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Dokumentenidentifikation DE19634052C2 30.07.1998
Titel Verfahren zur Steuerung einer Gegentakt-Endstufe
Anmelder TEMIC TELEFUNKEN microelectronic GmbH, 74072 Heilbronn, DE
Erfinder Böhme, Rolf, Dipl.-Ing. Dr.-Ing., 74177 Bad Friedrichshall, DE
DE-Anmeldedatum 23.08.1996
DE-Aktenzeichen 19634052
Offenlegungstag 05.03.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.07.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.07.1998
IPC-Hauptklasse H03F 3/30
IPC-Nebenklasse H03F 1/32   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Gegentakt-Endstufe mit zwei Endstufentransistoren, denen jeweils ein Sensortransistor in thermischer Kopplung zugeordnet ist und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der DE 39 20 803 C1 ist ein Pull-Push-Verstärker bekannt, bei dem an den Ausgängen der Differenzstufe jeweils ein Stromquellentransistor angeordnet ist, welche über eine Stromsteuerschaltung mittels eines Steuerstroms geregelt werden.

Aus der EP 0 586 251, insbesondere Fig. 1, ist darüber hinaus ein Gegentakt- Leistungsverstärker aus zwei seriengeschalteten Leistungstransistoren bekannt, denen jeweils in thermischer Kopplung ein Sensortransistor zugeordnet ist.

Der in Fig. 1 dargestellte Verstärker besteht aus einer Eingangssektion, einem Bufferverstärker (der dort in einen ersten und zweiten Buffer aufgeteilt ist) sowie einer Gegentakt-Ausgangsschaltung aus zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren gleichen Leitfähigkeitstyps. Der Ausgang a der Eingangssektion ist mit der Basis des ersten Leistungstransistors Q2a verbunden, dessen Kollektor mit der Versorgungsspannung und dessen Enlitter mit dem Verstärkerausgang verbunden ist. Der Kollektor des zweiten Leistungstransistors Q1 ist mit dem Verstärkerausgang und dessen Emitter ist mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung verbunden. Zur Steuerung des zweiten Leistungstransistors ist folgende Treiberschaltung angegeben: Den Leistungstransistoren sind an Basis und Emitter kleinere Sensortransistoren Q2b, Q9 parallel geschaltet, die einen Strom proportional zum Strom in den Endtransistoren führen Der Strom jedes Sensortransistors fließt über je eine Transistordiode zum positiven Pol der Versorgungsspannung. Die Eingänge einer einfachen Differenzstufe sind an die Transistordioden angeschlossen Am Verbindungspunkt b der Emitter der einfachen Differenzstufe ist der erste Eingang des Bufferverstärkers angeschlossen, während der zweite Eingang mit einer Referenzspannung verbunden ist. Der Ausgang des Bufferverstärkers speist die Basis des zweiten Leistungstransistors.

Die Funktion dieser Schaltung besteht darin, daß der Verstärker der Eingangssektion den ersten Leistungstransistor als Emitterfolger direkt steuert, während der zweite Leistungstransistor über die beschriebene Treiberschaltung sekundär gesteuert wird Durch die Treiberschaltung wird der Ruhestrom der Leistungstransistoren kontrolliert und die Stromübernahme von einem auf den anderen Leistungstransistor bei einem Polaritätswechsel des Signals gewährleistet.

Nachteilig an diesem Konzept ist die ungleiche Steuerung der Leistungstransistoren. Durch die sekundär abgeleitete Ansteuerung des zweiten Leistungstransistors aus der Ansteuerung des ersteren wird dessen Steuerung frequenzabhängig und erhält zusätzliche Verzerrungen. Nachteilig ist weiter der erhebliche Aufwand, der für die Eingangssektion und den Bufferverstärker notwendig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Steuerung einer Gegentakt-Endstufe mit zwei Endstufentransistoren anzugeben, das eine symmetrische Ansteuerung der Endstufentransistoren erlaubt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die nur einen minimalen Aufwand erfordert.

Die erstgenannte Aufgabe wird mit den Merkmalen gemäß des Anspruches 1 gelöst. Hiernach werden aus den von den Sensortransistoren gelieferten Sensorströmen Is1, Is2 entsprechend der Relation I3 = I4 = K/(1/Is1 + 1/1s2) zwei untereinander gleiche Steuerströme I3, I4 gebildet, die den Steuersignalen der Endstufentransistoren zugeführt werden Die Eigenart dieser Relation besteht darin, daß der Beitrag eines Sensorstromes desto geringer wird, je größer dieser Sensorstrom ist Die Steuerströme I3, I4 folgen deshalb maßgebend dem kleineren der beiden Sensorströme.

