werden sollen. Differenzverstärker haben viele Vorzüge, sie erfordern relativ wenig Kondensatoren, kommen meist ohne große Widerstände aus, und ihr Verstärkungsfaktor hängt vom Werteverhältnis einzelner Widerstände und nicht von absoluten Widerstandswerten ab. Ferner lassen sich solche Verstärker über einen großen Bereich von Frequenzen einschließlich niedriger Tonfrequenzen betreiben, ihre Eingänge und/oder Ausgänge können für Gegentakt oder Eintakt ausgelegt werden, und ihr Betrieb ist relativ stabil.

Was die Stabilitätseigenschaften solcher Verstärker anbetrifft, so ist im allgemeinen eine Stabilität der Signalverstärkung und eine Stabilität des Ruhe- oder Gleichstrompegels erwünscht. Zur Erzielung solcher Eigenschaften wird häufig eine negative Rückkopplung (Gegenkopplung) vorgesehen. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte man zur Realisierung einer solchen Rückkopplung mit einer möglichst geringen Anzahl von Überbrückungs- oder Ableitkondensatoren auskommen. Bei integrierten Schaltungen ist es ferner erwünscht, die Anzahl der Anschlüsse, an welche äußere Schaltungselemente wie z. B. Überbrückungskondensatoren gelegt werden müssen, möglichst gering zu halten.

In Fällen, wo die Eingangsstufe einer Verstärkeranordnung ein Differenzverstärker ist legt man gewöhnlich das Signal an eine Seite und die Rückkopplung an die andere Seite der Differenzverstärkerschaltung. Eine

entsprechende Rückkopphmgsverbindung bei einer Verstärkeranordnung der eingangs beschriebenen Gattung ist z. B. aus der Zeitschrift »Funk-Technik« 1971, Nr. 18 bekannt (vgl. insbesondere Bilder 1 und 2 auf S. 701). Mit einer solchen Rückkopplungsverbindung mag _zWar die Signalverstärkung stabilisiert werden können, nicht aber der Ruhe- oder Gleichstrompegel. Die in der bekannten Anordnung als Konstantstromquelle ausgelegte Vorstromquelle kann zwar eine gewisse Stabilisierung des Emittersummenstroms der Differenzver- ι α Stärkertransistoren bnngisn, womit aber nicht immer Ruhespannungsschwankungen im Ausgangssignal zufriedenstellend ausgeregelt werden.

Jn einer anderen Anordnung, wie sie beispielsweise in der USA-Patentschrift 34 34 069 gezeigt ist, wird der die übliche Konstantstromquelle (oder Senke) für den Differenzverstärker bildende Transistor durch ein rt-Glied ersetzt, welches einen zwischen die Emitter der Differenzverstärkertransistoren geschalteten Widerstand und zwei weitere Stromquellentransistoren enthält, deren jeder zwischen den Emitter eines der Differenzverstärkertransistoren und einen Bezugsspannungspunkt geschaltet ist Die Stromquellentransistoren werden durch eine Stufe angesteuert, welche eine Eintaktspannung auf den Differentialstrom rückkoppelt, um die gewünschte stabilisierende Gegenkopplung vom Verstärkerausgang zu erhalten. Eine solche Anordnung hat zwar eine Menge vorteilhafter Eigenschaften, sie erfordert jedoch andererseits das Anlegen positiver und negativer Betriebsspannungen, was in vielen Fällen, so auch bei monolithischen integrierten Schaltungen, lästig ist Außerdem benötigt man für die Rückkopplungsspannung eine beträchtliche Anzahl von Bauelementen, sowohl aktiver als auch passiver Art, um die Eintakt-Spannungsänderungen des Ausgangssignals in Differenzstromänderungen für die Rückkopplung umzuwandeln.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Verstärkeranordnung der eingangs beschriebenen Gattung eine Stabilisierung auch der Ausgangsruhespannung mit einfachen und für integrierte Schaltungsbauweise gut geeigneten Mitteln zu erreichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine weitere Vorstromquelle in Form eines zweiten Stromverstärkers vorgesehen ist, dessen Eingang über einen Widerstand mit der Ausgangsklemme der Verstärkeranordnung gekoppelt ist und dessen Ausgang mit den Hauptstromstrecken des ersten und des zweiten Transistors gekoppelt ist.

Eine Reihe besonderer Ausgestaltungen dieser im Patentanspruch 1 definierten Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet Zur Erläuterung werden nachstehend Ausführungsbeispiele an Hand von Zeichnungen beschrieben.

