DE3328201C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsaudioverstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist z. B. aus Paul R. Gray und Robert G. Meyer: Analog Integrated Circuits bekannt, daß Leistungsaudioverstärker "cross-over"-Verzerrungen aufweisen, wovon, insbesondere im Fall von Radioübertragungen, unangenehme Geräusche resultieren.

Gleicherweise ist es aus der genannten Druckschrift bekannt, daß solche Verzerrungen verhindert werden können, indem der von der Endstufe aufgenommene Ruhestrom, bzw. "bias-Strom" auf einem relativ hohen Wert wie 10 bis 15 mA gehalten wird.

Falls solch ein Strom im Betrieb bei normaler Last akzeptiert werden kann, ist er jedoch im Betrieb ohne Last außerordentlich hoch, insbesondere falls die Stromversorgung durch eine Batterie erfolgt und der Verstärker in einem ziemlich kleinen Gehäuse enthalten sein soll. In solch einem Fall verursacht der während des Betriebes ohne Last aufgenommene Ruhestrom einerseits die schnelle Entladung der Batterie und, andererseits, eine unerwünschte Wärmedissipation.

Andererseits würde ein begrenzter Ruhestrom, wie z. B. 1 mA, die Batterie nicht entladen und viel weniger Hitze dissipieren, würde aber während des Lastbetriebes die oben erwähnten "cross-over"-Phänomene verursachen.

Ein Leistungsverstärker mit einer Endstufe und einer der Endstufe verbundenen Stromsteuerschaltung zum Steuern des Ruhestromes der Endstufe ist aus der EP 00 54 938 A1 bekannt. Unter der Betriebsbedingung ohne Last wird der Ruhestrom durch Laden oder Entladen eines Kondensators konstant gehalten. Wenn Last an den Verstärker angelegt wird, steigt die Ausgangsspannung von Null auf eine gewisse Spannung, dabei wird der Ruhestrom überwacht. Falls jedoch die Ausgangsspannung nicht die gewisse Spannung erreicht, wird der Kondensator immer entladen und der Ruhestrom nimmt ab. Daher ist bei dem bekannten Verstärker es nicht möglich, während des Betriebes ohne Last den Stromverbrauch niedrig zu halten und während des Betriebes mit Last das "cross-over"-Phänomen zu vermeiden.

Dies in Betracht gezogen, ist es Aufgabe der Erfindung, einen Leistungsaudioverstärker zu schaffen, der beide Vorteile vereint, nämlich "cross-over"-Phänomene während des Lastbetriebes zu verhindern und das Entladen der Batterie und die Wärmedissipation während des Betriebes ohne Last zu begrenzen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Leistungsaudioverstärker der eingangs beschriebenen Art, der durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet ist.

Mit anderen Worten löst der erfindungsgemäße Verstärker das oben erläuterte Problem, indem er den Ruhestrom der Endstufe veranlaßt, sich gemäß der Betriebsbedingung zu verändern. Genauer gesagt wird in der Betriebsbedingung ohne Last der oben erwähnte Ruhestrom auf einem niedrigerem Wert (z. B. 1 mA) gehalten, der auf geeignete Weise den Stromverbrauch und die Wärmedissipation begrenzen kann, während in der Betriebsbedingung mit Last der gleiche Strom automatisch auf einen höheren Wert gesteigert wird, der von der Signalamplitude und dem Wert des Lastwiderstandes abhängt und nach oben begrenzt ist (z. B. 15 mA) und die "cross-over"-Verzerrungen verhindern kann. Die beiden oben erwähnten Vorteile werden so ohne weitere Probleme erfüllt.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figuren. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 ein allgemeines Blockdiagramm des Leistungsaudioverstärkers;

Fig. 2 Schaltungseinzelheiten eines Teiles des Verstärkers von Fig. 1 einschließlich der Stromsteuerungsschaltung.

In Fig. 1 ist ein Leistungsaudioverstärker gezeigt, an dessen Ausgang eine Last 2 gelegt ist.

Der Verstärker 1 weist eine oder mehrere Verstärkungsstufen 3 auf, auf die eine Leistungsendstufe aus zwei Halbstufen 4 folgt, wobei die obere für die positive Halbwelle und die untere für die negative Halbwelle der Versorgungsspannung dient. Jede dieser beiden Halbstufen weist eine Vorspannungskette 5 einer an sich bekannten Art auf.

