DE3925342A1

DE3925342A1 - Class-AB amplifier with single cycle, or push-pull circuit - has FET with current sensing output, which is coupled to constant current source

Info

Publication number: DE3925342A1
Application number: DE19893925342
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Varadi
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1991-02-07
Anticipated expiration: 2009-08-01
Also published as: DE3925342C2

Abstract

The amplifier has a FET (41), whose gate-source path is coupled to a series connection of a d.c. voltage source and an input signal voltage source (1). The FET drain-source path is in an output circuit, sontg. a load resistor (32) and a supply voltage source (6). The FET has a current sensing output (M), coupled to a constant current source (5). The d.c. voltage source is formed by an output of a differential amplifier (22), whose input lies between the gate terminal and the current sensing output. In a single-cycle circuit the input signal voltage source and the source terminal of the FET lie with the same pole on a common reference potential (earth). ADVANTAGE - Simple rest current generation of temp.-independent type.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen AB-Verstärker in Eintakt- oder Gegentaktschaltung.The invention relates to one, as in the preamble of Claim 1 specified AB amplifier in single-ended or Push-pull circuit.

Ein derartiger AB-Verstärker ist bereits aus dem Buch von Tietze & Schenk: "Halbleiterschaltungstechnik", 9. Auflage, Springer Verlag, Seite 517 und Seite 521-523 bekannt.Such an AB amplifier is already from the book by Tietze & Schenk: "Semiconductor circuit technology", 9th edition, Springer Verlag, page 517 and page 521-523 known.

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.MOSFET power transistors have strongly temperature-dependent Characteristics. With drain currents that are far below the maximum Drain current, the transmission characteristic has a ne negative temperature coefficient. This leads to the calm current setting of an AB amplifier stage, at rest current is significantly lower than the working current, strong is temperature dependent. This problem can be particularly difficult problems when regulation of the quiescent current is difficult rig or not possible because the configuration of the ver level does not allow this easily. This is especially true especially the case with push-pull amplifiers.

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.Quiescent current compensation with temperature-dependent Elements, e.g. Thermistors or bipolar transistors rea lize that with the line MOSFET transistors over a Heatsinks are thermally coupled. However, it arises in Power operation a temperature drop between the channel of the Power MOSFET transistor and the heat sink, so that Temperature of the compensation element lower than that of MOSFET transistor is.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem AB-Verstärker der ein gangs genannten Art mit einfach realisierbaren Mitteln einen praktisch temperaturunabhängigen Ruhestrom zu erzeugen. The object of the invention is in an AB amplifier gangs mentioned one with easily realizable means to generate practically temperature-independent quiescent current.

Überlegungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, die gestellte Aufgabe in Verbindung mit einem MOSFET-Tran sistor mit Stromfühlausgang vorteilhaft lösen läßt.Considerations within the scope of the invention have shown the task in connection with a MOSFET Tran sistor with current sense output can be solved advantageously.

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.According to the invention, the AB amplifier for solving the ge set task in the characterizing part of the patent pronounced 1 trained manner. Through these measures the result is particularly easy to implement a practically temperature-independent quiescent current.

Bei Ausbildung des AB-Verstärkers als Eintaktschaltung sind die Maßnahmen nach Anspruch 2, bei Ausbildung als Gegentaktschaltung die Maßnahmen nach Anspruch 3 zweckmäßig.If the AB amplifier is designed as a single-ended circuit, the Measures according to claim 2, in training as a push-pull circuit the measures according to claim 3 appropriate.

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.According to claim 4, the source connections of the field effect are trans sistors directly connected to each other. This is in front partially possible because the AB amplifier at rest Electricity generation without current negative feedback of the field effect transistor ren gets along.

Eine besonders große Unabhängigkeit des Ruhestromes von der Temperatur ergibt sich durch die Maßnahmen nach Anspruch 5 und/ oder Anspruch 6.A particularly great independence of the quiescent current from the Temperature results from the measures according to claim 5 and / or claim 6.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher erläutert.The invention is based on the Aus shown in the figures examples of management explained in more detail.

