DE2702536A1

DE2702536A1 - Ab-verstaerker mit konstantem stromverbrauch

Info

Publication number: DE2702536A1
Application number: DE19772702536
Authority: DE
Inventors: Pietro Menniti; Bruno Murari
Original assignee: ATES Componenti Elettronici SpA
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1976-01-22
Filing date: 1977-01-21
Publication date: 1977-07-28
Also published as: DE2702536C3; SE412497B; FR2339285B1; JPS52109850A; SE7700465L; GB1564364A; US4072908A; DE2702536B2; FR2339285A1; IT1054452B

Description

Priorität: 22. Januar 1976; Italien; Nr. 19468 A/76

Die Erfindung betrifft Tonverstärker und insbesondere eine Schaltung mit konstantem Stromverbrauch mit einem AB-Verstärker.

Die Wirkungsmerkmale der A-, B- und AB-Verstärker sowie die Vorteile und Nachteile, die ihre Verwendung mit sich bringen, sind bekannt. Insbesondere bei der Verwendung von Tqnverstärkern,für welche eine beträchtliche Ausgangsleistung vorgesehen werden muß, besteht die Neigung, zumindest die Endstufe des Verstärkers in der Klasse B oder in der Klasse AB zu betreiben. Dieses Verwendungskriterium beruht auf der Erwägung, daß die B- und AB-Verstärker gegenüber den Α-Verstärkern einen er-

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höhten Wirkungsgrad haben, so daß grössere Ausgangssignale aus eher kleinen Verstärkerelementen erzielt werden künnen. Die Bedeutung dieses Vorteils macht sich besonders bei der Verwendung von Tonverstärkern in integrierten Schaltungen bemerkbar.

Die Verwendung von B- oder AB-Verstärkern in Geräten mit verschiedenen Schaltungsteilen, welche der Wirtschaftlichkeit halber oder aus anderen Gründen von der gleichen Gleichstromquelle gespeist werden sollen, bringt nianciimal Nachteile mit sich. In der Tat haben solche Arten von Verstärkern aufgrund ihrer Beschaffenheit einen Stromverbrauch, der sich mit dem ihnen zugeführten Signal verändert, weshalb ihre Wirkungsweise störende Wirkungen auf ihre Schaltungsteile, die von der gemeinsamen Quelle gespeist werden, haben. Die naheliegendste, jedoch nicht wirtschaftlichste Lösung zur Überwindung dieses Nachteils besteht darin, eine gesonderte Speisung für die B- oder AB-Verstärker vorzusehen. Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, eine Schaltung zu entwickeln, welche bei Speisung von der Gleichstromquelle in Parallelschaltung zu dem B- oder AB-Verstärker eine Strommenge verbraucht, welche mit der jedesmal vom Verstärker verbrauchten summiert, einen konstanten Stromverbrauch ergibt. Eine solche Lösung bedingt jedoch die Verwendung mindestens einer Leistungskomponente zusätzlich zu denjenigen aes Verstärkers, die den überschüssigen Strom aufnehmen kann und den mit ihm verbundenen Wärnieenergieverbrauch möglich macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung mit einem AB-Verstärker zu entwickeln, der eine konstante Strommenge verbraucht und keine zusätzlichen Leistungskoniponenten zu denjenigen des Verstärkers erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine verbesserte

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Schaltung gelöst, die eine Betriebsstromquelle besitzt, ferner einen AB-Verstärker mit einer Vorstufe, die mit einer Tonsignalquelle verbunden ist, eine Endstufe, die mit einem Verbraucher des Verstärkten Signals verbunden ist, und ein Polarisationselement, welches den Ruhestrom der Endstufe bestimmt. Im Besonderen unterscheidet sich die erfindungsgemäße Schaltung dadurch, daß ein erster Schaltungsteil vorgesehen ist, der dazu üient, die Komponente zu bestimmen, welche durch das Signal des Stromanteils der Endstufe bedingt ist, und ein zweiter Schaltungsteil, der auf die Veränderung des festgestellten Stroms anspricht und auf das Polarisationselement so einwirkt, daß der Ruhestrom der Endstufe sich in einem Sinn verändert, der umgekehrt zur Veränderung der festgestellten Komponente ist, und in dem Maße, daß in der Endstufe immer ein im wesentlichen konstanter Strom fließt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnunyen näher beschrieben, in welchen Fig. 1 und 2 zwei Ausführungsformen der Erfindung darstellen.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung bildet einen integrierten Schaltungsteil H, der mit gestrichelten Linien eingeschlossen ist und fünf Anschlüsse B, D, E, F und M aufweist, die zur Verbindung mit äusseren Komponenten oder Schaltungsteilen bestimmt sind. Die Anschlüsse D und M sind mit dem Pol F_c und mit dem negativen Pol, der durch das Symbol der Masse dargestellt ist, mit einer Gleichstrom-Betriebsstromquelle (nicht dargestellt) verbunden. Zwei pnp-Transistoren T₁ und T sind mit ihren Lmittern gemeinsam mit einem Anschluß einer Konstantstromquelle G^ verbunden, deren anderer Anschluß mit dein positiven Pol V_g verbunden ist. Der Kollektor von

