DE3045223C2 - Leistungsverstärker - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eincp Leistungsverstärker gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-AS 11 80 000 ist bereits ein derartiger Leistungsverstärker bekannt, bei dem ein Kopplungstransformator zwischen einen Leistungsverstärkungskreis und eine Treiberstufe geschaltet ist Wenn bei dem bekannten Leistungsverstärker ein Signal in der Primärwicklung des Transformators seinen Spitzenwert erreicht, also beispfelsweise etwa t3 V, dann verändert sich das Signal in den Sekundärwicklungen zwischen -0 V und 66 V. Dies bedeutet, daß der Leistungsverstärker weiterhin eine so hohe Eingangsspannung aufnimmt, daß er ohne weiteres in die Sättigung getrieben wird, obgleich durch eine dynamische Filterschaltung für eine Glättung der der Treiberstufe zugeführten Spannung gesorgt wird.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, einen Leistungsverstärker zu schaffen, dessen Ausgangssignale nicht wesentlich durch hochfrequente Welligkeitsan- teile, die von einer Versorgungsstromqualle des Leistungsverstärkers stammen, verzerrt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs-1. Dadurch wird erreicht, daß der erfindungsgemäße Leistungsverstärker im ungesättigten Bereich betrieben wird, denn dort ist der Kollektor-Strom h proportional zum Basis-Strom /ß.In diesem Bereich wird der Kollektor- oder Ausgangsstrom daher nicht von der Kollektorspannung beeinflußt und Welligkeitsanteile am Kollektor erreichen dabei nicht die Ausgangsleitung.

Aus der Zeitschrift »Electronique Professionelle«, 31. Jahrgang, Nr. 321 vom 15. Nov. 1962, Seite 49/50, ist zwar bereits eine Schaltung bekannt, bei der eine Vorverstärkerstufe mit einer geregelten niederen Gleichspannung versorgt wird. Bei solchen Schaltungen sind die Spannungsschwankungen jedoch verhältnismäßig klein, und zwar beispielsweise 1 Volt Spitze-Spitze. Die Vorverstärkerstufe wird dabei von der gleichen, verhältnismäßig ungeglätteten Spannung wie die Ausgangsstufe versorgt, so daß die mit der Erfindung erzielten Ergebnisse nicht erreichbar sind.

Vorzugsweise weist der Leistungsverstärker einen

Signaleingangskreis auf, dessen Ausgang an die Treiberschaltung angeschlossen ist, während der Eingang eines Ausgangskreises von dem Leistungsverstärkungskreis getrieben wird. Der Leistungsverstärkungskreis weist vorzugsweise zumindest einen Leistungstransistorauf.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig.1 ein Schemaschaltbild eines bekannten Leistungsverstärkers;

Fig.2 den Ausgangsstromverlauf der Schaltung gemäß Flg.* 1;

Fig.3 ein Schemaschaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers;

Fig.4 den Ausgangsstrom der Schaltung gemäß Fig. 3; und

Fig.5 ein Einzelheiten darstellendes Schaltbild eines weiteren .Ausführungsbeispiels des Leistungsverstärkers.

F i g. 1 zeigt einen gemäß Erfindung zu verbessernden Leistungsverstärker für die Verstärkung eines Audiosignais zum Treiben einer Last, beispielsweise eines Lautsprechers, wobei als Stromquelle ein Schaltregler verwendet wird. In F i g. 1 erhalten ein TreiberkreiE 10 und ein Leistungsverstärkungskreis 12 Spannung von einem gemeinsamen Schaltregler 14. Eine positive und eine negative Ausgangsklemme Λ6 und 18 des Schaltreglers 14 sind an positive Spannungsquellenklemmen 20 und 22 sowie an negative Spannungsquellenklemmen 24 und 26 der Treiberschaltung 10 und des Leistungsverstädiungskreises 12 angeschlossen. Das Ausgangssignal der Treiberschaftung 10 wird über eine Vorspannungsschaltung 36 an Transistoren Qi und Qt des Leistungsverstärkungskreises 12 gelegt Daher werden bei dem bekannten Verstärker sowohl die Treiberschaltung 10 als auch der Leistungsverstärkungskreis 12 von der gleichen Spannungsquelle versorgt Wird ein großes Eingangssignal an die Signaleingangsklemme 28 des Leistungsverstärkers gelegt, so werden Spitztnantewe der positiven und negativen Halbwellen der Signalschwingung des Eingangssignales bis zu den Spannungsquellenspannungen in der Treiberschaltung 10 verstärkt, so daß die Spitzenanteile der Ausgangssignale der Treiberschaltung 10 auf den Wert der Spannungsquellenspannungen abgeschnitten werden. Die Spannungsquellenspannung weist hochfrequente Welligkeitsanteile auf, worauf bereits hingewiesen wurde. Mit anderen Worten wird die Spannungsquellenspannung durch die hochfrequenten Welligkeitsanteile derart moduliert, daß die Abtrennanteile des Ausgangssignals ebenfalls durch die hochfrequenten Welligkeitsanteile moduliert werden.