F i g. 1 ist das Schaltbild einer vereinfachten erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung·,

Fig.2 zeigt ein detailliertes Schaltbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verstärkeranordnung, die sich zur Herstellung in integrierter Bauweise eignet.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 werden die zu verstärkenden Eingangssignale über eine Eingangskleinme 10 auf die Basis eines ersten Transistors 12 gegeben, der einer von zwei in Differentialschaltung angeordneten Verstärkertransistoren 12 und 14 ist Den Emittern der Transistoren 12 und 14 wird Betriebsstrom über eine Schaltung zugeführt die einen ersten und einem zweiten Stromregelungstransistor 16 und 18 sowie einen Rückkopplungswiderstand 20 enthält. Der

Widerstand 20 ist gleichstrommäßig zwischen die Emitter der Transistoren 12 und 14 (und gleichermaßen zwischen die Kollektoren der Transistoren 16 und 18) geschaltet Der Betriebsruhestrom für die Transistoren 12 und 14 wird bestimmt durch die Reihenschaltung eines Widerstands 22 mit Dioden (Halbl.eiterübergängen) 24 und 26, die zwischen zwei Anschlüssen einer die Betriebsspannung liefernden Gleichspannungsquelle liegt. Die Diode 26 ist gleichstrommäßig zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 16 geschaltet um einen Stromverstärker zu bilden, der am Transistor 16 einen dem Strom durch die Diode 26 proportionalen Kollektorstrom liefert. Die Basen der Transistoren 12 und 14 erhalten ihre Vorspannung vom Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 22 und der Diode 24 über jeweils einen relativ großen Entkopplungswiderstand 28 bzw. 30.

Zur Bildung eines Eintaktausgangs werden die Kollektorströme der Transistoren 12 und 14 mittels eines Stromverstärkers 32 zusammengefaßt, der im dargestellten Fall aus einer Diode 34 und einem Transistor 36 besteht. Die beiden Elemente 34 und 36 haben ähnliche Geometrie und temperaturmäßig eine gemeinsame Umgebung, so daß beispielsweise am Kollektor des Transistors 36 ein Abbild des Kollektorstroms des Transistors 12 erscheint.

Von den zusammengeschalteten Kollektoren der Transistoren 14 und 36 wird ein Ausgangssignal in Form eines Eintaktdifferenzstroms auf die Basis eines als Spannungsfolger arbeitenden Ausgangstransistors 38 gegeben, dessen Emitter mit einer Ausgangsklemme 40 verbunden ist Ein Lastwiderstand 42 liegt mit einem Ende an der Ausgangsklemme 40 und mit dem anderen Ende über eine Diode 44 an Bezugsspannung (Masse). Die Diode 44 bildet gemeinsam mit dem Stromregelungstransistor 18 einen Stromverstärker 46 zur Gegenkopplung.

Ein invertiertes Ausgangssignal läßt sich beispielsweise dadurch erhalten, daß man die Basis-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors 48 parallel zur Diode 44 schaltet und an den Kollektor des Transistors 48 eine Last 50 anschließt. In diesem Fall stehen die geometrischen Größen des Transistors 48 und der Diode 44 im richtigen Verhältnis zueinander, um die gewünschte Stromverstärkung zu erhalten.

Der Frequenzgang des Verstärkers wird in erster Linie durch einen Kondensator 52 bestimmt, der in einem die Kapazität vervielfachenden Rückkopplungsweg zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 14 liegt. Der effektive Wert des Kondensators 52 in Verbindung mit einem zugeordneten Widerstand (z. B. dem Widerstand 30) bewirkt eine passende Frequenzdämpfung für den jeweiligen Verwendungszweck des Verstärkers (z. B. im oberen Bereich des Tonfrequenzspektrums, wenn das Einsatzgebiet die Tontechnik ist). Im Fall einer integrierten Schaltung wird der Stromverstärker 46, der im dargestellten Fall aus für einen relativ weiten Frequenzbereich geeigneten NPN-Elementen besteht, das Frequenzverhalten der gesamten Schaltung nicht beeinträchtigen.

Im Betrieb der Schaltung nach F i g. 1 bestimmt sich der Kollektorstrom des Stromregelungstransistors 16 nach der Gleichung

/16 =

B+ -

'BE

■22

worin Vbe die Spannung an jeder der Dioden 24 und 26

ist, die typischerweise in der Größenordnung von 0,7 Volt liegt.

