DE69114949T2 - Gegentakt-Leistungsverstärker. - Google Patents
Gegentakt-Leistungsverstärker.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine verstärkerschaltung zur Gegentaktverstärkung eines Eingangssignals und insbesondere eine Gegentaktleistungsverstärkerschaltung des Typs, bei dem die Übergangsverzerrung durch Zuführung eines Ruhestromes über eine Stromspiegelschaltung kompensiert wird, wobei der Stromverbrauch verringert wird.
- Bis jetzt wurden in der Ausgangsstufe von Audiogeräten, wie Radios, Bandgeräten usw., die Eingangssignale durch eine Gegentaktverstärkerschaltung verstärkt, wie sie in Fig. 2 gezeigt und im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.
- Eine derartige Gegentaktverstärkerschaltung wird in der japanischen Patent-Offenlegungschrift Sho 59-19415 beschrieben. Wie in der Technik allgemein bekannt ist, sind B-Klassen-Gegentaktverstärkerschaltungen mit Transistoren deshalb vorteilhaft, weil der Leistungsverbrauch in ihrer Ausgangsstufe verringert werden kann. Eine solche Gegentaktverstärkerschaltung wirft jedoch das Problem auf, daß der Ein-Ausschaltvorgang des komplementären Ausgangstransistors, der die Ausgangsstufe der Schaltung bildet, im Ausgangssignal Übergangsverzerrungen verursacht.
- Bei dem System nach dem Stand der Technik wurden solche Übergangsverzerrungen vermieden, indem zwei Stromspiegelschaltungen eingesetzt wurden, so daß auch im signallosen Zustand ein kleiner konstanter Strom durch den Ausgangstransistor fließt. Dieser kleine konstante Strom ist als "Ruhestrom" bekannt.
- In Fig. 2 wird nun eine Verstärkerschaltung 1 gezeigt, welche im wesentlichen eine erste Treiberstufe A1, eine zweite Treiberstufe A2, eine erste Ausgangsstufe mit einer Stromspiegelschaltung, die zur Einspeisung des Ruhestromes dient und die Transistoren Tr7 und Tr11 umfaßt, und eine zweite Ausgangsstufe mit einer weiteren Stromspiegelschaltung enthält, die ebenfalls zur Einspeisung des Ruhestromes dient und die Transistoren Tr9 und Tr12 umfaßt.
- Hierbei ist angenommen, daß das Verhältnis der Emitterflächen der Transistoren Tr7 und Tr11 zu den Emitterflächen der Transistoren Tr9 und Tr12 1:N beträgt (wobei N eine positive reale Zahl ist).
- Das Eingangssignal A wird der ersten Treiberstufe A1 zugeführt. Der Ausgangsstrom der ersten Treiberstufe A1 wird in den Kollektor und die Basis des Transistors Tr7 eingespeist. Die Transistoren Tr7 und Tr11 bilden miteinander einen Stromspiegel. Da das Stromspiegelverhältnis auf 1:N eingestellt ist, wird der Kollektorstrom des Transistors Tr11 N x I1, wenn der Ausgangsstrom der ersten Treiberstufe A1 gleich I1 (= I1DC + I1AC, wobei I1CD den Gleichstrom und I1AC den Wechselstrom darstellt) ist. Dieser Kollektorstrom wird dann dem Kondensator C1 und dem Widerstand R5 zugeführt, der die Last bildet, etwa ein Lautsprecher oder dergleichen.
- Der zweiten Treiberstufe A2 wird hingegen ein anderes Eingangssignal mit einer zum Eingangssignal A entgegengesetzten Phase zugeführt. Der Ausgangsstrom der zweiten Treiberstufe A2 wird in den Kollektor und die Basis des Transistors Tr9 eingespeist. Die Transistoren Tr9 und Tr12 bilden miteinander einen Stromspiegel. Da das Stromspiegelverhältnis auf 1:N eingestellt ist, wird der Kollektorstrom des Transistors Tr12 gleich N x I2, wenn der Ausgangsstrom der zweiten Treiberstufe A2 gleich I2 (= I2DC + I2AC, wobei I2CD den Gleichstrom und I2AC den Wechselstrom darstellt) ist. Dieser Kollektorstrom wird dann über den Kondensator C1, welcher als Wechselstromkoppler dient, dem Widerstand R5 zugeführt.
