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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Niederfrequenz-Leistungsverstärker, insbesondere in integrierter Ausführung, mit hoher
Stabilität.
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Bei Leistungsverstärkern, die oftmals als Last einen Lautsprecher
(z. B. als Teil einer Lautsprecherbox) oder einen Servomotor für
Steuersysteme oder einen elektromechanischen Wandler aufweisen, kann die
durch Verstärker abzugebende Leistung beträchtlich sein. Der Betrag
der Leistung hängt nicht nur von den Begrenzungen des Stromes, der
Spannung und der Leistung des aktiven Gerätes, sondern auch von dem
Erfordernis ab, die durch die Last hervorgerufene Verzerrung zu
begrenzen, welche allgemein nicht ein lineares Element ist. Das
praktische Problem ist daher, die maximal verwendbare Leistung mit der
geringsten Verzerrung und mit der geringsten Verlustleistung in dem
aktiven Gerät zu erhalten, um einerseits die Kosten und andererseits die
Dimensionen und das Gewicht ebenso wie die von der Batterie gelieferte
Energie zu minimieren.
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Das Problem der Stabilität von Niederfrequenz-Leistungsverstärkern ist
im Stand der Technik allgemein gelöst durch Beeinflussen des die
Leistungsstufe treibenden Spannungsverstärkers; durch Steuern seines
Frequenzganges, so daß letzterer ein Muster aufweist, welches einen
adäquaten Phasenversatz sicherstellt, der normalerweise größer als 60º
zu dem gesamten Rückkopplungssystem ist. Zu diesem Zweck wird ein
Kompensations-Kondensator verwendet. Mit geeigneter Beschaltung ist es
möglich einen Kondensator mit geringem Wert, d. h. zwischen 35 pF, zu
verwenden, welcher möglicherweise integrierbar ist.
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Andererseits erfordert das Vorhandensein von Leistungsendstufen eine
andere Kompensation aufgrund der Tatsache, daß diese Stufen eine
relativ hohe Leerlaufverstärkung aufweisen und mit einer
Einheitsverstärkung zurückgekoppelt sind.
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Deren Frequenzgang im Leerlauf hängt, wie bekannt, signifikant von den
Charakteristiken der Last und der Ausgangsspannung ab.
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Diese Elemente können, neben den Charakteristiken der verwendeten
Transistoren, die Pole der Übertragungsfunktion der Leistungsstufen in
Bereiche verschieben, in den Instabilitäten auftreten können.
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Um diese Schwingungen zu beseitigen verwendet der Stand der Technik
allgemein eine R-C-Reihenschaltung, die parallel zu der Last
angeschlossen ist.
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Bei einer derartigen Lösung hat R normalerweise einen Wert im Bereich
zwischen 1 und 8 Ohm und C im Bereich zwischen 0, 047 und 0, 22 uF.
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Diese externe Schaltung wirkt so, daß sie die Leerlaufverstärkung des
gesamten Leistungsverstärkers bei hohen Frequenzen reduziert und die
hochfrequenten Schwingungen dämpft.
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Es ist leicht erkennbar, daß der hohe Wert des
Kompensations-Kondensators C die Integration der Komponente in eine integrierte Schaltung
verhindert.
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Ein weiteres Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines Verstärkers
ist offenbart bei BARDEN et. al. in "Frequency compensation stabilized
wild amplifiers" E.D.N. ELECTRICAL DESIGN NEWS, Band 26, Nr. 6, Seiten
151-162, Boston, Massachusetts, USA. Barden erläutert, daß ein
Verstärker die Nyquist-Bedingung erfüllen muß, d. h. er muß eine
Leerlaufverstärkung von 0 dB aufweisen, um einen unstabilen Zustand zu
vermeiden, wenn die Schleifenverstärkungs-Phasenverschiebung des
Verstärkers größer oder gleich -180º ist. Barden versäumt es jedoch, sich
mit den Problemen auseinanderzusetzen, die die Implementierung
frequenzstabilisierter Verstärker in integrierte Schaltungen nach sich
ziehen.
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Angesicht der vorstehend beschriebenen Nachteile von bekannten
Systemen zum Stabilisieren des Betriebs von
Niederfrequenz-Leistungsverstärkern, insbesondere in integrierter Ausführung, ist es daher das
Ziel der vorgeschlagenen Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile
in einer sehr einfachen und funktionalen Weise zu beseitigen durch
Vorsehen eines Niederfrequenz-Leistungsverstärkers, insbesondere in
integrierter Ausführung, welcher mit hoher Stabilität in seinem
gesamten vorgesehen Frequenzbereich arbeiten kann, und dies ohne die
Notwendigkeit, am Ausgang des Leistungsverstärkers
Stabilisierungsschaltungen des R-C-Typs hinzuzufügen.
