DE1190991B

DE1190991B - Pre-stage circuit for push-pull power amplifier with transistors

Info

Publication number: DE1190991B
Application number: DES89012A
Authority: DE
Inventors: Lothar Bauer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-01-10
Filing date: 1964-01-10
Publication date: 1965-04-15
Also published as: SE330398B; JPS5244193B1

Description

Vorstufenschaltung für Gegentaktleistungsverstärker mit Transistoren Gegenstand des Hauptpatentes ist eine Vorstufenschaltung für Gegentaktleistungsverstärker mit Transistoren für A- oder B-Betrieb, bei der die Vorstufe aus einem zweistufigen über einen Vorübertrager gegenphasig gespeisten Gegentaktverstärker besteht, der mit der Gegentaktendstufe galvanisch niederohmig gekoppelt ist, derart, daß die der Gegentaktendstufe zugekehrte Gegentaktvorstufe als Kollektor-Basis-Schaltung und die eingangsseitige Gegentaktvorstufe als Emitter-Basis-Schaltung ausgebildet ist, und bei der die gegenphasig arbeitenden Verstärkerzüge der Vorstufenschaltung je für sich gleich-und wechselstromgegengekoppelt sind und wobei je eine wechselseitige Mitkopplung vorhanden ist vom Ausgang der Kollektor-Basis-Stufe des einen Verstärkerzuges zum Eingang der Emitter-Basis-Stufe des anderen gegenüberliegenden Verstärkerzuges, wobei hier davon ausgegangen wird, daß sich jedes Transistorsystem in einem eigenen Gehäuse befindet.Pre-stage circuit for push-pull power amplifiers with transistors The subject of the main patent is a pre-stage circuit for push-pull power amplifiers with transistors for A or B operation, in which the pre-stage consists of a two-stage There is a push-pull amplifier fed in phase opposition via a pre-transformer, the is galvanically coupled to the push-pull output stage in such a way that the Push-pull preamplifier facing the push-pull output stage as a collector-base circuit and the input-side push-pull precursor is designed as an emitter-base circuit is, and in which the antiphase amplifier trains of the pre-stage circuit DC and AC counter-coupled each for themselves and with one reciprocal Positive feedback is present from the output of the collector-base stage of one amplifier train to the input of the emitter-base stage of the other opposite amplifier train, it is assumed here that each transistor system is in its own Housing is located.

Zur Symmetrierung derartiger Gegentaktleistungsverstärker werden Emitterwiderstände verwendet, obwohl es bekannt ist, daß diese einem B-Betrieb durch Strombegrenzung entgegenwirken. Der gleiche Nachteil tritt auf, wenn zur stabilen Einstellung des Ruhearbeitspunktes von Gegentaktverstärkern Emitterwiderstände benutzt werden.Emitter resistors are used to balance such push-pull power amplifiers is used, although it is known that this is a B operation by current limiting counteract. The same disadvantage occurs when setting the Quiescent operating point of push-pull amplifiers emitter resistors are used.

Die an den Endtransistoren eines Verstärkers entstehende Verlustleistung hat eine Temperaturerhöhung zur Folge, die ein Ansteigen des Emitterstromes bewirkt, wodurch die Verlustleistung weiter ansteigt. Diese durch Temperaturänderungen verursachte Mitkopplung kann durch unzulässige hohe Erwärmung zur Zerstörung der Endstufentransistoren führen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, muß dafür gesorgt werden, daß die Basisspannung an die Temperaturerhöhung angepaßt wird. Die gleichen Gesichtspunkte gelten auch für Vorstufentransistoren, jedoch ist hier durch die Größe des Arbeitswiderstandes, d. h. bei kleiner Kollektorspannung und geringem Arbeitsstrom, die Eigenerwärmung unkritisch. Bei gleichstromgekoppelten Transistorleistungsverstärkern, die der Erfindung zugrunde liegen, ist das Problem der Stabilisierung von besonderer Bedeutung, da schon relativ kleine Temperaturänderungen die Stabilität der Schaltung erheblich beeinflussen können.The power loss that occurs at the output transistors of an amplifier results in an increase in temperature, which causes the emitter current to rise, whereby the power loss increases further. This caused by temperature changes Positive feedback can destroy the output stage transistors due to inadmissible high heating to lead. To avoid this disadvantage, it must be ensured that the base voltage is adapted to the temperature increase. The same considerations also apply for pre-stage transistors, but here is due to the size of the working resistance, d. H. with low collector voltage and low working current, self-heating uncritical. In DC-coupled transistor power amplifiers, those of the invention underlie, the problem of stabilization is of particular concern because even relatively small changes in temperature significantly affect the stability of the circuit can influence.

