Quasikomplementärendstufe

Die Bezeichnung Quasikomplementärendstufe kam nach der Entwicklung der Siliziumhalbleitertechnik auf. Sie ermöglichte npn- und pnp-Transistortypen und deren Paarungen. Transistoren vor dieser Zeit basierten auf Germanium als Halbleitermaterial. Es gibt beide Leitertypen, wobei die npn-Ge-Transistoren überwiegen. In Endstufen wurden meistens npn-Ge-Transistoren verwendet. Vor der Transistortechnik wurden Verstärker mit Vakuumröhren aufgebaut, wo es keine komplementären Typen gibt.

Viele transistorisierte Leistungsendstufen sind als Komplementärverstärker aufgebaut. Bei diesem Schaltungskonzept werden npn- als auch pnp-Transistoren mit möglichst identischen Bauteilparametern und Kennlinien benötigt. Diese Paarungen lassen sich wegen der unterschiedlichen Halbleitertypen nicht so oft finden. Nebenbei zeigt die Praxis, dass im Fehlerfall fast immer der pnp-Halbleiter betroffen ist. Der besondere Vorteil dieser Schaltungsart ist, dass der npn- und pnp-Endstufentransistor in der gleichen Grundschaltung arbeitet.

Lassen sich keine passenden npn-/pnp-Paare finden, so kann eine Endstufe auch mit gleichartigen Transistortypen aufgebaut werden. Der pnp-Endstufentransistor ist durch eine Komplementärschaltung ersetzbar. Sie besteht aus je einem einzelnen pnp-Eingangs- und npn-Ausgangstransistor und wird Komplementärdarlingtonstufe genannt. Die beiden Leistungstransistoren sind dann gleichen Typs, die von einer komplementären Vorstufe angesteuert werden. Dieses Schaltungskonzept wird quasikomplementär genannt.

Der Komplementärdarlingtontransistor kann durch eine Phasenumkehrstufe ersetzt werden. Sie steuert die Endstufentransistoren gleichen Leitungstyps an. Dieses Schaltungskonzept entspricht dann einer Seriengegentaktendstufe im AB-Betrieb mit Phasenumkehrstufe oder Treiberübertrager. In der Vakuumröhrentechnik als Kaskodeschaltung bekannt. Die Endverstärkergruppen arbeiten in verschiedenen Grundschaltungen mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Die folgenden Prinzipschaltungen werden mit nur einer Betriebsspannung versorgt, könnten aber auch für ein symmetrisches Netzteil mit zwei Betriebsspannungen ausgelegt werden.

Quasikomplementär mit Phasenumkehrstufe
Die Phasenumkehrstufe ist so berechnet, dass die Signalamplituden am Kollektor und Emitter gleich sind. Diese Stufe liefert keine Spannungsverstärkung. Die negative Halbwelle des Eingangssignals lässt V1 leiten während V2 gesperrt bleibt. Der Ausgangskondensator lädt sich in dieser Zeit auf die Betriebsspannung auf. Gleichzeitig ist über ihn der Signalstromkreis durch den Lastwiderstand nach Masse geschlossen.

Beim positiven Eingangssignal bleibt V1 gesperrt und trennt den unteren Zweig von der Betriebsspannung ab. Der Ausgangskondensator arbeitet als Gleichspannungsquelle und wird vom Signalstrom durch den leitenden Transistor V2 mehr oder weniger entladen.

Der Ausgangskondensator kann nur ein Elektrolytkondensator mit großer Kapazität sein, um in der Sperrphase von V1 mit seiner gespeicherten Ladung den erforderlichen Strom für V2 bereitzustellen. Der Kondensator bildet mit dem Lastwiderstand einen Hochpass und beeinflussen die untere Grenzfrequenz des Verstärkers. Sie liegt umso niedriger, je größer die Kapazität des Kondensators ist. Durch dieses Schaltungskonzept eignet sich die Endstufe nicht als Gleichstromverstärker.

Grenzfrequenzgleichung

Quasikomplementär mit Komplementärtreiberstufe
Die aus Einzeltransistoren aufgebaute Darlingtonstufe mit V1 und V2 und die Komplementärdarlingtonstufe mit V3 und V4 ergibt eine Endstufe mit zwei gleichen npn-Transistoren. Die Vorstufe mit V1 und V3 ist komplementär und steuert die Endtransistoren V2 und V4 gegenphasig an.

Die positive Halbwelle des Eingangssignals erzeugt ein dazu gleichphasiges Signal an R1. Dadurch wird V2 leitend, während V3 und V4 gesperrt bleiben. Der Signalstrom fließt über den Ausgangskondensator durch den Lastwiderstand. Gleichzeitig kann sich der Kondensator auf die Betriebsspannung aufladen.

Die negative Signalhalbwelle sperrt V1 und damit V2, lässt hingegen V3 und V4 leitend werden. Die im Kondensator gespeicherte Ladung hält den Stromfluss aufrecht. Diese Endstufe liefert ebenfalls nur die Stromverstärkung. Die Ansteuerung erfolgt von einer Vorstufe mit Spannungsverstärkung.

Die dargestellte Prinzipschaltung entspricht einem Class-B Verstärker. Für den AB-Betrieb sind im einfachsten Fall drei Dioden zur Vorspannungserzeugung für die Basis-Emitterstrecken der Transistoren V1 bis V3 notwendig. Der Endstufentransistor V4 erhält seinen Arbeitspunkt von der sich einstellenden Gleichspannung an R2. Die Schaltung arbeitet nicht mehr völlig symmetrisch und bedarf zur Korrektur einer besonderen Signalgegenkopplung. In der Schaltungsanalyse eines 20W-Quasikomplementärverstärkers wird dieses Schaltungskonzept ausführlich beschrieben.