NL9002591A - Versterkerschakeling met temperatuurcompensatie. - Google Patents

Description

Versterkerschakeling met temperatuurcompensatie.

De uitvinding heeft betrekking op een versterkerschakeling voorzien van een stuurtransistor en een uitgangstransistor waarvan een stuuraansluiting gekoppeld is met de hoofdstroombaan van de stuurtransistor. Onder stuurtransistor dient te worden verstaan die transistor of transistorconfiguratie die het stuursignaal ontvangt en onder uitgangstransistor die transistor of transistorconfiguratie die het versterkte signaal aan een belasting levert.

Het is een bekend verschijnsel, dat bij toename van de temperatuur ten gevolge van toenemende dissipatie, de differentiële basis-emitter ingangsweerstand van een transistor negatief kan worden, dat wil zeggen, dat bij toenemende basisstroom de basis-emitterspanning dan afneemt. Dit verschijnsel, dat in de literatuur bekend staat als "forward second breakdown" of ook wel "thermal breakdown", wordt veroorzaakt door de sterke positieve temperatuursafhankelijkheid van de collectorstroom. Bij een vermogenstransistor zal de collectorstroom de neiging hebben zich te concentreren in het centrale deel van de transistor waardoor de dissipatie in dit centrale deel toeneemt. Als gevolg van de bovengenoemde temperatuursafhankelijkheid kan daardoor een "hot spot" ontstaan, in het bijzonder bij hoge spanningen, hetgeen leidt tot de destructie van de transistor.

Worden een aantal transistoren voor wat hun gelijkstroominstelling betreft, parallel geschakeld - hieronder te verstaan dat enerzijds hun basis-emitteringangsketens en anderzijds hun collector-emitteruitgangs-ketens in parallelle takken worden opgenomen -, dan zal indien de temperatuur waarbij de differentiële ingangsweerstand negatief wordt bereikt is, de parallelschakeling instabiel worden en zal de stroom zich niet meer gelijk verdelen over de parallelle takken en in het ergste geval door slechts één tak vloeien. Dit betekent, dat het niet zonder meer mogelijk is, om een aantal transistoren parallel te schakelen, teneinde een groter totaal gedissipeerd vermogen te kunnen tolereren. Ook bij vermogenstransistoren, waarvan de inwendige structuur overeenkomt met een aantal parallel geschakelde transistoren, treedt dit verschijnsel op, Hetzelfde geldt in vermogenseindtrappen van geïntegreerde schakelin- gen met parallel geschakelde transistoren of transistorconfiguraties.

Een bekende oplossing voor het gestelde probleem is het opnemen van weerstanden in elk van de emitterketens van de parallel geschakelde transistoren. Hierdoor wordt de differentiële ingangsweerstand pas bij een hogere dissipatie negatief waardoor het probleem als het ware wordt verschoven.

Het toepassen van weerstanden in de emitterketens van parallel geschakelde transistoren leidt echter tot een vermindering van het uitstuurbereik van de verschillende uitgangstransistoren en daarmee van het bereikbare uitgangsvermogen. Verder ontstaat er in de weerstanden verliesvermogen in de vorm van warmte. Deze oplossing wordt bovendien minder effectief naarmate de basis-emitter-spanning toeneemt en de collectorstroom afneemt.

Een versterkerschakeling waarin geen weerstanden zijn opgenomen in de emitterketens maar gebruik gemaakt wordt van thermische koppelingen om daarmee het gestelde probleem op te lossen is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift US 3,952,258. Deze bekende versterkerschakeling omvat een aantal parallelle takken, elk voorzien van ten minste een stuurtransistor en een eindtransistor. De diverse stuur- en eindtransis-toren zijn ruimtelijk zodanig opgesteld dat iedere eindtransistor thermisch sterker gekoppeld is met een andere stuurtransistor dan die stuurtransistor waarmee de betreffende eindtransistor elektrisch gekoppeld is. In het ideale geval leidt een dergelijke kruiskoppeling tot gelijke stromen door de verschillende eindtransistoren ondanks eventuele temperatuurverschillen. in principe is het door elke eindtransistor geleverde vermogen dan ook gelijk, maar door een eventueel verschil in de mogelijkheid om de warmte die in een eindtransistor ontstaat, af te voeren, kan er toch een verstoring van het temperatuursevenwicht optreden. In de praktijk is gebleken dat een ideale thermische kruiskoppeling niet kan worden gerealiseerd en dat er altijd enige instabiliteit zal optreden.