Auf diese Weise wird wie in der bekannten Verstärkerschaltung erreicht, daß der Strom im nicht beanspruchten Endstufentransistoren auf einem frei wählbaren, niedrigen Wert verharrt, während der leistungsmäßig beanspruchte Endstufentransistor beliebig Aussteuerbar ist. Somit wird der Ruhestrom der Endstufentransistoren sowie im Aussteuerungsfall auch der Strom im nicht oder weniger belasteten Endstufentransistor stabilisiert Dabei bleibt die Steuerung der Endstufentransistoren im wesentlichen symmetrisch, so daß die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile vermieden werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Eingangssignal einer Differenzstufe zugeführt. Die beiden Ausgangsströme der Differenzstufe bestehen aus einem Ruhewert und den zueinander gegenphasigen, verstärkten Signalwerten. Von diesen Ausgangsströmen werden die aus den Sensorströmen gebildeten Steuerströme I3, I4 subtrahiert. Die beiden Differenzen bilden die Eingangssignale je eines Endstufentransistors. Durch die Subtraktion der Steuerströme schließt sich ein Regelkreis, der den Strom im weniger belasteten Endstufentransistor auf einen vorzugsweise kleinen Wert stabilisiert, ohne die Aufsteuerung des höher belasteten Endstufentransistors zu beeinträchtigen. Im aussteuerungslosen Fall wirkt der Stabilisierungseffekt auf beide Endstufentransistoren gleichermaßen.

Die Lösung der zweitgenannten Aufgabe ergibt sich mit den Merkmalen des Patentanspruches 3. Hiernach werden die Sensorströme einer Stromsteuerschaltung zugeführt, deren Ausgang zwei Stromquellentransistoren gemäß der Formel K/(1/Is1 + 1/Is2) ansteuert, die jeweils mit einem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden sind Dabei werden diese Ausgänge jeweils mit den Basisanschlüssen der Endstufentransistoren verbunden, vorteilhafter Weise über einen Stromverstärker, wie die Weiterbildung in Anspruch 4 lehrt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Schaltungsanordnung ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen.

Im folgenden soll die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Schaltungsanordnungen als Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert und dargestellt werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur prinzipiellen Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 Strom-Spannungs-Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine detaillierte Schaltungsanordnung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 mit einer npn-Eingangs-Differenzstufe,

Fig. 4 eine weitere detaillierte Schaltungsanordnung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 mit einer pnp-Eingangs-Differenzstufe,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel. Mit komplementärer Gegentakt-Endstufe für kleine Versorgungsspannungen,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit komplementärer Endstufe für sehr kleine Versorgungsspannungen,

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 mit einer Kontrollschaltung zur Verhinderung tiefer Sättigung eines Endstufentransistors,

Fig. 8 eine detaillierte Schaltungsanordnung nach Fig. 7 und

Fig. 9 Schaltungsanordnungen zur Einstellung der Sättigungstiefe.

Die Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie besteht aus den Funktionseinheiten Differenzstufe DS, Treiberstufe DRV, Stromsteuerschaltung CC und Leistungs-Endstufe PS. Die Differenzstufe DS ist mit zwei npn- Transistoren T1 und T2 aufgebaut, deren beiden Basisanschlüssen IN1 und IN2 das Eingangssignal und den verbundenen Emitteranschlüssen der Strom einer Stromquelle Is zugeführt wird. Die Ausgänge dieser Differenzstufe DS bilden die Kollektoren der beiden Transistoren T1 und T2, die einen Strom I1 und I2 liefern. Die Differenzstufe DS hat die Aufgabe, ein Eingangssignal zu verstärken und die Arbeitspunktsteuerung zu vermitteln. Das Eingangssignal kann aus der Differenz zwischen einer primären Eingangsspannung und der Ausgangsspannung oder einem Teil der Ausgangsspannung bestehen. Die Stromsteuerschaltung CC umfaßt eine Stromauswerteeinheit MA sowie zwei von deren Ausgang mittels eines Stromes IC gesteuerten Pnp-Transistoren T3 und T4, die als Stromquellentransistoren dienen und jeweils einen Steuerstrom I3 bzw. I4 für die Arbeitspunktregelung der Endstufe PS liefern. Die Kollektoranschlüsse dieser Stromquellentransistoren T3 und T4 sind jeweils mit den Ausgängen der Differenzstufe DS verbunden. Die Leistungs-Endstufe PS ist mit zwei npn-Endstufentransistoren Tp1 und Tp2 aufgebaut, indem der Emitter des Endstufentransistors Tp1 mit dem Kollektor des Endstufentransistors Tp2 verbunden ist und diese Verbindung gleichzeitig den Ausgang OUT bildet. Ferner ist jedem Endstufentransistor Tp1 und Tp2 jeweils ein npn-Sensortransistor Ts1 bzw. Ts2 in thermischer Kopplung zugeordnet, wobei die Basis- bzw. Ermitteranschlüsse jeweils miteinander verbunden sind. Die Sensorströme Is1 und Is2 der Sensortransistoren Ts1 und TS2 werden der Stromauswerteeinheit MA zugeführt. Die Treiberstufe DRV verbindet jeweils die Basisanschlüsse des Endstufentransistors Tp1 und des zugehörigen Sensortransistors Ts1 bzw. des Endstufentransistors Tp2 und des zugehörigen Sensortransistors TS2 über einen Stromverstärker CA1 bzw. CA2 mit den Ausgängen der Differenzstufe DS. Die Treiberstufe DRV hat die Aufgabe, das von der Differenzstufe DS gelieferte Signal zur Steuerung der Endstufentransistoren Tp1 und Tp2 aufzubereiten. Die Leistungsstufe PS hat die Aufgabe, die gewünschte elektrische Leistung an der Ausgangsklemme OUT bereitzustellen und die Sensorströme Is1, Is2 entsprechend dem Strom durch die Leistungstransistoren zu liefern. Die Stromsteuerschaltung CC hat schließlich die Aufgabe, aus den Strömen Is1, Is2 Ausgangsströme I3, I4 zur Arbeitspunktsteuerung zu bilden.

