DE3224475A1 - Elektronischer verstaerker - Google Patents

Description

• BESCHREIBUNG
• Die Erfindung betrifft einen elektronischen Verstärker mit einem Operationsverstärker als Eingangsstufe.
• Derartige Verstärker werden beispielsweise als Endverstärker zur Steuerung von Lautsprechern in Stereoanlagen eingesetzt. Damit eine möglichst verzerrungsfreie Signalwidergabe gewährleistet ist, sollten die in dem Verstärker verwendeten Halbleiter-Bauelemente eine möglichst hohe Bandbreite aufweisen und auf abrupte Anderungen des Eingangssignals schnell reagieren können.
• Da Verstärker jedoch stets nach dem Prinzip der Gegenkopplung arbeiten, ist eine gewisse Verzögerung zwischen einem sprunghaften Anstieg des Eingangssignals und einem entsprechenden Anstieg des Ausgangssignals unvermeidlich.
• Ein Maß für die maximale Geschwindigkeit, mit der das Ausgangssignal eines Verstärkers von einem minimalen auf einen maximalen Wert anwachsen kann, ist die sogenannte "Slew-rate", die in Volt/us gemessen wird.
• Im Hinblick auf eine hohe Wiedergabequalität weisen integrierte Operationsverstärker besonders günstige Eigenschaften auf. Da Qperationsverstärker jedoch nur bei niedrigen Betriebsspannungen arbeiten und keine hohen Ausgangsströme erzeugen können, sind sie in Verstärkern für höhere Leistungen allenfalls als Eingangsstufen verwendbar.
• In herkömmlichen Verstärkern mit einem Operationsverstärker als Eingangsstufe wird eine nachgeschaltete Verstärkerstufe zur Spannungs- und/oder Leistungsverstärkung durch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers gesteuert. Dies hat den Nachteil, daß der Operationsverstärker gegen eine durch die nachgeschaltete Verstärker- stufe gebildete komplexe Last arbeiten muß. Dies führt zu Verzerrungen des Signals des Operationsverstärkers, so daß die vorteilhaften Eigenschaften des Operationsverstärkers nicht voll zur Geltung kommen. Da ferner die erzielbare Gesamt-Verstärkung von dem Verstärkungsverhältnis des Operationsverstärkers abhängig ist, muß der Operationsverstärker mit einem im Vergleich zu seiner Leerlaufverstärkung verhältnismäßig hohen Verstärkungsfaktor betrieben werden, so daß keine Verstärkungsreserven für schnelle Korrekturen zur Verfügung stehen und die Signaltreue des Operationsverstärkers beeinträchtigt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker mit einem Operationsverstärker als Eingangs stufe zu schaffen, der eine bessere Ausnutzung der Eigenschaften des Operationsverstärkers gestattet.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dem Operationsverstärker unmittelbar nachgeschaltete Verstärkerstufe durch die ""romaufnahme des Operationsverstärkers gesteuert ist.
• Erindungsgemäß wird somit das AusJangssignal des Operationsverstärkers nicht weiter verarbeitet. Der Operationsverstärker kann daher gegen eine Ohm'sche Last arbeiten, die nicht zu einer Verzerrung des Signals führt.
• Die nachgeschaltete Verstärkerstufe spricht auf die in Abhängigkeit von der Aussteuerung des Operationsverstärkers veränderliche Stromaufnahme des Operationsverstärkers an. Hierzu ;t vorzugsweise in den Leitungen, die die Betriebsspannungsklemmen des Operationsverstärkers mit positiven und negativen Spannungsversorgungen verbinden, jeweils ein Ohm'scher Widerstand vorgesehen, über dem eine entsprechend der Stromaufnahme veränderliche Spannung abfall, die durch die nachgeschaltete Verstärkerstufe abgegriffen wird. Auf diese Weise hat die durch die nachgeschaltete Verstärkerstufe gebildete Last nur einen vernachlässigbar geringen Einfluß auf das Verhalten des Operationsverstärkers.
