DE1138107B - Transistor-Verstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Transistor-Verstärker und insbesondere galvanisch gekoppelte lineare Gegentakt-B-Verstärker.

Niederfrequenz-Verstärker in Gegentaktschaltung werden eingesetzt, um höhere Leistungen bei geringer Verzerrung zu erhalten. Es ist bekannt, daß die Verwendung von zwei Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, im folgenden als komplementäre Transistoren bezeichnet, bei Gegentaktverstärkern erhebliche Vorteile bietet, da keine teuren Bauteile, wie Transformatoren, erforderlich sind.

Durch Wahl einer bestimmten Schaltung kann ein Transistor-Gegentaktverstärker sowohl zur Spannungsverstärkung als auch zur Stromverstärkung benutzt werden. Wegen der guten Anpassung des Ver-Stärkerausgangs beispielsweise an dem kleinen Eingangswiderstand einer Übertragungsleitung und des ausgezeichneten Frequenzgangs eines gegengekoppelten Verstärkers ist die Kollektorbasisschaltung in solchen Fällen vorteilhaft. Diese Schaltung kann mit der Anodenbasisschaltung bei Elektronenröhren verglichen werden. Das Eingangssignal wird dabei an die Basis und der Ausgang an den Emitter angeschaltet, während der Kollektor im Ein- und Ausgang liegt. Die Schaltung liefert eine gute Stromverstärkung bei einer Spannungsverstärkung von etwa eins.

Die Verwendung von galvanisch gekoppelten Verstärkern ist vorteilhaft, wenn eine einwandfreie Wiedergabe von Signalen kleinen wie auch großen Pegels mit Frequenzen bis herab zu Gleichspannung gefordert wird. Bei galvanischer Kopplung eines Gegentakt-Transistor-Verstärkers treten jedoch ähnliche Probleme auf wie bei galvanisch gekoppelten Röhrenverstärkern, nämlich Aufrechterhaltung der richtigen Gittervorspannung, Vermeidung von UnStabilitäten und Erreichung befriedigender Einschwingvorgänge. Die Lösung dieser Schwierigkeiten erfordert komplizierte und teure Eingangsschaltungen, die unwirtschaftlich sind und sich im Dauerbetrieb nicht bewähren.

Gegentakt-Transistor-Verstärker allgemein ergeben zwar in B- oder C-Betrieb gute Wiedergabe bei hohem Wirkungsgrad, aber es tritt dabei eine unerwünschte Erscheinung auf, daß nämlich bei kleinen Signalen die Verstärkung Null wird, weil die Kennlinie für die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung in der Nähe des Überganges von positiven zu negativen Spannungen ein »Loch« aufweist, so daß Signale kleiner Spannung verlorengehen. Das ist aber bei Sprachübertragungsanlagen unzulässig, da dort eine einwandfreie Wiedergabe im Gesamtbereich gefordert wird. Durch A- oder AB-Betrieb des Verstärkers kann dieses »Loch« in der

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. April 1958 (Nr. 727 194)

Dennis Bryan James, Far Hills, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Kennlinie stark verkleinert werden, der Wirkungsgrad und die Aussteuerungsfähigkeit werden jedoch kleiner.

Es ist auch eine Anzahl von Möglichkeiten bekannt, um bei Gegentakt-B-Verstärkern das Loch in der Kennlinie zu vermeiden oder zu verkleinern. So kann beispielsweise der Generatorwiderstand genügend hoch gemacht werden, eine geeignete Vorspannung vorgesehen werden oder eine starke Gegenkopplung angewendet werden.

Wenn jedoch auch Gleichstromsignale verstärkt werden sollen und der Verstärker dazu galvanisch gekoppelt wird, führen diese Maßnahmen nicht zum Ziel, insbesondere dann nicht, wenn bei hohen Ausgangsleistungen und kleinem Außenwiderstand zusätzlich noch sehr hohe Anforderungen an die Linearität des Verstärkers gestellt werden.

Bei direkter galvanischer Kopplung des Verstärkereingangs ist der Eingangswiderstand sehr klein, weil keine äußere Basis-Emitter-Vorspannung vorhanden ist und der Spannungsabfall am Innenwiderstand der Basis-Emitter-Strecke vom Eingangssignal aufgebracht werden muß. Eine wirksame Gegenkopplung zur Entzerrung der Verstärkerkennlinie ist dann nicht mehr möglich, weil der Gegenkopplungskreis durch den kleinen Eingangswiderstand überlastet wird. Darüber hinaus kann sich auch der Gegenkopplungsfaktor bei den vorliegenden Impedanzverhältnissen beim Austausch von Transistoren oder Änderung der Transistorparameter auf Grund von Alterung oder Temperaturschwankungen sehr stark ändern.

