DE4307606A1

DE4307606A1 - Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE4307606A1
Application number: DE4307606A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Nishimura
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1992-04-09
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2013-03-11
Also published as: JPH05291834A; GB2266021B; GB2266021A; US5359295A; DE4307606C2; GB9304782D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker zum Vermindern nichtlinearer Verzerrung.

Bei einer einpolig geerdeten oder Eintakt-Gegentaktschaltung (SEPP) zeigt die V_BE-I_C Charakteristik eine exponentiale Veränderung, so daß dann, wenn diese Schaltungsart als ein Leistungsverstärker oder Endverstärker verwendet wird, eine Verzerrung auftreten kann. Normalerweise wird eine Spannungsverstärkung einer vorhergehenden Stufe für eine negative Rückführung (NFB) verwendet, um eine solche Verzerrung abzubauen, wodurch das Verzerrungsverhältnis verbessert wird.

Wenn jedoch, wie bei einem Tonfrequenzverstärker, die Lastimpedanz nicht genau bekannt ist, kann das Durchführen einer negativen Rückführung NFB von einem Ausgang zu Schwierigkeiten beim Gewährleisten der Stabilität eines NFB-Schleifensystems führen.

Zum Vorsehen eines Leistungsverstärkers mit einem geringen Verzerrungsverhältnis, oder Klirrfaktors, ohne negative Rückführung von einem Ausgang, ist ein Verstärker notwendig, der die Verzerrung einer vorhergehenden Stufe vermindert. Ein zur Verwendung einer solchen vorhergehenden Stufe geeigneter Verstärker ist beispielsweise in der JP-A-61-41293 beschrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird bei diesem Verstärker ein PNP-Transistor Q₁, an dessen Basis ein Eingangssignal anliegt, als ein Emitterfolger betrieben, und das Ausgangssignal des Emitterfolgers wird als ein Eingangssignal für die Basis eines NPN-Transistors Q₂ verwendet. Diese Transistoren Q₁, Q₂, die zueinander entgegengesetzte Leitfähigkeitsarten aufweisen, werden mit Strömen i₁ und i₂, welche stets ein festes Verhältnis zueinander haben, durch eine aus Transistoren Q₃, Q₄ und Widerständen Q₂, Q₃ gebildete Stromspiegelschaltung versorgt. Ferner ist ein Ermitterwiderstand R₁ zwischen dem Emitter von Transistor Q₂ und Masse angeschlossen, um einen Schaltungsstrom zu bestimmen. Ein Transistor Q₅ ist vorgesehen, der ein Ausgangssignal dieser Schaltung erhält und dessen Basis mit der Basis von Transistor Q₃ verbunden ist, um eine Stromspiegelschaltung zu bilden. Die Stromspiegelschaltung legt am Widerstand R₅ einen Ausgangsstrom an, der ein festes Verhältnis zu einem durch den Transistor Q₂ fließenden Strom einhält. Ferner ist mit dem Ausgang des Verstärkers ein Ausgangstransistor verbunden, um einen Leistungsverstärker oder Endverstärker, zu bilden. Wenn der Verstärker als ein Tornfrequenzverstärker verwendet wird, wird die Ausgangsstufe im allgemeinen von einer komplementären SEPP gebildet.