De bedrading van een kruislings gekoppelde structuur is bovendien tamelijk gecompliceerd, in het bijzonder indien het aantal uitgangstransistoren groter is dan twee.

De uitvinding heeft nu ten doel aan te geven op welke wijze, met vermijding van de bovengenoemde nadelen van de stand der techniek, een versterkerschakeling moet worden uitgevoerd om te bereiken dat, ook bij parallelschakeling van een aantal versterkerschakelingen, elk van de uitgangstransistoren blijft werken binnen zijn veilige werkgebied.

Aan deze doelstelling wordt bij een versterkerschakeling van in de aanhef genoemde soort voldaan, doordat de stuuraansluiting van de uit-gangstransistor tevens gekoppeld is met een stroomleverend element dat in serie met de hoofdstroombaan van de stuurtransistor is geschakeld voor het leveren van een instelstroom waarvan de variatie als gevolg van warmtekoppeling tussen het stroomleverend element en de uitgangstransis-tor kleiner is dan de variatie van het door de hoofdstroombaan van de stuurtransistor vloeiende gedeelte van de instelstroom als gevolg van warmtekoppeling tussen de stuurtransistor en de uitgangstransistor.

Hierdoor wordt bereikt dat een toenemende temperatuur in de uitgangstransistor gepaard gaat met een eveneens toenemende temperatuur in de stuurtransistor hetgeen tot gevolg heeft dat van de door het stroom-leverende element beschikbare instelstroom een relatief groter deel gaat vloeien door de hoofdstroombaan van de stuurtransistor ten koste van de stuurstroom naar de stuuraansluitng van de uitgangstransistor. De temperatuur in de versterkerschakeling wordt op deze wijze gestabiliseerd. De stabilisatie werkt binnen de eenheid die gevormd wordt door de versterkerschakeling en wordt niet beïnvloed door parallel schakelen van meerdere van zulke versterkerschakelingen.

De uitvinding zal in het volgende aan de hand van de bijgaande figuren in meer detail worden besproken.

Figuur 1 toont een eerste uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding, waarin de stroomvoerende schakeling wordt gevormd door een stroombron.

Figuur 2 toont een verdere uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding waarin de stroomvoerende schakeling wordt gevormd door een transistor.

Figuur 3 toont een andere uitvoeringsvorm van een versterkerschakeling volgens de uitvinding, waarin de uitgangstransistor wordt gevormd door een Darlington-schakeling.

Figuur 4 toont een uitvoeringsvorm van een versterkertrap waarin de stuurtransistorconfiguratie wordt gevormd door de serieschakeling van een aantal als diode geschakelde transistoren.

Figuur 5 toont een verdere uitwerking van de uitvoeringsvorm van figuur 4.

Figuur 6 toont als voorbeeld een parallelconfiguratie van een aantal circuits van het type, geïllustreerd in figuur 5.

Figuur 7 toont de toepassing van een versterkerschakeling volgens de uitvinding in een klasse B-eindversterker.

Figuur 1 toont een voorbeeld van een versterkerschakeling volgens de uitvinding. De schakeling omvat een uitgangstransistor T1, een stuur-transistor T2 en een stroomleverend element in de vorm van een stroombron 11. De hoofdstroombaan van de uitgangstransistor T1 is verbonden met de uitgangsklemmen K1 en K2. De basis van de uitgangstransistor T1 is verbonden met één uiteinde van de hoofdstroombaan van de stuurtran-sistor T2. Het andere uiteinde van de hoofdstroombaan van de stuurtran-sistor T2 is verbonden met de klem K3, terwijl de basis van de stuur-transistor is verbonden met de klem K4. De basis van de uitgangstransistor T1 is verder verbonden met de ene aansluiting van een stroomleverend element dat in figuur 1 gesymboliseerd wordt door de stroombron 11. De andere aansluiting van de stroombron 11 is verbonden met de klem K5.