• Bevorzugt ist die nachgeschaltete Verstärkerstufe durch einen Spannungsverstärker gebildet, der im wesentlichen unmittelbar die Ausgangsspannung des Verstärkers erzeugt.
• Diese Ausgangsspannung ist über ein RC-Netzwerk mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt. Die Gegenkoppelung erfolgt somit nicht über das Ausgangssignal des Operationsverstärkers, sondern über das verstärkte Ausgangs signal des nachgeschalteten Spannungsverstärkers, so daß in jedem Fall ausreichende Verstärkungsreserven zur Durchführung von Korrekturen gegeben sind. Die Zeit, die zur Änderung der Ausgangsspannung des Spannungsverstärkers von ihrem minimalen auf ihren maximalen Wert mindestens erforderlich ist, ist durch die Slew-rate des Operationsverstärkers bedingt.
• Da jedoch die Spannungsamplitude am Ausgang des Spannungsverstärkers ein Vielfaches der maximalen Ausgangs spannung des Operationsverstärkers beträgt, ist die Slew-rate des Verstärkers insgesamt um ein Vielfaches höher als die Slew-rate des Operationsverstärkers. Der erfindungsgemäße Verstärker ermöglicht somit eine Vervielfachung der Slew-rate, der Spannungsverstärkung und mit Hilfe einer geeigneten Endstufe auch der Leistungsverstärkung des Operationsverstärkers unter weitgehender Beibehaltung der Signaltreue des Operationsverstärkers.
• Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
• Die einzige Figur zeigt eine Schaltskizze eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verstärkers. Die in der Zeichnung angegebenen Widerstands- und Kapazitätswerte sind lediglich als Beispiel zu verstehen.
• Der Eingang 10 des Verstärkers ist über ein RC-Glied 12 mit dem nicht invertierenden Eingang 3 eines integrierten Operationsverstärkers 22 verbunden. Das RC-Glied 12 umfaßt Kondensatoren 14,16 und Widerstände 18,20 und dient zur Abschirmung hochfrequenter Einstreuungen und zur Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit von Eingangssignalen.
• Der Kondensator 16 und die Widerstände 18 sind mit Masse verbunden. Durch den Kondensator 14 ist der Eingang des Verstärkers gleichspannungsentkoppelt. Die untere Grenzfrequenz beträgt beispielsweise 0,5 Hz. Der Ausgang 6 des Operationsverstärkers 22 ist über einen Lastwiderstand 24 mit Masse verbunden. Die Betriebsspannungsklemmen 7,4 des Operationsverstärkers 22 sind jeweils über eine programmierbare Zenerdiode 26 und einen Widerstand 28 mit den positiven bzw. negativen Klemmen 30,32 einer nicht gezeigten Gleichspannungsquelle verbunden.
• Die programmierbare Zenerdiode 26 umfaßt eine Zenerdiode 34 in der Emitterleitung eines Transistors 36 sowie Widerstände 38,40 und Kondensatoren 42,44. Durch den Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors 36 und die Zenerspannung der Zenerdiode 34 ist der Spannungsabfall über dem Widerstand 38 und damit der Strom durch diesen Widerstand vorgegeben. Da der Strom durch diesen Widerstand 38 im wesentlichen dem Strom durch den 11iderstand 40 entspricht, kann durch geeignete Wahl des Widerstandes 40 der Gesamt-Spannungsabfall über der programmierbaren Zenerdiode 26 derart eingestellt werden, daß an den Klemmen 7,4 des Operationsverstärkers 22 die normale Betriebsspannung in der Größenordnung von i 15 V anli.egt, obwohl die Spannung an den Klemme 30,32 wesentlich höher ist.
• Durch den Ruhestrom des Opezztionsverstärkers 22 wird ein Spannungsabfall an den Widerständen 28 in der Größen-. .
• ordnung von etwa 1 V erzeugt. Bei Vorliegen eines Eingangssignals ist der Spannungsabfall über den Widerständen 28 entsprechend der Aussteuerung des Operationsverstärkers 22 verånderlich.