Um jedoch eine Last mit einem stabilem Strom vom Ausgang der vorhergehenden Stufe zu versorgen, muß an den oben beschriebenen, herkömmlichen Leistungsverstärker eine Ausgangsstufe, wie ein Emitterfolger, angeschlossen werden, so daß sein Ausgangsstrom an die Last abgegeben wird, wobei ein Nachteil darin liegt, daß die Anzahl der den Leistungsverstärker bildenden Elemente zunimmt und der Schaltungsaufbau kompliziert wird. Auch die von den Transistoren in der Ausgangsstufe erzeugte Verzerrung verursacht nach wie vor Probleme.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Leistungsverstärker vorzusehen, der eine gute lineare Verstärkungscharakteristik bei einem relativ einfachen Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Leistungsverstärker gelöst, mit einem ersten Transistor, der an seiner Basis ein Eingangssignal empfängt, einem zweiten Transistor mit bezüglich der Leitfähigkeitsart des ersten Transistors umgekehrter Leitfähigkeitsart, dessen Basis so angeschlossen ist, daß sie das Ausgangssignal vom ersten Transistor empfängt, einer Stromversorgungsvorrichtung zum Versorgen des Emitters des ersten Transistors mit einem zum Kollektorstrom des zweiten Transistors proportionalen Strom und einer Ausgabevorrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals nach Maßgabe eines vom Emitter des zweiten Transistors ausgegebenen Stromes, wobei die Ausgabevorrichtung einen dritten Transistor zum Ausgeben eines Emitterstromes nach Maßgabe einer Basis-Emitter-Spannung des zweiten Transistors aufweist, und wobei die Summe der Emitterströme des zweiten und des dritten Transistors den Ausgangsstrom des Leistungsverstärkers bildet.

Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsverstärker wird das Ausgangssignal des ersten Transistors, an dessen Basis ein Eingangssignal anliegt, der Basis des zweiten Transistors zugeführt, ein zum Kollektorstrom des zweiten Transistors proportionaler Strom wird durch eine Stromspiegelschaltung an den Emitter des ersten Transistors angelegt, und die Emitterströme des zweiten und des dritten Transistors werden nach Maßgabe eines Emitterspannungspegels des ersten Transistors als ein Ausgangsstrom verwendet.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schaltplan eines herkömmlichen Leistungsverstärkers,

Fig. 2 einen Schaltplan einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Leistungsverstärker nach der Erfindung. Bei dem Leistungsverstärker stehen erste Transistoren Q_1a, Q_1b in Emitterfolge-Anordnung in zueinander komplementärer Beziehung, wobei deren Basen mit einem Eingangsanschluß IN verbunden sind. Der Kollektor des PNP-Transistors Q_1a ist mit einer Leistungsquelle
-B verbunden, und der Emitter ist über einen Emitterwiderstand R_1a mit einem Slave-Anschluß S einer Stromspiegelschaltung 1 verbunden. Der Kollektor des NPN-Transistors Q_1b ist mit einer Leistungsquelle +B verbunden, und sein Emitter ist über einen Emitterwiderstand R_1b mit einem Slave-Anschluß S einer Stromspiegelschaltung 2 verbunden. Der Slave-Anschluß S der Stromspiegelschaltung 1 ist jeweils mit den Basen eines zweiten Transistors Q_2a und einen dritten Transistor Q_3a verbunden. Der Transistor Q_2a ist ein NPN-Transistor zur Ansteuerung, sein Kollektor ist mit einen Master- Anschluß M der Stromspiegelschaltung 1 verbunden, und sein Emitter ist über einen Emitterwiderstand R_2a mit einem Ausgangsanschluß OUT verbunden. Der dritte Transistor Q_3a ist ein als Ausgangstransistor eingesetzter NPN-Transistor, dessen Kollektor mit der Leistungsquelle +B verbunden ist und dessen Emitter über einen Emitterwiderstand R₃a mit dem Ausgangsanschluß OUT verbunden ist.

Der Slave-Anschluß S der Stromspiegelschaltung 2 ist jeweils mit den Basen eines Steuertransistors Q_2b und eines Ausgangstransistors Q_3b verbunden. D. h., das Ausgangssignal von Transistor Q_1a wird an die Basen der Transistoren Q_2a und Q_3a angelegt. Die zweiten Transistoren Q_2a, Q_2b bzw. die dritten Transistoren Q_3a, Q_3b stehen in zueinander komplementärer Beziehung. Die Transistoren Q_2b, Q_3b sind zu den Transistoren Q_2a, Q_3a symmetrisch angeordnet, wobei der Kollektor des PNP-Transistors Q_2b mit einem Master-Anschluß M der Stromspiegelschaltung 2 verbunden ist, und der Emitter ist über einen Emitterwiderstand R_2b mit einem Ausgangsanschluß OUT verbunden. Der Kollektor des PNP-Transistors Q_3b ist mit der Leistungsquelle -B verbunden, und der Emitter ist über einen Emitterwiderstand R_3b mit dem Ausgangsanschluß OUT verbunden. Es sei bemerkt, daß, obwohl die ersten und zweiten Transistoren zueinander entgegensetzt leitende Typen sind, ihre Kenngrößen die selben sind.