Die an die Eingangsklemmen IN1, IN2 angelegte Eingangsspannung steuert die Transistoren T1, T2 der Differenzstufe DS, die von einer Konstantstromquelle Is versorgt werden. Die Kollektorströme I1, I2 dieser Transistoren fließen in die Eingänge der Stromverstärker CA1, CA2 der Treiberstufe ORV. Davon werden die Ausgangsströme I3, I4 der Stromsteuerschaltung CC gemäß Id1 = I1 - I3, Id2 = I2 - IC subtrahiert. Die Stromverstärker CA1, CA2 verstärken die Eingangsströme Id1, Id2 auf die Werte Ip1, 1p2, die zur Ansteuerung der Endstufentransistoren Tp1, Tp2 benötigt werden. Soweit die thermische Kopplung zwischen einem Endstufentransistor Tp1 bzw. Tp2 und dem zugehörigen Sensortransistor Ts1 bzw. Ts2 Temperaturunterschiede genügend klein hält, ist der Strom in einem der Sensortransistoren proportional zum Strom im zugeordneten Endstufentransistor. Aus den Sensorströmen Is1, Is2 wird in der Stromauswerteeinheit MA ein Ausgangsstrom Ic gebildet, der hauptsächlich vom kleineren der beiden Sensorströme gemäß der Formel Ic = K/(1/Is1 + 1/1s2) bestimmt wird, wobei K eine Konstante ist. Bei einer solchen Abhängigkeit wird der größere der beiden Ströme desto weniger Einfluß haben, je größer er im Verhältnis zum kleineren ist. Ist z. B. Is2 sehr groß im Verhältnis zu Is2, so kann das Glied mit 1/Is2 gegenüber 1/Is1 vernachlässigt werden und es wird Ic = K*Is1. Über die Transistorstromquellen T3, T4 der Stromsteuerschaltung CC wird der Strom Ic in die Ströme I3 und I4 umgesetzt. Wegen Id1 = I1 - I3 und Id2 = I2 - I4 subtrahieren sich diese Ströme von den Eingangströmen Id1, Id2 der Stromverstärker CA1 und CA2, was weiter eine entsprechende Verminderung der Eingangsströme Ip1, 1p2 der Leistungsstufe PS zur Folge hat. Ist also der kleinere der beiden Sensorströme Is1 oder Is2 zu groß, so wird über die Stromauswerteeinheit MA und die Transistorstromquellen T3, T4 ein größerer Strom I3 = I4 vom Eingang der Stromverstärker CAI, CA2 subtrahiert, was der Ursache entgegenwirkt. Die Anordnung stabilisiert demzufolge den Strom Is1 bzw. Is2 durch den Sensortransistor Ts1 bzw. Ts2 mit dem jeweils kleineren Strom Is1 bzw. Is2. Somit wird im nicht benötigten Zweig der Ausgangsschaltung ein gewisser Ruhestrom aufrecht erhalten, ohne den Strom im aufgesteuerten Zweig zu beeinträchtigen.

Eine Beschränkung für den maximalen, in einem der Leistungstransistoren Tp1, Tp2 fließenden Strom gibt es nur durch die verfügbaren Stromverstärkungen des Systems, wenn keine besonderen schaltungstechnischen Maßnahmen ergriffen werden. Der Eingangsstrom eines der Stromverstärker CA1, CA2 kann maximal den Wert der Stromquelle Is erreichen, der maximal mögliche Ausgangsstrom Iout am Ausgang OUT ergibt sich, indem Is mit den Stromverstärkungen des Stromverstärkers CA1 bzw. CA2 und des Endstufentransistors Tp1 bzw. Tp2 multipliziert wird. Fig. 2 zeigt in einer qualitativen Darstellung den Verlauf der Ströme in Abhängigkeit von einer an die Eingangsanschlüsse IN1, IN2 angelegten Eingangsspannung Vin.