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Innerhalb dieses Zieles ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, einen
integrierten Leistungsverstärker mit hoher Stabilität anzugeben,
welcher nicht die Integration zusätzlicher aktiver
Stabilisierungskomponenten in der gewöhnlichen Schaltung des Leitungsverstärkers selbst
erfordert.
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Das vorstehend erwähnte Ziel und die Aufgabe und andere, welche
nachfolgend erkennbar werden, werden verwirklicht durch einen integrierten
Niederfrequenz-Leistungsverstärker, mit einem Verstärker, der eine
erste und eine zweite Leistungs-Verstärkungsstufe treibt, wobei die
erste und die zweite Verstärkungsstufe entsprechend ein erstes und ein
zweites Verstärkungsmittel mit einer entsprechenden
Übertragungsfunktion beinhalten; die ersten und die zweiten
Leistungs-Verstärkungsmittel haben miteinander verbundene Ausgänge, wobei die Ausgänge
verbunden sind mit einem Eingang des Verstärkers, dadurch gekennzeichnet,
daß jede der Leistungs-Verstärkungsstufen weiterhin einen
Rückkopplungsblock mit einer entsprechenden Übertragungsfunktion umfaßt, daß
die entsprechende Übertragungsfunktion von jedem der
Rückkopplungsblöcke so ausgelegt ist, daß bei der Frequenz, bei welcher die
Phasenverschiebung von jeder der Leistungs-Verstärkungsstufen größer als
180º ist, die Leerlaufverstärkung von beiden
Leistungs-Verstärkungsstufen kleiner als 0 dB ist.
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Weitere Kennzeichen und Vorteile des
Niederfrequenz-Leistungsverstärkers, insbesondere in integrierter Ausführung, mit hoher Stabilität,
entsprechend der vorliegenden Erfindung, sind der folgenden,
detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform entnehmbar,
welche in Form nicht einschränkender Beispiele durch die beigefügten
Zeichnungen illustriert sind. Es zeigen:
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Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines
Niederfrequenz-Leistungsverstärkers entsprechend dem Stand der Technik;
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Fig. 2 ein allgemeines Schaltbild eines
Niederfrequenz-Leistungsverstärkers entsprechend der Lehre der
vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 3 ein bestimmtes Schaltbild eines
Niederfrequenz-Leistungsverstärkers entsprechend den Lehren der
vorliegenden Erfindung
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Aufbaues eines Niederfrequenz-
Leistungsverstärkers entsprechend dem Stand der Technik.
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Insbesondere beinhaltet dieser bekannte Leistungsverstärker, der
allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, einen
Spannungsverstärker 2 mit einem invertierenden Eingang 3, einem nicht invertierenden
Eingang 4 und einem Ausgang 5, welcher an einen ersten
Leistungsverstärker 6 und an einen zweiten Leistungsverstärker 7 angeschlossen
ist, um diese zu treiben; der Leistungsverstärker 6 weist einen
entsprechenden invertierenden Eingang 8 und einen entsprechenden
nichtinvertierenden Eingang 9 und der Leistungsverstärker 7 einen
entsprechenden nicht-invertierenden Eingang 10 und einen entsprechenden
invertierenden Eingang 11 auf, die entsprechenden Ausgänge 12 und 13 des
Verstärkers 6 und des Verstärkers 7 sind zusammengeschaltet und über
einen ersten Widerstand 14 an den invertierenden Eingang 3 des
Spannungsverstärkers 2 angeschlossen; der Anschlußpunkt 15 des ersten
Widerstandes 14 und des invertierenden Eingangs 3 des Verstärkers 2 sind
über den zweiten Widerstand 16 an Masse M angeschlossen. Eine erste
leitende Verbindung 18 verbindet den invertierenden Eingang des ersten
Leistungsverstärkers 6 mit dem Ausgang, während eine zweite leitende
Verbindung 19 den invertierenden Eingang des zweiten
Leistungsverstärkers 7 mit seinem Ausgang verbindet, wobei die Ausgänge der beiden
Verstärker 6 und 7, wie bereits beschrieben, zusammengeschaltet sind.
Ein Kompensationskondensator CC ist, wie üblich, zwischen den Preset-
Kontakten des Spannungsverstärkers 2 eingefügt.
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Um die Stabilisation zu erreichen, sieht der Stand der Technik, wie
bereits beschrieben, eine an den Ausgang der beiden
Leistungsverstärker 6 und 7 angeschlossene R-C-Schaltung vor, die parallel zu der Last
ZL angeordnet ist. Es ist tatsächlich diese Schaltung, welche die
Erfindung zu beseitigen vorschlägt.
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Dieses Ziel wird durch den in den Fig. 2 und 3 dargestellte Anordnung
erreicht.