- Da die Eingangssignale A und gegenphasig zueinander sind, werden die Ausgangsströme der Transistoren Tr11 und Tr12 dem Lastwiderstand R5 über den Kopplungskondensator C1 im Gegentakt zugeführt.
- Durch die Verwendung dieser Stromspiegelschaltungen fließt durch die Ausgänge der Transistoren Tr11 und Tr12 ein konstanter Gleichstrom. Dieser Gleichstrom fungiert als Ruhestrom zur Kompensation der Übergangsverzerrungen, auch wenn kein Signal A oder anliegt.
- Zur Erhähung des Verstärkungsfaktors muß bei der Verstärkerschaltung 1 nach dem Stand der Technik das Stromspiegelverhältnis (1:N) vergrößert werden, da die Ausgangsverstärkerstufen als Stromspiegel miteinander verbunden sind. Bei einem Stereo-Kassettenrekorder mit Kopfhörerausgang beträgt zum Beispiel das Spiegelverhältnis vorzugsweise etwa 1:120.
- Wenn das Spiegelverhältnis vergrößert wird, steigt jedoch der Ruhestrom im signallosen Zustand ebenfalls an. Dies führt zu einem Anstieg des Stromverbrauchs.
- Wird eine derartige Gegentaktleistungsverstärkerschaltung als LSI-Schaltung aufgebaut, dann wird das Spiegelverhältnis durch das Verhältnis der Emitterflächen in den Transistoren festgelegt. Das bedeutet, daß die Emitter dieser Ausgangstransistoren eine größere Fläche beanspruchen, was dem Miniaturisierungsziel der LSI entgegensteht.
- Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Verstärkerschaltung zu schaffen, welche ohne Erhöhung des Ruhestromes eine hinreichende Treiberleistung an den Lastwiderstand liefern kann.
- Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Gegentaktleistungsverstärkerschaltung bereit, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
- Wenn kein Signal anliegt, sind die Emitterstrompfade der ersten und zweiten als Diode geschalteten Transistoren EIN- geschaltet, so daß ihre Ausgangsverstärkerstufen in Spiegelschaltung verbunden sind. Der Ruhestrom ist also in Abhängigkeit vom Spiegelverhältnis festgelegt. Wenn der Anfangsstrom oder das Spiegelverhältnis so klein wie möglich gewählt wird, läßt sich der Ruhestrom auf einen notwendigen Minimalwert festlegen.
- Legt man hingegen an die Schaltung ein Eingangssignal an, dann wird je nach Polarität des Eingangssignals entweder der erste oder der zweite als Diode geschalteter Transistor ausgeschaltet. Als Folge davon wird der erste oder der zweite als Transistor geschaltete Transistor, welcher die Ausgangsverstärkerstufe bildet, stromlos. Der gesamte Ausgangsstrom des ersten oder des zweiten Treibertransistors wird also der Basis des ersten oder des zweiten Ausgangstransistors zugeführt. Daher arbeitet der erste oder zweite Ausgangstransistor als normaler Verstärkungstransistor, wobei der Ausgangsstrom einen Wert annimmt, der dem Stromverstärkungsfaktor hFE des ersten oder zweiten Ausgangstransistor entspricht. Dieser Stromverstärkungsfaktor wird auf einen entsprechend hohen Wert eingestellt.
- Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Gegentaktleistungsverstärkerschaltung, die entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
- Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer B-Klassen-Gegentaktleistungsverstärkerschaltung, die entsprechend dem Stand der Technik aufgebaut ist, wobei die Schaltung eine Stromspiegelschaltung enthält.
