Transistor-Gegentaktverstärker
Die Erfindung betrifft einen Transistor-Gegentaktverstärker, insbesondere für den Tonfrequenzbereich, der sich bei sehr geringem Schaltungsaufwand durch hohe Temperaturstabilität auszeichnet. Das Anwendungsgebiet liegt vor allem bei B-Verstärkern mit klei- nen Ruheströmen der Endstufe, vorzugsweise mit Ausgangsübertrager.
Es ist bekannt, die Kollektorströme von Transistorgegentaktverstärkern gegen Temperatureinflüsse dadurch zu stabilisieren, dass die Basisvorspannung für die Endstufe oder eine vorgeschaltete Kollektorstufe, in jeder Gegentakthälfte einzeln oder gemeinsam, einem Spannungsteiler entnommen wird, der aus einem konstanten und einen temperaturabhängigen Widerstand besteht. Es ist weiterhin bekannt, anstelle des temperaturabhängigen Widerstandes im Spannungsteiler eine Diode zu verwenden und dabei die Temperaturabhängigkeit des Spannungsabfalls an der Diodenstrecke auszunutzen. Im übrigen sind Schaltungsanordnungen mit Hilfstransistoren zur Stabilisierung von Transistorverstärkern bekannt, aber nicht speziell für Gegentaktverstärker.
Basisspannungsteiler mit Dioden oder temperaturabhängigen Widerständen haben den Nachteil, dass die auf den temperaturabhängigen Zweig des Spannungsteilers einwirkende Umgebungstemperatur nicht mit der Kristalltemperatur im Inneren der Endstufentransistoren übereinstimmt. Im günstigsten Falle kann man, wie bekannt, durch eine gut wärmeleitende Verbindung der Endstufentransistoren mit der Diode oder dem temperaturabhängigen Widerstand letztere auf die Gehäusetemperatur der Endstufentransistoren bringen, die jedoch von der Kristalltemperatur abweicht. Der Temperaturgang von temperaturabhängigen Widerständen beruht darüber hinaus auf einem anderen physikalischen Vorgang als derjenige der Basis-Emitterstrecke eines Transistors. Die gewünschte Temperaturstabilisierung ist deshalb nur angenähert in einem begrenzten Temperaturbereich möglich.
Hilfstransistoren dienen andererseits im allgemeinen nur der Temperaturstabilisierung und sind im übrigen unnütz. Die bekannten Massnahmen zur Temperaturstabilisierung sind um so weniger wirksam, je kleiner der Ruhestrom der Endstufentransistoren im B-Betrieb ist, d. h. je mehr ihre Kristalltemperatur bei wechselnder Aussteuerung des Verstärkers gegenüber ihrer Gehäusetemperatur und erst recht gegenüber der mittleren Temperatur im Verstärker schwankt. Es ist deshalb üblich, zur zusätzlichen Stabilisierung Widerstände in die Emitterkreise der Endstufentransistoren einzufügen, die aber einen merklichen Teil der Ausgangsleistung verbrauchen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Transistor-Gegentaktverstärker mit geringem Schaltungsaufwand gegen Temperatureinflüsse in der Weise zu stabilisieren, dass die Stabilisierung möglichst ausschliesslich von der mittleren Temperatur im Verstärker gesteuert und der Einfluss der Kristalltemperatur der Endstufentransistoren ausgeschaltet wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ausser den Gegentakt-Endstufentransistoren Vorstufentransistoren vorgesehen sind, die in Gegentakt geschaltet sind und in mindestens einer Vorstufe in Emitterschaltung geschaltet und von einem gegenüber dem der Endstufentransistoren entgegengesetzten Leitungstyp sind, dass ferner je ein Transistor der Eingangsvorstufe mit einem Endstufentransistor gleichstromgekoppelt ist und jeder der beiden Endstufentransistoren über einen Gleichstrom-Gegenkopplungspfad mit einem solchen seiner ihm schaltungsmässig zugeordneten Vorstufentransistoren verbunden ist, an dessen Basisanschluss eine Vorspannung von einem aus einer Diode und mindestens einem Widerstand bestehenden Spannungsteiler zugeführt ist,
wobei jeder dieser Gegenkopplungspfade vom Kollektor des Endstufentransistors zum Emitter des diesem zugeordneten Transistors der Eingangsvorstufe führt, wenn die beiden so miteinander verbundenen Transistoren von unterschiedlichem Leitungstyp sind, dagegen jeder dieser Gegenkopplungspfade vom Emitter des Endstufentransistors zum Emitter des diesem zugeordneten Transistors der Eingangsvorstufe führt, wenn die beiden so miteinander verbundenen Transistoren vom gleichen Leitungstyp sind.
