DE69702348T2 - Leistungsverstärker - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker der in der Präambel des beigefügten Patentanspruchs 1 definierten Art. Spezieller ist die Erfindung vorwiegend dann zur Benutzung vorgesehen, wenn eine hohe Ausgangsleistung in einem Frequenzbereich 0 bis 100 kHz geliefert wird, d. h. eine Leistung ohne obere Grenze, jedoch oft in einem Bereich zwischen 50 und 2000 W, um ohmsche und induktive Lasten wie Lautsprecher, Motoren und andere Arten von Wandlern zu treiben.
• In diesem Zusammenhang ist Stand der Technik aus den US 3,808,545, US 4,611,180, US 5,179,352 und GB 1,584,941 bekannt. Von diesen betrifft insbesondere die US 5,179,352, jedoch teilweise auch die GB 1,584,941 ein Signalkorrekturverfahren, das ähnlich zu einem Verfahren ist, das bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet wird. Die US 3,808,545 betrifft einen Leistungsverstärker, der einen Schaltkreis zeigt, der Merkmale aufweist, die ebenfalls bei Ausführungsformen des Leistungsverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, mit einer Brückenschaltung und einem Erden des Ausgangsanschlusses der Ausgangsverstärkerstufe.
• Gewöhnliche Leistungsverstärkeraufbauten bestehen aus:
• - einer Eingangsstufe;
• - einer Spannungsverstärkerstufe;
• - einer Stromverstärkerstufe.
• Die Aufgabe der Eingangsstufe ist es gewöhnlich, den Arbeitspunkt des Signals von ungefähr der Erde auf ungefähr die eine oder beide Versorgungsspannungen zu ändern.
• Die Spannungsverstärkerstufe soll die Signalspannung auf einen Pegel verstärken, der bei der Stromverstärkerstufe eine Ausgabe mit voller Leistung erzielen kann.
• Die Stromverstärkerstufe hat gewöhnlich eine Spannungsverstärkung von etwas weniger als 1, und eine Stromverstärkung, die ausreicht, die Last von der Spannungsverstärkerstufe zu isolieren.
• Wenn eine hohe Leistung gewünscht ist, sollte eine höhere Versorgungsspannung für die Spannungsverstärkerstufe als für die Stromverstärkerstufe verwendet werden, um für diese Stufe die höchstmögliche Leistung von der Stromversorgung zu erhalten. (Die Spannungsverstärkerstufe muß in der Lage sein, die Stromverstärkerstufe bis zur Sättigung zu treiben.) Dadurch werden der Eingangsstufe Restriktionen auferlegt. Entweder muß man in dieser Bauteile entsprechend ihrer Fähigkeit auswählen, Spannungen auszuhalten, anstatt zum Beispiel entsprechend ihrer Störcharakteristik, oder man muß die Komplexität erhöhen, indem z. B. Bauteile in Serie geschaltet werden.
• Auch die Spannungsverstärkerstufe unterliegt hohen Anforderungen. Die Transistoren in dieser Stufe müssen die volle Versorgungsspannung aushalten. Da diese Stufe in Bezug auf die Linearität des Verstärkers kritisch ist, laufen häufig derart hohe Ströme durch sie hindurch, daß sich diese Transistoren erwärmen und eine lokale Kühlung benötigen. Dies kann den Effekt haben, daß das Produkt thermisch unbeständiger wird, und kann auch einen schlechten Einfluß auf die Lebensdauer des Produkts haben.
• Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Leistungsverstärker der in der Präambel von Anspruch 1 definierten Art bereitgestellt wird, wel cher die speziellen in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 definierten Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Leistungsverstärkers gemäß der Erfindung werden durch zusätzliche Verwendung der Merkmale erhalten, die in den beigefügten abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