- In Fig. 1 wird eine Verstärkerschaltung 1 gezeigt, welche im wesentlichen einen ersten Treibertransistor Tr5, einen zweiten Treibertransistor Tr3, einen ersten als Diode geschalteten Transistor Tr7, einen zweiten als Diode geschalteten Transistor Tr 9, Transistoren Tr6 und Tr10, welche eine erste Steuereinrichtung bilden, Transistoren Tr4 und Tr8, welche eine zweite Steuereinrichtung bilden, einen ersten Ausgangstransistor Tr11, einen zweiten Ausgangstransistor Tr12, eine erste Vorspannungseinrichtung und eine zweite Vorspannungseinrichtung enthält.
- Die erste Vorspannungseinrichtung enthält den Transistor Tr1, die Stromquelle 7 und die Widerstände R1 und R2. Die zweite Vorspannungseinrichtung enthält den Transistor Tr2, die Stromquelle 8 und die Widerstände R3 und R4.
- Der erste Eingangsanschluß 6 ist mit der Basis des ersten Treibertransistors Tr5 und der Basis des ersten Steuerungstransistors Tr6 verbunden, während der zweite Eingangsanschluß 5 mit der Basis des zweiten Treibertransistors Tr3 und der Basis des zweiten Steuerungstransistors Tr4 verbunden ist. An den Eingangsanschlüssen 5 und 6 liegen die gegenphasigen Eingangssignale A und an.
- Gleichzeitig erhält die Basis des ersten Transistors Tr5 und die Basis des ersten Steuerungstransistors Tr6 einen Vorspannungsstrom, indem diese Basen über die in Reihe liegenden Widerstände R1 und R2 in der Art eines Stromspiegels mit der Basis des Transistors Tr1 in der ersten Vorspannungseinrichtung verbunden sind.
- Der Verbindungpunkt zwischen den Widerständen R1 und R2 in der ersten Vorspannungseinrichtung ist mit dem Kollektor des Transistors Tr1 und der Stromquelle 7 verbunden und der Emitter des Transistors Tr1 ist am Stromversorgungsanschluß 2 angeschlossen.
- Der Basis des zweiten Treibertransistors Tr3 und der Basis des zweiten Steuerungstransistors Tr4 wird ebenfalls ein Vorspannungsstrom zugeführt, indem diese Basen über die in Reihe liegenden Widerstände R3 und R4 in der Art eines Stromspiegels mit der Basis des Transistors Tr2 in der zweiten Vorspannungseinrichtung verbunden sind.
- Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R3 und R4 in der zweiten Vorspannungseinrichtung ist mit dem Kollektor des Transistors Tr2 und der Stromquelle 8, und der Emitter des Transistors Tr3 ist mit dem Stromversorgungsanschluß 2 verbunden.
- Weiterhin ist der Stromversorgungsanschluß 2 mit dem Emitter des ersten Treibertransistors Tr5 und dem Emitter des ersten Steuerungstransistors Tr6 verbunden. Die Basis des ersten Treibertransistors Trs ist mit der Basis des ersten Steuerungstransistors Tr6 verbunden. Der Kollektor des Transistors Tr6 in der ersten Steuereinrichtung ist mit der Basis des Transistors Tr10 in der ersten Steuereinrichtung verbunden. Der Kollektor des ersten Treibertransistors Tr5 ist mit dem Kollektor und der Basis des ersten als Diode geschalteten Transistors Tr7 verbunden.
- Der Ausgangsanschluß 4 ist mit dem Emitter des ersten Ausgangstransistors Tr11 und dem Kollektor des zweiten Ausgangstransistors Tr12 und weiter über den Kondensator C1 mit dem Widerstand R5 verbunden, der den Lastwiderstand darstellt.
- Der Stromversorgungsanschluß 2 ist ferner mit den Emittern des zweiten Treibertransistors Tr3 und des zweiten Steuerungstransistors Tr4 verbunden. Der Kollektor des zweiten Treibertransistors Tr3 ist mit der Basis und dem Kollektor des zweiten als Diode geschalteten Transistors Tr9 verbunden. Der Kollektor des zweiten Steuerungstransistors Tr4 ist mit der Basis des zweiten Steuerungstransistors Tr8 verbunden.
- Der Kollektor des zweiten Steuerungsransistors Tr8 ist mit dem Emitter des ersten als Diode geschalteten Transistors Tr7 verbunden, während der Emitter des zweiten Steuerungstransistors Tr8 mit dem Ausgangsanschluß 4 verbunden ist.
