Serien-Gegentaktverstärker im B-Betrieb

Der Serien-Gegentaktverstärker arbeitet mit zwei Transistoren, die zur Betriebsspannung gesehen in Reihe geschaltet sind. Bei Transistoren mit gleichem Leitungstyp, beispielsweise 2x NPN, müssen sie gegenphasig vom Eingangssignal angesteuert werden. Die Treiberstufe kann die beim Parallel-Gegentaktverstärker gezeigte Split-Load-Schaltung sein.

Meistens wird die Endstufe mit komplementären Transistoren, je einem NPN- und PNP-Typ, aufgebaut. Sie benötigen eine gleichphasige Ansteuerung. Diese Schaltungsvariante hat den Vorteil, dass beide Transistoren in der gleichen Grundschaltung arbeiten. Wird die Leistungsendstufe als Kollektorschaltung betrieben, so ist ihr Stufenausgangswiderstand besonders niedrig. Diese Serien-Gegentaktverstärker steuern in Audioendstufen die angeschlossenen Lautsprecher direkt an. Jeder Endstufentransistor benötigt eine eigene Gleichspannungsversorgung. Beide Betriebsspannungen bilden eine Reihenschaltung. Die Gesamtschaltung gleicht einer abgeglichenen Brückenschaltung, bei der die Last im Brückenzweig liegt.

Prinzipschaltungen von Serien-Gegentaktstufen

Im B-Betrieb kann die Steuerstrecke der Basis-Emitterdiode, wie oben gezeigt, gesperrt sein. Die Basis erhält wegen des fehlenden Basisspannungsteilers keine Vorspannung. In den meisten Fällen wird durch eine geringe Vorspannung der Arbeitspunkt an den unteren Beginn des Knicks der Eingangskennlinie gelegt. Die Basis-Emitterspannung für Si-Halbleiter wird auf rund 0,3 ... 0,4 Volt eingestellt. Somit fließt nur ein sehr geringer Basisgleichstrom und die auftretende Verlustleistung des Gegentaktverstärkers bleibt vernachlässigbar klein.

Eine am Eingang anliegende Signalwechselspannung steuert die Transistoren nun abwechselnd in den leitenden Zustand und am Lastwiderstand entsteht ein kontinuierliches Ausgangssignal. Die Gleichspannungsquellen werden abwechselnd belastet. Am Lastwiderstand ist nur die Signalspannung vorhanden. Ein Auskoppelkondensator zur galvanischen Trennung der Last wird nicht benötigt. Die Verstärkerstufe weist eine sehr niedrige untere Grenzfrequenz auf.

Die Amplitude der Ausgangsspannung kann in beiden Richtungen die Höhe der Betriebsspannung abzüglich der der Sättigungsspannung der Kollektor-Emitterstrecke erreichen. Der Wert des Lastwiderstands kann beliebig groß sein. Da die Endstufe keine weiteren Begrenzungswiderstände hat, bestimmt der maximal erlaubte Kollektorstrom den Wert des kleinstmöglichen Lastwiderstands.

Formel der Maximalleistung
ist die maximale Signalleistung, bei gleich großen
Versorgungsspannungen: U1 + U2 = U

Wie beim Parallel-Gegentaktverstärker ist die Ausgangsleistung des Serien-Gegentaktverstärkers von der Höhe der Betriebsspannung und vom Lastwiderstand abhängig. Der theoretische Wirkungsgrad ist mit 78,5% der gleiche. In der Praxis lassen sich rund 70% erreichen. Die Übernahmeverzerrungen im Nulldurchgang sind bei großen Eingangssignalen weniger störend, jedoch ist der Klirrfaktor für kleine Signale hoch.

In einer Simulationsschaltung wurde für den Class-B Seriengegentaktverstärker der Gesamtklirrfaktor für unterschiedliche Ansteuerungen gemessen. Die Betriebsspannung betrug 44 Volt. Als Eingangssignal wurden 1 kHz Sinusspannungen mit den Spitzenwerten 5, 10 und 20 Volt gewählt. In der ersten Messreihe betrug die Basis-Emitterspannung 0 Volt. Im zweiten Fall wurde der Arbeitspunkt mit 400 mV an den Beginn der Diodenleitfähigkeit gelegt.

ΔUBE = 0 V ΔUBE = 400 mV
uein [V] TDH / K [%]
5 10 4
10 5 2,1
20 2,5 1,2
Class-B mit THD-Fourieranalyse

Im Diagramm ist das Ergebnis des ungünstigsten Falls dargestellt. Die Fourieranalyse des Ausgangssignals zeigt, dass hier nur ungeradzahlige Harmonische für den Klirrfaktor verantwortlich sind. Insgesamt erzeugt der Class-B Verstärker besonders bei kleinen Ansteueramplituden nicht zu tolerierende Klirrfaktoren. Das ungeschulte Gehör kann bei einem Sinuston im direkten Vergleich einen Klirrfaktor von 1% feststellen. Das gilt besonders beim Auftreten ungeradzahliger Oberwellen.

Ein Gegentaktverstärker im B-Betrieb, ein Class-B Verstärker, verfügt über folgende charakteristische Eigenschaften:

  • Er eignet sich als Endverstärker mit großer Signalleistung und hohem Wirkungsgrad.
  • Bei Großsignalansteuerung bleibt der Klirrfaktor vertretbar niedrig.
  • Bei symmetrischer Betriebsspannung ist der Ausgang gleichspannungsfrei.
    Ein Auskoppelkondensator wird nicht benötigt.
    Es besteht keine Beeinflussung der unteren Grenzfrequenz.
  • Wegen großer Übernahmeverzerrungen im Signalnulldurchgang ist er zur Ansteuerung
    mit kleinen Signalamplituden nicht geeignet, da das zu großen Klirrfaktoren führt.