Die Stromspiegelschaltung 1 wird von Transistoren Q_4a, Q_5a und Widerständen R_4a, R_5a gebildet, während die Stromspiegelschaltung 2 von Transistoren Q_4b, Q_5b und Widerständen R_4b und R_5b gebildet ist. Eine Vorspannungsschaltung 3 ist zwischen den Master- Anschlüssen M der Stromspiegelschaltungen 1 bzw. 2 angeschlossen. Die Vorspannungsschaltung 3 umfaßt eine bekannte, geregelte Stromschaltung und arbeitet als eine Anlaufschaltung beim Einschalten der Leistung.

Der Betrieb des so aufgebauten Leistungsverstärkers ist im folgenden beschrieben.

Während einer Periode ohne Signal, in der am Eingangsanschluß IN kein Tonsignal anliegt, fließt ein Strom vom Master-Anschluß M der Stromspiegelschaltung 1 zum Kollektor des Transistors Q_2a und der Vorspannungsschaltung 3. Wenn insbesondere angenommen wird, daß ein durch die Vorspannungsschaltung 3 fließender Vorspannungsstrom I_B ist und daß ein durch den Kollektor von Transistor Q_2a fließender Kollektorstrom I_C2 ist, fließt ein Strom I_C2 + I_B. Dabei sei bemerkt, daß beim Einschalten der Leistungsversorgung der Vorspannungsstrom I_B zuerst zum Aktivieren des Schaltungsbetriebes fließt. Der Strom I_C2 + I_B wird durch den Stromspiegeleffekt der Stromspiegelschaltung 1 mit (1 + m) multipliziert und am Slave- Anschluß S der Stromspiegelschaltung 1 ausgegeben. Der Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung 1 fließt über den Emitterwiderstand R_1a in den Emitter von Transistor Q_1a. Ein Anschluß-Spannungspegel des Emitterwiderstandes R_1a auf der Seite des Slave-Anschlusses S wird an die Basen der Transistoren Q_2a, Q_3a angelegt, um die jeweiligen Kollektor-Emitter-Ströme zu steuern. Der obengenannte Wert m ist nicht größer als 1, und der in den Basen der Transistoren Q_2a und Q_3b fließende Gesamtstrom I_B2 bzw. I_B3 ist m·I_C2.

Da die Summe aus der am Widerstand R_1a anliegenden Spannung einer Basis-Emitter-Spannung von Transistor Q_1a gleich einer Summe aus einer Basis-Emitter-Spannung von Transistor Q_2a und einer am Widerstand R_2a anliegenden Spannung ist, ist während einer Periode ohne Signal die folgende Gleichung erfüllt:

wobei V_T einer thermoelektromotorischen Spannung entspricht und V_T = kT/q erfüllt ist, wenn k einer Boltzmann-Konstante entspricht. T ist eine Absoluttemperatur, und Q ist eine Elektronenladung. Ferner gilt I_C2 ≒ I_C2 + T_B2, und I_SD ist ein Sättigungsstrom der Transistoren Q_1a und Q_2a.