• Der erfindungsgemäße Verstärker umfaßt ferner eine Spannungs-Verst'ärkerstufe 46, die ebenfalls an die Klemmen 30,32 angeschlossen ist, und eine leistungsverstärkende Endstufe 48 mit einer separaten Spannungsversorgung 50,52. Der Verstärker ist insgesamt symmetrisch aufgebaut, wobei einem npn-Transistor im positiven Zweig ein pnp-Transistor im negativen Zweig entspricht und umgekehrt.
• Die Spannungs-Verstärkerstufe 46 umfaßt zwei Transistoren 54, deren Emitter jeweils über Widerstände 56 mit den Klemmen 30 bzw. 32 verbunden sind und deren Kollektoren jeweils mit der Basis eines Treiber-Transistors 58 der Endstufe 48 verbunden sind. Die Treiber-Transistoren 58 sind ihrerseits mit ihren Kollektoren an die Klemmen 50 bzw. 52 der zweiten Spannungsversorung angeschlossen, und ihre Emitter sind über Widerstände 60 mit einer Ausgangsschiene 62 des Verstärkers verbunden. Die beiden Widerstände 60 sind durch einen Kondensator 64 überbrückt.
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• Die Ausgangsschiene 62 ist zurGegenkopplung des Operationsverstärkers 22 über ein RC-Netzwerk 66 mit dem invertie-. - ^ , . . .
• renden Eingang 2 des Operationsverstärkers 22 verbunden, der'andererseits über einen Widerstand 94 und 1inen Xonder'andererseits über einen Widerstand 94 und einen Kondensator 96 mit Måsse verbunden ist. Das Netzwerk 66 umfaßt einenWiderstand 68 und parallel dazu einen Kondensator 70 in Reihe mit einem Widerstand 72.
• Die Kollektoren der Transistoren 54 sind durch einen Transistor 74 verbunden, der mit einem Widerstand 76 und einem Potentiometer 78 als Basis-Emitter-Spannungsvervielfacher geschaltet ist. Parallel zu dem Transistor 74 ist ein Kondensator 80 geschaltet. Mit Hilfe des Potentiometers 78 ist der Gesamt-Spannungsabfall über den Widerständen 60 und zwischen Basis und Emitter der Transistoren 58 und damit der Ruhestrom dieser Transistoren einstellbar.
• Die Emitter der Treiber-Transistoren 58 sind jeweils über Basiswiderstände 82 mit den Basen einer Anzahl parallel geschalteter Leistungstransistoren 84 der Endstufe 48 verbunden. Die Basiswiderstände 82 bilden mit der Basis-Emitter-Kapazität einen Tiefpass, durch den ein kontinuierlicher Abfall der Verstärkung bei höchsten Frequenzen erreicht wird. Auf diese Weise werden störende Hochfrequenzschwingungen des Verstärkers unterdrückt.
• Zwischen den Emittern der Leistungstransistoren 84 und der Ausgangsschiene 62 sind Niederohm-Widerstände 86 vorgesehen, die zum Ausgleich unterschiedlicher Parameter und zur thermischen Stabilisierung der Leistungstransistoren dienen.
• Zwischen die Basis der Treiber-Transistoren 58 und die Klemmen 50 bzw. 52 ist jeweils eine Diode 88 geschaltet.
• Die Klemmen 50,52 der Spannungsversorgung der Endstufe sind zur Stabilisierung über Elektrolyt-Kondensatoren 90 gegen Masse abgeblockt und darüber hinaus durch einen Folienkondensator 92 überbrückt.
• Dadurch, daß die Entstufe 48 und die Spannungs-Verstärkerstufe 46 über separate Spannungsversorgungen verfügetl, bleibt die Versorgungsspannung der Spannungs-Verstärkerstufe 46 auch bei hoher Belastung des Ausgangs der Endstufe stabil. Zur Entknppelung kapazitiver Lasten ist im gezeigten Ausführungsbeispiel am Ausgang 98 der Endstufe ein LC-Glied 100 vorgesehen.
• Die Basen der Transistoren 54 der Spannungs-Verstärkerstufe 46 sind jeweils mit einem Punkt zwischen dem Widerstand 28 und der programmierbaren Zenerdiode 26 verbunden. Die Transistoren 54 bilden somit Konstant-Stromquellen, die durch den Spannungsabfall über den Widerständen 28 gesteuert werden.