Die Transistoren 14 und 18 seien nun vorübergehend außer acht gelassen, und es sei angenommen, daß die Stromverstärkung (ß) jedes der Transistoren 12 und 16 relativ hoch ist und daß der Stromverstärker 32 einen Verstärkungsfaktor vom Wert 1 hat. Der Kollektorstrom des Transistors 16 wird dann mittels des Transistors 12, der Diode 34 und des Transistors 36 am Kollektor des Transistors 36 wiedergegeben. Die resultierende Ansteuerung des Transistors 38 hat zur Folge, daß an der Ausgangsklemme 40 eine Ruhespannung erscheint, die dann in einen Strom in der Diode 44 und in Widerstand 42 umgewandelt wird.

Der resultierende Strom durch die Diode 44 läßt sich folgendermaßen durch die Ausgangsruhespannung Vo<? an der Klemme 40 ausdrücken:

Vnn-

BE

R*z

Wenn man die Verbindung über den Widerstand 20 vorübergehend außer acht läßt und den Fall annimmt, daß die Diode 44 und der Transistor 18 gleiche Geometrie haben, so daß der Stromverstärker 46 eine Stromverstärkung vom Wert 1 liefert, dann ist der Kollektorstrom des Transistors 14 außerdem im wesentlichen gleich dem Strom /44 (d. h. ^₈ = /44).

In einem Verstärker dieses Typs ist es von Vorteil, wenn die Spannung Vo<? etwa gleich ist der halben Versorgungsspannung B+, so daß als Antwort auf zugeführte Signale im wesentlichen symmetrische maximale Spannungsausschläge an der Ausgangsklemme 40 auftreten. Wenn man in der vorstehenden Gleichung für V₀Qden Wert B+12 und für /44 die Größe /i8 einsetzt und außerdem in der weiter obenstehenden Gleichung /|₆ gleich mit /ie setzt, dann läßt sich erkennen, daß die gewünschte Spannung V₀Q erhalten werden kann, indem man für Ä22 den doppelten Wert von Ä42 wählt. Diese Ruhebedingung bleibt dank der Gegenkopplung über dem Stromverstärker 46 aufrechterhalten.

Der Ruhestrom im Widerstand 20 ist außerdem im wesentlichen 0, wie es bei der getrennten Betrachtung der beiden Schaltungshälften angenommen worden war.

Wenn der Klemme 10 Eingangssignale zugeführt werden, dann ändern sich die Ströme im Transistor 12, in der Diode 34 und im Transistor 36 entsprechend. Die Änderungen des Eingangssignals werden außerdem über den Widerstand 20 auf den Emitter des Transistors 14 gekoppelt, um eine gegensinnige Änderung des Kollektorstromes des Transistors 14 hervorzurufen. Die resultierende Spannungsänderung an der Ausgangsklemme 40, die mit dem an der Klemme 10 zugeführten Signal phasengleich ist, führt zu einer Änderung des über den Stromverstärker 46 zugeführten Rückkopplungsstroms im Sinne eines Wiederausgleichs der Ströme in den Transistoren 12 und 14 (d. h., es wird eine Signalgegenkopplung erzielt).

Die Signalspannungsverstärkung des Verstärkers wird in erster Linie bestimmt durch das gegenseitige Verhältnis der Widerstände 42 und 20 und durch die Stromverstärkung des Verstärkers 46 (für die vorstehend der Wert 1 vorgeschlagen wurde).

Es hat sich gezeigt, daß Verstärker dieses Typs eine relativ kleine Verzerrung bringen, was zumindest teilweise daher kommt, daß sich die Strompegel in den Transistoren 12 und 14 gegenseitig mehr folgen, als es bei gewöhnlichen Differentialverstärkern der Fall ist.

In der F i g. 2 sind Schaltungselemente, die ähnliche Funktionen wie Elemente in der F i g. 1 haben, mit denselben Bezugszahlen wie dort bezeichnet, allerdings mit einem nachgesetzten Strichindex (').

Bei der Anordnung nach F i g. 2 gelangen Eingangssignale über die Klemme 10' zur Basis einer aus zwei Transistoren gebildeten Darlingtonschaltung 12', die die eine Seite eines Differentialverstärkers darstellen. Die

ίο andere Seite des Differentialverstärkers wird durch ein in Darlingtonschaltung verbundenes Transistorpaar 14' gebildet Die Betriebsvorspannung wird von einer Serienschaltung aus Halbleiterübergängen und Widerständen geliefert, die zwischen den Klemmen der Versorgungsspannungsquelle (7?+ und Masse) liegt. Die Halbleiterübergänge werden typischerweise mittels Transistoren gebildet, deren Kollektor- und Basiselektroden im Kurzschluß miteinander verbunden sind. Die Basis-Emitter-Spannungsabfälle der Darlingtonschaitungen 12' und 14' werden durch äquivalente als Diode geschaltete Transistoren 24' nachgebildet.