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T, liegt direkt an Masse, während der Kollektor von T₁ aber eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R^ und einer Kollektor-Emitter-Strecke eines npn-Transistors T₁ an Masse liegt, dessen Basis mit dem Anschluß I·' verbunden ist. Zwischen den Kollektor von Ί' und den positiven Pol V ist eine Konstantstromquelle G-geschaltet. Die Basis von T₁, die einen Eingang der üifferentialschaltung bildet und mit A bezeichnet ist, ist mit dem Pol V„ der Signalquelle über eine Zenerdiode D verbunden. Die Basis von T_># welche den zweiten

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Eingang der Differentialschaltung bildet, ist mit dem Anschluß B verbunden. Zwischen dem letztgenannten Anschluß und der Masse sind in Reihenschaltung zueinander die Kollektor-Emitter-Strecken von zwei komplementären Transistoren T₃ und T- geschaltet, welche die Endstufe in Gegenphase eines Leistungsverstärkers bilden. Die beiden Transistoren T₃ und T·, die vom npn- bzw. pnp-Typ sind, sind an ihrem Emitter gemeinsam mit dem Ausgancjsanschluß E des Verstärkers verbunden und die Basiselektroden mit den Kollektoren der Transistoren T₁ und T,, d.h. mit den Anschlüssen des Widerstandes R-,.

Ausserhalb der integrierten Schaltung H ist zwischen die Anschlüsse B und D ein Widerstand R₁ geschaltet und zwischen dem Anschluß B und der Masse ein Kondensator C₁. Ausserdem ist zwischen dem Anschluß E und der Masse eine Last R₁. in Reihenschaltung mit einem Kondensator C₁ ejeschaltet.

Wie ersichtlich, besitzt die beschriebene Schaltung einen AB-Verstärker mit einer Vorstufe, die durch den Transistor T^ gebildet wird, und einer Endstufe, welche durch üie Transistoren T₃ und T gebildet wird. Die Basis des Transistors T₁- nimmt am Anschluß F ein zu verstärkendes Signal auf, das von einer Tonsignalquelle (nicht dargestellt)

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stammt,und die Emitter der Transistoren T, und T₄ liefern an die Last R_T über den Anschluß E das verstärkte

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Signal. Der Widerstand R₃ wird von einem von der Quelle G₁ über den Transistor T₁ und die Quelle G stammenden Strom durchflossen. An den Anschlüssen dieses Widerstandes wird ein Spannungsabfall erhalten, der dazu dient, den Basiselektroden der Endstufentransistoren T.. und T₄ eine Durchlaßvorspannung zu geben und damit den Ruhestrom der Endstufe zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird durch die dargestellte Schaltung eine Regelung des Ruhestroms in Abhängigkeit von dem Mittelwert der Komponente erhalten, die durch das Signal des Stroms bedingt ist, der durch die Endstufe fließt. Im Besonderen wird diese Regelung durch die Differentialschaltung mit den Transistoren T- und T^ erhalten. Der Eingang A dieser Schaltung wird auf einer durch die Zenerdiode D„ festgelegte Bezugsspannung gehalten. Die an den anderen Eingangsanschluß der Differentialschaltung (mit B bezeichnet) gelegte Spannung wird ausser durch den Wert des Widerstandes R₁ durch den Leitungszustand der Endstufentransistoren T₃ und T₄ bestimmt, d.h. durch den Strom, der sie durchfließt.

Ls sei zunächst die Wirkungsweise der Schaltung unter statischen Bedingungen, d.h. verbunden mit der Betriebsstromquelle und ohne Eingangssignale, untersucht. Der von der Signalquelle G₁ abgegebene Strom wird zwischen den beiden Zweigen der Differentialschaltung in einem Maße aufgeteilt, die von der Zündspannung der Zenerdiode D„ und von dem Wert des Widerstandes R₁ abhängt. Die Schaltungsparameter werden so gewählt, daß beim Fehlen eines Signals der grössere Teil des von der Differentialschaltung aufgenommenen Stroms über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T₁ läuft,

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so daß der Spannungsabfall über R-, maximal wird und derart, daß er den Höchstwert des Ruhestroms in der Endstufe bestimmt.

