DE2227762A1 - Gegentaktverstärker in Darlington-Schaltung - Google Patents

Description

RCA 65 014

US. Serial No: 150 436

Filed: June 7, 1971

RCA Corporation New York, N. Y., V. St. A.

Gegentaktverstärker in Darlington-Schaltung

Die Erfindung bezieht sich auf Gegentaktverstärker in Darlington-Schaltung und betrifft speziell eine Schaltungsanordnung, mit der die Bandbreite der von einem solchen Verstärker angebotenen Leistung erweitert wird.

Wie im einzelnen noch beschrieben wird, enthält die erfindungsgemäße Schaltung zwei Ausgangstransistoren entgegengesetzten Leistungstyps, deren jeder von einem gesonderten Steuer- oder Treibertransistor des jeweils selben Leitungstyps angesteuert wird. Zwischen die Basiselektroden der /usgangstransistören ist eine Impedanzanordnung geschaltet, um die Ausschaltung der leitenden Ausgangstransistoren zu unterstützen, wenn das den Treibertransistoren zugeführte Signal entsprechend geändert wird. Bei Signaländerungen im Sinne einer Einschaltung des vorher nichtleitendem Treibertransistors hat die Impedanzanordnung zur Folge, daß der vorher leitende Ausgangstransistor mit größerer Geschwindigkeit abgeschaltet wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dies durch die Kombination eines Widerstands mit einem Kondensator erreicht. Der Kondensator ist dem Widerstand parallel geschaltet, um die Leistungsfähigkeit für hohe Frequenzen aufrecht zu erhalten, wenn der Widerstand zur Begren-

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zung der Verlustleistung des Treiberstromkreises bemessen ist. Wenn man eine Rückkopplung vorsieht, welche die Amplitude einer angelegten Sinuswelle ändert, wenn das erzeugte Ausgangssignal von dieser Sinuswelle abweicht, v/eil die Einschalt- und die Ausschaltsteuerung der Ausgangstransistoren nicht einander angepaßt ist, können mit der Widerstands- Kondensatoranordnung Gegentaktverstärker gebaut werden, deren Leistungsbandbreite bis mindestens 120 KHz reicht. Hiermit liegt die obere Frequenzgrenze wesentlich höher als bei den bisher bekannten komplementärsymmetrischen Verstärkern.

Diese und andere Vorteile der Erfindung gegen aus nachstehender Beschreibung hervor, in welcher die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert wird.

Figur 1 zeigt, teilweise in Blockform, das Schaltbild eines einfachen komplementärsymmetrischen Verstärkers;

Figur 2 zeigt einen ähnlichen Verstärker, der jedoch gemäß der Erfindung ausgebildet ist;

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung als Tonfrequenzverstärker .

In Figur 1 ist ein Gegentaktverstärker in Darlingtonschaltung gezeigt, der Transistoren entgegengesetzten Leitungstyps enthält. Der obere Teil des Verstärkers enthält zwei npn-Transistören und 12, deren Kollektoren beide mit einem Punkt 14 positiven Potential verbunden sind und deren Emitter über Widerstände mit einer Ausgangsklemme 16 gekoppelt sind. Genauer gesagt verbindet ein erster Widerstand 18 den Emitter des Transistors 10 mit der Klemme 16, während ein zweiter Widerstand 20 den Emitter des Transistors 12 mit dieser Klemme koppelt. Die Basis des Transistors 12 ist in der dargestellten Ausführung direkt mit dem Emitter des Transistors 10 verbunden, und die Basis

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des Transistors 10 ist direkt mit einer Quelle relativ konstanten Stroms verbunden, die durch die Klemme 22 dargestellt ist.

Der untere Teil der in Figur 1 gezeigten Verstärkerschaltung ist ähnlich aufgebaut, er enthält jedoch zwei Transistoren 30 und 32 des entgegengesetzten Leitungstyps, im vorligenden Fall pnp-Transistören, deren Kollektoren beide mit einem Punkt 34 negativen (d.h. niedrigerem) Potentials 34 gekoppelt sind. Widerstände 38 und 40 verbinden die Emitter der Transistoren 30 und 32 mit der Ausgangsklemme 16, und die Basis des Transistors 32 ist direkt mit dem Emitter des Transistors 30 gekoppelt. Die Basis des letztgenannten Transistors ist direkt mit einer Eingangsklemme 42 verbunden, an v/elcher typischerweise sinusförmige Spannungssignale zugeführt werden. Ein fünfter Widerstand 50 und drei Halbleitergleichrichter 52, 54 und 56 sind in Reihe zueinander zwischen die Basiselektroden der Transistoren 10 und 30 geschaltet, wobei die Gleichrichter gleichsinnig gepolt sind und die Kathode des Gleichrictters 56 mit der Basis des Transistors 30 verbunden ist.

