Serien-Gegentaktverstärker im AB-Betrieb

Leistungs- und Endverstärker sollten über eine hohe Signalleistung bei großem Wirkungsgrad verfügen. Das Eingangssignal muss proportional linear verstärkt werden, damit das Ausgangssignal möglichst frei von nichtlinearen Verzerrungen ist. Die erste Forderung wird vom Class-A Verstärker nicht erfüllt. Die Verlustleistung ist mit 50% viel zu hoch. Der im praktischen Betrieb erzielbare Wirkungsgrad liegt bei nur 35%. Das zweite Kriterium wird dagegen sehr gut erfüllt, da der Arbeitsbereich auf den linearen Abschnitt der Kennlinie beschränkt ist.

Ein Verstärker im B-Betrieb verhält sich entgegengesetzt. Im praktischen Betrieb kann ein Wirkungsgrad von 70% erreicht werden. Der Klirrfaktor des Ausgangssignals ist nur bei großen Eingangssignalen akzeptabel. Kleine Eingangsamplituden steuern den stark gekrümmten Bereich der Eingangskennlinie an. Es entstehen große Übernahmeverzerrungen mit hohen Klirrfaktoren.

Ein Verstärker im AB-Betrieb verfügt über die geforderten positiven Eigenschaften und unterdrückt die negativen Begleiterscheinungen. Die Endstufentransistoren werden mit einer Vorspannung für die Basis-Emitterdiode geringfügig leitend gesteuert. Das verschiebt den Arbeitspunkt aus dem B-Betrieb etwas in Richtung des A-Betriebs, sodass er am Krümmungsauslauf der Steuerkennlinie liegt. Über beide Endstufentransistoren gesehen entsteht eine gemeinsame lineare Steuerkennlinie. Ohne Signalansteuerung fließt ein Kollektorruhestrom von wenigen Milliampere. Mit dem Class-B Verstärker verglichen ist die Verlustleistung gestiegen, bleibt aber gegenüber dem Class-A Verstärker vernachlässigbar klein. Der praktische Wirkungsgrad liegt weiterhin bei 70%.

Steuerkennlinie beim AB-Betrieb
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Die Vorspannungserzeugung und Ruhestromeinstellung

Zur Linearisierung der Aussteuerkennlinie reichen 600 mV Vorspannung an der Basis-Emitterdiode jedes Endstufentransistors aus. Da das die Diffusions- oder Durchlassspannung der Si-Halbleiter ist, lässt sich diese Vorspannung am einfachsten durch eine leitende, zur jeweiligen Basis-Emitterstrecke parallel geschaltete Diode erzeugen. Die Dioden erhalten ihren Strom aus der Betriebsspannung über einen entsprechend dimensionierten Vorwiderstand R1 und R2.
Vorspannungs- und Ruhestromgewinnung

Über die beiden Vorwiderstände R1 und R2 der Dioden fließt der Basisstrom der Endstufentransistoren. Sie benötigen zur Vollaussteuerung relativ hohe Basisströme. Die Widerstände müssen folglich niederohmig sein, wodurch sie die Signalquelle mit uein erheblich belasten, wie es das folgende Rechenbeispiel zeigt.

Die Betriebsspannung jedes Endstufentransistors soll 22 Volt betragen. Die Signalamplitude soll bei Vollaussteuerung 20 V erreichen. An der Basis stellt sich dann eine Spannung von 20,6 V ein. Am Diodenvorwiderstand bleibt die Spannungsdifferenz von 1,4 V. Hat der Transistor eine Basisstromverstärkung von 300, so benötigt er für einen maximalen Kollektorstrom von 1 A einen Basisstrom mit 3,3 mA. Der Wert des Vorwiderstands errechnet sich zu 425 Ω.

In qualitativ besseren Schaltungen werden die Dioden über eigene Konstantstromquellen betrieben. Der konstante Gleichstrom ist so zu berechnen, dass er den maximalen Basisstrom der Endstufe bei Volllast liefern kann. Die Z-Dioden stabilisieren diesen Strom, da sie ihren Transistoren eine definierte konstante Basis-Emitterspannung aufprägen. Der Ausgangswiderstand der Konstantstromquelle ist um den Stromverstärkungsfaktor hochohmiger, folglich wird die Signalquelle weniger belastet.