De ruimtelijke configuratie van de gehele schakeling is zodanig dat de warmtekoppelingen die aanwezig zijn enerzijds tussen de uitgangstransistor T1 en de stuurtransistor T2 en anderzijds tussen de uitgangstransistor T1 en de stroombron 11 aan bepaalde voorwaarden voldoen. De warmtekoppeling tussen de uitgangstransistor T1 en de stuurtransistor T2 is in de figuur symbolisch weergegeven met de dubbelhoofdige pijl t1.

De warmtekoppeling tussen de uitgangstransistor T1 en de stroombron 11 is gesymboliseerd door de dubbelhoofdige pijl t2. De stroom die tijdens bedrijf loopt via de hoofdstroombaan van de uitgangstransistor T1 tussen de klemmen K1 en K2 wordt bepaald door de spanning die aangeboden wordt aan de klemmen K3, K4. Als tijdens bedrijf om één of andere reden de temperatuur van de uitgangstransistor T1 stijgt dan zal vanwege de warmtekoppeling tussen T1 en T2 de collectorstroom van de stuurtransistor T2 toenemen. Vanwege de warmtekoppeling tussen T1 en 11 zal ook de stroom door de stroombron 11 toenemen. De verdeling van de door stroombron 11 beschikbare stroom over de basis van T1 en over de hoofdstroombaan van T2 zal daardoor veranderen. Volgens de uitvinding is de sterkte van de warmtekoppelingen vanwege de gekozen ruimtelijke configuratie van de versterker zodanig dat de variatie van de stroom door T1 sterker is dan de variatie van de stroom door 11. Het gevolg daarvan is dat de toename van de stroom door T2 groter is dan de toename van de stroom door 11. Het resultaat daarvan is dat de stroom door de basis van T1 zal afnemen waarmee ook de stroom door de hoofdstroombaan van T1 zal af-nemen. De dissipatie van T1 wordt dus verminderd en deze verminderde dissipatie leidt weer tot temperatuurdaling en derhalve tot stabilisatie van de temperatuur van de gehele versterker.

Wordt een aantal schakelingen van het type, geïllustreerd in figuur 1 parallel geschakeld, doordat alle gelijknamige aansluitklemmen K1, ..... K5 van de betreffende schakelingen met elkaar worden verbonden dan ontstaat een configuratie waarin alle uitgangstransistoren in principe op althans nagenoeg dezelfde temperatuur worden gehouden. Zou de temperatuur van één van de uitgangstransistoren om welke reden dan ook toenemen, dan zal, vanwege het bovenbeschreven warmtekoppelingsmechanis-me de basisstroom van deze uitgangstransistor direct worden verminderd, waardoor de dissipatie van de uitgangstransistor afneemt en de warmte-stijging derhalve wordt tegengewerkt.

Alhoewel in het bovenstaande uitgegaan is van een warmtekoppeling tussen T1 en T2 en tussen T1 en 11 kan de warmtekoppeling tussen T1 en 11 eventueel tot nul gereduceerd zijn. Indien er wel sprake is van een warmtekoppeling tussen T1 en T2 dan voldoet de versterker ook bij een dergelijke nulwarmtekoppeling tussen T1 en 11 aan de voorwaarden die volgens de uitvinding worden gesteld.

In het voorbeeld van figuur 1 is het stroomleverende element uitgevoerd als een stroombron 11. Een dergelijke stroombron kan gerealiseerd worden door middel van een als stroombron geschakelde transistor of configuratie van transistoren en eventuele verdere schakelingscom-ponenten. Het stroomleverend element kan in een eenvoudige uitvoeringsvorm ook gerealiseerd worden als weerstand.