In der obigen Gleichung (1) entsprechen die Exponentialfunktions- Bereiche auf beiden Seiten einer Basis-Emitter-Spannung V_BE1 von Transistor Q_1a auf der linken Seite und einer Basis-Emitter-Span nung V_BE2 von Transistor Q_2a auf der rechten Seite. Ursprünglich haben diese Spannungen niedrige Werte von etwa 0,6 Volt. Wenn I_C2≦λτ (1+m)·I_B » I_SD1 erfüllt ist, ist ferner die Differenz zwischen diesen klein genug, um vernachlässigt zu werden, so daß Gleichung (1) wie folgt abgewandelt werden kann:

{(1 + m)I_B + I_C2}R_1a ≒ I_C2R_2a (2)

Der Kollektorstrom I_C2 von Transistor Q_2a wird daher wie folgt wiedergegeben:

I_C2 ≒ R_1a(1 + m)I_B/(R_2a - R_1a) (3)

Da die Spannungen jeweils zwischen den Basen und dem Ausgangsanschluß OUT gleich sind, genügt die Beziehung zwischen den Transistoren Q_2a und Q_3a der folgenden Gleichung:

wobei I_E2, I_E3 Emitterströmen der Transistoren Q_2a bzw. Q_3a entsprechen und I_SD ein Sättigungsstrom von Transistor Q_3a ist. Bei einer Umformung von Gleichung (4) erhält man die folgende Gleichung (5):

Ferner wird angenommen, daß bei den Gleichungen (4) und (5) die Gleichstrom-Verstärkungsverhältnisse h_FE der über ihre Emitter geerdeten Transistoren Q_2a, Q_3a genügend groß sind, und daß I_E2 = I_C2 und I_E3 = I_C2 erfüllt ist.

Wenn

I_E3 = gI_E2 (6)

bei einem willkürlichen Stromwert zwischen den Emitterströmen I_E2 und I_E3 erfüllt ist, wird Gleichung (6) in Gleichung (5) eingesetzt, um die folgende Gleichung abzuleiten:

Eine Bedingung, damit Gleichung (7) unabhängig vom Wert des Emitterstromes I_E2 immer erfüllt ist, ist, daß der Exponentialfunktions-Bereich und der Funktionsbereich erster Ordnung immer 0 (Null) sind. Daher gilt bei

R_2a = gR_3a, (8)

g = R_2a/R_3a. (9)

Ferner gilt bei

Aus Gleichungen (9) und (10) folgt, daß der Wert von g die folgende Gleichung erfüllen sollte, um einen Strom linear zu verstärken:

g = I_SP/I_SD + R_2a/R_3a (11)

Da I_SD und I_SP den Transistoren Q_2a und Q_3a eigene Werte sind, wenn die Spezifikationen der Transistoren Q_2a und Q_3a bestimmt sind, wird der Wert von g aus der Gleichung (11) abgeleitet, wodurch das Verhältnis der Widerstände R_2a, R_3a geklärt ist. Aus diesem Verhältnis werden während einer Periode ohne Signal die Kollektorströme I_C2, I_C3 ermittelt. Die jeweiligen Stromwerte und die Werte von m und g werden beispielsweise auf die folgende Weise festgelegt. I_B = 10 mA, I_B2 = 1 mA, I_B3 = 10 mA, mI_C2 = 11 mA, I_C2 = 29 mA, I_C3 = 690 mA, m = 11/29, g = (690+10)/(29+1).

Im folgenden ist ein Übertragungsleitwert G_m erläutert, der die Spannungs-Strom-Übersetzungscharakteristik des Leistungsverstärkers darstellt. Zunächst wird angenommen, daß in einem durch die Transistoren Q_1a, Q_2a und die Stromspiegelschaltung 1 gebildeten Bereich eine einzelne Spannung am Eingangseinschluß IN Vin ist und eine einzelne Spannung am Ausgangsanschluß OUT, das heißt, eine an eine Last R_L angelegte Spannung, Vout ist, wobei dann die folgende Gleichung erfüllt ist:

Vin + V_BE1 + R_1aI_C1 - V_BE2 - R_2aI_C2 = Vout (12)