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In Fig. 2 umfaßt der integrierte Leistungsverstärker, der allgemein
mit den Bezugszeichen 1' bezeichnet ist, einen Spannungsverstärker 2'
mit einem invertierenden Eingang 3', einem nichtinvertierenden Eingang
4' und einem Ausgang 5', der mit einem ersten Leistungsverstärker 6'
und einem zweiten Leistungsverstärker 7' verbunden ist, um diese zu
treiben, wobei der Leistungsverstärker 6' einen entsprechenden
invertierenden Eingang 8' und einen entsprechenden nicht invertierenden
Eingang 9' und der Leistungsverstärker 7' einen entsprechenden nicht
invertierenden Eingang 10' und einen entsprechenden invertierenden
Eingang 11' aufweisen. Die entsprechenden Ausgänge 12' und 13' der
Leistungsverstärker 6' und 7' sind zusammengeschaltet und über einen
ersten Rückkopplungsblock βC' an den invertierenden Eingang 3' des
Spannungsverstärkers 2' angeschlossen. Ein Kompensationskondensator CC
ist zwischen den Preset-Kontakten oder Pins des Spannungsverstärkers
2' eingefügt; ein entsprechender Anschluß des ersten
Leistungsverstärkers 6' ist an den +VS-Anschluß der Spannungsversorgung angeschlossen
und ein entsprechender Kontakt des zweiten Leistungsverstärkers 7' ist
an eine erste Referenzpotentialleitung -VS (Spannungsquelle)
angeschlossen, der nicht invertierende Eingang 9' des ersten
Leistungsverstärkers
6' ist mit dem nicht invertierenden Eingang 10' des zweiten
Leistungsverstärkers 7' und mit dem Ausgang 5' des
Spannungsverstärkers 2' verbunden.
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Erfindungsgemäß ist der invertierende Eingang 8' des ersten
Leistungsverstärkers 6' an die zusammengeschalteten Ausgänge 12' und 13' des
ersten und des zweiten Leistungsverstärkers über einen zweiten
Rückkopplungsblock βA angeschlossen und der invertierende Eingang 11' des
zweiten Leistungsverstärkers 7' ist über einen dritten
Rückkopplungsblock βB an die Ausgänge des ersten und des zweiten
Leistungsverstärkers angeschlossen.
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Weiterhin sind erfindungsgemäß der erste, der zweite und der dritte
Rückkopplungsblock in ihrem Verhalten und ihrer Verstärkung derart
gewählt, daß, um Schwingungen in den Leistungsstufen zu vermeiden, bei
der Frequenz, bei welcher die Phasendifferenz der Stufen 180º
überschreitet, die Schleifenverstärkung
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Ap&sub1;(f)·βA(f)
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oder
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Ap&sub2;(f)·βB(f)
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Werte unterhalb 0 dB annimmt, wobei Ap&sub1;(f) die Übertragungsfunktion des
ersten Leistungsverstärkers 6' ist, Ap&sub2;(f) ist die Übertragungsfunktion
des zweiten Leistungsverstärkers, βA(f) ist die Übertragungsfunktion
des Rückkopplungsblockes βA(f) und βB(f) ist die Übertragungsfunktion
des Rückkopplungsblockes βB.
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Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Blockschaltbildes gemäß
fig. 2, in welchem, wie für einen Durchschnittsfachmann offensichtlich
ist, die allgemeinen Rückkopplungsblöcke βa, βB, βC durch spezifische
Rückkopplungsblöcke ersetzt wurden, die aus Widerstandselementen
gebildet sind.
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Insbesondere der integrierte Leistungsverstärker 1' in Fig. 3, der
eine typische Ausführungsform eines Audioverstärkers zeigt, beinhaltet
einen Spannungsverstärker 2' mit einem invertierenden Eingang 3',
einem nicht invertierenden Eingang 4' und einem Ausgang 5', welcher an
einen ersten Leistungsverstärker 6' und an einen zweiten
Leistungsverstärker 7' angeschlossen ist um diese zu treiben, die einen
entsprechenden invertierenden Eingang 8', 11' und einen entsprechenden
nicht invertierenden Eingang 9', 10' und einen entsprechenden Ausgang
12' und 13' aufweisen; die Ausgänge 12' und 13' der
Leistungsverstärker 6' und 7' sind miteinander verbunden und über einen ersten
Widerstand 14' an den invertierenden Eingang 3' des Spannungsverstärkers 2'
angeschlossen, der den ersten Widerstand 14' und den invertierenden
Eingang 3' des Spannungsverstärkers 2' verbindende Punkt 15' ist über
einen zweiten Widerstand 16' an Masse M' angeschlossen, ein
Kompensationskondensator CC' ist zwischen den Preset-Anschlüssen des
Spannungsverstärkers 2' eingefügt, ein entsprechender Anschluß (nicht
besonders bezeichnet) des ersten Leistungsverstärkers 6' ist an eine
zweite Bezugspotentialleitung +VS und ein entsprechender Anschluß
(nicht besonders gekennzeichnet) des zweiten Leistungsverstärkers 7'
ist an die erste Bezugspotentialleitung -VS angeschlossen, der nicht
invertierende Eingang 9' des ersten Leistungsverstärkers 6' ist mit
dem nicht invertierenden Eingang 10' des zweiten Leistungsverstärkers
7' und mit dem Ausgang 5' des Spannungsverstärkers 2' verbunden.