Fig. 3 zeigt ein ausführlicher dargestelltes Schaltungsbeispiel mit npn-Transistoren in der Eingangsstufe DS, die der Differenzstufe nach Fig. 1 entspricht. In möglichst enger thermischer Kopplung zu den Endstufentransistoren Tp1, Tp2 sind die Sensortransistoren Ts1, Ts2 angeordnet. Um unnötig große Ströme in den Sensortransistoren Ts1 und Ts2 zu vermeiden, sind noch Emitter-Widerstände R7, R8 eingefügt. Soweit der Spannungsabfall über die Emitter-Widerstände R7, R8 vernachlässigt werden kann, ist der Strom in einem der Sensortransistoren proportional zum Strom im zugeordneten Endstufentransistor Tp1 oder Tp2. Der Proportionalitätsfaktor wird üblicherweise klein gegenüber 1 gewählt, z. B. 0.04. Sind diese Emitterwiderstände vorhanden, ist die Proportionalität auf kleinere Ströme beschränkt. Zusätzliche Widerstände R9, R10, die zwischen der Basis des Sensortransistors Ts1 bzw. Ts2 und dessen Emitter geschaltet ist, dienen der Abführung der im Basisraum der Leistungstransistoren Tp1, Tp2 gespeicherten Ladung beim Abbau einer Aufsteuerung.

Die Stromsteuerschaltung CC sorgt dafür, daß der kleinere der beiden Ströme der Endstufentransistoren Tp1, Tp2 konstant gehalten wird, wodurch im Falle fehlender Aussteuerung auch der Ruhestrom definiert ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 fließt der Kollektorstrom Is1 bzw. Is2 des Sensortransistors Ts1 bzw. Ts2 durch eine Transistor-Diode T18 bzw. T19. Eine die Stromauswerteeinheit enthaltende Differenzstufe mit npn-Transistoren T15, T16 greift das Potential an den Verbindungspunkten A, B der Kollektoranschlüsse der Sensortransistor Ts1, Ts2 mit den Emitteranschlüssen der Transistordioden T18, T19 ab. Weil der kleinere Strom durch die Transistordiode T18 oder T19 das höhere Potential ergibt, wird das Potential am Punkt C der verbundenen Emitteranschlüsse der Differenzstufentransistoren T15, T16 vom kleineren der beiden Ströme bestimmt. Ein npn-Transistor T14 ist mit seiner Basis an einer durch eine Transistordiode T13 und eine Stromquelle I3 erzeugten Hilfspannung und mit dem Emitter am Knoten C angeschlossen. Der Strom im Transistor T14 nimmt mit steigendem Potential am Knoten C ab und folgt damit dem kleineren der beiden Sensorströme. Der Kollektor dieses Transistors T14 ist über eine Transistordiode T17 an die Versorgungsspannung Vs gelegt, wobei der Basisstrom der beiden Stromquellentransistoren T3 und T4 den Ausgangsstrom Ic der Stromauswerteeinheit MA bildet. Die Transistoren T17, T3 und T4 bilden einen Stromspiegel mit zwei die Steuerströme I3 und I4 liefernden Ausgängen. Die Subtraktion dieser Steuerströme I3 und I4 vom Ausgangsstrom der Differenzstufe DS liefert die Eingangsströme Id1 und id2 für die Stromverstärker CA1, CA2, deren Eingänge von den Basen von pnp-Transistoren T5 und T6 gebildet werden.

Die Stromverstärker CA1 und CA2 sind mit einem npn-Treibertransistor T12, einer npn-Transistordiode T11, einem aus pnp-Transistoren T7 und T8 aufgebauten Stromspiegel und dem schon genannten Eingangstransistor T5 bzw. mit einem pnp-Treibertransistor T10 einer pnp-Transistordiode T9 und dem schon genannten Eingangstransistor T6 aufgebaut.

Der Emitter des Treibertransistors T12 ist sowohl mit dem Ernitter der Transistordiode T11 als auch mit der Basis des Endstufentransistors Tp1 verbunden, während dessen Kollektor auf dem Potential der Versorgungsspannung Vs liegt. Der Kollektor der Transistordiode T11 ist auf den Eingang des Stromspiegels T7/T8 geführt, dessen Ausgang mit dem Emitter des Eingangstransistors T5 verbunden ist.

Der Treibertransistor T10 des Stromverstärkers CA2 steuert über Seinen Kollektoranschluß die Basis des Endstufentransistors Tp2, wobei dessen Emitter mit der Versorgungsspannung Vs verbunden ist. An die Basis dieses Treibertransistors T10 ist sowohl der Emitter des Eingangstransistors T6 angeschlossen und ist gleichzeitig über die Transistordiode T9 mit der Versorgungsspannung Vs verbunden.

Schließlich ist je eine Reihenschaltung eines Widerstandes R1 bzw. R2 und eines Kondensators C1 bzw. C2 zwischen dem Ausgang der Stromauswerteschaltung MA und der Basis des Eingangstransistors T5 bzw. T6 geschaltet, dessen Bedeutung weiter unten erläutert wird.