Halbleiter gehören zu den Heißleitern, daher nimmt mit zunehmender Erwärmung ihr Widerstand ab und der Stromfluss zu. Ohne Vorsichtsmaßnahmen könnten sich die Endstufentransistoren im Betriebsfall durch fortgesetzte Eigenerwärmung letztlich zerstören. Sind die Dioden der Vorspannungserzeugung zum direkten Wärmekontakt zu den Endtransistoren auf deren Kühlkörper montiert, wirken sie dem temperaturbedingten Anstieg des Kollektorstroms entgegen. Das Temperaturverhalten der Dioden entspricht dem der Transistoren. Bei Erwärmung wird die Diode niederohmig und die Spannung an ihr verringert sich. Da ihre Spannung gleich der Basis-Emitterspannung des Transistors ist, wird dieser weniger leitend. Es ist ein Regelkreis zur Arbeitspunktstabilisierung für den Transistor entstanden.

Ruhestromgewinnung
Die Vorspannung kann auch von der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors bereitgestellt werden. Der Transistor arbeitet als Spannungsquelle und wird aus den zuvor beschriebenen Gründen mit auf den Kühlkörper der Endtransistoren montiert. Meistens wird der Treibertransistor, der für die Spannungsverstärkung der Endstufe verantwortlich ist, mit einbezogen.

Mit dem Poti wird die Basis-Emitterspannung so eingestellt, dass sich zwischen Kollektor und Emitter die notwendige Vorspannung der Endstufentransistoren von rund 1,2 V ergibt. Der Transistor ist als Konstantspannungsquelle sehr niederohmig. Es kommt daher zu keinem nennenswerten Signalspannungsverlust und die Endtransistoren werden weiterhin symmetrisch angesteuert.

 

Eine Gegentaktendstufe, die mit Darlingtontransistoren aufgebaut ist, benötigt eine Vorspannung, die der Summe aller Basis-Emitterstrecken der Endtransistoren entspricht. Dazu sind vier Dioden in Reihe oder eine Transistorkonstantspannungsquelle mit rund 2,4 V zwischen den Basisanschlüssen notwendig, um den Arbeitspunkt für den AB-Betrieb festzulegen.

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Arbeitspunktstabilisierung durch Stromgegenkopplung

Ruhestrom und Stromgegenkopplung
Als Stabilisierungsmaßnahme durch Stromgegenkopplung wird in jeden Emitterstromkreis der Endtransistoren ein (0,1 ... 1) Ω Emitterwiderstand geschaltet. Bei Temperaturerhöhung nehmen der Emitterstrom und die Spannung an den Emitterwiderständen zu. Bei konstanter Basisspannung nimmt dadurch die Basis-Emitterspannung ab und der Transistor leitet weniger.

Mit dem Lastwiderstand bildet der Emitterwiderstand eine Reihenschaltung. Er muss für hohe Ströme berechnet sein, um bei der maximal möglichen Verlustleistung nicht durchzubrennen.

Am Emitterwiderstand wird Signalleistung umgesetzt, die am Lastwiderstand fehlt. Die zum Emitterwiderstand parallel geschaltete Diode begrenzt die mit größeren Signalströmen zunehmende Signalgegenkopplung. Die Signalspannung am Emitterwiderstand kann maximal 0,7 V erreichen und die erzielbare Ausgangsleistung wird größer.

Die Emitterwiderstände schützen die Endstufe auch vor zu hohen Strömen, die bei Volllaussteuerung mit hohen Frequenzen auftreten können. Bipolare Transistoren leiten, wenn genügend Ladungsträger in die Basiszone eindiffundiert sind. Zum vollständigen Sperren müssen diese Ladungsträger aus der Basiszone abfließen. Die Diffusionszeiten sind nicht gleich. Der Sperrvorgang verläuft langsamer, wobei der Emitterstrom eines Transistors zu groß werden kann. Dieser Vorgang erhöht die Spannung am Emitterwiderstand und vermindert die Basis-Emitterspannung des Transistors. Das unterstützt den Ladungsträgerabfluss aus der Basiszone und beschleunigt so den Sperrvorgang.