Es sei nun die Wirkungsweise der Schaltung betrachtet, wenn dem Eingangsanschluß F ein Tonsignal zugeführt wird. Dieses Signal wird von der Vorstufe auf die Endstufe übertragen und von dieser über den Kondensator C_n auf die Last R,. In den Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren T-. und T. fließt ein Strom, dessen Größe durch die Summe von zwei Komponenten bestimmt wird, nämlich durch den Ruhestrom und den Mittelwert des durch das Signal bedingten Stroms, der durch den Integrator erhalten wird, welcher durch den Widerstand R₁ una den Kondensator C₁ gebildet wird. Es läßt sich leicht darlegen, daß die Summe der Ströme für irgendein beliebiges Eingangssignal im wesentlichen konstant ist und gerade sein Wert ist immer gleich demjenigen des Ruhestroms beim Fehlen eines Signals. Mit anderen Worten, der Ruhestrom, der die durch die Polarisation der Endstufentransistoren bedingte Komponente ist, nimmt mit zunehmendem Mittelwert der durch das Signal bedingten Komponente ab.

Wenn der Stromverbrauch der Endstufe konstant ist, ist natürlich, wenn der Basisstrom des Transistors T . vernachlässigt wird, die mittlere Spannung des Anschlusses B mit Bezug auf die Masse ebenfalls konstant. Zum Beweis dieser Behauptung sei angenommen, daß die Spannung des Anschlusses B die Neigung hat, zuzunehmen, üa am Anschluß A tier Differentialschaltung eine feste Spannung liegt, welche durch die Zenerdiode D_n, bestimmt wird, hat die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T aie Neigung, abzunehmen, was zur Folge hat, daß bei dem letztgenannten Transistor die Neigung besteht, einen ge-

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ringeren Stromanteil aufzunehmen. Wegen eier Konstant-

stromquelle G₁ müßte der Transistor 'i' dann einen ijiösseren Stronianteil aufnehmen. Dies würde zu einer Zunahme des Spannungsabfalls an den Anschlüssen des Widerstandes R-. führen und damit zu einer Erhöhung der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T₃ und T₄ und damit zu einem höheren Stromverbrauch durch die letzteren. Wenn jedoch der durch die Transistoren der Endstufe fliessende Strom die Neigung hat, zuzunehmen, hat die Spannung des Anschlusses B das Bestreben, abzunehmen im Gegensatz zu der angenommenen Spannungserhöhung. Ein umgekehrtes Verhalten wird im Falle einer Verringerung der Spannung am Anschluß B erhalten, woraus sich schließen läßt, daß die Spannung an diesem Anschluß und damit der Stromverbrauch der Endstufe die Neigung haben, konstant zu bleiben.

Wie erwähnt, wird die Komponente des durch die Transistoren T₃ und T. fliessenden Stroms, die sich zu dem Ruhestrom summiert, durch den Mittelwert des Stroms gebildet, der durch das verstärkte Signal bedingt ist, welches durch die Integrationswirkung des Widerstandes R₁ und des Kondensators C₁ erhalten wird. Eine solche Schaltungsanordnung wird bekanntlich vorgesehen, um die Schaltung für einen Stromanteil bemessen zu können, der etwas höher als der Mittelwert des Verbrauchs des Verstärkers ist, um den maximalen Wirkungsgrad mit den verwendeten Komponenten zu behalten, was jedoch für die Zwecke der Erfindung nicht unerläßlich ist. Die Schaltung konnte in der Tat eher für den maximalen Wert als für den Mittelwert des Stroms der Endstufe bemessen werden, da noch immer das Ergebnis eines konstanten Stromverbrauchs erzielt wird.

Mit der vorangehend beschriebenen Schaltung wurde das

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Ziel uer Erfindung insofern erreicht, als die Größe des den AB-Verstärker speisenden Gleichstroms unabhängig von der Ausgangsleistung des Verstärkers scLbst praktisch konstant gehalten wird, ohne die Verwendung von Leistungskomponenten zusätzlich zu denjenigen des Verstärkers für den übermässigen Leistungsverbrauch während des Betriebs. Zu diesem Zweck werden in der Tat die gleichen Leistungsverstärkerelemente verwendet. Die erfindungsgemäße Schaltung hat daher einen geringen Raumbedarf und eignet sich gut zur Verwendung in der üblichen Integrationstechnik. Ausserdem ergeben sich durch die erfindunysgemäße Schaltung geringere Kosten gegenüber den bekannten Schaltungskombinationen mit ähnlichen Funktionen.

