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VORSPANNSCHALTUNG
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Die Erfindung Detrifft eine Vorspannschaltung für eine Gegentaktschaltung
der Klasse b, insbesondere für eine spannungsgesteuerte Schaltung mit veränderlicher
Verstärkuny bei einer Rauschunterdrückungsschaltung.
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Zur Verhinderung einer übergangsverzerrung (crossover distortion)
nahe des Nullpunkts eines Signals muß durch eine Gegentaktscnaltung der Klasse B
unter Verwendung von komplementären Transitoren ein kleiner Ruhestrom fließen.
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Hierbei ist für den stabilen Betrieb einer solchen Gegentaktschaltung
ein stabiler Ruhestrom erforderlich.
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wenn der Ruhestrom zu groß ist, treten Leistungsverlist und thermische
drift auf. Ist der Ruhestrom dagegen zu klein, so tritt eine ubergangsverzerrung
auf. Insbesondere erfordert eine spannungsgesteuerte Schaltung mit veränderlicher
Verstarkung (vergl. US-PS 3 714 46o) bei einer Rauschunterdrückungsschaltung einen
höchst genauen, kleinen Ruhestrom zur Gewanrleistung einer ausgezeichneten Tonleistung.
Eine Vorspannschaltung erinöglicntdabei einen Ruhestromfluß.
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Fig. 1 zeigt eine bisher übliche Vorspannschaltung 10 in Form eines
npn-Transistors 16 mit einem Kollektor, der an eine zu einer positiven Stromquelle
+B funrende Klemme 12 angeschlossen ist, una einen Emitter, der mit einer zu einer
negativen Stromquelle -B führenden Klemme 14 veruunden ist, und einer Reinenschaltung
aus zwei Widerständen 18 und 20, deren Verzweigung mit der basis des Transistors
lo verDunden ist. Gemäß Fig. 1 sind Vorspannungs-Abgriffanschliisse 22 und 24 vorgesehen.
Die bisher üolicRe Vorspannschaltung ist jedoch beispielsweise mit den folyenden
Nachteilen behaftet: 1. Ein induzierter Ruhestrom besitzt eine hohe Abhängigkeit
von Umgebungstemperaturschwankungen, d.h. der Wert des Ruhestroms variiert in einem
weiten Bereich abhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur.
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2. Der induzierte Ruhestrom besitzt eine hohe Abhängigkeit von Stromquelle-Spannungsschwankungen,
d.h. der Wert des Ruhestroms ist großen Schwankungen aufgrund solcher Spannungsschwankungen
unterworfen.
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3. Die Vorspannung der Vorspannschaltung bestimmt sich durch das Widerstandsverhältnis
der Reihenwiderstände 18 und 20, so daß sich die Vorspannung nicht für die Ausbildung
als integrierter Schaltkreis eignet.
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Die Umgebungstemperaturabhängigkeit ist nachstehend anhand der Fig.
1 und 2 erläutert.
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FiJ. 2 zeigt eine Gegentaktschaltung der Klasse @, in welcher die
Vorspannschaltung 10 vorgesehen ist. Die Gegentaktschaltung umfaßt komplementäre
Transistoren 26 und 28, die in Kaskadenschaltung zwischen die positive Stromquelle
+8 und die negative Stormquelle -@ eingeschaltet sind, einen zwischen den Emitter
des Transistors 1o und die negative Stormquelle -@ eingeschalteten und als Trei@erelement
wirkenden npn-Transistor 30 sowie eine Konstantstromquelle 32, die zwischen uie
positive Stromquelle +3 und den Kollektor des Transistors 1@ eingeschaltet ist.
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Unter der Voraussetzung, daß die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors
1@ mit Vce bezeichnet ist, gilt
worin Vbe die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 16, R1 den Widerstandswert
des Widerstands 18 und R2 den Widerstandswert der Widerstands 20 bedeuten.
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Um den Ruhestrom Ii (d.h. den Ruhestrom über die Transistoren 26 und
2@) temperaturabhängig zu machen, muß R1 = R2, d.n.
