Informations- und Kommunikationstechnik

Schaltungsanalyse einer Komplementärendstufe

Die nachfolgend ausführlich beschriebene Schaltung stellt eine 3 Watt Komplementärendstufe dar, die in einfachen Rundfunkgeräten, Schallplattenverstärkern oder Kassettengeräten zur Anwendung kam. Der übersichtliche Aufbau gestattet es, das Zusammenwirken der einzelnen Schaltungselemente zu verstehen. Der Verstärker arbeitet mit einer unsymmetrischen Versorgungsspannung, daher muss der Lautsprecher die Signale über einen Auskoppelkondensator erhalten. Er trennt den niederohmigen Lautsprecher galvanisch von der Gleichspannung, sonst würde er bei leitender Endstufe die Betriebsspannung fast nach Masse kurzschließen. Der Lautsprecher wird nur vom Signal beeinflusst. Da seine Membrane von keiner DC-Komponente vorgespannt ist, treten keine zusätzlichen Verzerrungen auf. Die mit 470 μF hohe Kapazität des Auskoppelkondensators ist notwendig, da er als Gleichspannungsquelle für den unteren pnp-Endstufentransistor Q2 dient. Die Vorstufe mit K1 wird ebenfalls von dieser Mittenspannung versorgt, die laut Hersteller bei 11,5 V liegt.

Komplementärendstufe

Parallel zu den theoretischen Überlegungen zur Arbeitsweise der Schaltung konnten wichtige Eigenschaften mit einem Simulationsprogramm überprüft werden. Für die Vorstufe K1 wurde ein BC556, für den Treiber K2 ein BC337 gewählt. In der Endstufe kamen der BD137 als npn-Transistor Q1 und der BD138 als Q2 im pnp-Zweig zum Einsatz. Der NTC-Widerstand wurde durch einen gleich großen normalen Widerstand ersetzt.

DC-Analyse und Arbeitspunktbetrachtungen

Nach dem Anlegen der 24 V Betriebsspannung ist die Basis des Transistors Q1 positiver als der Emitter. Der Transistor leitet und der 470 μF Elektrolytkondensator am Ausgang wird geladen. Der Emitter des pnp-Transistors K1 ist dadurch positiver als seine Basis und leitet. Sein Kollektorstrom fließt über den 1,2 kΩ Widerstand nach Masse ab. Die Spannung an diesem Widerstand lässt auch den npn-Transistor K2 leiten. Durch seinen Kollektorstrom ist der Stromkreis von der Betriebsspannung über die Widerstände 120 Ω, 150 Ω und dem 100 Ω Poti geschlossen.

Mit dem Poti P wird der Ruhestrom für die Endstufentransistoren eingestellt. Nach Serviceunterlagen des Herstellers sollen es ohne Signaleinspeisung 10 mA sein. Die Spannung über dem Poti sollte dann ca. 1,2 V betragen und entspricht der Summe aus U = 2· (UBE + URE) für die Endstufentransistoren Q1 und Q2. Die Endstufe hat damit einen für den AB-Betrieb definierten Arbeitspunkt.

In der Simulation ließ sich ohne Signal der geforderte Ruhestrom entweder auf 8 mA oder 12 mA einstellen, wobei der erste Wert gewählt wurde. Die Spannung zwischen beiden Basisanschlüssen der Endstufentransistoren betrug dann 1,3 V. Am Auskoppelelko stellte sich eine Mittenspannung von 12 V ein.

Parallel zum Poti ist ein NTC-Widerstand geschaltet, der zusammen mit den Endstufentransistoren auf deren Kühlkörper montiert ist. Er gewährleistet die thermische Arbeitspunktstabilisierung der beiden Transistoren. Erwärmen sich diese, so wird der Widerstandswert des NTC kleiner, wodurch die Vorspannungen von Q1 und Q2 sinken. Eine geringere DC-Ansteuerung der Endstufe vermindert deren Ruhestrom und die bestehenden Wärmeverluste. Die Transistoren kühlen ab und durch diesen Regelkreis bleibt der Arbeitspunkt bei thermischer Belastung stabil.

Die Mittenspannung am Ausgangselko ist gleichzeitig Versorgungsspannung für den Vorstufentransistor K1. Seine Basisvorspannung wird über Widerstände herabgeteilt aus der Betriebsspannung gewonnen, wobei der 22 μF Kondensator für zusätzliche Stabilität sorgt. Durch diese Schaltungsvariante entsteht ein Regelkreis, der die DC-Mittenspannung stabilisiert. Sollte sich die Endstufe aus unbestimmtem Grund unsymmetrisch verhalten und Q2 dem Elko zu viel Strom entnehmen, dann sinkt die Mittenspannung ab. Das dadurch ebenfalls abnehmende Emitterpotenzial von K1 lässt diesen Transistor weniger gut leiten. Der abnehmende Kollektorstrom von K1 bewirkt durch die galvanische Kopplung zwischen K1 und K2, dass Letzterer auch weniger leitet. Sein Kollektorpotenzial wird positiver. Als Folge nimmt die Ansteuerung von Q2 ab und von Q1 zu. Der Ausgangselko kann sich nachladen und die ursprünglichen Arbeitspunkte stellen sich wieder ein.