F i g. 2 zeigt den Schwingungsverlauf des Ausgangssignals 5und die positive und negative Spannungsquellenspannung + Vccund — Vee-

Das Ausgangssignal der Treiberschaltung 10 wird vom Leistungsverstärkungskreis 12 verstärkt. Ein Leistungsverstärkungskreis verstärkt ein Eingangssignal auf einen hohen Leistungswert, indem ein großer Strom von der Stromquelle durch die Leistungstransistoren im Leistungsverstärkungskreis gesteuert wird, wobei der durch einen Transistor fließende Strom entsprechend der Spannung über seinen Kollektor-Emitteranschlüssen ansteigt, solange die Spannung gering ist. Wird somit eine große Eingangsspannung angelegt, die etwa der Spannungsquellenspannung entspricht, dann werden die Spannungen über die Kollektor- und Emitterklemmen der Leistungstransisto-

ren Qi und Qi klein,^; so daß sich der durch die Transistoren Q_x und Qi fließende Ausgangsstrom entsprechend der Änderung der Kollektorspannung oder der hochfrequenten Welligkeitsanteile verändert Zusätzlich wird das Eingangssignal der Treiberschaltung 10 durch die hochfrequenten Welligkeitsanteile moduliert Das modulierte Ausgangssignal der Treiberschaltung 10 oder das Eingangssignal für den Leistungsverstärkungskreis 12 wird ferner durch die hochfrequenten Wellijrkeitsanteile moduliert Somit ist das to Ausgangssignal des Leistungsverstärkungskreises 12 durch die hochfrequenten Welligkeitsanteile stark verzerrt, was dazu führt, daß auch, der Ton aus einem Lautsprecher 34 verzerrtüst |

Ferner werden die verstärkten hochfrequenten Welligkeitsanteile als stSirende Radiowellen von einem Ausgang 30 des Leistungsverstärkungskreises 12 und einem den Ausgang 30 mit deny Lautsprecher 34 verbindenden Kabel 32 abgestrahlt ί

F i g. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Leistungsverstärken Ein Signaleingangskreis 40 liefert ein Audiofrequenz-Eingangssignal an eine Treiberschaltung 42, die einen Treibertransistor 44 aufweist Ein Lebtungsverstärkungskreis 46 weist ein Paar von Leistungstransistoren 48 und 50 auf. Die Leistungstransistoren 48 und 50 sind ein komplementäres Paar, die einen Lautsprecher 52 über ein Kabel 54 treiben, das zwischen dem Lautsprecher 52 und einer Ausgangsklemme 56 des Leistungsverstärkungskreises 46 angeschlossen ist Der npn-Leistungstransistor 48 wird von einer positiven Spannungsquellenspanniiiiig (+ Vcc) an seinem Kollektor von einer positiven Klemme 58 eines Schaltreglers 60 versorgt Der pnp-Leistungstransistor 50 wird mit einer negativen Versorgungsspannung {—Vee) an seinem Kollektor von der negativen Klemme 62 des Schaltreglers 60 gespeist Der Schaltregler 60 wandelt eine übliche Wechselstrom-Versorgungsspannung in eine positive und eine negative Gleichspannung um, die gemäß einem Schaltverfahren unter Verwendung von Hochfrequenz in der Größenordnung von mehreren 10 kHz rieht*» geregelt werden.