• Wenn beispielsweise am Eingang 10 des Verstärkers ein positives Signal anliegt, steigt die Spannung am Ausgang 6 des Operationsverstärkers 22,und ein positiver Strom fließt über den Widerstand 24 ab. Dies führt zu einer höheren Stromaufnahme des Operationsverstärkers 22, d. h. zu einem größeren Spannungsabfall über dem Widerstand 28 in der positiven Leitung und einem kleineren Spannungsabfall über dem Widerstand 28 in der negativen Leitung. Da die Transistoren 54 durch diese Spannungsabfälle gesteuert werden, verscheibt sich daraufhin das Potential an den Kollektoren der Transistoren 54 zu höheren Werten. Uber die Basis-Emitter-Ubergänge der Treiber-Transistoren 58 und die Widerstände 60 sowie über die Leistungstransistoren 84 und die Widerstände 82,86 führt dies zu einer entsprechenden Erhöhung des Potentials der Ausgangsschiene 62. Durch die Gegenkopplung mit dem Operationsverstärker 22 über das Netzwerk 66 wird das Ausgangssignal, d. h. das Potential in der Ausgangsschiene 62, auf einen Wert begrenzt, der in einem vorgegebenen Verhältnis zu dem Signal am Eingang 10 des Verstärkers steht.
• Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ausgangs schiene 62 über einen Widerstand 104 mit dem Ausgang 6 des Operationsverstärkers 22 gekoppelt. Hierdurch wird eine Entlastung des Operationsverstärker-Ausgangs insbesondere bei hoher Aussteuerung erreicht.
• Ferner ist der Ausgang 6 des Operationsverstärkers 22 über einen Kondensator 106 direkt mit dem invertierenden Eingang 102 gegengekoppelt. Durch die integrierende Wirkung des Kondensators 106 wird der Spannungsanstieg des Verstärkers zur Vermeidung von überschwingungen begrenzt. Darüber hinaus ist die Amplitude der Ausgangsspannung des Verstärkers durch die Dioden 88 begrenzt.
• Zum Ausgleich von Phasendifferenzen zwischen dem Operationsverstärker 22 und der Endstufe 48 ist ein durch einen Widerstand 108 und einen Kondensator 110 gebildetes RC-Glied zwischen den Ausgang 6 des Operationsverstärkers 22 und Masse geschaltet. Bei einer anderen Dimensionierung der Endstufe kann es je nach Phasenlage zweckmäßig sein, das RC-Glied 108,110 zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 22 und den Ausgang der Endstufe 48 zu schalten.
• Für den Operationsverstärker 22 wird vorzugsweise ein integrierter Baustein verwendet, dessen Eingangstransistoren durch Feldeffekt-Transistoren gebildet sind, da sich derartige Operationsverstärker durch eine hohe Slew-rate und eine große Bandbreite auszeichnen.
• Die stabilisierte Spannungsversorgung für die Spannungs-Verstärkerstufe 46 wird mit Vorteil durch integrierte Festspannungsregler realisiert, deren Ausgangs spannung durch zwei Widerstände programmierbar ist. In diesem Fall wird der Fußpunkt der Festspannungsregler schwebend auf einen bestimmten Wert fixiert. Durch diese Maßnahme wird erreicht, d-8 die Ausgangsspannung an der Klemme 30 bzw. 32 dem Betrage naGh qrößer als der maximale Spannungsabstand zwischen Fußpunkt und Ausgang des Festspannungsreglers sein kann.
• Der erfindungsgemäße Verstärker kann ferner mit einer nicht gezeigten elektronischen Sicherung ausgerüstet sein, die eine Uberwachung jedes einzelnen der Leistungstransistoren 84 gestattet.
• Während bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel davon ausgegangen wurde, daß der Operationsverstärker 22 ein integrierter Baustein ist, kann der Operationsverstärker auch aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein.