Bei dieser Gleichung (12) löschen sich V_BE1 und V_BE2 gegeneinander aus, weil, wie oben beschrieben, V_BE1 ≒ V_BE2 erfüllt ist. Wenn angenommen wird, daß der Kollektorstrom I_C1 von Transistor Q_1a gleich dessen Emitterstrom ist, gilt
I_C1 = (1+m)·I_B+I, wobei wechselnde Stromänderungsbereiche der Ströme I_C1, I_C2 gleich werden, weil (1+m)·I_B eine Konstante ist. Angenommen, daß der wechselnde Stromänderungsbereich durch ΔI_C wiedergegeben wird, wird die folgende Gleichung von Gleichung (12) abgeleitet:

Vin - Vout = (R_2a - R_1a) ΔI_C (13)

Der Übertragungsleitwert G, der einen günstigen Grad der Verstärkungscharakteristik eines Leistungsverstärkers darstellt, entspricht einem Verhältnis der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannungen zum wechselnden Stromänderungsbereich, so daß der Übertragungsleitwert G_m1 in diesem Bereich durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird:

G_m1 = ΔI_C/(Vin-Vout) = 1/(R_2a-R_21a) (14)

Anders gesagt, ein nichtlinearer Bereich auf Grund der (V_BE-I_C)-Charakteristik eines Transistors wird ausgelöscht, und der Übertragungsleitwert wird nur durch einen Emitterwiderstand bestimmt. Zusätzlich zu I_C2 wird ferner der dem Strom I_C2 proportionale Strom I_C3 (g mal so groß) der Last R_L über den Transistor Q_3a zugeführt, so daß der Übertragungsleitwert G_m1 mit (1+g) multipliziert wird. Da der Leistungsverstärker einen einpolig geerdeten oder Gegentakt-Aufbau aufweist, wird ferner der Übertragungsleitwert G_m1 nochmals verdoppelt, wenn er in Klasse A betrieben wird, wobei der Übertragungsleitwert G_m für die gesamte Schaltung gegeben ist durch

G_m = 2(1 + g)/(R_2a - R_1a) (15)

Da dieser Übertragungsleitwert G_m keinen Term aufweist, der eine Nichtlinearität umfaßt, kann die Leistungsverstärkung mit einer linearen Charakteristik durchgeführt werden.

Daraus folgt, daß ein Spannungsverstärkungsfaktor des erfindungsgemäßen Leistungsverstärkers gegeben ist durch

Av = G_mR_L/(1 + G_mR_L) (16)

Da der Übertragungsleitwert G_m groß ist, ist die Spannungsverstärkung Av ungefähr 1. Angenommen, daß das Wechselstrom-Verstärkungsverhältnis der Transistoren Q_1a, Q_1b, Q_2a und Q_2b h_fa ist, ist andererseits ein Stromverstärkungsfaktor Ai gegeben durch

Ai = 2(1 + g)h_fa (17)

Dabei sei bemerkt, daß dieser Stromverstärkungsfaktor Ai für einen Betrieb bei Klasse A gilt, und daß er sich bei einem Betrieb in Klasse B um die Hälfte vermindert.

Ferner sind bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Slave- Anschlüsse S der Stromspiegelschaltungen 1 und 2, das heißt, die Emitterausgänge der ersten Transistoren direkt mit den Basen der entsprechenden zweiten und dritten Transistoren verbunden. Diese Verbindung kann alternativ über einen Widerstand zu den Basen der Transistoren gezogen werden. Um ein höheres Ausgangssignal vorzusehen, können auch mehrere dritte Transistoren und Emitterwiderstände parallel angeschlossen werden.

Obwohl beim beschriebenen Ausführungsbeispiel der Leistungsverstärker als eine SEPP (Eintakt-Gegentakt)-artige Verstärkerschaltung ausgebildet ist, kann die Erfindung auch in Form einer Einzelverstärkerschaltung ausgebildet sein. Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, wenn die Erfindung als eine solche Einzelverstärkerschaltung ausgebildet ist.