Een ander uitvoeringsvoorbeeld van een versterkerschakeling volgens de uitvinding is geïllustreerd in figuur 2. In plaats van de stroombron 11 in figuur 1 is nu een transistor T3 in de schakeling opgenomen, waarvan de hoofdstroombaan aangesloten is tussen de aansluit-klem K5 en de basis van de uitgangstransistor T1. De basisaansluiting van de transistor T3 is verbonden met een aansluitklem K6. Ook in deze schakeling geldt dat de variatie in de stroom door T2, teweeggebracht door warmtekoppeling t1 tussen de uitgangstransistor T1 en de stuurtran-sistor T2, groter is dan de variatie in de stroom door T3, teweeggebracht door de warmtekoppeling tussen de uitgangstransistor T1 en de transistor T3. Zoals in het bovenstaande al is opgemerkt kan de transistor T3 eventueel deel uitmaken van een meer gecompliceerde stroomleverende deelschakeling.

In figuur 3 is een uitvoeringsvoorbeeld getoond waarin de uit-gangstrap niet gevormd wordt door één enkele uitgangstransistor T1, maar door een Darlington-schakeling van de transistoren T1 en T4. De hoofdstroombaan van de transistor T1 is weer aangesloten tussen de klemmen K1 en K2 en de basis van T1 wordt gestuurd door de transistor T4 waarvan de hoofdstroombaan is aangesloten tussen K1 en de basis T1. De basis van T4 is verbonden met één uiteinde van de hoofdstroombaan van de stuurtransistor T2, die op identieke wijze als getoond in figuur 1 is verbonden met de basis van T4, en met de klemmen K3 en K4. Verder is in deze schakeling een stroombron 12 aanwezig aangesloten tussen de basis van T4 en de klem K1.

Ook in deze schakeling geldt de voorwaarde dat de variatie van de stroom door T2 als gevolg van de warmtekoppeling t1 tussen de uitgangs-transistor T1 en de stuurtransistor T2 groter moet zijn dan de variatie van de stroom door 11 als gevolg van de warmtekoppeling tussen de uit-gangstransistor T1 en de stroombron 12 (een naar deze warmtekoppeling verwijzende pijl is terwille van de duidelijkheid in figuur 3 niet getoond).

Opgemerkt wordt dat in deze uitvoeringsvorm ook warmtekoppelingen aanwezig kunnen zijn tussen T4 en T1 en tussen T4 en T2. De eventuele warmtekoppeling tussen T4 en T1 heeft als gevolg dat de stroom door de hoofdstroombaan van T1 bij stijging van temperatuur sterker zal toenemen dan bij afwezigheid van deze warmtekoppeling. De eventuele warmtekoppeling tussen T4 en T2 heeft als gevolg dat de stroom door de hoofdstroombaan van T4 bij stijging van temperatuur zal afnemen vanwege hetzelfde mechanisme dat ook de stroom door T1 doet afnemen. Het gedrag van de schakeling wordt derhalve door deze eventuele verdere warmtekoppelingen niet of nauwelijks beïnvloed.

Figuur 4 toont een andere uitvoeringsvorm van een versterkerscha-keling volgens de uitvinding. Deze uitvoeringsvorm is voorzien van een eindtrap bestaande uit de transistoren T6 en T5 en een stuurtrap die voorzien is van de transistoren T7, T8 en de weerstand R1. De hoofdstroombaan van de transistor T5 is geschakeld tussen de uitgangsklemmen K7 en K8. De hoofdstroombaan van de transistor T6 is geschakeld tussen de klem K7 en de stuuraansluiting van T5. De transistoren T7 en T8 zijn beiden geschakeld als diode en in een serieschakeling tezamen met de weerstand R1 aangesloten tussen de ingangsklemmen K9 en K10. De stuuraansluiting van transistor T6 is verbonden met het knooppunt tussen de reeks van dioden T7, T8 en de als stroomleverend element dienstdoende weerstand R1.