Zwei im wesentlichen gleiche Widerstände 22' bestimmen in erster Linie den Strom in der die Vorspannung liefernden Anordnung als Funktion der angelegten Versorgungsspannung (B+ etwa +16 bis +40 Volt). An den Mittelpunkt der Widerstände 22' ist ein Glättungskondensator 58 angeschlossen. Eine stabilisierte Spannungsversorgung wird außerdem mittels einer Stromquelle 54 in Verbindung mit einer Avalanche-Diode (Zenerdiode 56) erhalten.

Den Stromverstärkern 32' und 46', der Stromquelle 54 und den Stromregelungstransistoren 16' und 18' sind Gegenkopplungswiderstände in der Größenordnung von 100 bis 400 Ohm zugeordnet, um gewünschtenfalls die Anpassung der Ströme zu verbessern.

Der Stromverstärker 32' ist anders ausgebildet als der Stromverstärker 32 in Fig. 1, er erfüllt jedoch die gleiche Aufgabe mit einer höheren Impedanz, wie es an sich bekannt ist. Der Stromverstärker 46' hat ebenfalls eine gegenüber dem Stromverstärker 46 abgewandelte Form, er ist jedoch so ausgelegt, daß er eine Stromverstärkung (Dämpfung) von V2 liefert, und zwar auf Grund der Einfügung eines (nicht bezifferten) Transistors, dessen Basis-Emitter-Übergangsfläche doppelt so groß ist wie diejenige des ihm zugeordneten Transistors 18'. In ähnlicher Weise ist die Diode 26' in ihrer Übergangsfläche um den Faktor 2 größer als der Transistor 16'. Diese Flächenverhältnisse sind deswegen so gewählt, damit im Vorspannungsteil höhere Ströme (und somit kleinere Widerstände) im Vergleich zu der gewünschten Strömen in den Transistoren 16' und 18 verwendet werden können. Solche Anordnungen sine insbesondere dann vorteilhaft, wenn die dargestellt! Schaltung in monolithischer integrierter Form aufge

SS baut ist, da sich in diesem Fall mit kleinerer Widerstandswerten der Raum auf dem integriertei Schaltungsplättchen wirtschaftlicher ausnutzen läßt.

Als weitere Besonderheit enthält die Schaltung nacl Fig.2 zusätzlich einen quasikomplementären Lei

(10 stungsverstärker als Ausgangsstufe 62 mit eine

temperaturkompensiertf n, Überschneidungsverzerrun gen (crossover distortion) vermindernden Vorspan

nungsschaltung 60 und einem Stromspeisetransistor 64.

Wie bekannt, liefert die Ausgangsstufe 62 ein Spannungsverstärkung mit einem Faktor von ir wesentlichen 1. Damit er einen im wesentliche konstanten Kollektorausgangsstrom liefert, kann der Transistor 64 eine geeignete Basisvorspannung züge

führt werden, indem man seine Klemme A mit der gleichbezeichneten Klemme an der Konstanthaltediode 56 verbindet. Diese Verbindung kann beispielsweise durch eine Dioden-Widerstands-Kombination geschehen, wie sie in der USA-Patentschrift 35 35 245 gezeigt ist.

Eine geeignete Verbraucherlast, wie z. B. ein Lautsprecher 68, ist an die Klemme 40' angeschlossen, um die dort erzeugten verstärkten Signale zu verarbeiten. Mit den dargestellten Dimensionen der Schaltungselemente und bei ihrer Anordnung in einer integrierten Schaltung kann ein Lautsprecher verwendet werden, dessen Nennimpedanz im Bereich von 8 bis 32 Ohm liegt. Mit der dargestellten Anordnung läßt sich eine NF-Ausgangsleistung in der Größenordnung von 4 Watt erhalten. Die Anordnung liefert eine Spannungsverstärkung in der Größenordnung von 35 db. Es sei

hervorgehoben, daß zur Realisierung der Gegenkopplungsschaltung keine äußeren Überbrückungskondensatoren benötigt werden.