Es ist bereits bekannt, in einem zweistufigen gleichstromgekoppelten Transistorverstärker in Emitter-Basis-Schaltung, bei dem eine Vergrößerung des Kollektorstromes einer Stufe eine Verminderung des Kollektorstromes in der folgenden Stufe bewirkt, die Transistoren dieser Stufe untereinander mittels wärmeleitender Brücken, z. B. metallische Bänder oder Hülsen, thermisch so eng zu koppeln, daß zwischen den Transistoren ein unmittelbarer Wärmeausgleich stattfindet. Die Folge einer solchen engen thermischen Kopplung ist eine unvermeidliche kapazitive Kopplung, die bei Verstärkern für höhere Frequenzen zu einer unzulässigen internen Gegenkopplung führt und die Stabilität des Verstärkers beeinflussende Phasendrehungen verursacht. Außerdem verbietet sich die unmittelbare wärmeleitende Kopplung von Transistoren mittels metallischer Bänder od. dgl. auch in solchen Fällen, in denen die Kollektorelektroden der Transistoren mit dem Gehäuse elektrisch leitend verbunden sind.It is already known in a two-stage DC-coupled Transistor amplifier in emitter-base circuit, in which an increase in the collector current one stage causes a reduction of the collector current in the following stage, the transistors of this stage with each other by means of thermally conductive bridges, z. B. metallic strips or sleeves, thermally so closely coupled that between the transistors an immediate heat balance takes place. The consequence of such a tight thermal Coupling is an inevitable capacitive coupling that is used in amplifiers for higher levels Frequencies leads to an impermissible internal negative feedback and the stability of the amplifier causes phase shifts that influence the amplifier. In addition, it is forbidden the direct thermally conductive coupling of transistors by means of metallic strips od. The like. Also in those cases in which the collector electrodes of the transistors are connected to the housing in an electrically conductive manner.

Diese Nachteile werden bei Verstärkern gemäß des Hauptpatentes durch derart ausgebildete Mittel zur Erzeugung einer thermischen Kopplung unterdrückt, die einen Wärmeausgleich über wärmeleitende mechanische Koppelelemente vermeiden.These disadvantages are caused by amplifiers according to the main patent such designed means for generating a thermal coupling suppressed, which avoid heat compensation via thermally conductive mechanical coupling elements.

Gemäß der Erfindung wird das dadurch erreicht, daß in jedem der beiden symmetrischen Verstärkerzüge des Gegentaktverstärkers der Transistor der ersten Stufe der Vorstufenschaltung unter Auslassung der zweiten Stufe der Vorstufenschaltung mit dem Endstufentransistor thermisch so gekoppelt ist, daß ein Wärmeausgleich zwischen den Transistoren durch Strahlung und/oder Konvektion unter Verwendung eines den Transistor mit dem geringeren Wärmepotential gehäuseförmig umgebenden wärmeleitenden Körpers erfolgt, der mit dem Transistor mit dem höheren Wärmepotential wärmeleitend verbunden ist.According to the invention this is achieved in that in each of the two symmetrical amplifier trains of the push-pull amplifier the transistor of the first Stage of the pre-stage circuit omitting the second stage of the pre-stage circuit is thermally coupled to the output stage transistor so that a heat balance between the transistors by radiation and / or convection using one of the Transistor with the lower heat potential surrounding the thermally conductive housing in the form of a housing Body takes place, which is thermally connected to the transistor with the higher heat potential is.