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Vce = 2V@e entsprechen. Üblicherweise sollte der Ruhestrom mit 1/x
(mit x = eine kleine Zahl) des Werts des Treiberstroms Id (d.n. eines Trei@erstromes
über den Transistor 30)
für die Gegentaktschaltung der Klasse @
und mit 1/y (mit Y = einige @undert) des Werts des Trei@erstroms I@ für eine spannungsgesteuerte
schaltung mit veränderlicher Verstärkung bei einer Rauschuntersrückungsschaltung
gewählt werden, @abei sollten kl und «2 so gewählt werden, Ja aie Kollektor-Emitter-Spannung
Vo.e kleiner wird als das Zweifache aer oasis-Lriiitter-Spannun Vbe. In diese Fall
besitzt aer Ruhestrom einen positiven Tealperaturkoeffizienten, und bei nieurigerar
Temperatur tritt eine Obergangsverzerrung (crossover distortion) auf, während ei
höherer Temperatur der Leistungsverlust zunimmt. Diese Erscheinungen treten noch
deutlicher zutage, wenn das Verhältnis zwischen dem Trei@erstrom Id und dem Ruhestrom
Ii grob wird. Infolgedessen ist die Vorspannscnaltung bei Verwenaung in einer
Gegentaktschaltung der Klasse B, insbesondere bei einer spannungsgesteuerten Schaltung
mit veränderlicher Verstarkung bei einer Rauschunterdrückungsschaltung, mit einem
großen Nachteil behaftet.
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Fig. 3 zeigt eine Dekannte Vorspannschaltung 34 als Schaltunj zur
Verringerung der Abhangigkeit von Temperaturanderungen. bei der Vorspannschaltung
gemäß Fig. 3 ist zur Vorspannschaltung 10 gemäß Fig. 1 ein dritter Widerstand 36
hinzugefüyt, der zwischen den Transistor 16 und die positive Stromquelle +B eingeschaltet
ist. dei der Vorspannschaltung 34 gemäß Fig. 3 sind die Widerstandswerte R1 und
R2 der Widerstande 18 und 20 so gewählt, daß die Kollektor-Emitter-Spannung Vce
so groß wie eine zweifache Basis-Emitter-Spannung V@e oder noch etwas grober ist.
Ein Spannungsunterschied zwischen
einem Spannungsabfall über eine
Reihenschaltung aus den Widerständen R1 und R2 und einem Spannungsabfall über den
Widerstand 3u wird als Vorspannung zwischen die ausgangs-Klemmen 22 und 24 angelegt.
obgleich durch die Vorspannschaltung 34 uie Abhängigkeitscharakteristik eines Ruhestrohs
von Ungebungstemperaturänderungen verringert werden kann, wird seine Abhängigkeit
von Spannungsänderungen der Stromquelle unvorteilhaft groß, weil der Spannungsabfall
au widerstand 36 von einen treiberstrom an einer Treiberstufe abhängt. Diese Abhängigkeit
von der Strom-quellen-Spannungsdnderung wird noch deutlicher - ebenso wie die Temperaturabhängigkeit
- bei einer Vergrößerung des Werts eines Vernältnisses zwischen dem Treiberstrom
Id an der Treioerstufe und dem Ruhestrom. Infolgedessen ist es praktiscn unmöglich,
die genannte Vorspannschaltung bei der spannungsgesteuerten Schaltung mit veränderlichen
Verstärkung einer Rauschunterdrückungsschaltun anzuwenden.
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Bei Konstruktion als integrierter Schaltkreis besitzt die bisher übliche
Vorspannschaltung die im folgenden geschilderten Nachteile.
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uei der in Fig. 2 gezeigten Gegentaktschaltung der Klasse b wird der
Wert des Ruhestroiis 1. durch Einstellung eines Spannungsteilverhältnisses zwischen
den Reihenwiderständen 10 und 23 in der Vorspannschaltung 10 eingestellt. Im allgemeinen
besitzt jeder in einer integrierten Schaltung vorzusehende Widerstand eine vergleichsweise
hohe relative Genauijkeit,
wobei es möglich ist, Widerstände Init
einer relativen Genauigkeitsabweichung von #2% vorzusehen. Da jedocn die relative
genauigkeit der Wderstandswerte R1 und R2 der Widerstände 18 und 20 bei der Vorspannschalltung
1u gelaiS Fig. 1 einen exponentiellen Einfluß auf einen Ruhestrom ausübt, fuhren
selbst derart geringe Aoweichun-3en (+2X der relativen aenauigkeit; zu großen Scnwankungen
des Ruhestroms.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zuJrunde, eine Vorspannschaltung
zu schaffen, die sich zur Ausführung als integrierter Schaltkreis eignet und die
bei einer Gegentaktschaltung der Klasse 8 die Zufuhr eines Ruhestroms ermöglicht,
dessen Umgebungstemperaturänderungs-Abhangigkeitskennlinie und Stromquellenspannungsänderungs-Abhängigkeit
verringert sind.