Claims (10)

1. Walter Fuchs Kleine Bank 12 4630 Bochum 5 2. Renhard Maiwald August-Fuhrmann-Str. 9 4800 Bielefeld 17 Elektronischer Verstärker PATENTANSPRÜCHE Elektronischer Verstärker mit einem Operationsverstärker als Eingangsstufe, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die dem Operationsverstärker (22) unmittelbar nachgeschaltete Verstärkerstufe (46) durch die Stromaufnahme des Operationsverstärkers (22) gesteuert ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, der eine Spannungs-Verstärkerstufe umfaßt, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Operationsverstärker (22) mit der Aus- gangsspannung der Spannungs-Verstärkerstufe (46) gegengekoppelt ist.

3. Verstärker nach Anspruch 2, g e k e n n z e i c h -n e t durch eine zusätzliche Gegenkopplung zur Begrenzung des Spannungsanstiegs, die durch einen Kondensator (106) zwischen dem Ausgang (6) und dem invertierenden Eingang (2) des Operationsverstärkers gebildet ist.

4, Verstärker nach Anspruch 2 oder 3 mit einer leistungsverstärkenden Endstufe, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spannungsversorgung der Spannungs-Verstärkerstufe (46) und der Endstufe (48) über getrennte tTetzteile erfolgt und daß das Netzteil für die Spannungs-Verstärkerstufe stabilisiert ist.

5.,Verstärker. nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das stabilisierte Netzteil für die Spannungs-Verstärkerstufe (46) jeweils einen Festspannungsregler für die positive und die negative Spannungsversorgung umfaßt und daß der Fußpunkt des Festspannungsreglers schwebend auf einen vorgegebenen Spannungswert fixiert ist.

6. Verstärker nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Versorgungsspannung für die Spannungs-Verstärkerstufe (46) dem Betrage nach größer als die Versorgungsspannung für die Endstufe (48) ist.

7. ;Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zuleitungen zu positiven und negativen Betriebsspannungsklemmen (7,4) des Operationsverstärkers (22) jeweils einen+Ohm'schen Widerstand (28) zur Erzeugung eines der Stromaufnahme entsprechenden Spannungsabfalls aufweisen.

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Widerstände (28) jeweils an eine Klemme der Spannungsversorgung für die nachgeschaltete Verstärkerstufe (46) angeschlossen und über eine programmierbare Zenerdiode (26) mit der Betriebsspannungsklemme (7 bzw. 4) des Operationsverstärkers (22) verbunden sind.

9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß jede der programmierbaren Zenerdioden (26) einen Transistor (36) und eine Zenerdiode (34) in der Emitterleitung, einen parallel zu der Zenerdiode geschalteten, mit der Basis des Transistors (36) verbundenen Widerstand (38) und einen Widerstand (40) zur Programmierung des Spannungsabfalls zwischen Basis und Kollektor des Transistors (36) umfaßt.

10. Verstärker nach Anspruch 8 oder 9, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die unmittelbar nachgeschaltete Vers tärkerstufe die Spannungs-Verstärkerstufe (46) ist und daß die Spannu.gs-Verstärkerstufe (46) komplementäre Konstant-Stromquellen (54) umfaßt, die durch die Spannungsabfälle über den Widerständen (28) gesteuert sind.