Der Vorstufentransistor K1 besitzt mit seinem 820 Ω Emitterwiderstand eine große Stromgegenkopplung. Damit ist sein statischer Arbeitspunkt gegen thermische Schwankungen sehr gut stabilisiert. Das ist die Voraussetzung für einen ebenfalls stabilen Arbeitspunkt des Treibers K2, da die galvanische Kopplung jede Arbeitspunktverschiebung von K1 verstärkt an den Treiber weiterleitet.

Das dynamische Verhalten, Analyse des Signalwegs

Das NF-Signal gelangt über einen 0,1 μF Koppelkondensator direkt an die Basis des Vorstufentransistors K1. Dieser arbeitet in Emitterschaltung, wobei das Signal über die Reihenschaltung 220 μF mit 15 Ω den Massebezug hat. Der Transistor besitzt mit dem 10 μF Kondensator und dem 18 kΩ Widerstand zwischen Basis und Emitter eine Bootstrapschaltung. Zusammen mit dem kleinen Emitterwiderstand erhöht sie bei richtiger Dimensionierung den Stufeneingangswiderstand. Die Vorstufe wird daher schon von sehr kleinen Signalspannungen sicher angesteuert.

In der Simulation wurde der Verstärker wurde mit dem 1 kHz-Sinus Audiotestsignal angesteuert. Ein Eingangssignal mit 190 mV Spitzenwert ergibt mit 10 Vs eine unverzerrte Vollaussteuerung. Das Simulationsprogramm errechnet dazu einen Gesamtklirrfaktor von THD/K=0,7%. Im Datenblatt wird der Klirrfaktor für Vollaussteuerung mit 1% angegeben. Selbst mit einer sehr kleinen Eingangsamplitude von 1 mVs liefert der Verstärker ein unverzerrtes Ausgangssignal mit 54 mVs. Der Klirrfaktor ist dann erwartungsgemäß extrem klein und wurde zu 0,02% bestimmt. Die Diagramme zeigen die Signale an den in der Schaltung bezeichneten Messpunkten.

Ein-/Ausgangssignale der Komplementärendstufe

Vorstufen-/Treibersignale

Der Transistor K1 steuert mit dem Kollektorsignal die Basis des Treibertransistors K2. Beide arbeiten in der Emittergrundschaltung. Die Oszillogramme zeigen, dass im Schaltungsverbund die Spannungsverstärkung nur von der Treiberstufe geliefert wird. Die Rückkopplung des Ausgangssignals bewirkt, dass K1 keine Spannungsverstärkung zeigt. Das Kollektorsignal des Treibers K2 steuert die Komplementärendstufe direkt an.

Der 470 pF Kondensator zwischen Kollektor und Basis stellt eine Spannungsgegenkopplung für Frequenzen oberhalb der Hörgrenze dar. Der Frequenzbereich könnte mit der NF an der gekrümmten Eingangskennlinie des Transistors K2 zu Modulationsprodukten führen. Die Differenzsignale würden im Hörbereich liegen, sodass es ohne diese Gegenkopplung zu Pfeifstörungen kommen könnte. Ebenso wäre die Güte des Verstärkers beim Auftreten von diesen Signalverzerrungen durch einen höheren Klirrfaktor herabgesetzt.

Die Komplementärendstufe mit den Transistoren Q1 und Q2 wird vom Kollektorsignal des Treibers direkt angesteuert. Beide Endstufentransistoren arbeiten in Kollektorschaltung mit hoher Stromverstärkung. Ihre Spannungsverstärkung ist bedingt durch die Emitterwiderstände kleiner als 1. Die positive und negative Signalhalbwelle lässt die Transistoren abwechselnd leitend werden. Beim gesperrten Q1 wirkt der Auskoppelelko mit seiner während der Leitphase von Q1 aufgenommenen DC-Ladung als Spannungsquelle für den pnp-Transistor Q2.