In Fig. 2 ist eine gegenüber der in Fig. 1 gezeigten abgeänderte erfindungsgemäße Schaltung dargestellt. Bei dieser geschieht die Vorspannung der Endstufentransistoren T-. und T durch zwei in Reihe geschaltete Dioden D and D,, uie anstelle des Widerstandes R., in Fig. 1 vorgesehen sind, und eines Widerstandes R., der zwischen den Kniitter von T₁ und die Anode von D^ geschaltet ist. Die Dioden, welche Qurch Übergänge der gleichen Art wie die Basisemitterübergänge der Transistoren T~ und T. gebildet werden, haben die an sich bekannte Funktion, die Veränderungen zu kompensieren, die durch die Temperatur der Spannungen an äer Basisemitterstrecke (V„_F) dieser Transistoren bedingt sind. Bei dieser Schaltung wird die Betriebsspannung V₁. an die Quelle G₂ über einen Anschluß N der integrierten bchaltung gelegt und kann über den Arm S eines Schalters an uen Anschluß D oder an den Anschluß B der integrierten Schaltung gelegt werden. An dem Anschluß B liegt die Spannung V_r auch über den Widerstand R₁, wie bei der Schaltung nach Fig. 1. Solche Anordnungen ermöglichen eine doppelte Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung. In der Tat ist, wenn der Schaltarm des Umschalters die Verbindung

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mit dem Anschluß D (Stellung I) schließt, die Wirkungsweise der Schaltung im wesentlichen gleich der, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. In uer anderen Stellung des Umschalters, die mit II bezeichnet ist, ist der Widerstand R^ kurzgeschlossen und wird tier Schaltungsteil, der in Fig. 2 durch strichpunktierte Linien begrenzt ist und die Differentialschaltung enthält, nicht gespeist. Die Schaltung arbeitet nun wie ein normaler AB-Verstärker mit einem geringen Ruhestrom, der durch den Spannungsabfall über die Dioden D₁ und D, bestimmt wird. In diesem Falle ist natürlich der Spannungsabfall über den Widerstand R. vernachlässigbar, da er nur durch den Basisstrom von T₃ bedingt ist.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die dargestellten und beschriebenen zwei Ausführungsformen beschränkt, und kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.

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Claims

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Schaltung mit einer Betriebsstromquelle, einem AB-Verstärker mit einer Vorstufe, die mit einer Quelle zu verstärkender Tonsignale verbunden ist, einer Endstufe, die mit einem Verbraucher des verstärkten Signals verbunden ist, und einem Polarisationselement, welches den Ruhestrom der Endstufe bestimmt, gekennzeichnet durch einen ersten Schaltungsteil zur Bestimmung der Komponente, die durch das Signal des Stromanteils der Endstufe bedingt ist, und einen zweiten Schaltungsteil, der auf die Veränderung der festgestellten Komponente anspricht und dazu dient, auf das Polarisationselement in der Weise einzuwirken, daß der Ruhestrom aer Endstufe sich umgekehrt zur Veränderung der festgestellten Komponente und in einem solchen Maße verändert, daß in der Endstufe immer ein im wesentlichen konstanter Strom fließt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltungsteil ein erstes Widerstandselement aufweist, das zwischen einem ersten Anschluß der Eetriebsstromquelle und der Endstufe geschaltet ist, und einen zweiten Schaltungsteil mit einer Quelle konstanter Spannung und einer Differentialschaltung, ceren erster Eingangsanschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen eiern ersten Widerstandselement und der Endstufe verbunden ist, und einem zweiten Eingangsanschluß,

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der mit uer Quelle konstanter Spannung unu einem Ausgangsanschluß verbunden ist, der mit dem Polarisationselement verbunden ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Anschluß der Betriebsstromquelle unu dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Widerstandselement und der Endstufe ein kapazitives Element geschaltet ist.

Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationselement durch ein Widerstandselement gebildet wird, das mit einer oder mehreren unipolar leitenden Vorrichtungen verbunden ist, uie Übergänge gleicher Art wie die Basisemitterüberijange der Transistoren der Endstufe aufweisen und mit einer Konstantstromquelle in der Weise verbunden sind, daß sie in Durchlaßrichtung vorgespannt weraen.

Schaltung nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter zum Kurzschließen des ersten Schaltungsteils und Entaktivieren des zweiten Schaltungsteils vorgesehen ist.

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