• Die Erfindung weist gegenüber den bisher bekannten Leistungsverstärkern die folgenden Vorteile auf:
• - eine niedrige Versorgungsspannung für alle Stufen bis zur Stromverstärkerstufe hat die Wirkung, daß alle Bauteile gemäß ihrer Kleinsignalcharakteristika ausgewählt werden können, wie z. B. Signal/Rauschverhältnis, Bandbreite und Temperaturstabilität.
• - Eine niedrige Leistungsabstrahlung dieser Bauteile führt zu einer erhöhten Verläßlichkeit und Temperaturstabilität.
• - Es wird eine niedrigere Verzerrung erreicht, da es in den Stufen bis zur Stromverstärkerstufe keine Transistoren mit großer Spannungsschwankung gibt. (Dies führt wegen spannungsabhängigen Kapazitäten zu einer Verzerrung.)
• - Weniger Bauteile führen zu einer geringeren Fehlerrate und erhöhten Verläßlichkeit.
• - Es ist möglich, eine Standardlösung zu verwenden: alle Stufen bis zur Stromverstärkerstufe sind gleich, unabhängig von der Ausgangsleistung. Dies vereinfacht die Lagerung und die Instandhaltung.
• - In den meisten Fällen ist es möglich, die gekühlte Elektrode aller oder der Hälfte der Ausgangstransistoren zu erden, was deren Montage erleichtert, das Fehlerrisiko verringert, und den Kühleffekt verbessert.
• Die Erfindung wird jetzt mehr im Detail unter Bezug auf Ausführungsbeispiele, und gleichzeitig die beigefügte Zeichnung erläutert, bei welcher
• Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leistungsverstärkers gemäß der Erfindung in einem vereinfachten Schaltungsdiagramm zeigt, und
• Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Leistungsverstärkers gemäß der Erfindung zeigt.
• In Fig. 1 sind A1 und A2 Verstärkerschaltungen mit Spannungseingangssignalen und Stromausgangssignalen. A1 kann selbst eine komplette Eingangsstufe darstellen, oder eine letzte Verstärkerstufe in einer umfassenderen Eingangsstufe, wobei in der Figur nur dieser letzte Verstärker A1 gezeigt ist. Somit führt die Eingangsspannung Ui zu einem Ausgangssignal vom Verstärker A1, welches das Stromsignal lin an der Stelle 3 im Schaltungsdiagramm ist. Im Prinzip ist es möglich, die Schaltung ohne den Korrekturverstärker A2 zu verwenden. Dies würde aber voraussetzen, daß die Endstufe, die aus A3, PA1 und PA2 besteht, in der Hinsicht "perfekt" ist, daß der Spannungsabfall zwischen der Stelle 3 und einer Stelle 7 im Schaltungsdiagramm gleich Null ist. In der Praxis ist zwischen den Stellen 3 und 7 ein Spannungsunterschied vorhanden, und die Aufgabe des Verstärkers A2 ist es, in dieser Hinsicht für eine Korrektur zu sorgen.
• A3 ist ein Verstärker mit einfacher Spannungsverstärkung, hoher Eingangsimpedanz und niedriger Ausgangsimpedanz. Die hohe Eingangsimpedanz von A3 führt dazu, daß das Stromsignal Iin, dem möglicherweise ein Korrekturstromsignal Ikorr vom Verstärker A2 hinzugefügt wird, durch einen Widerstand R (Bypasswiderstand) hindurchfließt, wodurch über diesen Widerstand eine Spannung V aufgebaut wird.
• PA1 und PA2 sind Leistungswandler, die beispielsweise aus drei oder mehr Leistungstransistoren (oder Röhren) bestehen. Sie benötigen ein Eingangssignal mit einer Spitzenspannung zwischen 0,5 und 12 Volt, um einen maximalen Ausgangsstrom bereitzustellen, abhängig vom jeweiligen Aufbau, und von der Art der verwendeten Transistoren.
• PS1 und PS2 sind gleiche Spannungsversorgungen, die in Bezug auf das Erdesignal schwimmend bzw. schwebend angeordnet sind.