Hit einem Nutzstromkreis 60, der an die Ausgangsklemme 16 geschaltet ist und über ein Rückkopplungsnetzwerk 64 mit einer Eingangssignalquelle 62 verbunden ist, stellt die Anordnung eine in der einschlägigen Technik verfügbare Schaltung dar, mit welcher für den Fall einer Fehlanpassung zwischen der Einschalt- und der Ausschaltsteuerung der Transistoren 12 und ein sinusförmiges Ausgangssignal durch Steuerung der Amplitude des zugeführten Eingangssignals sichergestellt werden kann.

Eine solche typische Verstärkerschaltung enthält gewöhnlich als Ausgangstransistoren 12 und 32 Hochleistungstransistoren, deren Ganzfrequenzen niedriger und deren Basis-Emitter-Kapa-

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zität größer ist als die entsprechenden Werte der Treibertransistoren 10 und 30. Bei einem positiv werdenden Eingangssignal an der Klemme 32 wird der obere npn-Treibertransistor 10 leitend, während der untere pnp-Treibertransistor 30 nichtleitend wird. Der durch das angelegte Signal geänderte Strom durch den Transistor 10 schaltet ausserdem den Transistor 12 "ein", so daß an der Ausgangsklemme 16 ein positiv gerichtetes sinusförmiges Signal erscheint. Aufgrund der höheren Basis-Emitter-Kapazität des Ausgangstransistors 12 und weil der Widerstand 18 nicht denselben Rückstrom von der Basis des Transistors 12 liefern kann, wie er vom Transistor 10 zugeführt wird, widersetzt sich jedoch der Transistor 12 einer Sperrung, nachdem das Eingangssignal seinen Maximalwert erreicht hat und dann abnimmt, um den Transistor 10 weniger leitend zu machen. Der Nutzstromkreis 60 und das Rückkopplungsnetzwerk 64 fühlen hierbei, daß das Ausgangssignal an der Klemme 16 von seiner bevorzugten Sinusform abweicht, und stellen hierauf typischerweise das von der Quelle 62 gelieferte Eingangssignal so ein, daß die Spannung an der Basis des unteren pnp-Treibertransistor s 30 bezüglich der Lastspannung vermindert wird, was die Transistoren 30 und 32 in den Leitzustand bringt. Die beabsichtigte Wirkung besteht darin, die Sinusform des Ausgangssignals aufrecht zu erhalten, in^tiem der Transistor 32 zum gleichen Zeitpunkt leitend gemacht wird, zu dem sich der Transistor 12 dem Versuch einer Umschaltung in den nichtleitenden Zustand widersetzt.

Die vorstehend beschriebene Lösung ist zwar geeignet, die Sinusform des Ausgangssignals bei höheren Frequenzen aufrechtzu erhalten, als sie normalerweise für die Transistoren 12 und 32 vorgesehen sind, jedoch sind diese Transistoren bei hochfrequentem Betrieb beide gleichzeitig leitend. Daher stellt sich in den Kollektor-Emitter-Strecken dieser Transistoren, d.h. z\vischen den Anschlüssen 14 und 34 für positives und negatives Potential, ein Strommittelwert ein, der eine unerwünschte statische

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Verlustleistung in den Transistoren 12 und 32 zur Folge hat. Diese Verlustleistung ist so groß, daß bei hohen Frequenzen die für den NutζStromkreis verfügbare Leistung nicht mehr maximal ist, weil der leitende Transistor 12 nicht schnell genug in seinen Sperrzustand umgeschaltet wird. Dies liegt daran, daß die an der Basiselektrode des Transistors 12 gesammelte Ladung nur durch den Widerstand 18 abfliessen kann. Es ist leicht einzusehen, daß dieselben Bedingungen auch für den negativen Teil des sinusförmigen Eingangssignals gelten, wobei sich der Ausgangstransistor 32 wegen seiner verhältnismässig hohen Basis-Emitter-Kapazität ebenfalls den Versuchen zu seiner Sperrung widersetzt.