Die Erfindung will diese Schwierigkeiten überwinden. Sie empfiehlt dazu, daß bei einem galvanisch

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gekoppelten linearen Gegentakt-B-Verstärker mit komplementären Transistoren das Eingangs- und Ausgangssignal der Leistungs- oder Nutzverstärkerstufe außerdem jeweils die Transistoren einer Differenzverstärkerstufe steuern, deren Ausgangssignal, über eine komplementäre Gegentakthilfsverstärkerstufe verstärkt, denselben LastwMerstand wie die Nutzverstärkerstufe speist.

In ihrer weiteren Ausbildung empfiehlt die Erfindung, daß die Transistoren der Nutzverstärkerstufe und der Hilfsverstärkerstufe in Kollektorbasisschaltung betrieben werden,"lind[daß'die.Transistoren der Differenzverstärkerstufejemittergekoppelt sind.

Bei einem solchen Verstärker kann das Eingangssignal galvanisch an den Verstärker angekoppelt werden und es wird eine gute Stromverstärkung aller Eingangssignale bei sehr kleinen Verzerrungen erzielt.

Wenn Verbraucher mit hohem Innenwiderstand versorgt werden sollen, reicht die Leistung der aus der Differenzverstärkerstufe und der Hilfsverstärkerstufe bestehenden Korrekturstufe allein aus. Das folgt aus der Tatsache, daß die Sättigungsspannung der Transistoren von der Belastung abhängt. Bei Verbrauchern mit Meinem Innenwiderstand kann die Korrekturstüfe allein nicht mehr die erforderliche Leistung ohne unzulässige Überlastung der Transistoren abgeben, und es wird deshalb die Leistungsstufe zugeschaltet.

Wenn sehr große Eingangssignale auftreten, die wegen der unterschiedlichen Ansprechzeit der beiden Verstärkerstufen die Gegentakttransistoren blockieren und große Ströme ziehen können, kann es zur Erhöhung der zulässigen Eingangsspannung und damit der maximal zulässigen Ausgangsleistung des Verstärkers von Vorteil sein, einen kleinen Widerstand in Reihe mit jedem Emitter der Gegentakttransistorpaare zu schalten.

Zur Anpassung des Verstärkers an kapazitive Belastungen empfiehlt die Erfindung außerdem, eine Induktivität in die Ausgängsleitung zu schalten, um die Belastung des Verstärkers zu verringern. Dabei wird zusätzlich eine Spannungsverstärkung von etwa zwei erreicht.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipscjialtbild eines Transistorverstärkers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Kennlinie der Leistungsstufe des in Fig. 1 gezeigten Verstärkers,

Fig. 3 die gleiche Kennlinie der Korrekturstufe des in Fig. 1 gezeigten Verstärkers und

Fig. 4 die Kennlinie des vollständigen in Fig. 1 gezeigten Verstärkers. .,

In Fig. 1 ist als Äusführungsbeispiel zur Veranschaulichung der Betriebsbedingungen der Verstärker 10 in der gemeinsamen Sammelschiene eines bestimmten Fernsprechnetzes gezeigt.

Die Signalquelle und der Verbraucher bestehen hier aus einer Induktivität 1, einem Sendegatter 2, einem Speicherkondensator 3, einem Löschgatter 4, einem Empfangsgatter 5, einem Leitungsgatter 6, einem Filter 7 und einem Verbraucherwiderstand 8, der den Empfänger darstellt. Die Information wird während eines bestimmten Zeitabschnittes, in dem die gemeinsame Sammelschiene an ein entsprechendes Teilnehmerpaar angeschlossen ist, über die Induktivität 1 auf den Speicherkondensator 3 übertragen. Das gespeicherte Signal wird dann vom Verstärker 10 verstärkt und über das Empfangsgatter 5 der Sammelschiene und das Leitungsgatter 6 zu den Teilnehmern gegeben. Das Löschgatter 4 wird dann betätigt, um jegliches Restsignal vom Speicherkondensator 3 zu entfernen und die Abtastung· anderer Teilnehmer zur Übertragung über die gemeinsame Schiene während folgender Zeitabschnitte vorzubereiten. Für eine solche Übertragung über nennenswerte Entfernungen sind Verstärker erforderlich, die eine getreue Wiedergabe aller Signalpegel und Frequenzen bei fühlbarer Verstärkung gewährleisten.