In deze uitvoeringsvorm van de versterkerschakeling is ervoor gezorgd dat er een warmtekoppeling aanwezig is tussen de als diode geschakelde transistoren T7, T8 en de uitgangstransistor T5, terwijl eveneens een warmtekoppeling aanwezig kan zijn tussen het stroomleveren-de element R1 en de transistor T5. Neemt de temperatuur van de uitgangstransistor T5 toe dan neemt als gevolg van de warmtekoppeling ook de temperatuur van de transistoren T7, T8 toe. Als gevolg daarvan daalt de voorwaartse spanning over deze als diode geschakelde transistoren zodat de spanning op de basis van T3 omhoog gaat waardoor door de hoofdstroomweg van T6 minder stroom gaat lopen. Met andere woorden een toenemende temperatuur leidt tot een lagere basisstroom in de transistor T5, zodat een eventuele stroomverhoging door de hoofdstroombaan van T5 daardoor wordt tegengewerkt. Ook in deze uitvoeringsvorm moet ervoor worden gezorgd dat de invloed van een eventuele spanningsvariatie over R1 als gevolg van een warmtekoppeling tussen T5 en R1 kleiner is dan de invloed die op de bovenbeschreven wijze wordt uitgevoerd door de afname van de voorwaartse spanning over de als diode geschakelde transistoren T7, T8. Met andere woorden de warmtekoppelingen moeten zodanig zijn gerealiseerd dat bij een temperatuurstijging van T5 de spanning op de basis van T6 toeneemt.

In plaats van een weerstand R1 kan ook een stroombron worden toegepast. De werking van een dergelijke uitvoeringsvorm is geheel gelijk aan de bovenbeschreven werking van de geïllustreerde schakeling.

Een verder ontwikkelde variant van de uitvoeringsvorm van figuur 4 is geïllustreerd in figuur 5. In deze figuur bestaat de uitgangstrap weer uit de transistoren T5 en T6 die op dezelfde wijze als in figuur 4 in de schakeling zijn opgenomen. De basisstroom voor de transistor T6 wordt geleverd door een extra transistor T9 waarvan de hoofdstroombaan is aangesloten tussen de basis van transistor T6 en een verdere aan-sluitklem K11. De basis van T9 is verbonden met het knooppunt tussen de weerstand R1 en de als diode geschakelde transistoren T7, T8. Ten opzichte van figuur 1 is de plaats van het stroomleverende element R1 en de serieschakeling van de dioden T7, T8 omgekeerd. De totale serie-schakeling van R1, T7 en T8 is weer aangesloten tussen de aansluitklem-men K9 en K10.

In deze uitvoeringsvorm is weer een warmtekoppeling gerealiseerd tussen de uitgangstransistor T5 en de als diode geschakelde transistoren T7, T8, terwijl verder een warmtekoppeling aanwezig kan zijn tussen het stroomleverende element R1 en de uitgangstransistor T5. Bij toename van de temperatuur van de uitgangstransistor T5 zal ook de temperatuur van de als diode geschakelde transistoren T7, T8 toenemen waardoor de voorwaartse spanning over deze dioden afneemt. Het gevolg daarvan is dat de spanning op de basis van T9 verminderd zodat er door de hoofdstroombaan van T9 een lagere stroom gaat vloeien. De basisstroom van T6 neemt daardoor af, hetgeen uiteindelijk resulteert in een vermindering van de stroom door de hoofdstroombaan van T5.

Ook in de schakeling van figuur 5 kan de weerstand R1 worden vervangen door een stroombron, bijvoorbeeld door een als stroombron geschakelde transistor of transistorconfiguratie.

Zowel in figuur 4 als in figuur 5 kan het aantal als diode geschakelde transistoren worden gevarieerd. Door meer dioden in serie te schakelen kan de temperatuurregeling steiler worden gemaakt. Via het aantal dioden kan derhalve invloed uitgeoefend worden op de regelkarak-teristiek van de schakeling.

Schakelingen van het type als getoond in de figuren 1 tot en met 5 kunnen op relatief eenvoudige wijze worden toegepast als een standaard-vermogenscel. Afhankelijk van het gewenste uitgangsvermogen van een vermogenstrap wordt een aantal van deze vermogenscellen parallel geschakeld door de gelijknamige klemmen met elkaar te verbinden. De lay-out van een dergelijke configuratie is aanzienlijk eenvoudiger dan de lay-out van een uit de stand der techniek bekende structuur met thermische kruiskoppelingen. Een voorbeeld van een dergelijke parallelschakeling is getoond in figuur 6.