- Die Basis und der Kollektor des ersten als Diode geschalteten Transistors Tr7 ist mit der Basis des ersten Ausgangstransistors Tr 11 verbunden.
- Die Basis und der Kollektor des zweiten als Diode geschalteten Transistors Tr9 sind mit der Basis des zweiten Ausgangstransistors Tr12 verbunden, während der Emitter des zweiten als Diode geschalteten Transistors Tr9 mit dem Kollektor des ersten Steuerungstransistors Tr10 verbunden ist. Der Masseanschluß 3 ist mit dem Emitter des ersten Steuerungstransistors Tr10 beziehungsweise dem Emitter des zweiten Ausgangstransistors Tr12 verbunden.
- Es wird davon ausgegangen, daß das Verhältnis der Emitterflächen zwischen den Transistoren Tr7 und Tr11 und den Transistoren Tr9 und Tr12 gleich 1:N ist.
- Die Stromspiegelschaltung der vorliegenden Erfindung, welche durch die beiden Transistorpaare (Tr7 und Tr11; Tr9 und Tr12) gebildet wird, dient zur Bereitstellung des Ruhestromes. Die Stromspiegelschaltung ist nicht wirksam, wenn ein Eingangssignal anliegt. Dadurch kann jedes der Emitterflächenverhältnisse auf den Minimalwert eingestellt werden, der erforderlich ist, um den notwendigen und hinreichenden Ruhestrom bereitzustellen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde das Flächenverhältnis auf etwa 1:12 eingestellt.
- Weiterhin wird davon ausgegangen, daß der Strom durch den Transistor Tr7 11 beträgt, und der Strom durch den Transistor Tr9 12.
- Unter der Bedingung, daß weder an den ersten noch an den zweiten Eingangsanschluß 5 oder 6 ein Signal anliegt, sind der erste Treibertransistor Trs, der erste Steuerungstransistor Tr6, der zweite Treibertransistor Tr3 und der zweite Steuerungstransistor Tr4 eingeschaltet. Damit sind die Steuerungstransistoren Tr10 und Tr8 ebenfalls eingeschaltet. Die Stromspiegelschaltung ist also aktiviert. Infolge des Spiegelverhältnisses hat der Kollektorstrom I11C, der durch den ersten Ausgangstransistor Tr11 fließt, den Wert N x I1. Da an der Schaltung kein Eingangssignal anliegt, existiert in diesem Fall keine Wechselspannungskomponente. Der Kollektorstrom I11C beträgt damit N x I1DC. Der Kollektorstrom, der durch den zweiten Transistor Tr12 fließt, beträgt hingegen I12C = N x I2 = N x I2C.
- Auf diese Weise ist der Ruhestrom, wenn kein Eingangssignal anliegt, durch die Ströme der Stromquellen 7 und 8 und durch das Spiegelverhältnis N festgelegt. Wenn diese Parameter in geeigneter Weise eingestellt werden, dann braucht durch den ersten und zweiten Ausgangstransistor Tr11 und Tr12 nur der minimale Ruhestrom zu fließen, der erforderlich ist, um das Auftreten von Übergangsverzerrungen zu vermeiden.
- Es soll jetzt der Fall beschrieben werden, daß an dem ersten und zweiten Eingangsanschluß 6 und 5 gegenphasige Signale (Phasenverschiebung 180 Grad) anliegen.
- Dabei wird davon ausgegangen, daß der erste Eingangsanschluß 6 ein positives Signal und der zweite Eingangsanschluß 5 ein negative Signal erhält.
- In Reaktion auf das positive Signal an den ersten Eingangsanschluß 6 werden die Transistoren Tr5 und Tr6 ausgeschaltet. Dadurch werden die Transistoren Tr7 und Tr11 ebenfalls ausgeschaltet, und gleichzeitig werden auch die Transistoren Tr9 und Tr10 ausgeschaltet. Da der Transistor Tr9 ausgeschaltet ist, arbeitet die zweite Stromspiegelschaltung nicht mehr.