Der Treibertransistor 44 wird außerdem mit einer weiteren positiven und negativen Spannung + Vb / und

— V_B2von entsprechenden Batterien 64 und 66 versorgt Die Batterien 64 und 6fr liefern Spannungen + Vbi und

— Vbi, die kleiner als die jeweiligen Spannungen + Vcc und — Vfedes Schahreglers 60 sind.

Im Betrieb des Leistungsverstärkers arbeitet der Treibertransistor 44 in einem vollständig gesperrten Zustand oder einem vollständig aufgesteuerten Zustand, >n wenn das Eingangssignal über einen bestimmten Spannungswert ansteigt Somit wird ein Ausgangssignal von der Treiberschaltung 42 bei den Batteriespannungen + Vbi und — Vb2 zis einer Schwingung 5' gemäß F i g. 4 abgeschnitten. Die; Leistungstransistoren 48 und 50 werden dann durch die Vorspannungsschaltung 76 von dem abgeschnittenen Signal aus der Treiberschaltung 42 derart getrieben, daß die Spannungsamplitude des Ausgangssignals an der Ausgangsklemme 56 auf die gleiche Spannungskurve begrenzt ist. Der Betriebsbe- &o reich der Leistungstransistoren 48 und 50 läßt sich somit auf deren aktive Bereiche begrenzen, in denen ihre jeweiligen Kollektor-Emitter-Spannungen auf einem vorgewählten Wert selbst dann gehalten werden, wenn das abgeschnittene Signal an den Leistungsverstär- ti kungskreis 46 gelegt vird. Daraus folgt, daß weder der Strom durch den npn-Leistungstransistor 48 noch der Strom durch den pm-Leistungstransistor 50 von WelBgkeitsanteilen beeinflußt werden, die zu den jeweiligen Gleichspannungen + Vbcund — Veegehören.

Dies bedeutet, daß die an den Klemmen 58 und 62 des Schaltreglers 60 austretenden hochfrequenten Schaltbe ■ fehle oder deren höhere Harmonische daran gehindert werden, das Signal an der Ausgangsklemme 56 zu modulieren. Dadurch werdea Neben- oder Störaussendungen vom Kabel 54 des Schaltreglers 60 minimiert, die auf die hochfrequenten Schaltbefehle zurückzuführensind.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal S' aus dem Leistungsverstärkungskreis 46, den Versorgungsgleichspannungen + Vb/ und —Vb2 der Batterien 64 und 66 und den Gleichspannungen + Vcc und — Vee einschließlich der hochfrequenten Welligkeiten von dem Gleichspannungs-Schaltregler 60. Die Kurve für das Ausgangssignal S'ist unter der Bedingung dargestellt daß die Schwingungskurve innerhalb der Begrenzung der Schwingung des Ausgangssignals S'A&r Treiberschaltung 42 liegt.

F i g. 5 zeigt ein Detailschaltbild der Erfindung, wobei gleiche oder entsprechende Teile rvJ. gleichen Bezugszeichen versehen sind. Ein Signaleingan&ikreis 40 liefert ein Audiofrequenz-Eingangssignal an die Treiberschaltung 42. Das Eingangssignal wird zunächst in einem ein Transistorpaar 70 und 72 aufweisenden Differentialverstärkerceil 68 verstärkt und dann vom Kollektor des Transistors 70 an einen Treibertransistor 44 gelegt Der Treibertransistor 44 ist mit seinem Emitter an die negative Klemme 64 einer Reihenregler-Gleichspannungsquelle 74 angeschlossen. Der Kollektor des Treibertransistor 44 ist über einen Vorspannungsdiodenteil 76 an einen aktiven Lastkreis 78 angeschlossen, der ein Paar von Transistoren 80 und 82 aufweist, die in Form einer üblichen spiegelbildlichen Konstantstromschaltung zusammengeschdtet sind. Der aktive Lastkreis 78 bildet für den Treibertransistor 44 eine hohe Lastimpedanz, so daß die Verstärkung der Treiberschaltung 42 zunimmt Der aktive Lastkreis 78 ist an die positive Klemme 66 der Gleichstromquelle T* angeschlossen. Ein Ausgangssignal aus der Treiberschaltung 42 wird von beiden Enden des Vorspannungsdiodenteils 76 an die jeweilige Basis eines Paares komplementärer Leistungstransistoren 48 und 50 gelegt, die jeweils in einendiger Stoß-Ziehbeziehung (SEPP) angeschlossen sind. Die Emitter der Leistungstransistoren 48 und 50 sind gemeinsam an eine Ausgangsklemme 56 angeschlossen, die ein leistungsverstärktes Ausgangssignal aus dem die Leistungstransistoren 48 und 50 aufweisenden Verstärkerkreis 46 über ein Kabel 54 an einen Lautsprecher 52 ausgibt. Der Kollektor des npn-Leistungstransistors 43 ist an die positive Quelle 58 des Schaltreglers 60 angeschlossen, während der Kollektor des pnp-LeistungstraiiSistors 50 an die negative Klemme 62 des Gleichspaunungs-Schaltreglers 60 angeschlossen ist