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Diese rufgabe wird bei einer Vorspannschaltung der vorstehend angegebenen
Art erfindungsgemäß gelöst durch zwei in Kaskadenschaltung vorliegende Transistoren
des geichen Leit-(fähigkeits)typs, durch zwei in Reihe geschaltete Diodeneinrichtungen,
die durch einen Teil des Treiberstroms zu den beiden Transistoren vorwärts vorgespannt
sind, dund durch eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung über die Reihenschaltung
aus den beiden Diodeneinrichtungen zwiscnen den Basen des ersten und des zweiten
Transistors, wobei die Emitterspannungen der beiden Transistoren an eine nachgeschaltete
Gegentaktschaltung der Klasse B angelegt werden.
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In folgenden sind oevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich
zum Stand der Technik anhand der beiden fügten Zeichung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer bisher verwendeten Vorspannschaltung, Fig. 2 ein Scnaltoild
einer Gegentaktschaltung der Klasse , Dei welcher die Vorspannschaltung nach Fiy.
1 vor-3esehen ist, Fij. 3 ein Schaltbild einer anderen, bisher üblichen Vorspannschaltung,
Fig. 4 ein Schaltbild einer Vorspannschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 ein Schaltbild einer Gegentaktschaltung der Klasse , in welcne die Vorspannscnaltung
nach Fig. 4 einbezogen ist, Fig. 6 ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 7 ein Schaltoil einer weiter abgewandelten Ausführungsform der
Erfindung und Fig. 8 ein Schaltbild einer spannungsgesteuerten Schaltung mit veränderlicher
Verstärkung zur Verwendung bei einer Rauschunterdrückungsschaltung.
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Fig, 4 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Vorspannschaltung
40 gemäß der Erfindung, die in Kaskadenschaltung, vorliegende npn-Transistoren 42
und 44 sowie diodenverknüpfte oder -gekoppelte npn-Transistoren 4@ und 4@ aufweist.
Der Kollektor des Transistors 42 ist zu seiner Basis kurzgeschlossen und mit einem
zu einer positiven Stromquelle +B führenden Anschluß 50 verbunden. Der Emitter des
Transistors 42 ist üiit dem Kollektor des Transi stors 44 verbunden, aessen Emitter
mit einen zu einer negativen Stromquelle -B führenden Anschluß 52 verbunden ist.
Die titter der Transistoren 42 und 44 sind an Spannungsabgriff-Ausgangsanschlüsse
54 bzw. 50 angeschlossen.
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Die basis des Transistors 46 ist mit seine Kollektor verbundenm wobei
die Verzweigung zwischen basis und Kollektor des Transistors 4b mit Kollektor und
basis des Transistors 42 verbunden ist. Jer Emitter des Transistors 46 liegt am
Kollektor des Transistors 48, dessen Basis mit seinen Kollektor verbunden ist, während
sein Emitter mit der basis des fransistors 44 verbunden ist.
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Die vorstehend beschriebene Vorspannschaltung 40 ist gemäß Fig. 5
mit einer Gegentaktschaltung 80 der Klasse 3 verbunden und in diese einbezogen.
Die Gegentaktschaltung 80 umfaßt komplementäre Transistoren 82 und o4, die zwischen
die positive und die negative Stromquelle +B bzw. -B eingeschaltet sind, eine zwischen
positive Stromversorgung +B und den Kollektor des Transistors 42 geschaltete Konstantstromquelle
86 und einen npn-Transistor 88, der zwischen die negative Stromquelle -d und den
Emitter des Transistors 44 geschaltet ist und als Treiberelement zu wirken vermag.
