DE3925342A1 - Ab-verstaerker in eintakt- oder gegentaktschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen AB-Verstärker in Eintakt- oder Gegentaktschaltung.

Ein derartiger AB-Verstärker ist bereits aus dem Buch von Tietze & Schenk: "Halbleiterschaltungstechnik", 9. Auflage, Springer Verlag, Seite 517 und Seite 521-523 bekannt.

MOSFET- Leistungstransistoren haben stark temperaturabhängige Kennlinien. Bei Drainströmen, die weit unterhalb des maximalen Drainstromes liegen, hat die Übertragungskennlinie einen ne­ gativen Temperaturkoeffizienten. Dies führt dazu, daß die Ruhe­ stromeinstellung einer AB-Verstärkerstufe, bei der der Ruhe­ strom wesentlich niedriger als der Arbeitsstrom liegt, stark temperaturabhängig ist. Dieses Problem kann besondere Schwie­ rigkeiten bereiten, wenn eine Regelung des Ruhestromes schwie­ rig oder nicht möglich ist, weil die Konfiguration der Ver­ stärkerstufe dies nicht ohne weiteres zuläßt. Dies ist insbe­ sondere bei Gegentakt-Endstufen der Fall.

Man kann eine Ruhestromkompensierung mit temperaturabhängigen Elementen, z.B. Heißleitern oder bipolaren Transistoren rea­ lisieren, die mit den Leitsungs-MOSFET-Transistoren über einen Kühlkörper thermisch gekoppelt sind. Dabei entsteht jedoch im Leistungsbetrieb ein Temperaturabfall zwischen dem Kanal des Leistungs-MOSFET-Transistors und dem Kühlkörper, so daß die Temperatur des Kompensationselementes niedriger als die des MOSFET-Transistors ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem AB-Verstärker der ein­ gangs genannten Art mit einfach realisierbaren Mitteln einen praktisch temperaturunabhängigen Ruhestrom zu erzeugen.

Überlegungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, die gestellte Aufgabe in Verbindung mit einem MOSFET-Tran­ sistor mit Stromfühlausgang vorteilhaft lösen läßt.

Gemäß der Erfindung wird der AB-Verstärker zur Lösung der ge­ stellten Aufgabe in der im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1 angegebenen Weise ausgebildet. Durch diese Maßnahmen ergibt sich eine besonders einfach realisierbare Erzeugung eines praktisch temperaturunabhängigen Ruhestromes.

Bei Ausbildung des AB-Verstärkers als Eintaktschaltung sind die Maßnahmen nach Anspruch 2, bei Ausbildung als Gegentaktschaltung die Maßnahmen nach Anspruch 3 zweckmäßig.

Nach Anspruch 4 sind die Sourceanschlüsse der Feldeffekttran­ sistoren unmittelbar miteinander verbunden. Dies ist in vor­ teilhafter Weise möglich, da der AB-Verstärker bei der Ruhe­ stromerzeugung ohne Stromgegenkopplung der Feldeffekttransisto­ ren auskommt.

Eine besonders große Unabhängigkeit des Ruhestromes von der Temperatur ergibt sich durch die Maßnahmen nach Anspruch 5 und/ oder Anspruch 6.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Aus­ führungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen AB-Verstärker in Eintaktschaltung mit einem Feldeffekttransistor,

Fig. 2 einen AB-Verstärker in Gegentaktschaltung mit zwei komplementären Feldeffekttransistoren und

Fig. 3 einen AB-Verstärker in Gegentaktschaltung mit weiteren Einzelheiten.

Fig. 1 zeigt einen AB-Verstärker mit einem Leistungs-MOS-Feld­ effekttransistor 41, dessen Sourceanschluß unmittelbar an Masse liegt und dessen Drainanschluß über den Widerstand 31 an den Pluspol der Versorgungsspannungsquelle 6 geführt ist. Der Minuspol der Versorgungsspannungsquelle 6 liegt an Masse.

Der Feldeffekttransistor 41 besitzt einen Meßanschluß M, der einen Stromfühlausgang darstellt. Dieser Meßanschluß gibt einen Meßstrom ab, der gleich einem vorgegebenen Bruchteil des Source­ stromes ist.

Feldeffekttransistoren mit Stromfühlausgang sind beispiels­ weise aus der Druckschrift "HEXFET Designer′s Manual, Power Mosfet Applications and Product Data", HDB-4, fourth Edition, International Rectifier, 1987, Seiten 1-151 bis 1-156 als so­ genannte HEXSENS oder als sogenannte SENSFET der Firma Moto­ rola bekannt.