Es zeigenShow it

Fig. 1 einen AB-Verstärker in Eintaktschaltung mit einem Feldeffekttransistor, Fig. 1 is an AB amplifiers in single ended circuit having a field effect transistor,

Fig. 2 einen AB-Verstärker in Gegentaktschaltung mit zwei komplementären Feldeffekttransistoren und Fig. 2 shows an AB amplifier in push-pull circuit with two complementary field effect transistors and

Fig. 3 einen AB-Verstärker in Gegentaktschaltung mit weiteren Einzelheiten. Fig. 3 shows an AB amplifier in push-pull circuit with further details.

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. Fig. 1 shows an AB amplifier with a power MOS field effect transistor 41 , the source of which is directly connected to ground and the drain of which is led via the resistor 31 to the positive pole of the supply voltage source 6 . The negative pole of the supply voltage source 6 is grounded.

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.The field effect transistor 41 has a measuring terminal M, which represents a current sensing output. This measuring connection emits a measuring current which is equal to a predetermined fraction of the source current.

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.Field effect transistors with current sensing output are examples as from the publication "HEXFET Designer's Manual, Power Mosfet Applications and Product Data, "HDB-4, fourth edition, International Rectifier, 1987, pages 1-151 to 1-156 as so called HEXSENS or as a so-called SENSFET from Moto rola known.

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.Between the gate terminal and the measuring terminal M of the field effect transistor 41 is the input of the differential amplifier 21 , the gain of which is 1 . Of the two output connections of the differential amplifier 21, one lies at the gate connection of the field effect transistor 41 and the other via the input signal voltage source 1 to ground.

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.The further supply voltage source 7 is connected to ground with its plus pole. Between the negative pole of the supply voltage source 7 and the measuring terminal M of the field effect transistor 41 is the constant current source. 5 The constant current source 5 is a second pole, which automatically changes its resistance so that a constant current flows through it, as long as the voltage of the supply voltage source 7 permits this. Such a constant current source is known, for example, from the book by Tietze & Schenk mentioned at the beginning, page 95, Fig. 5.10.

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.The constant current source 10 allows a current I 1 to flow into the measuring circuit M of the field effect transistor 41 . The voltage falling Vgs between the gate terminal and 0 M measurement terminal 21 is transmitted to the amplifier output of the differential by means of the differential amplifier 21 and is there for the decoupled Ver addition. The output voltage of the differential amplifier 21 is added to the input signal voltage Us. The sum voltage thus formed is fed to the gate terminal of the field effect transistor 41 . At every temperature, the voltage U 0 = Ugs 0 has the amount necessary to let the current I 2 = KI 1 flow through the transistor 41 at the Ugs = U 0 .

Dabei ist K eine Konstante, die weitgehend temperatur- und stromunabhängig ist und praktisch allein von der Geometrie des Transistors 41 abhängt.K is a constant that is largely independent of temperature and current and depends practically solely on the geometry of transistor 41 .

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.If the input current of the differential amplifier 2 is sufficiently small, the quiescent current 12 of the field effect transistor 41 at the voltage Us = 0 is determined solely by the constant current source 5 .

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.In the embodiment according to Fig. 2 of the AB amplifier is designed as push-pull circuit. In addition to the field effect transistor 41 with the measuring connection M, the AB amplifier contains the further field effect transistor 42 without a measuring connection. The source connections of the field effect transistors 41 and 42 are connected directly to one another and form the output A of the push-pull amplifier. The load resistor 32 lies between the output A and ground.

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. The amplifier 22 , which is adjustable in terms of its amplification, generates an output voltage Uq which is proportional to the voltage Ugs 0 of the transistor 41 . This output voltage Uq is set so that I 2 = KI 1 . The temperature coefficients of the V _S voltage of the field effect transistors for a given I _D 41 and 42 are practically the same size.

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.In addition, it is ensured in particular by mounting on one and the same cooling element that both transistors practically heat up to the same extent. It follows that the quiescent current I 2 of the field effect transistors 41 and 42 , the output stage is largely independent of the ambient temperature.

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.The bipolar transistor 92 is connected to the negative terminal of the supply voltage source 7 with its emitter. Its base-emit ter route is connected to the input signal voltage source 1 . Its collector is led to the positive pole of the supply voltage source 6 via the capacitor 18 , which is parallel to the output of the differential amplifier 22 , and the constant current source 91 arranged in series therewith. The collector of transistor 92 is also directly connected to the gate terminal of field effect transistor 42 .