Für einen Gegentakt-Leistungsverstärker nach Fig. 4 mit einer pnp-Eingangsdifferenzstufe DS müssen die Ausgänge der Stromsteuerschaltung CC als Stromsenken mit npn-Transistoren T3 und T4 arbeiten. Dieser Aufgabe entsprechend wird das Potential am Knoten C der Basis eines pnp-Transistors T14 zugeführt, während dessen Emitter über eine Transistordiode T13 mit der positiven Versorgungsspannung Vs verbunden ist. Dabei ist es vorteilhaft, auch die Kollektorströme der Differenzstufentransistoren T15, T16 Über diese Transistordiode T13 zu leiten. AUS Gründen der Paarung der Basis- Emitter-Spannungen sind die Transistordioden T18, T19 vom pnp-Typ. Die sonstigen Einzelheiten entsprechen der Schaltung von Fig. 3, wobei jedoch zusätzlich die Stromverstärker CA1 und CA2 Widerstände R3 und R6 bzw. R4 und R5 aufweisen. Der Widerstand R5 bzw R6 ist in den Emitterzweig des Diodentransistors T11 bzw. T9 geschaltet und vermindert die Nichtlinearität der Verstärkerkennllinie bei großer Ansteuerung, während die Widerstände R3 und R4 als Emitterwiderstände der Eingangstransistoren T5 und T6 dienen und die Stabilität verbessern.

Die Schaltungsanordnungen gemäß den Fig. 5 und 6 zeigen, wie das erfindungsgemäße Verfahren auch auf eine komplementäre Gegentakt-Endstufe PS angewendet werden kann. In beiden Schaltbildern ist ein npn-Endstufentransistor Tp1 und ein pnp-Endstufentransistor Tp2 in Errlitterschaltung vorgesehen, deren miteinander verbundenen Kollektoren den Ausgang OUT der Schaltung bilden. Den Endstufentransistoren sind Sensortransistoren Ts1 und Ts2 vom entsprechenden Leitfähigkeitstyp zugeordnet. Eine erste, nicht dargestellte Lösüngsmöglichkeit besteht darin, den Strom eines der beiden Sensortransistoren Ts1 oder Ts2 über einen Stromspiegel zu leiten und die dann in gleicher Richtung fließenden Sensorströme wie in den Schaltungen nach Fig. 3 oder Fig. 4 zu behandeln. Die Schaltung nach Fig. 5 benutzt demgegenüber eine vereinfachte Lösung, deren Stromsteuerschaltung CC mit zwei zueinander komplementären aus npn-Transistoren T22 und T24 bzw. aus pnp-Transistoren T23 und T24 aufgebauten Stromspiegeln T22/T24 und T23/T25 sowie mit zwei zueinander komplementären Basisstufen mit einem npn-Transistor T20 und und einem pnP-Transistor T21 arbeitet. Die Basisstufen sind mit ihrer Basis an einer Hilfspannung angeschlossen, die durch zwei vorzugsweise gleichgroße Widerstände R11 und R12 erzeugt wird. Angenommen, der größere Sensorstrom Is1 oder Is2 wird vom Sensortransistor Ts1 geliefert. Dann fließt ein größerer Teil dieses Stromes über den Transistor T20 und bestimmt das Potential an dessen Emitter. Der vom Sensortransistor Ts2 gelieferte, kleinere Strom fließt hauptsächlich über die Transistordioden T22, T23, die die Eingänge der Stromspiegel T22/T24 bzw. T23/T25 bilden. Die Ausgangstransistoren T24, T25 der Stromspiegel T22/T24 bzw. T23/T25 liefern sodann einen Strom entsprechend dem kleineren Eingangsstrom. Der Ausgangsstrom des Transistors T24 wird in den Stromspiegel T17/T3/T4 geleitet, der Basisstrom von T3 und T4 bildet den Ausgangsstrom der Stromauswerteeinheit MA. Die Subtraktion der Steuerströme I3 und I4 von den Ausgangsströmen der Differenzstufe T1/T2 erfolgt auf die bereits oben beschriebene Weise. Ebenso könnte der Ausgangsstrom des Transistors T25 genutzt werden, wenn die Differenzstufe T1/T2 aus pnp-Transistoren analog zur Schaltung gemäß Fig. 4 gebildet würde. Aus der Symmetrie der Anordnung geht hervor, daß, wenn der Sensortransistor Ts2 den größeren Strom führen würde, der Transistor T21 den Hauptteil aufnehmen würde und der kleiner Strom des Sensortransistors Ts1 bestimmend für den Ausgangsstrom von T24/T25 wäre. Eine rechnerische Analyse zeigt, daß auch für diese Stromsteuerschaltung CC die Beziehung Ic = K/(1/Is1 + 1/Is2) in guter Näherung erfüllt ist. Dabei sind Ic, Is1, Is2 die Ströme der Transistoren T24, Ts1 bzw. Ts2 und K ist eine Proportionalitätskonstante. Die Stromverstärker CA1 und CA2 der Treiberstufe DRV bestehen in den Beispielen der Fig. 5 und 6 nur aus einem einzigen pnp-Transistor T6 bzw. aus einem pnp-Transistor T5 mit nachgeschalteten Stromspiegel T7/T8, der aus einer npn-Transistordiode T7 und einem npn-Transistor T8 besteht.