Bei dem Leistungsverstärker von Fig. 3 liegt der Kollektor eines ersten Transistors Q₁₁, dessen Basis mit einem Eingangsanschluß IN verbunden ist, auf Masse. Der Emitter des Transistors Q₁₁ ist mit einem Slave-Anschluß S einer Stromspiegelschaltung 4 und mit den Basen eines zweiten und eines dritten Transistors Q₁₂ bzw. Q₁₃ verbunden. Die Stromspiegelschaltung 4 ist ähnlich wie die Stromspiegelschaltung 1 des in Fig. 2 gezeigten Verstärkers aufgebaut. Der Kollektor des zweiten Transistors Q₁₂ ist mit einem Master-Anschluß M der Stromspiegelschaltung 4 verbunden. Der Kollektor des dritten Transistors Q₁₃ ist mit einer Leistungsquelle +B verbunden, und der Emitter ist zusammen mit dem Emitter des zweiten Transistors Q₁₂ mit einem Ausgangsanschluß OUT verbunden.

Bei diesem oben beschriebenen Einzel-Leistungsverstärker fließt ein Kollektorstrom von Transistor Q₁₂ gegen Masse, und ein Emitterstrom von Transistor Q₁₂ fließt durch den Ausgangsanschluß OUT in Übereinstimmung mit einem Emitterspannungspegel von Transistor Q₁₁ in eine Last R_L. In Übereinstimmung mit einer Basis- Emitter-Spannung des Transistors Q₁₂ fließt ein Emitterstrom von Transistor Q₁₃ in die Last R_L. Da der spezifische Betrieb dieses Leistungsverstärkers im wesentlichen ähnlich dem des SEPP-Verstärkers von Fig. 2 ist, kann auf eine weitere detaillierte Beschreibung verzichtet werden.

Erfindungsgemäß löschen sich also nichtlineare Abschnitte der Transistorkennlinien gegenseitig aus, wodurch ein Leistungsverstärker mit guter Linearität geschaffen wird. Da das verstärkte Ausgangssignal eines an der Basis des ersten Transistors anliegenden Signals von den Emittern der zweiten und dritten Transistoren abgenommen wird, kann mit einem einfacheren Aufbau als bei herkömmlichen Leistungsverstärkern eine Last mit einem stabilen Strom gespeist werden.

Claims

1. Leistungsverstärker mit
einem ersten Transistor (Q_{1a, b}), der an seiner Basis ein Eingangssignal empfängt,
einem zweiten Transistor (Q_{2a, b}) mit bezüglich der Leitfähigkeitsart des ersten Transistors (Q_{1a, b}) umgekehrter Leitfähigkeitsart, dessen Basis so angeschlossen ist, daß sie das Ausgangssignal vom ersten Transistor (Q_{1a, b}) empfängt,
einer Stromversorgungsvorrichtung (1) zum Versorgen des Emitters des ersten Transistors (Q_{1a, b}) mit einem zum Kollektorstrom des zweiten Transistors (Q_{2a, b}) proportionalen Strom und
einer Ausgabevorrichtung (Q_{3a, b}, R_{3a, b}) zum Erzeugen eines Ausgangssignals nach Maßgabe eines vom Emitter des zweiten Transistors (Q_{2a, b}) ausgegebenen Stromes, wobei die Ausgabevorrichtung (Q_{3a, b}, R_{3a, b}) einen dritten Transistor (Q_{3a, b}) zum Ausgeben eines Emitterstromes nach Maßgabe einer Basis-Emitter-Spannung des zweiten Transistors (Q_{2a, b}) aufweist, und
wobei die Summe der Emitterströme des zweiten und des dritten Transistors (Q_{2a, b}; Q_{3a, b}) den Ausgangsstrom des Leistungsverstärkers bildet.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungsvorrichtung eine Stromspiegelschaltung (1) aufweist.

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor eine Vielzahl parallel angeschlossener Transistoren umfaßt.

4. Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der zweite Transistor oder der dritte Transistor mindestens einen Basiswiderstand oder einen Emitterwiderstand aufweist.

5. Leistungsverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, der durch eine komplementäre Schaltung gebildet ist, welche im Gegentakt-Betrieb arbeitet.