Zusätzlich zu den oben erwähnten bekannten Schaltungsteilen weist der Verstärker 1 eine Stromsteuerschaltung 6 auf, die von der oberen Halbstufe 4 (bezüglich der positiven Halbwelle) einen Strom I_a erhält, der einen Teil des von der Last benötigten Stromes darstellt. Abhängig von diesem Strom I_a erzeugt diese Schaltung 6 ihrerseits einen Strom I_b, der auf die Vorspannungsketten 5 der beiden Halbstufen einwirken kann, um den von denselben Halbstufen aufgenommenen Strom von einem niedrigeren Wert (ungefähr 1 mA) im Betriebszustand ohne Last auf einen höheren nach oben begrenzten Wert (ungefähr 15 mA) im Betriebszustand mit Last zu verändern.

Die Einzelheiten dieser Steuerungsschaltung 6 sind in Fig. 2 zusammen mit jenen der oberen Halbstufe 4 und der jeweiligen Vorspannungskette 5 gezeigt. Darin ist zu sehen, daß die obere Halbstufe 4 einen zwischen einer Wechselstromzuführungsleitung A und der Last angeordneten NPN-Transistor 7 aufweist. Er wird an der Basis durch das an einem zentralen Knotenpunkt 8, der mit dem Emitter des Transistors 7 über eine Reihenschaltung einer Diode 9 und eines Widerstandes 10 mit der Zuführungsleitung A über den PNP-Transistor 11 verbunden ist, vorhandene Signal angesteuert. Die Basis des PNP-Transistors 11 ist mit einem zentralen Knotenpunkt 12 zwischen einer Diode 13 und einem NPN-Transistor 14 verbunden, die in Reihe mit der Zuführungsleitung A geschaltet sind und die Vorspannungskette 5 (oder zumindest ein Teil davon) bilden. Von einer weiteren Elektrode des PNP-Transistors 11 wird der Strom I_a für die Stromsteuerschaltung 6 genommen.

Die Steuerschaltung 6 weist ihrerseits einen Spannungs- und Impedanzwandler vom Darlington-Typ 15 auf, der von dem Strom I_a durch einen Detektor 16 mit einer Betriebsschwelle angesteuert wird. Er steuert seinerseits eine Betätigungsschaltung bestehend aus einem PNP-Transistor 17 und einem NPN- Transistor 18, der als Anpassungsglied für den durch ihn fließenden Strom I_b wirkt. Genauer gesagt werden die Funktionen der Betriebsschwelle von in Reihe zwischen der Masse und einem Schaltungsknoten 32 geschalteten zwei Dioden 19, 20 und durch einen Widerstand 21 ausgeführt. Der Schaltungsknoten 32 ist mit der oben erwähnten zusätzlichen Elektrode des Transistors 11, von dem der Strom I_a genommen wird, verbunden. Der Detektor 16 ist seinerseits durch eine Diode 22 und durch einen Kondensator 23 gebildet, die in einer an sich konventionellen Weise verbunden sind. Die Darlington-Schaltung 15 weist andererseits zwei NPN-Transistoren 24 und 25 auf, von denen der erste an der Basis durch den Detektor 16 angesteuert wird und der zweite im Leitfähigkeitszustand einen Widerstand 26 versorgt. Mit dem Emitter des Transistors 25 ist die Basis des PNP-Transistors 17, der seinerseits zwischen der Basis des NPN- Transistors 18 und Masse angeordnet ist, verbunden. Ein Widerstand 26′ verbindet die oben erwähnte Basis des Transistors 18 mit einem Schaltungsknotenpunkt 27, der von einem Stromgenerator 28 versorgt wird und über eine Reihenschaltung von zwei Dioden 29 und 30 mit Masse verbunden ist. Ein Widerstand 31 ist schließlich zwischen Masse und dem Emitter des Transistors 18 angeordnet, dessen Kollektor mit der Zuführungsleitung A über den Transistor 14 und die Diode 13 zur Leitung des Stromes I_b verbunden ist.

Im Betriebszustand ohne Last wird der Transistor 7 der oberen Halbendstufe 4 von einem Ruhestrom oder bias-Strom (bias current) I_o durchflossen, dessen Wert ungefähr gleich 1 mA ist. Der Energieverlust und die Wärmedissipation sind deshalb außerordentlich begrenzt.