Über den Eingangsdioden T22, T23 der Stromspiegel T22/T24 und T23/T25 im Schaltungsbeispiel der Fig. 5 tritt ein Spannungsabfall von zusammen etwa 1.1 bis 1.4 V auf. Mit der für den Betrieb der Sensortransistoren Ts1, Ts2 notwendigen Kollektor-Emitter-Spannung von etwa je 0.2 V ergibt sich ein Mindestwert der Versorgungsspannung ab etwa 1.5 V. in Fig. 6 ist nun gezeigt, wie die Versorgungsspannung weiter reduziert werden kann, damit bereits ab etwa 1 V eine funktionsfähige Schaltung zustande kommt. Dazu ist vorgesehen, nur einen einzigen Stromspiegel T22/T24 - bestehend aus einem npn- Transistor T22 und einem npn-Transistor T24 - zu verwenden und die Basen der Basisstufen T20, T21 an verschiedene Hilfsspannungen anzulegen. Diese Hilfsspannungen können z. B. so erzeugt werden, daß zwischen den Polen der Versorgungsspannung eine Reihenschaltung eines Widerstands R11, einer Transistordiode T25 und einer Stromquelle I4 eingefügt ist und die Anschlüsse der Transistordiode T25 als Hilfsspannungsanschlüsse genutzt werden. Dabei ist jedoch zu beachten, daß der vom Sensortransistor Ts1 gelieferte Strom gegenüber der Schaltung von Fig. 5 nur halb so wirksam ist (gleichartige Transistoren T22, T24 vorausgesetzt), weil von dem dem Stromspiegel T22/T24 zufließenden Teil nur die Hälfte über T24 weitergeleitet wird. Dies kann durch Verdopplung der Basis-Ernitter-Fläche des Sensortransistors Ts1 ausgeglichen werden.

Wird ein Gegentakt-Leistungsverstärker nach der Erfindung im Ausgangsspannungsbereich übersteuert, so kann im Beispiel der Schaltungen gemäß den Fig. 3 und 4 der Endstufentransistor T1 oder der Treibertransistor T10 in Sättigung gehen. Da die Stromsteuerschaltung CC den größeren Strom der beiden Endstufentransistoren Tp1, Tp2 nicht auswertet, wird die Sättigungstiefe nicht kontrolliert und nur von der Stromergiebigkeit der Treibertransistoren T10 bzw. T12 begrenzt. Um die damit verbundenen Nachteile zu vermeiden, ist nach der Schaltung gemäß Fig. 7 eine an den Ausgang OUT der Leistungsendstufe PS angeschlossene Kontrollschalltung VC für den Ausgangsspannungsbereich vorgesehen, die bei einer Überschreitung den Versorgungsstrom der Differenzstufe DS drosselt. Durch die Verminderung des Versorgungsstromes der Differenzstufe wird der Strom Id1 bzw. Id2, der dem Stromverstärker CA1 bzw. CA2 zufließt, ebenso vermindert und damit die Sättigung gedrosselt oder verhindert. Gleichzeitig wird die Verstärkung der Differenzstufe vermindert, was im Falle eines gegengekoppelten Verstärkers die Erhaltung der dynamischen Stabilität erleichtert.

Dazu zeigt Fig. 8 eine ausführlichere Schaltungsanordnung. Diese Schaltungsanordnung entspricht derjenigen aus Fig. 4, die jedoch zusätzlich die im Zusammenhang Mit Fig. 7 erläuterte Kontrollschaltung VC aufweist, die aus einer pnp-Transistordiode T26, einem npn-Transistor T27, einem weiteren pnp-Transistor T28 sowie einer Stromquelle I1 aufgebaut ist. Um die Sättigung des pnp-Treibertransistors T10 ZU verhindern oder abzuschwächen, wird der Kontrolltransistor T28 gleicher Leitfähigkeit mit seinem Emitter am Kollektor angeschlossen und die Basen miteinander verbunden. Der Kontrolltransistor T28 beginnt Strom zu führen, wenn beim Treibertransistor T10 das Kollektorpotential höher als das Basispotential wird, er also in Sättigung eintritt oder sich der Sättigung nähert. Im übrigen Spannungsbereich bleibt er stromlos. Der erzeugte Strom wird vom Strom der Stromquelle I1, der die Differenzstufe DS über einen Stromspiegel T29/T30 - bestehend aus einer pnp-Transistordiode T29 und einem pnp-Transistor T30 - versorgt, subtrahiert. Ähnlich wird eine Sättigung des Endstufentransistor Tp1 verhindert oder abgeschwächt, indem der zweiter Kontrolltransistor T27 mit seinem Emitter über die Transistordiode T26 mit dem Kollektor des Endstufentransistors Tp1 verbunden wird. Die Basis des Kontrolltransistors T27 ist mit der Basis des Treibertransistors T12 verbunden, der dem Endstufentransistor Tp1 vorgeschaltet ist. Der Strom des Kontrolltransistors T27 wird vom Strom, der den verbundenen Emittern der Differenzstufentransistoren T1, T2 zufließt, subtrahiert. Die Einfügung einer Transistordiode T26 ist notwendig, wenn über den gesamten Aussteuerbereich die Möglichkeit besteht, daß die zulässige Basis-Emitter-Sperrspannung des Kontrolltransistors T27 überschritten werden kann. Besteht diese Gefahr nicht, wird die Transistordiode T26 weggelassen und die Bassis des Kontrolltransistors T27 mit der Basis des Endstufentransistors Tp1 verbunden.