Figuur 6 toont als voorbeeld de parallelschakeling van drie circuits van het type als geïllustreerd in figuur 5. De parallelschakeling is gerealiseerd door de overeenkomstige ingangs- en uitgangsklemmen met elkaar te verbinden. Een nadere bespreking van deze parallelschakeling wordt, na de gedetailleerde bespreking van figuur 5 overbodig geacht.

Het uitgangsvermogen dat door deze parallelschakeling kan worden gerealiseerd bedraagt het drievoudige van het uitgangsvermogen dat met de enkele schakeling uit figuur 5 kan worden geleverd.

Er wordt nogmaals op gewezen dat bij parallelschakeling van een aantal vermogenscellen de temperaturen van de verschillende vermogens-transistoren T1 in hoofdzaak gelijk worden gehouden. Dit staat in tegenstelling tot de situatie bij een kruislings gekoppelde structuur (zoals bijvoorbeeld beschreven is in het bovengenoemde US 3,952,258 octrooi, waarin in het ideale geval de stromen door de uitgangstransistoren gelijk worden gehouden. Dat betekent, dat bij het hetzelfde oppervlak van de vermogenstransistoren en dezelfde maximaal toelaatbare junctie-temperatuur de maximaal toelaatbare dissipatie bij gebruikmaking van een configuratie volgens de uitvinding groter is dan bij gebruikmaking van een kruislings gekoppelde configuratie.

De vermogenscel volgens de uitvinding kan niet alleen worden toegepast in een parallelschakeling maar kan ook dienst doen bij het ontwerpen van bijvoorbeeld een klasse B-eindtrap waarvan in figuur 7 een voorbeeld is getoond. In deze klasse B-eindtrap worden twee vermo-genscellen volgens de uitvinding toegepast, waarbij de ene cel voorzien is van de transistoren T10, T11 en T12, terwijl de andere cel de tran-sistoren T13, T14 en T15 omvat. De hoofdstroomwegen van de beide vermogenstransistoren T10 en T13 zijn in serie geschakeld en leveren via een uitgangscondensator C1 stroom aan een belasting R1.

De ingangsspanning van de versterkertrap wordt aangeboden op de basis van T16. Via de als diode geschakelde transistor T17 wordt een stuurspanning toegevoerd aan de basis van T18 die met de stuurtransistor T14 een verschiltrap vormt. Deze verschiltrap is via de transistoren T15 en T19 verbonden met de voedingsspanningsaansluiting Vc. De stroombron-schakelingen 110 en 111 kunnen op elke gewenste wijze worden gerealiseerd .

in de onderste cel, die de transistoren T10, T11 en T12 bevat, vormt de stuurtransistor T11 een stroomspiegelschakeling met een transistor T20 en een stroombron 112, via welke laatste stroombron de transistor T20 verbonden is met de voedingsspanningsaansluiting Vc.

Claims (6)

1. Versterkerschakeling, voorzien van een stuurtransistor en een uitgangstransistor waarvan een stuuraansluiting gekoppeld is met de hoofdstroombaan van de stuurtransistor, met het kenmerk, dat de stuuraansluiting van de uitgangstransistor tevens gekoppeld is met een stroomleverend element dat in serie met de hoo£dstroombaan van de stuurtransistor is geschakeld voor het leveren van een instelstroom waarvan de variatie als gevolg van warmtekoppeling tussen het stroomleverend element en de uitgangstransistor kleiner is dan de variatie van het door de hoofdstroombaan van de stuurtransistor vloeiende gedeelte van de instelstroom als gevolg van warmtekoppeling tussen de stuurtransistor en de uitgangstransistor.

2. Versterkerschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het stroomleverend element een weerstand is.

3. Versterkerschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het stroomleverend element een stroombron is.

4. Versterkerschakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de stroombron een als stroombron geschakelde transistor is.

5. Versterkerschakeling volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de stuurtransistor geschakeld is als diode.

6. Versterkerschakeling volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de stuurtransistor wordt gevormd door een serieschakeling van een aantal als diode geschakelde transistoren.