Die Basiselektroden 13 und 17 sind über die Leitung 20 an eine Eingangsklemme des Verstärkers galvanisch angekoppelt. Der positive Pol einer Batterie 21 liegt am Kollektor 12 des Transistors 11 und der negative Pol einer Batterie 22 liegt am Kollektor 16 des Transistors 15. Die Emitterelektroden 14 und 18, die als Ausgangselektroden bei der Kollektorbasisschaltung arbeiten, sind über die Leitung 24 und den Widerstand 25 an den Verbraucher angeschlossen. Die Kollektorelektroden 12 und 16 sind Eingangsund Ausgangskreis des jeweiligen Transistors gemeinsam.

Wird eine negative Eingangsspannung an die Basiselektroden 13 und 17 gegeben, fließt ein verstärkter Strom durch den Verbraucher in die Emitterelektrode 18 des pnp-Transistors 15, wenn die übliche Stromrichtung in Richtung auf negatives Potential angenommen wird, während vom npn-Transistor kein Strom in den Verbraucher fließt. Wenn positives Potential an die Basiselektroden 13 und 17 gelegt wird, fließt ein verstärkter Strom von der Emitterelektrode 14 des Transistors 11 in den Verbraucher, während der Transistor 15 nicht leitet.

Fig. 2 zeigt die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Leistungsstufe des Verstärkers 10. Die gestrichelte Linie gibt den gewünschten Kennlinienverlauf wieder. Da keine Basis-Emitter-Vorspannung bei der hier benutzten galvanischen Kopplung vorhanden ist, muß der Spannungsabfall am Innenwiderstand der Basis-Emitter-Strecke vom Eingangssignal aufgebracht werden. Die schraffierte Fläche in Fig. 2 gibt den Spannungsbedarf der Basis-Emitter-Strecke an. Dadurch entstehen für kleine Eingangssignale keine Ausgangssignale. In Fig. 2 ist dieser Bereich als »Anlaufstrom-Bereich« gekennzeichnet, und die Arbeitspunkteineinstellung liegt in der Nähe des C-Betriebes. Ein solches »Loch« in der Kennlinie verhindert eine einwandfreie Wiedergabe, und die sich hieraus ergebenden Verzerrungen verbieten die Verwendung des Verstärkers beispielsweise bei der besprochenen Fernsprechschaltung. Diese Verzerrungen könnten dadurch wesentlich herabgedrückt werden, daß die Leistungsstufe auf den A- oder AB-Betrieb eingestellt wird. Die sich hieraus ergebende Verschlechterung des Wirkungsgrades auf Grund der höheren Gleichstrombelastung und auch die erhöhten Schwierigkeiten für die galvanische Kopplung läßt eine solche Einstellung jedoch unpraktisch erscheinen. Bei Einstellung in A- oder AB-Betrieb können außerdem große Eingangssignale die beiden in Serie liegenden Transistoren 11 und 15 blockieren, wobei große Ströme gezogen werden, die wegen der hohen Verlustleistung in den Transistoren unerwünscht sind.

Erfindungsgemäß wird die Leistungsstufe des Verstärkers 10 in B-Betrieb betrieben oder, besser, fast im C-Betrieb. Die sich hierbei ergebenden Verzer-

rungen, die durch den Anlauf Strombereich verursacht werden, werden durch Einsatz einer Korrekturstufe kompensiert. Die Korrekturstufe enthält ein zweites Paar komplementärer Transistoren 31 und 35, die von einem Differenzverstärker mit den pnp-Transistören 41, 45, 51 gespeist werden.

Die Transistoren 31 und 35 besitzen also ebenfalls entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und werden auch in der gleichen Weise wie die Transistoren 11 und 15 der Leistungsstufe in der Kollektorbasisschaltung be- ίο trieben. Die Gegentaktschaltung der Transistoren 31 und 35 arbeitet im C-Betrieb mit Gegenkopplung über die Leitung 36 vom Ausgang auf einen Eingang des Differenzverstärkers an der Basis des Transistors 45. Der Differenzverstärker selbst arbeitet in A-Betrieb. Die Verstärkung des Transistors 45, der das Gegenkopplungssignal von den Transistoren 31, 35 erhält, vermeidet durch Anwendung der bekannten Gegenkopplung alle Verzerrungen dieser Stufe. Das Eingangssignal steht an der Basis des Transistors 41, der als Emitterfolger arbeitet und das Signal mit kleinem Quellwiderstand an den Emitter des Transistors

45 gibt. Der Transistor 45 liefert die Differenz zwischen den angelegten Signalen und gibt sie in verstärkter Form über die Leitung 46 an die Basiselektroden der Transistoren 31 und 35 ab. Der Differenzverstärker benötigt im Emitterkreis der Transistoren 41 und

46 einen hohen Widerstand gegen Erde. Vorteilhafterweise wird dazu der Transistor 51 so geschaltet, daß der gewünschte hohe Widerstand bei konstantem Strom vorhanden ist. Der Kollektor des Transistors 51 liegt an den Emittern der Transistoren 41 und 45 und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 51 wird positiv vorgespannt.