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bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 fließt der großte Teil eines
Stoms Id über den Transistor 88 von den Transistoren 42 und 44 ner, wobei nur l/nfe
des Stroms Id über die Transistoren 46 und 48 fließt (nfe = gleichstromverstarkung
des Transistors 44). Wenn die Transistoren 42 und 44 die gleiche Kennlinie besitzen,
sind die Basis-Emitter-Spannungen Vbe der Transistoren 42 und 44 gleich groß, wobei
ein Potential am einen Ende der Reinenschaltung aus den Transistoren 46 und 48 an
der Ausgangsklemme 54 erscheint, während ein Potential am anderen Ende der Reinenschaltung
an der Ausgangsklemme 5@ erscheint; dies bedeutet, daß die Kollektorspannung des
Transistors 46 an der Ausgangsklemme 54 und die Emitterspannung des Transisotrs
48 an der Ausgangsklemme 56 ersheint. Die Kollektrospannung des Transistors 46 wird
als Vorspannung an die Basis des Transistors 82 angelegt, während die Emitterspannung
des Transistors 48 als Vorspannung an die basis des Transistors 04 angelegt wird.
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WEnn die an die Ausgangsklemmen 54 und 56 angeschlossenen npn-Transistoren
82 bzw. 84 die gleiche Kennlinie besitzen, kann ein ruhestrom Ii über die Transistoren
82 und 84 mit l/hfe bestimmt werden (mit hfe = Gleichstromverstärkung des Transistors
44). Jies bedeutet, daß der Wert des Ruhestoms Ii vom Faktor hfe des Transistors
44 abhängt. Im allgemeinen beträgt der Faktor hfe dieses Transistors etwa 200 -
30u, so daß die Abhängigkeitscharakteristika von Umgebungstemperaturänderungen und
Stromquellen-Spannungsänderungen sehr klein sind. Infolgedessen wird der Ruhestrom
Ii seir klein, und die eoen genannten Abhängigkeiten werden eoenfalls klein.
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Falls sich gleiche Eigenschaften oder Kennlinien des npn-Transistors
82 und des pnp-Transistors 04 schwieri3 erzielen lassen, kann einer der Transistoren
4o und 48 uurc einen pnp-Transistor ersetzt werden.
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Fig. 6 zeigt eine Vorspannschaltung loo gemaß einer aDgewandelten
Ausfünrungsforn der Erfinduny, bei welcher zur Schaltung gemäß Fig. 4 einen Stromgenung-Reinenschalgung
aus einem diodenverknüpfen oder ge-koppelten npn-Transistor 1@2 und einem Widerstand
1@4 hinzugefügt ist. Die den Teilen von Fiy. 4 entsprechenden Teile sind mit denseloen
uezugsziffern wie dort bezeichnet, so daß sich ihre Erläuterung erübrigt. wobei
der Vorspannschaltung 100 wird ein Strom über die Transistoren 46 und 48 durch den
Transistor 1o2 una den iiiiderstand 104 zum Emitter des Transistors 44 umgeleitet,
mit der Ausnahme, daß ein vernachlässigbar kleiner Strom in die Basis des Transistors
44 fließt. Hierdurch wird die Abahängigkeit eines Ruhestroms von Umgebungstemperaturänderungen
verbessert, Fig. 7 zeigt eine Vorspannschaltung 120 gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung,bei welcher zur Vorspannschaltungloo gemäß Fig. 6 eine aus npn-Transistoren
122, 124 und 126 bestehende Schaltung zum Verschieben des Spannungspegels hinzugefügt
ist. Genauer gesagt, ist der Transistor 122 ein diodenverknüpfter Transistor, dessen
Kollektor mit seiner bAsis verbunden ist. Der Kolektor des Transistors 122 ist nit
dem Anschluß 50 verbunden, während sein Emitter mit der basis des Transistors 42
verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 124 ist an den Emitter des Transistors
122 angeschlossen,
wdhrend sein Emitter mit dem Anschluß 52 und
seine basis mit der basis des Transistors 44 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors
126 ist zu seiner Basis kurzgeschlossen und mit dem Emitter des Transistors 46 verbunden.
Der Emitter des Transistors 126 ist an den Kollektor des Transistors 48 angeschlossen.