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Treiberstufe mit Bootstrap-Schaltung

Da die Gegentaktendstufe keine Spannungsverstärkung macht, muss diese von der ansteuernden Vorstufe bereitgestellt werden. Das kann bei einer hohen Betriebsspannung problematisch sein. Die Schaltung zur Vorspannungserzeugung wird deshalb durch einen Treibertransistor erweitert. Der Treiber arbeitet in Emitterschaltung und übernimmt einen Teil der Spannungsverstärkung. Wird der Diodenstrom zur Vorspannungserzeugung nicht von einer Konstantstromquelle, sondern über einen Vorwiderstand zugeführt, dann lässt sich die Endstufe unter Last mit dem Treiber nicht mehr symmetrisch aussteuern.
AB-Gegentaktstufe mit Treiberansteuerung
Der Arbeitspunkt des Treibers VTr wird so eingestellt, dass sich am Kollektor 0 Volt gegen Masse ergeben. Es fließt der Kollektorgleichstrom IC Tr. Bei Ansteuerung mit positiver Signalhalbwelle wird er leitend. Am Kollektor steht die invertierte verstärkte Eingangsspannung uein. Bei voll durchgesteuertem Treiber erreicht der negative Spitzenwert ungefähr uein≈−UBetr. Der Treibertransistor ist jetzt niederohmig und der untere Endstufentransistor erhält seinen hohen negativen Basissteuerstrom.

Mit negativer Signalhalbwelle wird der Treiber gesperrt und hochohmig. Hat das verstärkte Eingangssignal den positiven Spitzenwert erreicht, so ist der obere Endstufentransistor voll leitend und benötigt maximalen Basisstrom iB, der von +UBetr durch den Vorwiderstand R1 fließt. Die Amplitude des Ausgangssignals ist um den Betrag der am Widerstand auftretenden Spannung niedriger. Das Ausgangssignal wird unsymmetrisch.

Die Wahl eines kleineren Widerstandswerts für R1 wirkt dem entgegen, vergrößert jedoch den Kollektorstrom des Treibers und ist somit als Lösung ungeeignet. Soll der Vorwiderstand R1 nicht durch eine Konstantstromquelle ersetzt werden, so bietet sich eine Bootstrap-Schaltung als Lösung an. Dazu wird anstelle des Vorwiderstands eine Reihenschaltung von zwei meist gleichgroßen Widerständen eingebaut. Zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände und dem Endstufenausgang ist der Bootstrap-Kondensator geschaltet. Er darf für tiefe Signalfrequenzen keinen nennenswerten Widerstand haben und kann somit nur ein Elektrolytkondensator größerer Kapazität sein.

AB-Gegentaktstufe mit Bootstrap
Am Verbindungspunkt 1 ist die Gleichspannung messbar, auf die sich der Kondensator aufgeladen hat. Sie ist vom Ausgangssignal überlagert, sodass im positiven Signalmaximum eine um diesen Betrag höhere Spannung als +UBetr ansteht. Der Widerstand R12 bekommt damit die Eigenschaften einer Konstantstromquelle. Für den leitend gesteuerten oberen Endstufentransistor lässt sich für die Spannungen der Eingangs- und Ausgangsseite folgende Aussage machen:

uein + R12· I + R11· I = UBetr + uaus

auf den Verbindungspunkt 1 bezogen folgt

uein + R12· I = UBetr − R11· I + uaus

mit uaus ≈ uein

I ≈ UBetr / R11 + R12 =  konst

Der Strom I ist von der Signalansteuerung unabhängig und liefert ein symmetrisches Ausgangssignal.

Mobile, batteriebetriebene Geräte arbeiten oft nur mit einer Betriebsspannung. In der Schaltung wird die negative Spannungsquelle zur Masse und der Ausgang liegt dann auf der halben Betriebsspannung. Die Signalauskopplung kann nur noch über einen ausreichend groß dimensionierten Elektrolytkondensator erfolgen. Dieses Schaltungskonzept wird im Rahmen der ausführlichen Schaltungsanalyse eines 3W-Komplementärverstärkers beschrieben. Serien-Gegentaktverstärker mit gleichartigen Transistortypen in der Leistungsstufe werden im Kapitel der Quasikomplementär-Endstufe behandelt.