Zwischen dem Gateanschluß und dem Meßanschluß M des Feldeffekt­ transistors 41 liegt der Eingang des Differenzverstärkers 21, dessen Verstärkung 1 beträgt. Von den beiden Ausgangsanschlüssen des Differenzverstärkers 21 liegt der eine am Gateanschluß des Feldeffekttransistors 41 und der andere über die Eingangssignal­ spannungsquelle 1 an Masse.

Die weitere Versorgungsspannungsquelle 7 liegt mit ihrem Plus­ pol an Masse. Zwischen dem Minuspol der Versorgungsspannungs­ quelle 7 und dem Meßanschluß M des Feldeffekttransistors 41 liegt die Konstantstromquelle 5. Die Konstantstromquelle 5 ist ein Zweitpol, der seinen Widerstand selbsttätig so verändert, daß er von einem konstanten Strom durchflossen wird, solange dies die Spannung der Versorgungsspannungsquelle 7 gestattet. Eine derartige Konstantstromquelle ist zum Beispiel aus dem eingangs genannten Buch von Tietze & Schenk, Seite 95 Abb. 5.10 bekannt.

Die Konstantstromquelle 10 läßt einen Strom I1 in den Meßan­ schluß M des Feldeffekttransistors 41 fließen. Der Spannungs­ abfall Ugs0 zwischen Gateanschluß und Meßanschluß M wird mit Hilfe des Differenzverstärkers 21 an den Ausgang des Differenz­ verstärkers 21 übertragen und steht dort entkoppelt zur Ver­ fügung. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 21 wird zu der Eingangssignalspannung Us addiert. Die dabei gebildete Summenspannung wird dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors 41 zugeführt. Die Spannung U0 = Ugs0 hat bei jeder Temperatur den Betrag, der nötig ist, um bei der Ugs = U0 den Strom I2 = K I1 durch den Transistor 41 fließen zu lassen.

Dabei ist K eine Konstante, die weitgehend temperatur- und stromunabhängig ist und praktisch allein von der Geometrie des Transistors 41 abhängt.

Ist der Eingangsstrom des Differenzverstärkers 2 ausreichend klein, so wird der Ruhestrom 12 des Feldeffekttransistors 41 bei der Spannung Us = 0 allein von der Konstantstromquelle 5 bestimmt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der AB-Verstärker als Gegentaktschaltung ausgebildet. Der AB-Verstärker enthält zusätzlich zum Feldeffekttransistor 41 mit dem Meßanschluß M den weiteren Feldeffekttransistor 42 ohne Meßanschluß. Die Sourceanschlüsse der Feldeffekttransistoren 41 und 42 sind unmittelbar miteinander verbunden und bilden den Ausgang A des Gegentaktverstärkers. Zwischen dem Ausgang A und Masse liegt der Lastwiderstand 32.

Der hinsichtlich seiner Verstärkung einstellbare Verstärker 22 erzeugt eine Ausgangsspannung Uq, die proportional der Spannung Ugs0 des Transistors 41 ist. Diese Ausgangsspannung Uq wird so eingestellt, daß I2 = K I1 ist. Die Temperaturkoeffizienten der V_S Spannung der Feldeffekttransistoren bei gegebenem I_D 41 und 42 sind praktisch gleich groß.

Außerdem ist insbesondere durch Montage auf ein und demselben Kühlelement sichergestellt, daß sich beide Transistoren prak­ tisch gleich stark erwärmen. Dabei ergibt sich, daß der Ruhe­ strom I2 der aus den Feldeffekttransistoren 41 und 42 bestehen­ den Endstufe weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur ist.

Der bipolare Transistor 92 liegt mit seinem Emitter am Minus­ anschluß der Versorgungsspannungsquelle 7. Seine Basis-Emit­ ter-Strecke ist an die Eingangssignalspannungsquelle 1 ange­ schlossen. Sein Kollektor ist über den parallel zum Ausgang des Differenzverstärkers 22 liegenden Kondensator 18 und die dazu in Serie angeordnete Konstantstromquelle 91 an den Pluspol der Versorgungsspannungsquelle 6 geführt. Der Kollektor des Transistors 92 ist außerdem unmittelbar mit dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors 42 verbunden.

Bei dieser Ansteuerung der Gegentaktendstufe liegen die Gate­ anschlüsse der Feldeffekttransistoren 41 und 42 wechselstrom­ mäßig am Kollektor des Transistors 92.