Um die Arbeitspunkte des Kontrolltransistors T28 einzustellen und ggf. den Grad der Sättigung zu vermindern ist auch vorgesehen, zwischen der Basis des Kontrolltransistors T28 und der Basis des Treibertransistors T10, der vor Sättigung geschützt werden soll, einen Widerstand R13 einzufügen. Im Falle des Kontrolltransistors T27 wird ein Widerstand R14 entsprechend vor der Basis des Treibertransistors T12 eingefügt. Beide Möglichkeiten sind in Fig. 9a bzw. 9b dargestellt.

Bei einem Leistungsverstärker wie dem der Erfindung wird meist ein Teil oder die gesamte Ausgangsspannung dem invertierenden Eingang IN2 der Differenzstüfe DS zugeführt. Um einen stabilen, von Selbsterregung freien Betrieb zu gewährleisten, ist die oben beschriebene Reihenschaltung von Widerstand R1 bzw. R2 und Kondensator C1 bzw. C2 zwischen Kollektor und Basis je eines Stromquellentransistors T3 bzw. T4 der Stromsteuerschaltung CC vorgesehen (vgl. Fig. 3, 4 und 8). Eine auf diese Weise eingefügte Frequenzgangkorrektur dient gleichzeitig der internen Stabilität bei der Aufrechterhaltung des Arbeitspunktes durch die Stromsteuerschaltung CC wie auch der Stabilität unter der Bedingung einer äußeren Gegenkopplung.

Darüber hinaus wurde gefunden, daß die interne Stabilität verbessert werden kann, wenn man die Transistordioden T18, T19 (vgl. Fig. 3, 4 und 8) und die Transistordioden T22, T23 (Vgl. Fig. 5 und 6) durch eine Kapazität (nicht dargestellt) zwischen Basis und Ernitter und einen Widerstand (ebenfalls nicht dargestellt) zwischen Basis und Kollektor ergänzt. Diese Beschaltung bewirkt, daß der Scheinwiderstand der Transistordiode oberhalb einer Grenzfrequenz ansteigt.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Steuerung einer Gegentakt-Endstufe mit zwei von Steuersignalen gesteuerten Endstufentransistoren (Tp1, Tp2), denen jeweils ein Sensortransistor (Ts1, Ts2) in thermischer Kopplung zugeordnet ist, indem aus den von den Sensortransistoren (Ts1, Ts2) gelieferten Sensorströmen (Is1, Is2) zwei identische Steuerströme (I3, I4) gemäß der Formel