Bei dieser Ansteuerung der Gegentaktendstufe liegen die Gate anschlüsse der Feldeffekttransistoren 41 und 42 wechselstrom mäßig am Kollektor des Transistors 92.With this control of the push-pull output stage, the gate connections of the field-effect transistors 41 and 42 are alternating in current at the collector of transistor 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.The AB amplifier shown in Fig. 3 is used to amplify audio frequency signals. The load resistance is formed by the loudspeaker 33 . The non-inverting input "+" of the differential amplifier 2 is connected to the terminal M of the field effect transistor 41 . The inverting input "-" of the differential amplifier 2 is connected via the adjustable resistor 24 to the gate connection of the field-effect transistor 41 and via the resistor 20 to the gate connection of the field-effect transistor 42 , so that it is tapped at one of the gate connections of the field-effect transistors 41 and 42 arranged adjustable voltage divider lies. The voltage divider consisting of resistors 20 and 24 forms a negative feedback loop for differential amplifier 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.The differential amplifier 23 controls the bipolar transistor 19 so that the voltage difference between the inverting and the non-inverting input is close to zero or a few mV. The voltage Uq is therefore proportional to the voltage Ugs 0 and can be set with the variable resistor 24 such that Uq = U 01 + U 03 , U 01 and U 03 being the gate-source voltages of the field effect transistors 41 and 42 , which correspond to the quiescent current I 0 .

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.The input signal Us supplied by the input signal voltage source 1 is amplified by the two transistors 82 and 83 of the differential amplifier 8 . The output of the differential amplifier 8 is at the base of the transistor 92 , the collector of which controls the gate connection of the field effect transistor 42 and via the capacitor 18, the gate connection of the field effect transistor 41 . The impedance of the capacitor 18 is negligibly small for the increased frequency range. The voltage divider 83 ... 85 forms a negative feedback for the entire amplifier. By means of this negative feedback it is also achieved that the direct voltage component at the loudspeaker 33 is close to zero.

Claims

1. AB amplifier in a single-ended or push-pull circuit with a field effect transistor 41 , the gate-source path of which is connected to a series circuit comprising a direct voltage source (direct voltage U 0 ) and an input signal voltage source ( 1 ), the drain-source path of which is in one Load resistor ( 31 , 32 , 33 ) containing and located at a supply voltage source ( 6 ) is arranged output circuit, characterized in that the field effect transistor ( 41 ) is provided with such a current sensor output (M), and that the current sensor output (M) Field effect transistor ( 41 ) to a constant current source ( 5 ) is closed and that the DC voltage source (DC voltage U 0 ) is formed by the output of an amplifier with its input between the gate terminal and the current sensing output (M) diffe rence amplifier ( 21 , 22 , 23 ) is.

2. AB amplifier according to claim 1, characterized in that when the amplifier is designed as a single-ended circuit, the input signal voltage source ( 1 ) and the source connection of the field effect transistor ( 41 ) are single-pole at a common reference potential (ground).

3. AB amplifier according to claim 1, characterized in that when the amplifier is designed as a push-pull circuit with a further field effect transistor ( 42 ) of the first opposite conductivity type, the output of the differential amplifier ( 22 , 23 ) between the AC voltage miteinan of the connected gate terminals two field effect transistors ( 41 , 42 ).

4. AB amplifier according to claim 3, characterized in that the source connections of the field effect transistors ( 41 , 42 ) are connected directly to one another.

5. AB amplifier according to claim 3 or 4, characterized in that the two complementary field effect transistors ( 41 , 42 ) have at least approximately the same temperature coefficient.

6. AB amplifier according to one of claims 3 to 5, characterized in that the two field effect transistors ( 41 , 42 ) are mounted on a common heat sink.

7. AB amplifier according to one of claims 3 to 6, characterized in that the gain of the differential amplifier ( 22 , 23 ) is adjustable bar.

8. AB amplifier according to claim 7, characterized in that the gain of the differential amplifier ( 22 , 23 ) is set such that the quiescent current of the two field effect transistors ( 41 , 42 ) is K times the current of the constant source ( 5 ) , where K is the ratio of the current flowing in the measuring connection to the source current.