• Ein Spannungssignal Ui an Eingangsanschlüssen 1, 2 von A1 liefert ein Stromsignal Iin, das über dem Bypasswiderstand R (unter Verwendung des nicht geerdeten Anschlusses 6 der Last als Nullpunkt) ein Spannungssignal V aufbaut. Dies führt zu einer Eingangsspannung bei A3, und zu einem Strom durch PA1 oder PA2. Dieser Strom läuft durch die Stromversorgung PS1 oder PS2 hindurch zu der Last LOAD, und fließt durch sie hindurch. Dieser Strom führt zu einer Spannung über der Last, die gleich der Spannung V über dem Widerstand R ist, außer der Eingangsspannung von PA1 und PA2. Da sich diese Spannung auf nicht lineare Weise mit dem Ausgangsstrom ändert, wird eine Verzerrung hervorgerufen. Um diesen Effekt zu kompensieren, wird die Spannung am Eingang von A3 durch den Korrekturverstärker A2 gemessen. Der Korrekturverstärker A2 liefert an den Widerstand R ein Stromsignal Ikorr, wodurch über diesen eine Spannung aufgebaut wird, die stets gleich der Eingangsspannung ist, die an A3 anliegt (dessen Eingangsspannung gleich der Spannung ist, die PA1 und PA2 zugeführt wird). Damit dies funktioniert, muß der Korrekturverstärker A2 eine Steilheit g haben, die gleich der Inversen des Widerstands des Bypasswiderstands R ist. (Es sei angemerkt, daß die Steilheit g definiert ist als Verhältnis zwischen dem Ausgangsstrom des Verstärkers und seiner Eingangsspannung.) Das gesamte Spannungssignal über dem Widerstand R ist dann dasjenige, das von dem Eingangssignal verursacht wird, plus dem A3 Eingangssignal. (Die Spannung über dem Widerstand ist die Summe der durch diesen fließenden Ströme, multipliziert mit dem Widerstand des Widerstands.)
• Dies bewirkt, daß der Teil des Spannungssignals V über dem Bypasswiderstand R, der von dem Eingangssignal verursacht wurde, genau der Spannung über der Last entspricht.
• Die Nichtlinearitäten in PA1 und PA2 werden aufgehoben. Insbesondere sei angemerkt, daß der Ausgangsanschluß 7 von der Endstufe A3, PA1, PA2 geerdet ist. Deswegen muß die Spannungsversorgung als schwebende bzw. schwimmende Spannungsversorgung angeordnet sein. Dies ist kein Problem; bei einem netzbetriebenen Gerät kann die Stelle 6 z. B. eine Mittelstelle an der Sekundärseite eines Netztransformators darstellen.
• Ein Ergebnis des Merkmals, daß der Endstufenausgang 7 geerdet ist, ist, daß an der Stelle 3 im Schaltungsdiagramm eine niedrigere Spannungsschwankung erreicht wird. Wenn die Stelle 6, d. h. der andere Lastanschluß statt dessen auf gewöhnliche Weise geerdet wäre, wäre die Spannungsschwankung an der Stelle 3, d. h. an dem Endstufeneingang gleich oder etwas größer als die Spannungsschwankung über der Last LOAD. Dies würde an die Eingangsstufe A1 große Anforderungen stellen, da die Spannungsschwankung über der Last für große Leistungswerte mehr als 100 Volt betragen kann. (Dies hat am Eingang Leistungsverstärker zur Folge, die eine hohe Leistung liefern, wie in der Einleitung erwähnt.) Ein beispielhafter Verstärker stellt 400 W bei einer Last von 8 Ohm zur Verfügung, und führt zu einer Spitzenspannung von 80 Volt. Dann müßte im herkömmlichen Fall die Eingangsstufe A1 +/- 80 Volt liefern, zuzüglich Toleranzen und Sättigungsspannungen. Verstärker, die eine derartige Eingangsstufe mit einer Spannungsver sorgung von +/- 120 Volt verwenden, sind bekannt und werden verwendet.
• Wenn statt dessen die Stelle 7 geerdet ist, wie bei der vorliegenden Erfindung, wird nur eine Standardstromversorgung von +/- 12 Volt oder +/- 15 Volt für die Eingangsstufe A1 benötigt, ungeachtet der Ausgangsleistung. Dadurch werden die Anforderungen an die Auswahl der Bauteile im Eingangsverstärker A1 verringert, und dessen Verläßlichkeit wird wegen einer geringeren Wärmeentwicklung etc. erhöht.