Die Schaltregler-Gleichspannungsquelle 60 liefert eine positive Gleichspannung von +46V und eine negative Gleichspannung von —46 V an ihrer positiven und negativen Klemme 58 und 62, während der Reihenregler 74 eine positive Gleichspannung von +41 V und eine negative Gleichspannung von =41 V an seiner positiven und negativen Klemme 66 bzw. 64 ausgibt.

Die Funktion des in F i g. 5 dargestellten Leistungsverstärkers ist ähnlich wie die des Leistungsverstärkers gemäß F i g. 3. Wird als ein Eingangssignal mit großer Amplitude in die Treiberschaltung 42 eingespeist, dann

wird der Treibertransistor 44 durch ein großes vorverstärktes Signal vom Differentialverstärkerteil 68 in einen breiten Funktionsbereich gesteuert, der von etwa seinem Durchbruchsbereich bis zu seinem Sättigungsbereich reicht. Das Kollektorpotential des Treiberverstärkers 44 schwingt zwischen nahezu —41 V und +41 V, so daß das von der Vorspannungsdiodenschaltung 76 an die Basis der Leistungstransistoren 48 und 50 gelegte Ausgangssignal ähnlich wie die Schwingung S' in F i g. 4 abgeschnitten wird. Dadurch leiten der npn-Leistungstransistor 48 und der pnp-Leistungstransistor 50 abwechselnd gemäß der Signalpolarität. Die Emitterspannung des npn-Leistungstransistors 48 steigt somit auf eine Spannung von +41 V in der positiven Halbwelle an, ist jedoch auf diesen Wert beschränkt. Die Kollektor-Emitterspannung Vce des Leistungstransistors 48 wird somit auf einem Minimum von +5V oder mehr gehalten, was der Differenz zwischen +46V und +41 V entspricht, so daß der npn-Leistungstransistor 48 daran gehindert wird, in die Sättigung zu fahren. In ähnlicher Weise wird der pnp-Leitungstransistor 50 daran gehindert, während der negativen Halbwellc in seinen Sättigungsbereich zu fahren, da die Kollektor-Emitterspannung Vce des Leistungstransistors 50 auf einer Minaestspannung von 5 V odei¹ mehr (absolut gerechnet) gehalten wird.

Die Kollektorströme der Leistungstransistoren 48 und 50 werden somit daran gehindert, von den hochfrequenten Welligkeitsanteilen oder den höheren Harmonischen der Welligkeitsfrequenz der positiven und negativen Versorgungsspannungen des Schaltreglers 60 moduliert zu werden. Stör- oder Nebenausstrahlungen sind dadurch reduziert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Leistungsverstärker mit einer Treiberschaltung (42) und einem von der Treiberschaltung (42) getriebenen Leistungsverstärkungskreis (46), mit einer an den Leistungsverstärküngskreis (46) angeschlossenen ersten Stromquelle (60) für die Zufuhr einer ersten Versorgungsgleichspannung mit Welligkeitsanteflen und mit einer an die Treiberschaltung (42) angeschlossenen zweiten Stromquelle (74) für die Zufuhr einer zweiten yersorgungsgleichspannung, die kleiner als die erste Versorgungsgleichspannung ist und ein geringeres Maß an Welh'gkeitsanteflen als die erste Stromquelle (60) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (42) unmittelbar an den Leistungsverstärkungskreis (46) angeschlossen ist.

Z Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß.der Treiberschaltung (42) ein Signaleingangskreis (40) vorgeschaltet und daß dem Leistungiverstärkungskreis (46) ein Ausgangskreis (52—56) nachgeschaitet ist.