Damit für hohe Wiedergabequalität der Klirrfaktor der Eingangsvorstufe klein gehalten wird, sind nach einer vorteilhaften Ausführungsform die Endstufentransistoren schaltungsmässig so angeordnet, dass über den Gleichstrom-Gegenkopplungspfad wenigstens ein Teil der Ausgangswechselspannung zu den Transistoren der Eingangsvorstufe zurückgeführt und dadurch auch für Wechselstrom eine Gegenkopplung bewirkt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Schaltungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das Schaltbild eines zweistufigen Verstärkers,
Fig. 2 das Schaltbild eines dreistufigen Verstärkers grosser Ausgangsleistung,
Fig. 3 ein weiteres Schaltbild eines dreistufigen Verstärkers,
Fig. 4 das Schaltbild eines zweistufigen Verstärkers mit zusätzlicher Wechselspannungs-Gegenkopplung.
Die Grundschaltung, die sich für eine Ausgangsleistung bis zur Grössenordnung von 1 Watt als völlig ausreichend erwiesen hat, ist in Fig. 1 abgebildet. Wie bei allen dargestellten Beispielen sind die Endstufentransistoren vom Typ n-p-n.
Der Eingangsübertrager 1, dessen Primärwicklung das Eingangssignal zugeführt wird, speist aus seiner symmetrischen Sekundärwicklung die Basisanschlüsse der Transistoren 2 und 3 der Eingangsvorstufe, die vom Typ p-n-p sind. Ihre Kollektoren sind mit den Basisanschlüssen der Endstufentransistoren 4 und 5 verbunden. Die Emitter- und Kollektorströme der Endstufentransistoren 4 und 5 durchfliessen je eine der vier getrennten Primärwicklungen des Ausgangsübertragers 6, dessen Sekundärwicklung die Ausgangsleistung entnommen wird. Die den Transistoranschlüssen auge- wandten Enden der Primärwicklungen sind an die Speisespannung Ua angeschlossen.
Der Kollektor jedes Endstufentransistors ist mit dem Emitter seines zugehörigen Transistors der Eingangsvorstufe verbunden. Die Vorspannung der beiden Transistoren 2 und 3 der Eingangsvorstufe wird dem Spannungsteiler aus der Diode 7 und dem Widerstand 8 entnommen und den Basisanschlüssen der Transistoren über die Sekundärwicklungen des Eingangsübertragers 1 zugeführt.
Die Temperaturstabilisierung soll nu von der mittleren Temperatur im Verstärker gesteuert werden. Soweit die Eingangstransistoren und die Diode des Basisspannungsteilers keine Eigenerwärmung aufweisen, ändert sich die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren der Eingangsvorstufe und die Spannung an der Diode gleichlaufend, wenn, nach einem weiteren Merkmal - im Gegensatz zu den bekannten, erläuterten Massnahmen die Transistoren der Eingangsvorstufe ebenso wie die Diode des Spannungsteilers der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt sind, und insbesondere vor einer ungleichmässigen Wärmeeinwirkung der Endstufentransistoren und anderer, örtlich konzentrierter Wärmequellen geschützt sind. Zweckmässig sind mehrere Gegentaktvorstufen angeordnet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird die Zahl der Vorstufen so gewählt, dass sie zur Erreichung einer vorbestimmten Ausgangsleistung des Verstärkers ausreicht, wenn die Transistoren der Eingangsvorstufe so geschaltet sind, dass sie eine im Vergleich zu ihrer zulässigen Verlustleistung verschwindend kleine Leistung aufnehmen und der Spannungsteiler so bemessen ist, dass der Querstrom in ihm klein ist, so dass auch in dessen Diode keine merkliche Eigenwärmung auftritt. Dies ist wegen des sehr kleinen Basisstroms eines praktisch unbelasteten Transistors leicht zu erreichen.