• Der Endstufenverstärker A3 ist in der Praxis ein spannungsgesteuerter Stromverstärker. Abhängig vom Aufbau dieses Verstärkers benötigt er zwischen 2 und 10 Volt Spannungsdifferenz zwischen den Stellen 3 und 7 im Schaltungsdiagramm, um vollen Strom zu liefern. Diese Spannung kommt zu der Spannung an der Stelle 7 hinzu, und stellt Anforderungen an die Spannungsschwankung aus der Eingangsstufe A1. Es ist wichtig, daß der Vorspannstrom in A3 so klein ist, daß er relativ zu Iin nicht ins Gewicht fällt. Die Fehlerkorrektur, die vom Korrekturverstärker A2 bereitgestellt wird, gleicht die Spannung an der Stelle 3 an die Spannung an der Stelle 7 an.
• Ein weiterer spezieller Effekt der Verstärkerschaltung ist die Kombination von Stromverstärkung und Spannungsverstärkung in ein- und derselben Endstufe, indem die Spannung über dem Widerstand R verstärkt wird, während A3, PA1 und PA2 der Stromverstärkung dienen. Somit wird im Prinzip das Eingangssignal Ui in einen Strom umgewandelt, der wiederum in eine Spannung über einem Widerstand umgewandelt wird, der den nicht geerdeten Anschluß der Last als End-/Bezugspunkt hat. Im Prinzip ist der Stromverstärkerstufenausgang ebenfalls geerdet, und der Strom durch die Last wird über die Stromversorgung gesteuert. Ein wichtiger Effekt, der erreicht wird, ist, daß die Stromverstärkerstufe an ihrer Eingangsseite eine minimale Spannungsschwankung zeigt.
• Jetzt wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Fig. 2 ist ähnlich wie Fig. 1, mit Ausnahme des Stromversorgungsaufbaus, das heißt der rechten Seite des Diagramms. Der Schaltungsaufbau mit A1, A2, A3, PA1 und PA2 bleibt unverändert. Jedoch wird der nicht geerdete Anschluß 6 der Last nicht an den Mittelpunkt zwischen zwei identischen, schwebenden Spannungen angeschlossen, sondern er wird an den Ausgang von einem Slaveverstärker A4, PA3, PA4 angeschlossen. Der Slaveverstärker hat die Aufgabe, das volle Spannungspotential der Stromversorgungseinheit P53 zu verwenden. Er ist als sehr einfacher Rückkopplungsverstärker mit einer Spannungsverstärkerstufe A4 und Leistungsstufen PA3 und PA4 ausgebildet, und fast wie ein Spiegelbild der Endstufe A3, PA1 und PA2 aufgebaut. Dem Slaveverstärkereingang ist mit Hilfe von zwei identischen Widerständen R3 und R4 die halbe Spannung über der Stromversorgungseinheit PS3 zugeordnet. Die Verstärkung ist durch den Widerstand der Widerstände R1 und R2 gegeben, gemäß der Formel
• A = 1 + R2/R1.
• Das Slaveverstärkereingangssignal entspricht der Änderung bei der Stromversorgungseinheit in Bezug auf die Erde, gemessen über R3 und R4. Die Slavestufenverstärkung wird oft etwas über 2 eingestellt, da es wünschenswert ist, daß diese Stufe nur für große Signalamplituden gesättigt ist, um die Spannung der Stromversorgungseinheit so gut wie möglich zu verwenden. Eine Spannungsbegrenzung oder eine harmonische Verzerrung in der Slavestufe führt zu keiner erhöhten Verzerrung des Ausgangssignals, da dieses außerhalb des Bezugspunkts für den Hauptverstärker A3, PA1, PA2 liegt, nämlich dem Zwischenverbindungspunkt 6 zwischen dem Widerstand R und der Last LOAD, und der Stelle 7, die mit dem invertierenden Eingang von A2 verbunden ist.
• Der Aufbau der Stromversorgungseinheit PS3, der vier Widerstände R1 - R4, des Spannungsverstärkers A4 und der Slaveleistungsstufen PA3 und PA4 stellen ein Ausführungsbeispiel eines Stromversorgungsschaltkreises in Analogie zu dem Stromversorgungsschaltkreis PS1, PS2 von Fig. 1 dar.