    KM/(1/Is1 + 1/Is2), (K = Konstante),



    erzeugt werden, die von den Steuersignalen der Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) subtrahiert werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das von der Gegentakt-Endstufe zu verstärkende Eingangssignal einem Differenzverstärker (DS) zugeführt wird, dessen Ausgangsströme als Steuersignale für die Endstufentransistoren (Tp1, TP2) dienen, die Steuerströme (I3, I4) jeweils von den Ausgangsströmen (I1, I2) des Differenzverstärkers (DS) subtrahiert werden und die dadurch erzeugten Differenzströme (Id1, Id2) den Basisanschlüssen der Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) zugeführt werden.
  3. 3. Schaltungsanordnung einer Gegentakt-Endstufe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Differenzstufe (DS) deren Ausgänge jeweils ein Steuersignal (Id1, 1d2) liefern, welche wiederum Endstufentransistoren (Tp1, TP2) steuern, und die Ausgänge der Differenzstufe (DS) jeweils mit einem Stromquellentransistor (T3, T4) verbunden sind, wobei die Stromquellentransistoren (T3, T4) basisseitig von einem Ausgangsstrom (ic) einer Stromsteuerschaltung (MA) gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß den Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) jeweils ein Sensortransistor (Ts1, Ts2) in thermischer Kopptung zugeordnet ist, welcher jeweils einen Sensorstrom (Is1, Is2) liefert, beide Sensorströme (Is1, Is2) der Stromsteuerschaltung (MA) zugeführt werden, die den Ausgangsstrom (Ic) zur Ansteuerung der zwei Stromquellentransistoren (T3, T4) gemäß der Formel K/(1/Is1 + 1/Is2) erzeugt, wobei K eine vorgegebene Konstante ist.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Ausgänge des Differenzverstärkers (DS) jeweils über einen Stromverstärker (CA1, CA2) mit den Basisanschlüssen der Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) verbunden sind.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei für jeden Sensortransistor (Ts1, Ts2) jeweils eine Transistordiode (T18, T19) vorgesehen ist, über die der Sensorstrom (Is1, Is2) geführt wird.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Stromauswerteeinheit (MA) zwei Emitterfolger (T15, T16) aufweist, deren Basen an je einer Transistordiode (T18, T19) und deren miteinander verbundenen Emitter mit einer Stromquelle (12) verbunden sind.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei das Emitterpotential (C) der Emitterfolger (T15, T16) einem Transistor (T14) zugeführt wird und der Strom durch diesen Transistor (T14) dem Ausgangsstrom (Ic) der Stromauswerteeinheit (MA) entspricht.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei der Ausgangsstrom (Ic) der Stromauswerteeinheit (MA) über einen weiteren Transistor (T17) auf die Stromquellen- bzw Stromsenkentransistoren (T3, T4) gespiegelt wird.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die beiden Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind.
  10. 10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei für jeden Sensortransistor (Ts1, Ts2) eine Basisstufe (T20, T21) vorgesehen ist, die zueinander komplementär sind, und wobei der Überschuß des größeren Sensorstromes (Is1, Is2) gegenüber dem kleineren von der zugehörigen Basisstufe (T20, T21) aufgenommen wird.
  11. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, wobei die Stromauswerteeinheit (MA) zwei komplementäre Stromspiegelschaltungen (T22/T24, T23/T25) aufweist, deren Ausgangstransistoren (T24/T25) sowie deren Eingangstransistoren (T22/T23) in Reihe geschaltet sind, so daß der Ausgangsstrom dieser Ausgangstransistoren (T24, T25) den Ausgangsstrom (Ic) der Stromauswerteeinheit (MA) bildet und die Eingänge der Stromspiegelschaltungen (T22/T24, T23/T25) jeweils mit einem Sensortransistor (Ts1, Ts2) verbunden sind.
  12. 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 und 11, wobei die Basisanschlüsse der Basisstufen (T20, T21) an eine gemeinsame Referenzspannung (R11, R12) angeschlossen sind.
  13. 13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, wobei die Stromauswerteeinheit (MA) eine Stromspiegelschaltung (T22/T24) aufweist, dessen Eingangstransistor (T22) zwischen die Sensortransistoren (Ts1, Ts2) geschaltet ist und der Ausgangsstrom dieser Stromspiegeischaltung (T22/T24) den Ausgangsstrom (Ic) der Stromauswerteeinheit (MA) bildet.
  14. 14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 und 13, wobei die Basisanschlüsse der Basisstufen (T20, T21) je an eine Referenzspannung angeschlossen sind, die sich um den Spannungsabfall über einer Transistordiode (T25) unterscheiden.
  15. 15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind.
  16. 16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, wobei der Versorgungsstrom der Differenzstufe (DS) von einer Spannungssteuerschaltung (VC) vermindert wird, wenn der vorgesehene Ausgangsspannungsbereich der Schaltungsanordnung überschritten oder einer der Endstufentransistoren (Tp1, Tp2) oder einer der Treibertransistoren (T10) der Stromverstärker (CA1, CA2) in Sättigung eintritt oder sich der Sättigung nähert.
  17. 17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, wobei die Spannungssteuerschaltung (VC) einen Transistor (T28) zur Überwachung des Treibertransistors (T10) enthält, der mit seinem Emitter am Kollektor und mit seiner Basis an der Basis des Treibertransistors (T10) angeschlossen und dessen Kollektorstrom subtraktiv auf den Versorgungsstrom der Differenzstufe (DS) eingeleitet wird.
  18. 18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, wobei die Spannungssteuerschaltung (VC) einen Transistor (T27) zur Überwachung des Endstufentransistors (Tp1) enthält, dessen Emitter über eine Transistordiode (T26) mit dem Kollektor des Endstufentransistors (Tp1) und dessen Basis mit der Basis des dem Endstufentransistors (Tp1) vorgeschalteten Treibertransistors (T12) des Stromverstärkers (CA1) verbunden ist und dessen Kollektorstrom subtraktiv auf den Versorgungsstrom der Differenzstufe (DS) eingeleitet wird.
  19. 19. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei die Basis des Transistors (T27, T28) zur Überwachung eines Treibertransistors (T10) des Stromverstärkers (CA2) oder Endstufentransistors (Tp1) über einen Widerstand (R13, R14) mit der Basis dieses Treibertransistors (T10) oder des Treibertransistors (T12) des anderen Stromverstärkers (CA2) verbunden ist.
  20. 20. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 19, wobei eine Reihenschaltung (R1, C1; R2, C2) von Widerstand und Kondensator zwischen Kollektor und Basis des Stromquellen- bzw Stromsenkentransistors (T3, T4) der Stromsteuerschaltung (CC) eingefügt ist.
  21. 21. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 20, wobei die eingangsseitigen Transistordioden (T18, T19, T22, T23) der Stromsteuerschaltung (CO mit einer Kapazität zwischen Emitter und Basis und einem Widerstand zwischen Basis und Kollektor beschaltet sind.






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