Der in Fig. 3 gezeigte AB-Verstärker dient zur Verstärkung von Tonfrequenzsignalen. Der Lastwiderstand ist durch den Lautspre­ cher 33 gebildet. Der nicht invertierende Eingang "+" des Diffe­ renzverstärkers 2 ist mit dem Anschluß M des Feldeffekttran­ sistors 41 verbunden. Der invertierende Eingang "-" des Diffe­ renzverstärkers 2 ist über den einstellbaren Widerstand 24 mit dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors 41 und über den Wi­ derstand 20 mit dem Gateanschluß des Feldeffekttransistors 42 verbunden, so daß er am Abgriff eines zwischen den Gateanschlüs­ sen der Feldeffekttransistoren 41 und 42 angeordneten einstell­ baren Spannungsteilers liegt. Der aus den Widerständen 20 und 24 bestehende Spannungsteiler bildet eine Gegenkopplungsschlei­ fe für den Differenzverstärker 23.

Der Differenzverstärker 23 steuert den bipolaren Transistor 19 so an, daß die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang nahe Null ist bzw. einige wenige mV beträgt. Die Spannung Uq ist deshalb proportional zur Spannung Ugs0 und kann mit dem veränderlichen Widerstand 24 so eingestellt werden, daß Uq = U01 + U03 ist, wobei U01 und U03 die Gate-Source-Spannungen der Feldeffekttransistoren 41 und 42 sind, die dem Ruhestrom I0 entsprechen.

Das von der Eingangssignalspannungsquelle 1 gelieferte Eingangs­ signal Us wird von den beiden Transistoren 82 und 83 des Diffe­ renzverstärkers 8 verstärkt. Der Ausgang des Differenzverstär­ kers 8 liegt an der Basis des Transistors 92, dessen Kollektor den Gateanschluß des Feldeffekttransistors 42 und über den Kon­ densator 18 den Gateanschluß des Feldeffekttransistors 41 an­ steuert. Die Impedanz des Kondensators 18 ist für den ver­ stärkten Frequenzbereich vernachlässigbar klein. Der Spannungs­ teiler 83...85 bildet eine Gegenkopplung für den gesamten Ver­ stärker. Mittels dieser Gegenkopplung wird auch erreicht, daß der Gleichspannungsanteil am Lautsprecher 33 nahe Null ist.

Claims (8)

1. AB-Verstärker in Eintakt- oder Gegentaktschaltung mit einem Feldeffekttransistor 41, dessen Gate-Source-Strecke an eine Serienschaltung aus einer Gleichspannungsquelle (Gleichspannung U0) und einer Eingangssignalspannungsquelle (1) angeschlossen ist, dessen Drain-Source-Strecke in einem einen Lastwiderstand (31, 32, 33) enthaltenden und an einer Versorgungsspannungsquel­ le (6) liegenden Ausgangskreis angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Feldeffekttransistor (41) ein solcher mit Stromfühlaus­ gang (M) vorgesehen ist, und daß der Stromfühlausgang (M) des Feldeffekttransistors (41) an eine Konstantstromquelle (5) an­ geschlossen ist und daß die Gleichspannungsquelle (Gleichspan­ nung U0) durch den Ausgang eines mit seinem Eingang zwischen dem Gateanschluß und dem Stromfühlausgang (M) liegenden Diffe­ renzverstärkers (21, 22, 23) gebildet ist.

2. AB-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Verstärkers als Eintaktschaltung die Eingangssignalspannungsquelle (1) und der Sourceanschluß der Feldeffekttransistors (41) einpolig an einem gemeinsamen Be­ zugspotential (Masse) liegen.

3. AB-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Verstärkers als Gegentaktschaltung mit einem weiteren Feldeffekttransistor (42) von dem zum ersten gegengesetzten Leitfähigkeitstyp der Ausgang des Differenzver­ stärkers (22, 23) zwischen den wechselspannungsmäßig miteinan­ der verbundenen Gateanschlüssen der beiden Feldeffekttransisto­ ren (41, 42) liegt.

4. AB-Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sourceanschlüsse der Feldeffekttransistoren (41, 42) unmittelbar miteinander verbunden sind.

5. AB-Verstärker nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden komplementären Feldeffekttransistoren (41, 42) wenigstens näherungsweise denselben Temperaturkoeffizienten aufweisen.

6. AB-Verstärker nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Feldeffekttransistoren (41, 42) auf einem gemein­ samen Kühlkörper angebracht sind.

7. AB-Verstärker nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des Differenzverstärkers (22, 23) einstell­ bar ist.

8. AB-Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des Differenzverstärkers (22, 23) derart eingestellt ist, daß der Ruhestrom der beiden Feldeffekttran­ sistoren (41, 42) das K-fache des Stromes der Konstantquelle (5) ist, wobei K das Verhältnis des in dem Meßanschluß fließen­ den Stromes zum Sourcestrom ist.