- Die Transistoren Tr3 und Tr4 werden dagegen in Reaktion auf das negative Signal am zweiten Eingangsanschluß 5 eingeschaltet. Da der Transistor Tr4 eingeschaltet ist, wird der Transistor Tr8 ebenfalls eingeschaltet, bleibt aber ohne Einfluß, da der Transistor Tr7 nicht eingeschaltet ist.
- Da sich die Transistoren Tr9 und Tr10 im ausgeschalteten Zustand befinden, wird der gesamte Ausgangsstrom des Transistors Tr3 der Basis des Transistors Tr12 zugeführt, wo der Strom entspechend dem Verstärkungsfaktor hFE des Transistors Tr12 verstärkt wird. Da der Verstärkungsfaktor hFE eines normalen NPN-Transistors im Bereich zwischen 100 und 200 liegt, kann auf diese Weise ein hinreichend großer Ausgangsstrom geliefert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzt der Transistor Tr12 einen Verstärkungsfaktor hFE von 120.
- Es soll jetzt der Fall beschrieben werden, daß an den ersten Eingangsanschluß 6 ein negatives Signal und an den zweiten Eingangsanschluß 5 ein positives Signal angelegt wird.
- In Reaktion auf das positive Signal am zweiten Eingangsanschluß 5 werden die Transistoren Tr3 und Tr4 ausgeschaltet. Dadurch werden die Transistoren Tr9 und Tr12 ebenfalls ausgeschaltet, und gleichzeitig werden auch die Transistoren Tr7 und Tr8 ausgeschaltet.
- In Reaktion auf das negative Signal am ersten Eingangsanschluß 6 werden die Transistoren Tr5 und Tr6 eingeschaltet. Da der Transistor Tr6 eingeschaltet ist, wird der Transistor Tr10 ebenfalls eingeschaltet, bleibt aber ohne Einfluß, da sich der Transistor Tr9 im ausgeschalteten Zustand befindet.
- Da die Transistoren Tr7 und Tr8 ausgeschaltet sind, fließt der gesamte Ausgangsstrom des Transistors Tr5 in die Basis des Transistors Tr11, in dem der Strom entsprechend dem Verstärkungsfaktor hFE des Transistors Tr11 verstärkt wird. Auf diese Weise kann, wie oben beschrieben wurde, ein hinreichend großer Ausgangsstrom bereitgestellt werden.
- Wenn an der Schaltung Eingangssignale anliegen, dann ergibt sich der Kollektorstrom I11C, der durch den Transistor Tr11 fließt, zu:
- hFE x I1 = hFE x (I1DC + I1AC)
- Der Kollektorstrom I12C, der durch den Transistor Tr12 fließt, wird:
- hFE x I2 = hFE x (I2DC + I2AC)
- Wenn Eingangssignale an der Schaltung anliegen, arbeitet also jeder der Ausgangstransistoren Tr11 und Tr12, unbeeinflußt durch die Stromspiegelschaltung, als normaler Verstärkungstransistor. Folglich läßt sich ungeachtet der Einstellung des Spiegelverhältnisses ein hinreichend großer Verstärkungsgrad sicherstellen.
- Wie beschrieben, wird das erforderliche Eingangssignal abhängig vom Stromverstärkungsfaktor hFE des Transistors bestimmt. Auch wenn ein ausreichend großer Verstärkungsfaktor verlangt wird, ist es nicht erforderlich, das Spiegelverhältnis zu erhöhen. Da das Spiegelverhältnis N nur verwendet wird, um die Größe des Ruhestromes einzustellen, kann es auf einen kleinen Wert, etwa auf 12 festgelegt werden.
- Darüberhinaus läßt sich die Gegentaktleistungsverstärkerschaltung, wenn sie in LSI aufgebaut werden soll, durch Reduzierung der erforderlichen Emitterfläche miniaturisieren, indem das Spiegelverhältnis auf einen verhältnismäßig kleinen Wert eingestellt wird.