Der Temperaturverlauf der Basis-Emitterspannung der Eingangstransistoren stimmt mit demjenigen der Spannung an der Diode des Basisspannungsteilers besonders genau überein, wenn der Transistortyp der Eingangsvorstufe und der Diodentyp des Spannungsteilers hinsichtlich Ausgangsmaterial und Herstellungsverfahren gleichartig sind, vorzugsweise in Silizium Planartechnik.
Bei Anwendung der vorstehend genannten Merkmale ist es auch bei hohen Anforderungen an den Symmetrieabgleich möglich, vorteilhaft für beide Transistoren einen gemeinsamen Spannungsteiler zu benutzen.
An dem Kupferwiderstand der kollektorseitigen Primärwicklungen des Ausgangstransformators entsteht durch den Kollektorgleichstrom jeweils ein Spannungsabfall. Die Spannung an der Diode 7 muss um den Wert dieses Spannungsabfalles grösser sein als die Spannung zwischen Basis und Emitter der Eingangstransistoren 2 und 3. Dies kann durch die Wahl des Widerstandes 8 leicht eingestellt werden, wobei wegen der exponentiellen Kennlinie der Diode der Wert des Widerstandes relativ unkritisch ist und ein fester Widerstand normaler Toleranz völlig ausreicht.
Der Gleichspannungsabfall an der kollektorseitigen Wicklung des Ausgangsübertragers bewirkt in jeder Gegentakthälfte eine starke Gegenkopplung. Einer durch Erwärmung der Endstufentransistoren 4 und 5 entstehenden änderung des Kollektorstroms und damit des Spannungsabfalls an der Übertragerwicklung wird durch die hohe Verstärkung der Vorstufe entgegeP- gewirkt, da die verstärkte linderung des Spannungsabfalls mit anderem Vorzeichen an der Basis der Endstufentransistoren 4 und 5 auftritt. Die Spannungsverstärkung der Transistoren 2 und 3 der Eingangsvorstufe ist sehr hoch (Grössenordnung 10000fach), weil deren Kollektorkreise nur mit dem Eingangswiderstand der Transistoren 4 und 5 der Endstufe belastet sind.
Die thermische Stabilität des Verstärkers hängt dadurch fast ausschliesslich davon ab, dass die Basis Emitterspannung der Transistoren 2 und 3 der Eingangsvorstufe und die Spannung an der Diode 7 sich mit der Umgebungstemperatur um den gleichen Betrag ändern. Dies trifft insbesondere bei Silizium-Planartransistoren und -dioden (bei denen überdies die Restströme von ca. 1 nA keine Rolle mehr spielen) wegen des sehr reinen Ausgangsmaterials und des Herstellungsverfahrens weitgehend zu. Wie die Erfahrung zeigt, treten über einen Temperaturbereich von 40 OC im Durchschnitt nur Differenzen von einigen Millivolt auf.
Für das Wechselstromsignal tritt im übrigen eine sehr starke Spannungsgegenkopplung ein. Wenn alle vier Primärwicklungen des Ausgangsübertragers 6 gleiche Windungszahlen besitzen, was sich als zweckmässig erwiesen hat, dann ist der Gegenkopplungsfaktor halb so gross wie der Verstärkungsfaktor der Eingangsvorstufe, wenn den Emittern der Transistoren 2 und 3 dieser Stufe keine Wechselspannung zugeführt würde.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Transistor-Gegentaktverstärkers für grössere Ausgangsleistung (ca. 25 Watt). Von dem Schaltbild der Fig. 1 unterscheidet es sich durch die Einfügung einer zweiten Vorstufe vor der Endstufe und durch eine Einrichtung zum genauen Abgleich der relativ grösseren Ruheströme der Endstufe. 4:
Die zwischen Eingangsvorstufe und Endstufe eingefügte Verstärkerstufe besteht aus den beiden Transistoren 9 und 10 vom Typ n-p-n. Sie ist als Kollektorstufe geschaltet und wirkt als Impedanzwandler. Durch ihre Einfügung wird die Eingangsvorstufe entlastet und vor Eigenerwärmung geschützt.
