Informations- und Kommunikationstechnik

Class-AB Transistor-Serien-Gegentaktverstärker

Von Leistungs- und Endverstärker werden eine hohe Signalleistung und ein großer Wirkungsgrad erwartet. Das Eingangssignal sollte proportional linear verstärkt werden, um nichtlineare Verzerrungen und damit den Klirrfaktor vernachlässigbar klein zu halten. Die erste Forderung wird vom Class-A Verstärker nicht erfüllt, da seine Verlustleistung ist mit 50% viel zu hoch ist. Der im praktischen Betrieb erzielbare Wirkungsgrad der Signalverstärkung liegt bei nur 35%. Das zweite Kriterium wird sehr gut erfüllt, da der Arbeitsbereich auf den linearen Abschnitt der Kennlinie beschränkt ist.

Ein Class-B Verstärker verhält sich entgegengesetzt. Im praktischen Betrieb kann ein Wirkungsgrad von 70% erreicht werden. Der Klirrfaktor des Ausgangssignals ist nur bei großen Eingangssignalen akzeptabel. Die Kleinsignalverstärkung erfolgt im stark gekrümmten Bereich der Eingangskennlinie mit der Folge nicht akzeptabler Übernahmeverzerrungen und hohen Klirrfaktoren.

Ein Verstärker im AB-Betrieb hat beide geforderten positiven Eigenschaften und reduziert die negativen Begleiterscheinungen. Die Basis-Emitterdioden der Endstufentransistoren werden durch eine Vorspannung schwach leitend gesteuert. Das verschiebt den Arbeitspunkt aus dem B-Betrieb etwas in Richtung des A-Betriebs, sodass er auf der Steuerkennlinie am Ende der Krümmung liegt. Über beide Endstufentransistoren gesehen entsteht eine gemeinsame lineare Steuerkennlinie. Ohne Eingangssignal fließt ein Kollektorruhestrom von wenigen Milliampere. Verglichen mit dem Class-B Verstärker ist die Verlustleistung gestiegen, bleibt aber gegenüber dem Class-A Verstärker vernachlässigbar klein. Der praktische Wirkungsgrad liegt weiterhin bei 70%.

Class_AB Steuerkennlinie

Die Erzeugung der Vorspannung und des Ruhestroms

Werden die Basis-Emitterdioden beider Transistoren mit 700 mV Vorspannung leitend, dann verschieben sich die Arbeitskennlinien und bilden eine gemeinsame Aussteuerkennlinie mit linearem Verlauf. Diese Vorspannung ist die Diffusions- oder Durchlassspannung der Si-Halbleiter und kann am einfachsten durch eine leitende, zur jeweiligen Basis-Emitterstrecke parallel geschaltete Diode bereitgestellt werden. Die Dioden erhalten ihren Strom aus der Betriebsspannung über entsprechend dimensionierte Vorwiderstände R1 und R2.

Vorspannungs- und Ruhestromgewinnung

Endstufentransistoren benötigen zur Vollaussteuerung relativ hohe Basisströme. Sie fließen über die Diodenvorwiderstände, die relativ niederohmig sind und daher die Signalquelle ue erheblich belasten.

In einem Simulationsversuch wurden die Widerstandswerte experimentell bestimmt. Für die Betriebsspannungen waren ±20 V, die maximale Effektivspannung des 1 kHz Signals 10 V und ein Lastwiderstand mit 16 Ω vorgegeben. Ein unverzerrtes Ausgangssignal mit einem Klirrfaktor von 0,5% wurde erstmals mit 560 Ω für jeden Vorwiderstand erhalten. Bei 680 Ω Widerständen lag der Klirrfaktor mit 1% bei Vollaussteuerung doppelt so hoch. Der Kollektorstrom jedes Transistors wurde zu 331 mA gemessen und der Basisstrom zu 3,3 mA. Der Gleichstrom jeder Diode betrug 32 mA und sicherte mit 1,46 V Gleichspannung über beiden Diode einen linearen Verlauf der Arbeitsgerade über beide Transistoren.

Da die Endstufe nur Stromverstärkung hat, wird die Spannungsverstärkung mit ue von der Treiberstufe bereitgestellt. Sie wird von den niederohmigen Vorwiderständen belastet und muss daher einen sehr kleinen Ausgangswiderstand haben. Auf das Signal bezogen liegen die Diodenvorwiderstände parallel zur Signalquelle, die in der Simulation mit 280 Ω belastet wird. Das ließ sich auch bestätigen, wenn die zuvor ideale Spannungsquelle diesen Wert als Innenwiderstand erhielt. Die Amplitude der Ausgangsspannung des Verstärkers halbierte sich. Ohne Signal fließt unangesteuert je Transistor ein vernachlässigbar geringer Kollektorruhestrom von 0,3 mA. Die Class-AB Endstufe hat so gut wie keine Gleichstromverlustleistung.