Die beiden Eingangssignale an den Basiselektroden der Transistoren 41 und 45 sind bei den meisten Eingangssignalen im wesentlichen gleich, und während dieser Zeit wird von der Korrekturstufe nur ein kleines Ausgangssignal abgegeben. Im Anlaufstrombereich der Leistungsstufe erhält der Transistor 45 jedoch kein Gegenkopplungssignal, während am Eingang des Transistors 41 ein Signal steht. In diesem Fall liefert der Differenzverstärker daher eine Spannung und speist die Transistoren 31 und 35. Die komplementären Transistoren 31 und 35 der Hilfsverstärkerstufe liefern eine zusätzliche Verstärkung des Differenzsignals, so daß insgesamt die gleiche Verstärkung wie bei der Leistungsstufe erreicht wird.

Die Kennlinie der Korrekturstufe ist in Fig. 3 gezeigt. Der in Α-Betrieb arbeitende Differenzverstärker ist in seiner Leistungsabgabe durch die zulässige Verlustleitung der Transistoren begrenzt, wodurch der Strom, den die Transistoren 31 und 35 an den Verbraucher abgeben können und damit die Ausgangsspannung der Korrekturstufe bei einem gegebenen Verbraucherwiderstand vorgegeben ist. Vorteilhafterweise wird deshalb das von der Korrekturstufe in Verbindung mit der Leistungsstufe zu verstärkende Differenzsignal in Grenzen gehalten, so daß die Transistoren gegen mögliche Beschädigung in Folge zu hoher Leistungsabgabe geschützt sind. Bei höheren Verbraucherwiderständen kann jedoch die Leistungsabgabe der Korrekturstufe allein ausreichen.

Bei Zusammenschaltung der Korrekturstufe und der Leistungsstufe ergibt sich die Kennlinie der Fig. 4, die eine gleichmäßige und getreue Wiedergabe in einem weiten Signalbereich gewährleistet.

Bei ungewöhnlich großen Eingangssignalen ist es möglich, daß die Gegentakttransistoren blockieren und große Ströme ziehen, da die Ansprechzeiten der beiden Verstärkerstufen verschieden sind. Dabei wird eine obere Grenze der Ausgangsleistung des Gesamtverstärkers erreicht. Die Signalspannung, bei der diese Erscheinung auftritt, kann dadurch erhöht werden, daß ein kleiner Widerstand mit jedem Emitter der Transistoren 11, 15, 31 und 35 in Reihe geschaltet wird, die den gemeinsamen Abschlußwiderstand 25, der in Fig. 1 gezeigt ist, ersetzen.

Bei kapazitivem Verbrauch kann der Widerstand auch durch eine Induktivität ersetzt werden, durch die die Transistorverlustleistung verringert und eine nennenswerte Spannungsverstärkung erreicht wird.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Galvanisch gekoppelter linearer Gegentakt-B-Verstärker mit komplementären Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß Eingangs- und Ausgangssignal der Leistungs- oder Nutzverstärkerstufe (11, 15) außerdem jeweils die Transistoren (41, 45) einer Differenzverstärkerstufe steuern, deren Ausgangssignal, über eine komplementäre Gegentakthilfsverstärkerstufe (31,35) verstärkt, denselben Lastwiderstand wie die Nutzverstärkerstufe speist.

2. Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren der Nutzverstärkerstufe (11, 15) und der Hilfsverstärkerstufe (31, 35) in Kollektorbasisschaltung betrieben werden, und daß die Transistoren der Differenzverstärkerstufe (41,45) emittergekoppelt sind.

3. Gegentaktverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anschluß einer kapazitiven Last dieser eine Induktivität vorgeschaltet wird.

4. Gegentaktverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Emitterzuleitungen der Transistoren der Nutz- und der Hilfsverstärkerstufe jeweils ein kleiner Widerstand eingeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschrift Nr. 1131188;

R. F. Shea, »Transistor Audio Amplifiers«, 1955, S. 163 bis 188;

»Transistors I«, RCA-Lab., 1956, März, S. 500 und 527 bis 530;

»Wireless World«, 1956, November, S. 529 bis 532.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© ?09 677/219 10.