Die erfindungsgemässe in Figur 2 gezeigte Anordnung bringt hingegen zusätzliche Ausschaltsteuerung für den /usgangstransistor, welche die Bemühungen zu seiner Sperrung unterstützt. Diese Anordnung gleicht im wesentlichen der Figur 1, nur daß die Widerstände 18 und 38 für die Treibertransistoren fortgelassen sind und statt dessen erfindungsgemäss eine Widerstands-Kondensatorkombination eingefügt ist. Dabei verbindet ein Widerstand 70 den Emitter des npn-Treibertransistors 10 mit dem Emitter des pnp- Treibertransistors 30, und gleichzeitig liegt ein Kondensator 72 zwischen diesen beiden Elektroden. Wenn aufgrund des Signals aus der Eingangssignalquelle und des Signals vom NutζStromkreis 60 und von der Rückkopplung 64, welche die Abweichung des Ausgangssignals von der bevorzugten Sinusform fühlen, der Transistor 30 leitend wird, gelangt ein Teil der hierauf negativ werdenden Steuergröße am Emitter dieses Transistors über den Widerstand 70 zusätzlich zur Basis des npn-Ausgangstransistors 12. Diese zugeführte negative Spannung bildet ein weiteres Ausschaltesignal für den Transistor 12, gerade bevor sie groß genug ist, aussardem den pnp-Ausgangstransistür 32 durchzuschalten.

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Die Folge ist eine wesentliche Verminderung der Leitfähigkeit des Transistors 12 zu dem Zeitpunkt, wo das zugeführte Eingangssignal den Transistor 32 gerade "einschaltet". Durch die zusätzliche Steuerung über den Transistor 70 wird der Ausgangstransistor 12 schneller gesperrt, so daß bei hohen Frequenzen keine übermässige Verlustleistung mehr auftritt.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wurde festgestellt, daß sich ein optimales Hochfrequenzverhalten erreichen läßt, wenn man den Widerstandswert des Widerstands 70 ziemlich klein macht. Bei einem derart gewählten Widerstand wurde jedoch im Treiberstromkreis eine hohe Verlustleistung für Nullsignalbedingungen beobachtet. Andererseits hat sich herausgestellt, daß bei Überbrückung des Widerstands 70 durch den Kondensator 72 die bei einem Nullsignal auftrende Verlustleistung des Verstärkers geringer ist, während die Wirkung des schnelleren Ausschaltens der Ausgangstransistoren erhalten bleibt.

Figur 3 zeigt die Schaltung eines 40 Watt-Verstärkers, der in einer Veröffentlichung der Solid State Division (Festkörperabteilung) der RCA Corporation mit dem Titel "Universal Audio Amplifier-Full Complementary Symmetry Circuit Using Silicon Transistors" beschrieben 1st. Die Transistoren Q^ und Qg entsprechen den Transistoren 10 und 12 aus den Figuren 1 und 2, während die Transistoren Qj- und Qy den Transistoren 30 und 32 entsprechen. Der Widerstand Rp₀ und der Kondensator C* -, entsprechen den Bauelementen 70 und 72 in Figur 2, während die Widerstände Rp₂ u*¹** ^R ₂1 ^^{en in dieser} Figur gezeigten Widerständen 20 und 40 entsprechen. Der Nutzstromkreis 60 und das Rückkopplungsnetzwerk 64 (Figuren 1 und 2) enthalten bei de« in Figur 3 gezeigten Verstärker den Lautsprecher 8

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und den Transistor Q₂, während die dort gezeigte Kopplungsanordnung mit den Gleichrichtern D₂, D,, D/ und dem Widerstand R^₀ . den Teilen 50 bis 56 der Figur 2 äquivalent ist.