Der Transistor 122 dient zur Verschiebung des Spannungspegels, während der Transistor
124 als Stromquelle dient, Der Transistor 126 ist zum Kompensieren der tsasis-Emitter-Spannunq
des Transistors 122 vorgesehen. Da die Schaltung 120 mit der vorstehend beschriebenen
Schaltung zum Verschieben des Spannungspegels versehen ist, kann ein Ruhestrom innerhalb
weiter Grenzen variiert werden, ohne aaß das Fläcnenverhältnis zwischen den Transistoren
42 und 44 geandert wird. Aucn bei dieser Schaltung wird ein Strom über die Transistoren
46, 126 und 4d, ebenso wie bei der Vorspannschaltung gemäß Fig. 6, über die Reihenschaltung
aus den Transistor 1o2 und dem Widerstand 104 zum Emitter des Transistors 44 umgeleitet,
wodurch die Abhängigkeit des Ruhestroms von Umgeounystemperaturänderungen verringert
wird.
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Obgleich bei den beschriebenen Vorspannschaltungen 40, loo und ldo
npn-Transistoren vorgesehen sind, können dieselben Ergebnisse dann erzielt werden,
wenn diese Vorspannschaltungen aus pnp-Transistoren aufgebaut sind. In diesem Fall
ist ersichtlicherweise die Polarität umgekehrt, Fig. 8 zeigt eine spannungsgesteuerte
Schaltung mit veränderlicher Verstärkung zur Verwendung bei einer Rauschunterdrückungsschaltung.
bei 140 ist eine Vorspannschaltung angedeutet,
die einen Ruhestrom
1. über Transistoren 142 und 144 sowie Transistoren 146 und 148 fließen läßt. Bei
150 und 152 sind Verstärker vorgesehen. Obergleich der Ruhestrom durch den Potentialunterschied
zwischen eine Abschluß 154 und Masse ÄNderungen unterworfen ist, ist er bei an Masse
liegendein Anschlup 154 iit einem jert von etwa 1 µA gewählt. Ein Treiberstrom 1d
über einen als Treiber dienenden Transistor 156 beträgt etwa 1 nA. bei Verwendung
der bisher üblichen Vorspannschaltung gemäß Fig. 1 nuJ die Vorspannung etwa 1,5-mal
so grob gewählt werden wie die Basis Emitter-Spannung. Wenn sich hiernbei die Übungstemperatur
von Raumtemperatur auf etwa +500C ändert, wird der Ruhestrom um einen einem Mehrfachen
von 10 entsprechenden Faktor erhöht oder verringert. Beim Absinken des Ruhestrom
besteht die Gefahr, daß nahe eines Nullpunks eine Übergangsverzerrung auftritt.
bei der Erhöhung des Ruhestroms besteht andererseits die Gefanr dafür, daß eine
Erhöhung des Leistungsverlustes sowie eine thermische Drift induziert werden.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß die Vorspannschaltungen
40, loo und 12o den Fluß eines Ruhestroms 1 ermöglichen, dessen Abhängigkeitscharakteristik
von Umgebungstermperaturänderungen und Stromquellen-Spannungsänderungen verringert
ist, so daß eine genaue Arbeitsweise der spannungsgesteuerten Schaltung mit veränderlicher
Verstärkung gewährleistet wird.
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Mit der Erfindung wird also eine Vorspannschaltung zur Ermöglichung
eines Ruhestromflusses durch eine Gegentaktschaltung der Klasse B geschaffen, wobei
die Abhängigkeit des Ruhestroms von Umgebungstemperaturänderungen und Stromquellen-
Spannungsänderungen
verringert ist. Ein besonders gutes ERgebnis wird dann erzielt, wenn die Vorspannschalung
gemäß der ERfindung speziell auf eine SChaltung, wie eine spannungsgesteuerte Schaltung
mit veränderlicher Verstärkung für eine Raumschunterdrückungsschaltung,angewandt
wird, die einen kleinen, stabile Ruhestrom benötigt. Da die Vorspannung nicht vom
Widerstandsverhältnis der Reinenwiderseine abhängig ist, eiJnct sich die Vorspannunschaltung
vorteilhaft zur Ausführung als integrierter SChaltkreis.