Durch Anwendung dieser Maßnahmen wird eine von der Umgebungstemperatur unabhängige Stabilisierung des Ruhearbeitspunktes erzielt. Außerdem ergibt sich der weitere Vorteil, daß der bei Gegentakt-B-Verstärkern unerwünschte Emitterwiderstand wesentlich verkleinert werden kann, was auch eine Verringerung des Klirrfaktors zur Folge hat.By applying these measures, one of the ambient temperature independent stabilization of the rest work point achieved. It also results the further advantage that the emitter resistance, which is undesirable in push-pull B amplifiers can be reduced significantly, which also reduces the distortion factor has the consequence.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand eines Ausführungsbeispieles in Anwendung auf einen Gegentaktverstärker gemäß des Hauptpatentes näher beschrieben.Further details of the invention are based on an exemplary embodiment described in more detail in application to a push-pull amplifier according to the main patent.

In der F i g. 1 ist einer der beiden Verstärkerzüge der Vorstufenschaltung mit der Endstufe entsprechend F i g. 2 des Hauptpatentes im Prinzip wiedergegeben.In FIG. 1 is one of the two amplifier trains of the pre-amplifier circuit with the output stage according to FIG. 2 of the main patent reproduced in principle.

In der vollständigen Gegentaktschaltung ist der in dieser Figur dargestellte Verstärkerzug durch einen zweiten, entsprechend ausgebildeten Verstärkerzug ergänzt. Die Wirkungsweise der thermischen Kopplung ist durch Anwendung der gleichen Maßnahmen in beiden Verstärkerzügen gleich und ist unter Umständen durch besondere Maßnahmen aufeinander abzustimmen. Der im Prinzip dargestellte Verstärkerzug enthält in der Vorstufe den Transistor Tr 1 in Emitter-Basis-Schaltung und den Transistor Tr2 in Kollektor-Basis-Schaltung. Die thermische Kopplung erfolgt, wie durch die gestrichelt gezeichnete Umrandung angedeutet, zwischen dem ersten Transistor Trl der Vorstufe mit dem Transistor Tr3 in der Endstufe. Eine thermische Kopplung des Transistors Tr2 der Vorstufe mit dem Endtransistor ist zur Erzielung der angestrebten Wirkung nicht möglich, da die Verlustleistung des Endtransistors noch vergrößert würde.In the complete push-pull circuit, the amplifier train shown in this figure is supplemented by a second, correspondingly designed amplifier train. The mode of operation of the thermal coupling is the same due to the use of the same measures in both amplifier trains and may need to be coordinated with one another through special measures. The amplifier train shown in principle contains the transistor Tr 1 in the emitter-base circuit and the transistor Tr2 in the collector-base circuit in the preliminary stage. The thermal coupling takes place, as indicated by the dashed border, between the first transistor Tr1 of the preliminary stage with the transistor Tr3 in the output stage. A thermal coupling of the transistor Tr2 of the preliminary stage with the final transistor is not possible to achieve the desired effect, since the power loss of the final transistor would be increased.