Die vorstehend beschriebene Anordnung ist als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anzusehen, d.h. es sind auch andere Ausgestaltungen möglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Bei der Auslegung der beigefügten Ansprüche ist somit zu berücksichtigen, daß die Verwendung des einzigartigen Auschalt-Steuerkreises mit der Widerstands- und Kondensatorverbindung zwischen den Basiselektroden der getrennten Ausgangstransistoren dazu dient, eine hervorragende Stabilität der Ausgangsteile voll-komplementärsymmetrischer Verstärker zu erhalten (infolge der besseren Ausschaltung bei hohen Frequenzen). Wie in dem RCA-Datenblatt beschrieben, erlaubt eine solche Widerstands-Kondensator-Technik die Verwendung von homotaxialen (hometaxial) npn-Transistoren oder epitaxialen npn-Transistören als Ausgangstransistoren und einen Betrieb mit gleicher Leistungsbandbreite.

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Claims (6)

1. Patentansprüche.

   ll.y Verstärker mit zwei Ausgangstransistoren entgegengesetzten Leitungstyps und zwei Eingangstransistoren ebenfalls entgegengesetzten Leitungstyps, wobei der erste Eingangstransistor vom gleichen Leitungstyp wie der erste Ausgangstransistor und der zweite Eingangstransistor vom gleichen Leitungstyp wie der zweite Ausgangstransistor ist, ferner mit zwei Spannungspolen konstanten Potentials, drei Anschlußklemmen, jeweils einer Gleichstromverbindung zwischen den Kollektorelektroden des ersten Eingangstransistors und ersten Ausgangstransistors einerseits und dem ersten Spannungspol andererseits, jeweils einer Gleichstromverbindung zwischen Kollektorelektroden des zweiten Eingangstransistors und zweiten Ausgangstransistors einerseits und dem zwei ten Spannungspol andererseits, jeweils einer Gleichstromverbindung zwischen den Emitterelektroden der beiden Eingangstransistoren einerseits und den Basiselektroden der beiden Ausgangstransistoren andererseits, jeweils einen Widerstand zwischen den Emitterelektroden der Ausgangstransistoren und der ersten Klemme, einer Gleichstromverbindung zwischen der Basiselektrode des ersten Eingangstransistors und der zweiten Klemme, und einer Gleichstromverbindung zwischen der Basiselektrode des zweiten Eingangstransistors und der dritten Klemme, gekennzeichnet durch eine zwischen die Basiselektroden der Ausgangstransistoren (12, 32) geschaltete Impedanzanordnung (70, 72) und einen solchen Aufbau des Verstärkers, daß beim Anlegen eines Konstantstroms an die zweite und dritte Klemme (22, 42) und

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   beim Anlegen sinusförmiger Spannungssignale an die zweite und dritte Klemme die Impedanzanordnung Signalausschläge von der Emitterelektrode desjenigen der Eingangstransistoren (10 oder 30), der beim Anlegen des sinusförmigen Spannungssignals leitend wird, auf die Basiselektrode desjenigen Ausgangstransistors (32 oder 12) entgegengesetzten Leitungstyps koppelt, der durch das sinusförmige Spannungssi^nal gesperrt wird, um das Sperrsignal für diesen Ausgangstransistor und die /usschaltegeschwindigkeit dieses Transistors zu erhöhen.
2. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzanordnung aus mindestens einem dritten Widerstand (70) besteht.
3. 3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden der beiden Ausgangstransistoren (12, 32) über einen ersten Kondensator (72) miteinander gekoppelt sind, um den Betrieb der Schaltung bei hohen Frequenzen aufreclfe· zu erhalten, wenn der Wert des dritten Widerstands (70) zur Begrenzung der Verlustleistung in den beiden Eingangstransistoren (10, 30) ausgelegt ist.
4. 4. Verstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingangstransistor (10) und der erste Ausgangstransi str (12) npn-Transistören sind, und daß der zweite Eingangstransistor und der zweite Ausgangstransistor pnp-Transistoren sind, und daß der erste Spannungspol (14) konstantes positives Potential und der zweite Spannungspol (34) konstantes negatives Potential hat.
5. 5. Verstärker nach Anspruch 1_f 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Widerstand (50) und mehrere gleich-

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   sinnig gepolte Haltleitergleichrichter (52, 54, 56) in Reihe zueinander zwischen den Basiselektroden der beiden Eingangstransistoren (10, 30) liegen.
6. 6. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mit der ersten Klemme (16) gekoppeltes Rückkopplungsnetzwerk (64), welches die Amplitude der angelegten sinusförmigen Spannungssignale verändert, wenn die an der ersten Klemme erscheinenden Ausgangssignale von einer entsprechenden Sinusform abweichen.

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