Claims (5)

1. Leistungsverstärker, umfassend eine Stromversorgungsschaltung (PS1, PS2), eine Eingangsstufe (A1) und eine Ausgangsstufe (A3, PA1, PA2) zum Liefern von Leistung an eine Last (LOAD), die mit dem Ausgang der Ausgangsstufe über einen proximalen Lastanschluß (7) verbunden ist, und die zusätzlich einen distalen Lastanschluß (6) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Eingangsstufe von einem Transkonduktanz- Verstärker (A1) zum Umwandeln einer Eingangssignalspannung (Ui) in ein Stromsignal (Iin) an den Signaleingang (3) der Ausgangsstufe abgeschlossen ist;

- ein Bypass-Widerstand (R) zwischen den Signaleingang (3) der Ausgangsstufe (A3, PA1, PA2) und den distalen Lastanschluß (6) geschaltet ist;

- der proximale Lastanschluß (7) mit der Signalmasse verbunden ist;

- die Ausgangsstufe von einem Stromverstärker (A3, PA1, PA2) gebildet ist, zum Liefern eines Leistungsstromsignals an die Last (LOAD), wobei der Bypass-Widerstand (R) das Stromsignal (Iin) in ein Spannungssignal (V) umwandelt, welches im wesentlichen das Leistungsspannungssignal für die Last bildet, wobei die Ausgangsstufe und der Bypass-Widerstand somit eine kombinierte Stromverstärkungs- und Spannungsverstärkungsstufe bildet, und daß

- die Stromversorgungsschaltung (PS1, PS2) für die Ausgangsstufe als eine schwebende Versorgung und zwischen dem distalen Lastanschluß (6) und der Ausgangsstufe (A3, PA1, PA2) so angeordnet ist, daß das Leistungsstromsignal durch die Stromversorgungsschaltung (PS1, PS2) läuft.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß ein zweiter Transkonduktanz-Verstärker (A2) angeordnet ist, um die Signalspannungsdifferenz (Δu) zwischen dem Ausgang (7) der Ausgangsstufe und dem Eingang (3) davon zu erfassen und ein Korrekturstromsignal (Ikorr), welches proportional zu der Signalspannungsdifferenz ist, zu liefern, um zu dem Stromsignal (Iin) addiert zu werden, um eine Korrektur des Leistungsspannungssignals (V) über dem Bypass- Widerstand (R) für eine Abweichung von dem Lastspannungssignal aufgrund einer Spannungsdifferenz zwischen dem Eingang (3) und dem Ausgang (7) der Ausgangsstufe zu bewirken, wobei die Übertragungsfunktion des zweiten Transkonduktanzverstärkers g = Ikorr/ΔU einen derartigen Wert aufweist, daß g*R = 1 ist, wobei R der Widerstand des Bypass-Widerstands ist.

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe umfaßt:

- einen Stromverstärker (A3) mit einer Einheitsspannungsverstärkung, einer hohen Eingangsimpedanz und einer niedrigen Ausgangsimpedanz, und danach

- zwei parallele Leistungswandler (PA1, PA2), die das gleiche Signal von dem Stromverstärker (A3) empfangen und in einer Gegentaktkonfiguration verschaltet sind, wobei ein verschalteter Ausgang den Ausgang (7) der Ausgangsstufe bildet.

4. Leistungsverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswandler (PA1, PA2) eine Versorgung von Leistung von jeweiligen und identischen Spannungsversorgungen (PS1, PS2) aufweist, wobei beide Spannungsversorgungen den distalen Lastanschluß (6) als einen Nullpunkt aufweisen.

5. Leistungsverstärker nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß

- eine Ausgangs-Slavestufe (A4, PA3, PA4) mit seinem Ausgang mit dem distalen Lastanschluß (6) verbunden ist, wobei die Slavestufe zwei Leistungswandler (PA3, PA4) und einen ersten Verstärker (A4) umfaßt, wobei ein erster Verstärker (a4) ein Spannungsverstärker ist, der als sein Eingangssignal die Differenz zwischen einem Mittenpotential einer Stromversorgungseinheit (PA3) für die Leistungswandler der Ausgangsstufe und der Slavestufe (PA1-PA4) und dem Potential des Übergangspunkts zwischen zwei Widerständen (R1, R2), die ein wählbares Spannungsteilerverhältnis für die Spannung über der Last (LOAD) bereitstellen, verwendet, und daß

- die Stromversorgungseinheit (PS3) für die Leistungswandler (PA1-PA4) parallel zu der Reihenschaltung der zwei Leistungswandler (PA1, PA2) in der Ausgangsstufe und zusätzlich parallel zu der Reihenschaltung der zwei Leistungswandler (PA3, PA4) in der Slavestufe geschaltet ist, wobei zwei identische und in Reihe geschaltete Widerstände (R3, R4), die parallel zu der Stromversorgungseinheit (PS3) eingefügt sind, das Mittenpotential für die Stromversorgungseinheit (PS3) bereitstellen, wobei die Anordnung der Stromversorgungseinheit (PS3), der vier Widerstände (R1-R4), des ersten Verstärkers (A4) und der Slave- Leistungswandler (PA3, PA4) die Stromversorgungsschaltung (PS3, A4, R1-R4, PA3, PA4) bilden.