Vorstehend wurden lediglich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung behandelt, d. h., es sind verschiedene andere Ausführungsformen möglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise die Erzeugung der Vorspannungen nach anderen Schemen erfolgen. Außerdem können zusätzliche oder andere Verstärkerstufen verwendet werden. Eine modifizierte Betriebsruhespannung, die einen anderen Wert als etwa die Hälfte der Versorgungsspannung hat, läßt sich durch geeignete Wahl der in Frage kommenden Widerstandswerte erhalten. Durch geeignete Auslegung z. B. des Widerstands 20 kann auch der Verstärkungsfaktor des Verstärkers geändert werden So sind noch weitere geeignete Modifikationen möglich

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 Ϊ

Claims

Patentansprüche:

1. Durch Rückkopplung stabilisierte Verstärkeranordnung mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die emittergekoppelt und als Differenzverstärker verbunden sind und deren Hauptstromstrecken in parallelen Zweigen des Stromkreises einer Vorstromquelle liegen, ferner mit einer an die Basis des einen der beiden Transistoren gekoppelten ι ο Eingangsklemme und einer mit dem Differenzverstärker gleichstromgekoppelten Ausgangsklemme sowie mit einem ersten Stromverstärker, dessen Eingangskreis mit dem Kollektorkreis des einen und dessen Ausgangskreis mit dem Kollektorkreis des anderen der beiden Transistoren gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Vorstromquelle in Form eines zweiten Stromverstärkers (46) vorgesehen ist, dessen Eingang über einen Widerstand (42) mit der Ausgangsklemme (40) der Verstärkeranordnung gekoppelt ist und dessen Ausgang mit den Hauptstromstrecken des ersten und des zweiten Transistors (12 und 14) gekoppelt ist

2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der zweite Stromverstärker (46) mindestens einen Halbleiterübergang (44) aufweist der in Reihe mit dem Widerstand (42) zwischen die Ausgangsklemme (40) und einen mit einem ersten Stromregelungstransistor (18) gemeinsamen Bezugspunkt (Masse) geschaltet ist, und daß dieser Stromregelungstransistor (18) mit seinem Basis-Emitter-Übergang dem besagten Halbleiterübergang parallel geschaltet ist um an seinem den Ausgang des zweiten Stromverstärkers (46) darstellenden Kollektor einen Ausgangsstrom zu liefern, der dem im besagten Halbleiterübergang fließenden Rückkopplungsstrom proportional ist

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der am Kollektor des ersten Stromregelungstransistors (18) erzeugte Ausgangsstrom Gleichstrom- und Signalkomponenten enthält

4. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Emitterelektroden des ersten und des zweiten Differenzverstärkertransistors (12,14) gleichstrommäßig miteinander gekoppelt sind, daß ein die erstgenannte Vorstromquelle bildender zweiter Stromregelungstransistor (16) vorgesehen ist und daß die Kollektorelektroden des ersten und des zweiten Stromregelungstransistors (18 und $6) gleichstrommäßig mit den Emitterelektroden der Differenzverstärkertransistoren verbunden sind.

5. Verstärkeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektroden der Differenzverstärkertransistoren (12, 14) direkt mit der Kollektorelektrode jeweils eines gesonderten der beiden Stromregelungstransistoren (116, 18) verbunden sind und außerdem gleichstroiinmäßig über einen Emitterkopplungswiderstand (20) miteinander verbunden sind.

6. Verstärkeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erstgenannte Vorstromquelle eine Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand (22) and mindestens einem Halbleiterübergang (26) aufweist, der einem Basis-Emitter-Übergang eines zweiten Stromregelungstransistors

(16) parallel geschaltet ist, und daß der erstgenannte und der zweite Widerstand (42 und 22) ein derartiges Werteverhältnis zueinander haben, daß an der Ausgangsklemme (40) eine vorbesitimmte Ruhespannung erscheint

7. Verstärkeranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektroden der Differenzverstärkertransistoren (12, 14) gleichstrommäßig miteinander über einen Emitterkopplungswiderstand (20) verbunden sind und daß die Kollektorelektroden der beiden Stromregelungstransistoren (18,16) direkt mit den Emitterelektroden der Differenzverstärkertransistoren verbunden sind.

8. Verstärkeranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kollektorelektrode des anderen der beiden Differenzverstärkertransistoren (14) eine Kapazität (52) geschaltet ist, um dem Verstärker eine vorbestimmte Frequenzkennlinie zu geben.