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Erfindungsgemäß ist der invertierende Eingang 8' des ersten
Leistungsverstärkers 6' über einen dritten Widerstand RG&sub2; und einen vierten
Widerstand RG&sub3;, die miteinander verbunden sind, an den invertierenden
Eingang 11' des zweiten Leistungsverstärkers 7' angeschlossen, wobei
der Verbindungspunkt der Widerstände mit Masse verbunden ist.
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Das andere Ende des dritten Widerstandes RG&sub2; ist über einen fünften
Widerstand RG&sub1; an den Ausgang 12' des ersten Leistungsverstärkers 6'
angeschlossen und das andere Ende des vierten Widerstandes RG&sub3; ist über
einen sechsten Widerstand RG&sub4; an den Ausgang 13' des zweiten
Leistungsverstärkers 7' angeschlossen.
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Wie erkennbar ist, fehlt erfindungsgemäß die stabilisierende R-C-
Schaltung in dem Leistungsverstärker in Fig. 3.
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Insbesondere wird die gleiche Stabilisierungsaufgabe durch die
Rückkopplungswiderstände RG&sub1;, RG&sub2;, RG&sub3; und RG&sub4; der beiden Leistungsverstärker
6' und 7' ausgeführt, die geeignete Werte aufweisen.
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Diese Werte sind insbesondere so gewählt, daß die Kreisverstärkung
nicht einheitlich aber gleich G dB ist, wobei G > 0 dB ist.
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Auf diese Weise wird die Kreisverstärkung bei der Frequenz, bei
welcher die Phasenverschiebung der Leerlauf-Übertragungsfunktion der zwei
Leistungsverstärkerstufen mit den Leistungsverstärkern 6', 7' und den
Rückkopplungswiderständen etwa 180º ist, kleiner als G dB anstelle von
0 dB sein.
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Insbesondere wird die Verstärkung G so sein, daß bei jeder Art von
Last und für jede Ausgangsspannung die Stabilität des Systems
sichergestellt ist.
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Der Erfinder hat insbesondere gefunden, daß für Leistungsverstärker 6'
und 7', die zwei Transistoren verwenden, eine Verstärkung von 6 dB
ausreichend sein kann.
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Selbstverständlich können, wenn die Anzahl der Transistoren der
Leistungsverstärkungsstufen ansteigt, höhere Verstärkungen erforderlich
sein.
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Aus dem vorstehenden wird klar, daß die Erfindung die gesteckten Ziele
vollständig verwirklicht. Insbesondere wird ein Aufbau eines
Niederfrequenz-Leistungsverstärkers in integrierter Ausführung mit hoher
Stabilität angegeben, wobei die Stabilität ohne Verwendung
zusätzlicher aktiver Komponenten in dem Aufbau oder einer externen
R-C-Stabilisationsschaltung verwirklicht wird. Dies ist, wie es für einen
Fachmann auf diesem Gebiet leicht erkennbar ist, ein Vorteil sowohl aus
der Sicht der Kostenreduzierung als auch aus der Sicht der Minimierung
der Verdrahtungszahl des Leistungsverstärkers.
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Obwohl die Erfindung insbesondere mit Bezug auf zwei besondere
Ausführungsformen beschrieben wurde, ist anzumerken, daß diese vielfältigen
Modifikationen und Veränderungen zugänglich sind, welche alle
innerhalb der Offenbarung der Erfindung liegen; als ein Beispiel kann der
Kompensationskondensator CC anstelle von zwei Preset-Anschlüssen der
Spannungsverstärkerstufe an einem der Anschlüsse und an dem Ausgang
des Spannungsverstärkers selbst angeschlossen sein. Die Widerstände RG&sub1;
und RG&sub4; können eine unendlichen Wert haben, während RG&sub2; und RG&sub3; den Wert
Null aufweisen können. Weiterhin kann die Spannungsquelle bezogen auf
Masse asymmetrisch sein (das erste und das zweite Bezugspotential
unterscheiden sich im Absolutwert), in welchem Fall zusätzliche
Entkopplungskondensatoren erforderlich sein können. Schließlich ist es als
eine zusätzliche Variation der Erfindung möglich, anstelle des
Spannungsverstärkers einen Gegenleitwert-Verstärker zu verwenden, dessen
Ausgangsstrom proportional zur Eingangsspannung ist.