Durch die Belastung der beiden Widerstände 11 und 12 mit den Querströmen des Potentiometers 13 können die Spannungen an den Emittern der Eingangsvorstufe gegeneinander verändert und damit die Ströme der Endstufentransistoren abgeglichen werden. Die übrigen Bezugsziffern haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel, ebenfalls ein dreistufiger Gegentaktverstärker für grössere Ausgangsleistung, ist im Schaltbild der Fig. 3 dargestellt. Die Transistoren 2 und 3 der Eingangsvorstufe sind hier vom Typ n-p-n und arbeiten in Emitterschaltung. Auch die zweite Verstärkerstufe ist eine Emitterstufe. Ihre Transistoren 14 und 15 sind vom Typ p-n-p. Da in beiden Vorstufen jeweils eine Phasenumkehr erfolgt, werden in dieser Schaltungsanordnung die der Eingangsvorstufe zugeführten Gegenkopplungsspannungen den Emitteranschlüssen der Endstufe entnommen.
Mit dem Potentiomater 16 werden durch einstellbar ungleiche Belastung der zweiten Vorstufe die Ruheströme der Endstufentransistoren abgeglichen. Ein zusätzlicher Abgleich gradzahliger Harmonischer des Klirrfaktors im Bereich der hohen Frequenzen geschieht durch das Potentiometer 17. Dieses ist für Gleichstrom und tiefe Frequenzen durch die Kondensatoren 18 und 19 abgeblockt und bewirkt über die beiden Widerstände 20 und 21 in den Emitterleitungen der Transistoren der Eingangsvorstufe eine einstellbar unsymmetrische Gegenkopplung für hohe Frequenzen. Dadurch wird der Einfluss ungleicher Grenzfrequenzen insbesondere der Endstufentransistoren ausgeglichen. Zu den übrigen Bezugsziffern wird auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen.
Das weitere Ausführungsbeispiel der Fig. 4 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 durch die Anwendung einer zusätzlichen Wechselspannungs-Gegenkopplung.
Die Basisvorspannung wird den Transistoren 2 und 3 der Eingangsvorstufe nicht unmittelbar über einen Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers 1 zugeführt, sondern über die Teilwicklungen 22 und 23 einer zusätzlichen und getrennten, symmetri schen Gegenkopplungswicklung des Ausgangsübertragers 6, und zwar getrennt über die beiden Sekundärwicklungen des Eingangsübertragers 1. Dadurch wird, wie schon beschrieben, der von dem Kupferwiderstand der Primärwicklungen herrührende Anteil des Ausgangswiderstandes des Verstärkers herabgesetzt.
Ein besonderes Merkmal liegt somit darin, dass eine zusätzliche, und zwar eine symmetrische Spannungskopplung für das Wechselstromsignal aus einer zusätzlichen und von den übrigen Wicklungen des Ausgangsübertragers getrennten Wicklung an die Transistoren der Eingangsvorstufe geführt ist. Dabei wird darauf hingewiesen, dass neben der schon vorhandenen Gegenkopplung in weiterer Ausgestaltung eine zusätzliche, symmetrische Spannungsgegenkopplung für das Wechselstromsignal aus einer getrennten Wicklung des Ausgangsübertragers an die Eingangsvorstufe geführt ist.
Es sei noch bemerkt, dass bei einem Verstärker der beschriebenen Art Ein- und Ausgangsübertrager nicht verwendet werden müssen. Zumindest die Temperaturstabilität kann z. B. ebenso erreicht werden, wenn die kollektorseitigen Primärwicklungen des Ausgangsübertragers 6 in Fig. 1 durch entsprechende Widerstände ersetzt werden. Anstelle des Eingangsübertragers 1 kann auch eine der bekannten Phasenumkehrstufen verwendet werden und die Basisvorspannung den Transistoren 2 und 3 der Eingangsvorstufe über R-C Koppelglieder zugeführt werden. Der Eingangsübertrager hat jedoch den Vorteil besserer Symmetrie.
Die erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, dass mit sehr geringem Schaltungsaufwand eine grosse Stabilität gegenüber Temperatureinflüssen erreicht wird. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise der Einfluss der Kristalltemperatur der Endstufentransistoren, die bei voller Aussteuerung durch Sprache oder Musik stark schwankt, praktisch eliminiert. Der Arbeitspunkt der Endstufe wird durch die Aussteuerung nicht verändert, weil kein Kondensator vorhanden ist, der aufgeladen werden könnte. Der Klirrfaktor ist bei Aussteuerung mit Dauerton oder Sprache bzw. Musik gleicher Amplitude unverändert; die vom A-B-Betrieb bekannten Übergangsverzerrungen fallen daher weg.