- Aus dem Vorangegangenen ist deutlich geworden, daß die vorliegende Erfindung den Vorteil bringt, an den Lastwiderstand eine höhere Leistung liefern zu können, ohne den Ruhestrom im signallosen Zustand vergrößern zu müssen, wenn die Eingangssignale gegentaktverstärkt werden. Da die Fläche des Ausgangstransistors verkleinert werden kann, läßt sich in diesem Fall die Fläche des dabei verwendeten LSI- Chips ebenfalls verringern.
Claims (6)
1. Gegentaktleistungsverstärkerschaltung enthaltend:
(A) einen ersten Treibertransistor (Tr5) zur Verstärkung
eines ersten Eingangssignals;
(B) einen zweiten Treibertransistor (Tr3) zur Verstärkung
eines zweiten Eingangssignals;
(C) eine erste Strom-Spiegelschaltung, enthaltend einen
ersten als Diode geschalteten Transistor (Tr7) zur Aufnahme
des Ausgangsstromes des ersten Treibertransistors sowie
einen ersten Ausgangstransistor (Tr11), der mit dem ersten
als Diode geschalteten Transistor verbunden ist;
(D) eine zweite Strom-Spiegelschaltung, enthaltend einen
zweiten als Diode geschalteten Transistor (Tr9) zur
Aufnahme des Ausgangsstromes des zweiten Treibertransistors
sowie einen zweiten Ausgangstransistor (Tr12), der mit dem
zweiten als Diode geschalteten Transistor verbunden ist;
gekennzeichnet durch
(E) eine erste Steuereinrichtung (Tr10) zur
EIN-AUS-Steuerung des Emitterstrompfades des zweiten als Diode
geschalteten Transistors (Tr9) in Reaktion auf einen Strom, der
dem Ausgangsstrom des ersten Treibertransistors (Tr5)
entspricht;
(F) eine zweite Steuereinrichtung (Tr8) zur
EIN-AUS-Steuerung des Emitterstrompfades des ersten als Diode
geschalteten Transistors (Tr7) in Reaktion auf einen Strom, der dem
Ausgangsstrom des zweiten Treibertransistors (Tr3)
entspricht.
2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der das Spiegelverhältnis
sowohl der ersten als auch der zweiten
Strom-Spiegelschaltung (Tr7, Tr11, Tr9, Tr12) auf einen Wert eingestellt ist,
durch den ein Ruhestrom bereitgestellt wird, der zur
Kompensation aller Übergangsverzerrungen erforderlich ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der jeder
Ausgangstransistor einen solchen Verstärkungsfaktor (hFE)
besitzt, daß ein hoher Verstärkungsgrad zur Verfügung steht,
wenn dem Ausgangstransistor ein Eingangssignal zugeführt
wird.
4. Schaltung nach Anspruch 1, bei der sowohl die erste als
auch die zweite Steuereinrichtung jeweils einen Transistor
(Tr6, Tr4) enthält, dessen Basen mit der Basis und dessen
Emitter mit dem Emitter des jeweils zugehörigen
Treibertransistors (Tr5, Tr3) verbunden ist, sowie jeweils einen
weiteren Transistor (Tr10, Tr8), der durch diesen
Transistor (Tr6, Tr4) so EIN-AUS-gesteuert wird, daß der
Emitterstrompfad des zugehörigen als Diode geschalteten
Transistors (Tr9, Tr7) EIN-AUS-gesteuert wird.
5. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die
Gegentakt-Leistungsverstärkerschaltung als IC realisiert ist, wobei das
Spiegelverhältnis der ersten Stromspiegelschaltung durch
die Emitterflächen des ersten als Diode geschalteten
Transistors (Tr7) und des ersten Ausgangstransistors (Tr11)
bestimmt wird und das Spiegelverhältnis der zweiten
Stromspiegelschaltung durch die Emitterflächen des zweiten als
Diode geschalteten Transistors (Trg) und des zweiten
Ausgangstransistors (Tr12) bestimmt wird.
6. Schaltung nach Anspruch 3, bei der die
Spiegelverhältnisse der ersten und zweiten Stromspiegelschaltungen (Tr7,
Tr11, Tr9, Tr12) kleiner als die Verstärkungsfaktoren (hFE)
der ersten und zweiten Ausgangstransistoren (Tr11, Tr12)
sind.
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