Entsteht am Transistor Tr3, z. B. durch seine Verlustleistung, eine Temperaturerhöhung, die sich infolge der thermischen Kopplung mit einer gewissen Zeitkonstante auch beim Vorstufentransistor Trl auswirkt, so wird der Kollektorstrom dieses Transistors ansteigen. Dieser verursacht einen größeren Spannungsabfall am Widerstand R 1. Damit sinkt die Basisspannung des in Kollektorschaltung arbeitenden Transistors Tr2 und ebenso die Basisspannung des Endstufentransistors Tr 3 am Widerstand R 3. Mit abnehmender Basisspannung am Widerstand R 3 verringert sich auch die Verlustleistung des Endstufentransistors Tr3, der anderenfalls durch weiter steigende Temperaturen schließlich zerstört würde. Die Spannungen und Ströme des Verstärkers stellen sich nach relativ kurzer Zeit auf die für die Schaltung vorgesehenen Werte ein. Die F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Kollektorstromes von Transistor Tr3. Der bei t=0 eingeschaltete Verstärker, der ohne thermische Kopplung arbeitet, erfährt durch Erwärmung einen über den Ruhestrom J0 hinausgehenden Stromanstieg. Wird im Zeitpunkt t 1 die thermische Kopplung wirksam, so ist nicht nur ein weiterer Anstieg des Stromes unterbunden, sondern der Strom, der ein Maß für die Erwärmung darstellt, geht nahezu auf den Sollwert J 0 zurück.Arises at the transistor Tr3, for. B. due to its power loss, a temperature increase, which affects the precursor transistor Trl due to the thermal coupling with a certain time constant, the collector current of this transistor will increase. This causes a larger voltage drop across resistor R 1. In order that the base voltage of operating in common collector transistor Tr2 and also the base voltage of the output stage transistor Tr drops 3 3. the resistance R decreases, the base voltage across the resistor R3 also decreases the power dissipation of the output stage transistor Tr3, the otherwise it would ultimately be destroyed by further increasing temperatures. The voltages and currents of the amplifier adjust to the values intended for the circuit after a relatively short time. The F i g. 3 shows the time course of the collector current of transistor Tr3. The amplifier switched on at t = 0, which works without thermal coupling, experiences a current increase that exceeds the quiescent current J0 due to heating. If the thermal coupling becomes effective at time t 1, not only is a further increase in the current prevented, but the current, which represents a measure of the heating, almost goes back to the setpoint J 0.

F i g. 2 zeigt ein Beispiel für die konstruktive Lösung zur Verwirklichung der thermischen Kopplung. Der Vorstufentransistor Tr 1 und der Endstufentransistor Tr3 sind gemeinsam in einem geschlossenen Gehäuse G so angeordnet, daß sie ohne wärmeleitende Verbindung galvanisch getrennt und kapazitiv gut entkoppelt sind. Das Gehäuse kann gegebenenfalls evakuiert sein. Ein Wärmeausgleich erfolgt zwischen den Transistoren durch direkte Strahlung und durch Konvektion, wobei der Transistor Tr3 zu- nächst im allgemeinen das größere Wärmepotential besitzt. Alle mechanischen Verbindungsteile zwischen den beiden Transistoren Trl und Tr3, z. B. die Halterungsteile, bestehen aus Werkstoffen geringer Wärmeleitfähigkeit. Sofern die Kollektorelektroden mit den Transistorgehäusen elektrisch leitend verbunden sind, besitzen die Verbindungsteile zwischen den Transistorgehäusen außerdem einen hohen elektrischen Isolationswert. Das Gehäuse G kann z. B. becherförmig ausgebildet sein, wobei die offene Seite durch eine Isolierstoffplatte, auf welcher der Transistor Trl befestigt ist, verschließbar ist.F i g. 2 shows an example of the structural solution for realizing the thermal coupling. The pre-stage transistor Tr 1 and the output stage transistor Tr3 are arranged together in a closed housing G so that they are galvanically separated and capacitively well decoupled without a thermally conductive connection. The housing can optionally be evacuated. A thermal compensation takes place between the transistors by direct radiation and by convection, the transistor Tr3 initially in general, the greater heat has potential. All mechanical connecting parts between the two transistors Trl and Tr3, e.g. B. the bracket parts are made of materials of low thermal conductivity. If the collector electrodes are electrically conductively connected to the transistor housings, the connecting parts between the transistor housings also have a high electrical insulation value. The housing G can, for. B. be cup-shaped, the open side can be closed by an insulating plate on which the transistor Trl is attached.

Besteht das Gehäuse G aus Metall, so kann es für den Transistor mit der großen Verlustleistung als Kühlkörper dienen. Der Transistor ist dann zweckmäßig mittels der Halterungsteile H, vorzugsweise im Gehäuseinnern, wärmeleitend mit dem Gehäuse verbunden. Dadurch wird die wärmestrahlende Fläche wesentlich vergrößert, so daß nicht nur mehr die direkte Strahlung von Transistor zu Transistor wirksam ist.If the housing G is made of metal, it can also be used for the transistor serve as a heat sink due to the large power dissipation. The transistor is then appropriate by means of the holder parts H, preferably inside the housing, thermally conductive with the Housing connected. This increases the heat radiating surface significantly, so that not only the direct radiation from transistor to transistor is more effective is.