Unter solchen Bedingungen ist der Strom I_a (ein vorbestimmter Bruchteil des von der Last benötigten Stromes), der am PNP- Transistor 11 abgenommen wird, so niedrig, daß die Spannung am Schaltungsknotenpunkt 32 und infolgedessen an den Enden des Kondensators 23 des Detektors 16 nicht in der Lage ist, den Transistor 24 der Darlington-Schaltung 15 leitfähig zu steuern. Der Transistor 25 der Darlington-Schaltung 15 ist deshalb abgeschaltet, während der PNP-Transistor 17 eingeschaltet ist, welcher, indem er den Strom von dem Widerstand 26′ nimmt, die Basis des NPN-Transistors 18 auf einem so niedrigen Niveau hält, daß derselbe Transistor 18 abgeschaltet wird und infolgedessen der Strom I_b verhindert wird. Der Strom I_b hält natürlicherweise den Strom I_o niedrig.

Der Übergang von dem Betriebszustand ohne Last zu dem Betriebszustand mit Last kann von der oberen Halbstufe 4 sowohl als Anstieg des von der Last benötigten Stromes als auch als an den Knotenpunkt 8 angelegten Signal festgestellt werden. Auf jeden Fall resultiert eine größere Leitfähigkeit der Transistoren 7 und 11 und infolgedessen ein Anstieg von I_a, welcher in dem Knotenpunkt 32 eine größere Spannung als die Betriebsschwelle der Darlington-Schaltung 15 produziert. Durch Aufladen des Kondensators 23 verursacht diese Spannung das "Einschalten" der Darlington-Schaltung 15 und deshalb das allmähliche "Abschalten" des PNP-Transistors 17, der seinerseits den NPN-Transistor 18 einschaltet, durch den dann ein Strom I_b von wachsendem Wert bis zu einem Maximum fließt, das gleich dem Verhältnis zwischen der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 18 und dem Ohm-Wert des Widerstandes 31 ist. Dieser Strom I_b beeinflußt seinerseits die Vorspannungskette 5 der oberen Halbstufe 4, genauso wie die entsprechende Vorspannungskette 5 der unteren Halbstufe, wodurch ein Ansteigen des Ruhestromes I_o auf einen größeren Wert (z. B. bis 15 mA) bewirkt wird, der "cross- over"-Verzerrungen verhindert.

Diese während der positiven Halbwelle der Versorgungsspannung A geschaffene Situation, d. h. während der Leitfähigkeit der oberen Halbstufe 4, hält während der nachfolgenden negativen Halbwelle an, d. h. während der Leitfähigkeit der unteren Halbstufe, wegen des Kondensators 23, der über die Darlington- Stufe 15 und den Widerstand 26 mit einer Entladungszeit entlädt, die hoch genugt ist, um das System in der vorher festgelegten Betriebsbedingung für die ganze Laufzeit der unteren Halbwelle zu halten; die Entladungszeit wird vom Widerstandswert des Widerstandes 26 multipliziert mit der Verstärkung der Darlington- Stufe 15 festgelegt. Dies gilt zweifellos dann, wenn die in Betracht kommende Frequenz hoch genug ist für eine Halbwellenzeit niedriger als die Entladungszeit des Kondensators 23; anderenfalls wird der Wert I_o während der negativen Halbwelle abnehmen. Andererseits würde dieser Nachteil durch die Tatsache kompensiert, daß für niedrige Frequenzen die "cross-over"-Verzerrung weniger bedeutsam ist.

Claims (5)

1. Leistungsaudioverstärker mit einer Endstufe (4) und einer mit der Endstufe (4) verbundenen Stromsteuerschaltung (6) zum Steuern des Ruhestromes I_o der Endstufe (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuerschaltung (6) so ausgebildet ist, daß sie den Ruhestrom I_o unter der Betriebsbedingung mit Last auf einen höheren Wert und unter der Betriebsbedingung ohne Last auf einen niedrigeren Wert steuert.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuerschaltung (6) eine Detektiereinrichtung (16) zum Detektieren eines Stromanteiles abhängig von dem von der Endstufe aufgenommenen Strom, einen Detektor (16) mit einer Betriebsschwelle, eine von dem durch den Detektor fließenden Strom angesteuerte Wandlerschaltung, und von der Wandlerschaltung angesteuerte Betätigungseinrichtungen zum Aufbau eines Ruhe-Lade-Stromes der Endstufe, wenn der Strom die Betriebsschwelle übersteigt, aufweist.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor einen Kondensator (23) mit durch einen Widerstand (26) in Kaskadenschaltung mit der Wandlerschaltung festgelegten Entladungszeit aufweist.

4. Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung eine Darlington- Schaltung (15) enthält.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung einen NPN-Transistor (18), gesteuert von einem PNP-Transistor (17), der seinerseits von der Wandlerschaltung gesteuert wird, aufweist.