Vorspannung mit Konstantstromquellen

In einer erweiterten Schaltung erhalten die Dioden und die Endstufentransistoren den Strom von Konstantstromquellen. Sie sind so dimensioniert, dass bei Vollaussteuerung der maximale Basisstrom der Endstufentransistoren garantiert ist und die Vorspannung über beide Dioden gesichert ist. Der Ausgangswiderstand der Konstantstromquelle kann im besten Fall um den Stromverstärkungsfaktor dieser Schaltung hochohmiger sein. Im Simulationsversuch wurde mit den gleichen Emitterwiderstandswerten von 560 Ω in der Konstantstromquelle die Signalquelle mit 1,5 kΩ deutlich 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 im direkten Wärmekontakt zu den Endstufentransistoren auf deren Kühlkörper montiert, wirken sie dem temperaturbedingten Anstieg des Kollektorstroms entgegen. Das Temperaturverhalten der Dioden entspricht dem der Transistoren. Bei Erwärmung werden die Dioden niederohmiger und die Spannung an ihr verringert sich. Da diese Spannung gleich der Basis-Emitterspannungen der Endstufe ist, wird sie weniger leitend. Es ist ein Regelkreis zur Arbeitspunktstabilisierung für die Endstufentransistoren entstanden.

Ruhestromgewinnung mit Transistor

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 Endstufentransistoren 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 1,4 V ergibt. Der Transistor ist als Konstantspannungsquelle sehr niederohmig und hat kaum Einfluss auf die Amplitude des Signals. Die Endstufentransistoren werden weiterhin symmetrisch angesteuert.

Eine Gegentaktendstufe mit Darlingtontransistoren benötigt eine Vorspannung, die der Summe aller Basis-Emitterstrecken der Endstufentransistoren entspricht. Dann wird mit vier Dioden in Reihe oder einem Transistor als Konstantspannungsquelle mit rund 2,4 ... 2,8 V zwischen den Basisanschlüssen den Arbeitspunkt für den AB-Betrieb festgelegt.

Arbeitspunktstabilisierung durch Stromgegenkopplung

Ruhestrom und Stromgegenkopplung

Einer thermischen Arbeitspunktdrift der Endstufe kann durch Stromgegenkopplung mit je einem kleinen Emitterwiderstand von (0,1 ... 1) Ω entgegengewirkt werden. Bei Temperaturerhöhung nehmen der Emitterstrom und die Spannung an den Emitterwiderständen zu. Bei konstanter Basisspannung verringert sich dadurch die Basis-Emitterspannung und die Transistoren leiten weniger gut.

Da der Laststrom durch den Emitterwiderstand fließt, muss er für hohe Stromlasten geeignet sein. Am Emitterwiderstand wird Signalleistung umgesetzt, die am Lastwiderstand dann fehlt. Die parallel geschalteten Dioden begrenzen die mit größeren Signalströmen zunehmende Signalgegenkopplung. Sie kann so maximal 0,7  erreichen und die Ausgangsleistung wird nur unwesentlich gedämpft.

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 und der Emitterstrom eines Transistors kann zu groß werden. Dieser Vorgang lässt die Spannung am Emitterwiderstand ansteigen und senkt die Basis-Emitterspannung des Transistors. Das unterstützt den Abfluss der Ladungsträger aus der Basiszone und beschleunigt so den Sperrvorgang.

Treiberstufe mit Bootstrap-Schaltung

Da die Gegentaktendstufe keine Spannungsverstärkung hat, muss sie von der steuernden Vorstufe bereitgestellt werden. Das kann problematisch sein, wenn die Endstufe mit hoher Betriebsspannung arbeitet. 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 Treibertransistor nicht mehr symmetrisch aussteuern.

Class-AB Gegentaktstufe mit Treiber

Der Arbeitspunkt des Treibers K wird so eingestellt, dass an seinem Kollektor die Gleichspannung 0 Volt gegen Masse zu messen sind. Es fließt der Kollektorgleichstrom ICK. Bei Ansteuerung mit positiver Signalhalbwelle wird er leitend. Am Kollektor steht die invertierte verstärkte Eingangsspannung u'e. Bei voll durchgesteuertem Treiber erreicht der negative Spitzenwert mit u'e ≈ −U ungefähr den Wert der negativen Betriebsspannung. Der Treibertransistor ist jetzt niederohmig und der untere Endstufentransistor erhält seinen hohen negativen Basissteuerstrom.

Mit negativer Halbwelle des Signals wird der Treiber gesperrt und hochohmig. Hat das verstärkte Eingangssignal den positiven Spitzenwert erreicht, so ist der obere Endstufentransistor vollkommen leitend und benötigt maximalen Basisstrom iB. Der fließt von der Betriebsspannung +U durch den Vorwiderstand R1 und lässt die Amplitude des Ausgangssignals ist um den Betrag der am Widerstand auftretenden Spannung niedriger sein. Das Ausgangssignal wird bei Vollaussteuerung der Endstufe unsymmetrisch.

Mit einem kleineren Widerstandswert für R1 kann dem entgegen gewirkt werden. Das erhöht 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 an. Dazu wird der Vorwiderstand durch die Reihenschaltung von zwei meist gleichgroßen Widerständen ersetzt. Zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände und dem Endstufenausgang ist der Bootstrap-Kondensator geschaltet. Da er für tiefe Signalfrequenzen keinen nennenswerten Widerstand haben sollte, kann es nur ein Elektrolytkondensator großer Kapazität sein.

Class-AB Gegentaktstufe mit Bootstrap

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

u'e + R12· I + R11· I = U + ua
auf den Verbindungspunkt 1 bezogen folgt
u'e + R12· I = U − R11· I + ua
mit ua ≈ u'e
I ≈ U / R11 + R12 = konst
Der Strom I ist von der Signalansteuerung unabhängig und liefert ein symmetrisches Ausgangssignal.

Mobile, batteriebetriebene Geräte arbeiten oft mit nur einer Betriebsspannung. In der Schaltung wird die negative Spannungsquelle zur Masse und am Ausgang ist die halbe Betriebsspannung messbar. 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.