Die Wärmestrahlung auf den Transistor Trl kann auch durch besondere Formgebung des Gehäuses G verstärkt werden, indem z. B. die beiden Transistoren in den Brennpunkten eines elliptisch geformten Gehäuses angeordnet werden.The heat radiation on the transistor Trl can also be due to special Shape of the housing G are reinforced by z. B. the two transistors be placed in the focal points of an elliptically shaped housing.

Als weiteres Ausführungsbeispiel, das in den Figuren nicht dargestellt ist, ist es möglich, einen vollen blockförmigen Kühlkörper zu verwenden, der mit dem Transistor mit der größeren Verlustleistung wärmeleitend verbunden ist und der eine verschließbare Ausnehmung, z. B. Bohrung, aufweist, in welche der andere Transistor ohne wärmeleitende Verbindung mit dem Kühlkörper eingesetzt ist.As a further embodiment that is not shown in the figures it is possible to use a full block-shaped heat sink that comes with the transistor with the greater power dissipation is thermally connected and the a closable recess, e.g. B. bore, in which the other transistor is used without a thermally conductive connection to the heat sink.

Zur Beschleunigung des Wärmeausgleiches ist es zudem möglich, dem Gehäuse des Vorstufentransistors Tr 1 und/oder dem Innern des Gehäuses G durch Schwärzung ein besonders gutes Absorptionsvermögen zu geben.To accelerate the heat equalization, it is also possible to give the housing of the pre-stage transistor Tr 1 and / or the interior of the housing G a particularly good absorption capacity by blackening.

Claims

Claims: 1. Pre-stage circuit for push-pull power amplifier with transistors, in which the pre-stage consists of a two-stage push-pull amplifier fed in antiphase via a pre-transformer, which is galvanically coupled to the push-pull output stage in such a way that the push-pull pre-stage facing the push-pull output stage is a collector-base circuit and the input-side push-pull pre-stage is designed as an emitter-base circuit, and each transistor system is in its own housing, according to patent 1166833, characterized in that the transistor (Tr 1) of the first stage in each of the two symmetrical amplifier trains of the push-pull amplifier the pre-stage circuit, omitting the second stage (Tr2) of the pre-stage circuit with the output stage transistor (Tr3) is thermally coupled so that a heat balance between the transistors (Tr 1, Tr3) by radiation and / or convection using the transistor with the low Ren heat potential in the form of a housing surrounding the thermally conductive body takes place, which is thermally conductively connected to the transistor with the higher heat potential.

2. Pre-stage circuit according to claim 1, characterized in that that the two thermally coupled transistors without a thermally conductive connection arranged together in a closed, preferably thermally conductive housing are.

3. Pre-stage circuit according to claim 1 or 2, characterized in that mechanical connecting parts between the transistors, e.g. B. for bracket, from Materials with low thermal conductivity exist.

4. Preamplifier after a of the preceding claims, characterized in that the common housing of the transistors is made of metal and at the same time for one of the transistors, preferably the output stage transistor (Tr3) is designed as a heat sink.

5. Preamplifier according to claim 4, characterized in that one of the transistors (Tr3), preferably the output stage transistor, thermally conductive on the inner wall and the second transistor (Trl) arranged without a thermally conductive connection to the housing are.

6. Preamp circuit according to claim 1, characterized in that the output stage transistor is thermally conductively connected to a block-shaped heat sink, which for receiving the transistor (Tr 1) with the lower heat potential with such a large recess, for. B. bore, is provided that no heat conduction occurs.

7. Pre-stage circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the heat radiation on the pre-stage transistor (Tr 1) is influenced by the shape of the housing. B. pre-stage circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the heat compensation of the transistors is accelerated by blackening the housing of the pre-stage transistor (Tr 1) and / or the housing surrounding it.