Class-AB Transistor Endstufen

Die Eigenschaften eines Leistungs- und Endverstärkers sollten eine große Signalleistung und ein großer Wirkungsgrad sein. Das Eingangssignal sollte proportional linear verstärkt werden. Da die Eingangskennlinien bipolarer Transistoren nicht optimal linear sind, müssen die dadurch auftretenden nichtlinearen Verzerrungen durch spezielle Schaltungserweiterungen minimiert werden. Ziel ist es ein Ausgangssignal mit möglichst kleinem Klirrfaktor (<1 %) zu erhalten. Die Forderung nach einem großen Wirkungsgrad wird vom Class-A Verstärker nicht erfüllt. Seine Verlustleistung ist mit 50% viel zu hoch. Der im praktischen Betrieb erzielbare Wirkungsgrad der Signalverstärkung liegt bei 35%. Das zweite Kriterium wird gut erfüllt solange der Arbeitsbereich auf den recht großen relativ linearen Abschnitt der Kennlinie beschränkt ist. Wird der Verstärker bis zur maximal erreichbaren Leistungsgrenze ausgesteuert, dann nimmt der Klirrfaktor deutlich zu.

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 Signalamplituden akzeptabel gering. Die Kleinsignalverstärkung für Eingangssignale mit geringer Amplitude, erfolgt im stark gekrümmten Bereich der Eingangskennlinie. Dabei entstehen nicht akzeptable Übernahmeverzerrungen und hohe Klirrfaktoren.

Ein Verstärker im AB-Betrieb hat beide geforderten positiven Eigenschaften. Die Basis-Emitter Diode jedes Transistors wird 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 relativ 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%.

Beispiele für Serien-Gegentaktschaltungen

Die Erzeugung der Vorspannung und des Ruhestroms

Wird bei beiden Transistoren die Basis-Emitter Diode mit 700 mV Vorspannung leitend, dann verschieben sich die Arbeitskennlinien und bilden eine gemeinsame Aussteuerkennlinie mit praktisch 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.

Endstufentransistoren benötigen zur Vollaussteuerung hohe Basisströme. Sie fließen über relativ niederohmige Dioden Vorwiderstände. Das belastet die Signalquelle und verringert die Steuerspannung ue.

Im Simulationsversuch wurden die Widerstandswerte experimentell bestimmt. Für die Betriebsspannungen wurden ±20 V, für die maximale Effektivspannung des 1 kHz Signals 10 V und für den Lastwiderstand 16 Ω gewählt. Ein unverzerrtes Ausgangssignal mit einem Klirrfaktor von 0,5% wurde erstmals mit 560 Ω für jeden Vorwiderstand erhalten. Bei Widerständen mit 680 Ω war bei Vollaussteuerung der Klirrfaktor mit 1% doppelt so hoch. Für jeden Kollektorstrom wurden 331 mA und für jeden Basisstrom 3,3 mA gemessen. Der Gleichstrom jeder Diode betrug 32 mA und ermöglichte mit 1,46 V Gleichspannung über beide Dioden den praktisch linearen Verlauf der Arbeitsgerade über beide Transistoren.

Da die Endstufe nur Stromverstärkung hat, wird die Spannungsverstärkung mit ue von einer Treiberstufe bereitgestellt. Sie wird von den niederohmigen Vorwiderständen R1 und R2 belastet und muss einen sehr kleinen Ausgangswiderstand haben. Auf das Signal bezogen liegen die Vorwiderstände der Dioden parallel zur Signalquelle, die in der Simulation mit 280 Ω belastet wird. Das konnte in der Simulation bestätigt werden, wenn der zuvor idealen Spannungsquelle dieser Wert als Innenwiderstand zugefügt wurde. Die Amplitude der Ausgangsspannung des Verstärkers halbierte sich. Ohne Ansteuerung durch ein Eingangssignal fließt je Transistor ein vernachlässigbar geringer Kollektorruhestrom von 0,3 mA. Die Class-AB Endstufe hat eine sehr geringe Gleichstromverlustleistung.

In der erweiterten Schaltung erhalten die Dioden und die Endstufentransistoren den Strom von Konstantstromquellen. Sie wurden so dimensioniert, dass bei Vollaussteuerung sowohl der maximale Basisstrom der Endstufentransistoren und die Vorspannung über beide Dioden gesichert waren. Der Ausgangswiderstand der Konstantstromquelle kann im besten Fall um den Stromverstärkungsfaktor dieser Schaltung hochohmiger sein. Im Simulationsversuch wurde mit den Widerstandswerten von 560 Ω für die Emitterwiderstände in der Konstantstromquelle die Signalquelle mit 1,5 kΩ deutlich weniger belastet.

Halbleiter gehören zu den Heißleitern und mit zunehmender Erwärmung nehmen ihr Innenwiderstand 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 niederohmig und die Spannung an ihr verringert sich. Diese Spannung ist gleich der Basis-Emitterspannung jedes Endstufentransistors, der dadurch weniger leitend wird. Es ist ein Regelkreis zur Stabilisierung des Arbeitspunkts für die Endstufentransistoren entstanden.

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 mit einbezogen. Er stellt die Spannungsverstärkung und Ansteuerung der Endstufe bereit.

Mit dem Poti R2 wird die Basis-Emitterspannung so eingestellt, dass zwischen Kollektor und Emitter die notwendigen 1,4 V Vorspannung für die Endstufentransistoren anliegen. 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-Emitter Strecken der Endstufentransistoren entspricht. Der Arbeitspunkt der Endstufe für den AB-Betrieb kann mit vier Dioden in Reihe oder einem Transistor als Konstantspannungsquelle für rund 2,4 ... 2,8 V zwischen den Basisanschlüssen eingestellt werden.

Arbeitspunktstabilisierung durch 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 die Emitterwiderstände fließt wird auch Signalleistung an ihnen umgesetzt, die am Lastwiderstand dann fehlt. Die Widerstände müssen für die zu erwartenden Leistungen bemessen sein.

Die Emitterwiderstände können die Endstufentransistoren auch vor zu hohen Strömen schützen, die bei hohen Signalfrequenzen und Volllaussteuerung 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 dadurch kann der Emitterstrom des betroffenen Transistors zu groß werden. Dieser größere Strom lässt die Spannung am Emitterwiderstand ansteigen und senkt dadurch die Basis-Emitterspannung des Transistors. Der Sperrvorgang wird unterstützt und die Sperrzeit wird kürzer.

Mobile, batteriebetriebene Geräte arbeiten oft mit nur einer Betriebsspannung. Anstelle der negativen Spannungsquelle liegt dort die Schaltungsmasse und die Betriebsdaten sind so berechnet, dass am Ausgang die halbe DC-Betriebsspannung messbar ist. 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.