Zur Vollaussteuerung benötigt die Endstufe einen relativ hohen Basissteuerstrom. Während für Q2 der Basisstromkreis durch den dann ebenfalls vollständig leitenden Treiber sehr niederohmig ist, gilt das für Q1 mit den beiden Basisvorwiderständen nicht. Der maximal mögliche Basisstrom ist geringer und damit vermindert sich auch die Stromverstärkung. Diese Unsymmetrie wird durch den 100 μF Kondensator behoben, der zwischen dem Ausgang und den beiden Vorwiderständen geschaltet ist. Die Wirkungsweise dieses Bootstrap-Kondensators ist beim Seriengegentaktverstärker im AB-Betrieb näher erklärt worden. Das Ausgangssignal wird über den Kondensator phasengleich an die Basis zurückgekoppelt. Dadurch erhöht sich das Basispotenzial und der Basisstrom wird von der Ansteuerung unabhängig. In dieser Bootstrap-Schaltung wirkt der 150 Ω Widerstand wie eine Konstantstromquelle.

Signalvergleich mit/ohne Bootstrapschaltung

In den Oszillogrammen der Simulation erkennt man deutlich, wie das über den Bootstrapkondensator zurückgekoppelte Signal auf die Mittenspannung von 12 V aufaddiert ist. Dadurch werden im Signalmaximum Spannungen erreicht, die über der Betriebsspannung von 24 V liegen. Das ermöglicht eine symmetrische Vollaussteuerung, die im rechten Diagramm ohne den Bootstrapkondensator nicht gegeben ist. Das dann im Positiven verzerrte Ausgangssignal macht sich durch einen hohen Klirrfaktor bemerkbar.

Das Ausgangssignal wird über den 820 Ω Widerstand auf den Emitter des Vorstufentransistors K1 zurückgekoppelt. Es ist dort phasengleich zum NF-Eingangssignal an der Basis. Hierbei handelt es sich um eine Gegenkopplung über alles. Der parallel zum Widerstand liegende 10 nF Kondensator macht die wirksame Impedanz der Rückkopplung für höhere Frequenzen niederohmiger. Das hat sicherlich einen eher negativen Einfluss auf die obere Grenzfrequenz des Verstärkers. Der Signalstromkreis wird über die Reihenschaltung 220 μF und 15 Ω nach Masse geschlossen. Für den Audiobereich kann der Elko als Signalkurzschluss betrachtet werden. Die Spannungsverstärkung dieser Schaltung ist aus dem Verhältnis des 820 Ω Rückkoppelwiderstands zum 15 Ω signalwirksamen Emitterwiderstand bestimmbar. Daraus errechnet sich ein Wert von Vu ≈ 55 entsprechend 35 dB.

Das folgende Diagramm zeigt das Ergebnis der simulierten Frequenzanalyse. Die praktisch erreichte Gesamtverstärkung bestätigt die Überlegungen. Eine Verkleinerung des Kondensators verschiebt die obere Grenzfrequenz in höhere Bereiche. Ohne Kondensator gibt die Simulation einen Wert oberhalb 100 kHz an.

Frequenzgang der Komplementärendstufe

Die untere Grenzfrequenz wird, wie vielfach zu lesen ist, praktisch nur durch den Auskoppelelko und der Lautsprecherimpedanz bestimmt. Mit 470 μF und 16 Ω errechnet sich ihr Wert zu 21 Hz. Gemessen wurden 60 Hz, da die Vorstufe mit K1 noch über Hochpässe verfügt. Mit der Eingangsimpedanz beeinflusst der Einkoppelkondensator das Frequenzverhalten.

Einen besonders großen Einfluss hat der Emitterkondensator des K1 auf die untere Grenzfrequenz, da der Stromverstärkungsfaktor des Transistors in die Rechnung eingeht. Die Bootstrap-Schaltung könnte auch einen Beitrag liefern. Wie hoch der Einfluss der einzelnen Kondensatoren auf die untere Grenzfrequenz ist, wurde im Simulationsprogramm praktisch ermittelt. Die folgende Tabelle stellt die Ergebnisse dar.

Caus/μF Cein/μF CBoot/μF CE/μF fgu/Hz
470 0,1 10 220 60
1000 0,1 10 220 55
470 1 10 220 55
470 0,1 47 220 60
470 0,1 10 470 37

Abschließend ist noch zu prüfen, ob der Verstärker die vom Hersteller angegebene Sinusleistung von 3 W abgibt. Nach der üblichen Gleichung setzt die Endstufe bei 24 V Betriebsspannung und Vollaussteuerung an der Lautsprecherimpedanz mit 16 Ω die Maximalleistung von 4,5 Watt um. Mit dem Wirkungsgrad von 70% sind praktisch 3,15 W erreichbar.

Leistungsformel

Die Simulation ergab eine Spitzenamplitude des Signals von 10 V bei Vollaussteuerung. Mit der eingesetzten Lautsprecherimpedanz errechnen sich die angegebenen 3 Watt, genau 3,12 W. Mit relativ wenig Bauteilen und einer einfachen Schaltung kann ein recht guter Audioverstärker aufgebaut werden. Die Verlinkung liefert weitere Informationen zum Serien-Gegentaktverstärker.