Klasse-AB-Verstärker
Mit Klasse-A- und Klasse-B-Verstärkern sind in der Regel Leistungsverstärker gemeint, d. h. Verstärker mit geringer Leistung, z. B. für Kopfhörer, mit mittlerer Leistung, z. B. für Radios und Musikanlagen oder mit hoher Leistung, z. B. für Konzertbeschallung.
Die bisher betrachteten Klasse-A- und Klasse-B-Verstärker haben jeweils ihre Vor- und Nachteile.
Beim Klasse-A-Verstärker
- fließt im Transistor immer ein Strom, der bei einer Eingangswechselspannung von 0 V am höchsten ist.
- Er hat geringe Verzerrungen.
Beim Klasse-B-Verstärker
- fließt bei einer Eingangswechselspannung von 0 V in den Ausgangstransistoren kein Strom.
- Fließt allerdings ein Strom, ist dieser proportional zur Eingangswechselspannung.
- Bei einer Eingangswechselspannung nahe 0 V treten jedoch Übernahmeverzerrungen auf.
Im Folgenden werden wir die beiden Klassen näher untersuchen und abschließend beide miteinander verschmelzen.
Leistung im Klasse-A-Verstärker
Wir untersuchen die am Transistor eines Klasse-A-Verstärkers in Emitterschaltung anfallende Leistung und beziehen uns dabei auf unsere Schaltung aus Klasse-A-Verstärker.
LTspice
LTspiceist ein von Linear Technology (heute Analog Devices) entwickeltes Simulationsprogramm für elektronische Schaltungen.
Damit können Schaltungen verstanden, getestet und optimiert werden, ohne dass sie sofort real aufgebaut werden müssen.
Das Programm verfügt über eine grafische Benutzeroberfläche, mit der sich Schaltpläne zeichnen und die Simulationsergebnisse in einem Wellenform-Viewer auswerten lassen.
Dieser funktioniert im Prinzip wie ein komfortables Oszilloskop und stellt Spannungen und Ströme an allen Punkten der untersuchten Schaltung als Kurven dar.
- Die hier dargestellten Diagramme zeigen Simulationsergebnisse im Wellenform-Viewer.
LTspice ist kostenlos bei Analog Devices erhältlich.
Es gibt Versionen für
- Windows und
- macOS.
- Unter Linux läuft LTspice in Wine.
Uns interessiert, welche Leistung am Transistor Q1 abfällt. Dazu müssen wir die Kollektor-Emitter-Spannung Uc und den Kollektorstrom Ic zu jedem Zeitpunkt kennen und daraus die Leistung Pt = Uc * Ic berechnen.
Bild 2 zeigt die Kollektorspannung und den Kollektorstrom bei einer Eingangswechselspannung von 1 kHz. In den ersten 0,5ms liegt noch keine Wechselspannung an. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Transistor im Arbeitspunkt von 2,8 V und 138 mA. Sobald die Wechselspannung anliegt, steigt der Kollektorstrom an und die Kollektorspannung fällt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Kollektorstrom einen höheren Spannungsabfall am Kollektorwiderstand R2 bewirkt, wodurch sich die Kollektorspannung verringert. Der Wechselspannungsanteil der Kollektorspannung entspricht der Ausgangsspannung am Lastwiderstand RL.
Mit Pt = Uc * Ic könnten wir die Leistung im Transistor berechnen. Wir haben jedoch den Emitterwiderstand R3 nicht berücksichtigt. Genau genommen beruht die Leistung am Transistor auf der Kollektor-Emitter-Spannung Uce von Q1: Pt = Uce * Ic.
Bild 3 zeigt den Verlauf der Leistung (türkis) und der Kollektorspannung (rot) im Transistor. Im Arbeitspunkt fallen 310 mW im Transistor ab.
Die an den Lastwiderstand abgegebene Leistung ist grün dargestellt. An der Ausgangsleistung ist gut zu erkennen, dass diese die doppelte Frequenz der Ausgangsspannung hat. Wenn die Ausgangsspannung null ist, ist auch die Ausgangsleistung null. Bei einer negativen Ausgangsspannung fließt ein negativer Strom. Da Minus mal Minus Plus ergibt, ist auch die Ausgangsleistung bei negativer Ausgangsspannung also positiv. Dadurch ergibt sich wiederum die doppelte Frequenz.
Die am Transistor abfallende Leistung hat ebenfalls eine doppelt so hohe Frequenz wie die Kollektorspannung. Am wichtigsten ist jedoch, dass die am Transistor abfallende Leistung geringer wird, wenn die Kollektorspannung den Arbeitspunkt verlässt. Sie ist am geringsten, wenn die Kollektorspannung hoch ist.
- Bei einem Klasse-A-Verstärker fällt die höchste Leistung am Transistor an, wenn keine Spannung am Ausgang abgegeben wird.
- Wird hingegen Leistung an den Lastwiderstand abgegeben, sinkt die Leistung im Transistor.
Bild 3 zeigt, dass die Ausgangsleistung bei etwa 25 mW liegt, während geschätzt 200 mW im Ausgangstransistor anfallen. Die im Transistor anfallende Leistung ist etwa achtmal so hoch wie die Ausgangsleistung.
Fazit
- Die im Ausgangstransistor anfallende Leistung ist bei einer Ausgangswechselspannung von 0 V am höchsten.
- Bei höherer Ausgangswechselspannung sinkt die im Ausgangstransistor anfallende Leistung.
- Die Ausgangsleistung ist viel geringer als die im Ausgangstransistor anfallende.
- Die Ausgangsspannung ist nicht verzerrt.
Leistung im Klasse-B-Verstärker
Wir untersuchen die an den Transistoren eines Klasse-B-Verstärkers anfallende Leistung und beziehen uns dabei auf unsere Schaltung aus Klasse-B-Verstärker mit Treibertransistor.
Uns interessiert, welche Leistung an den Ausgangstransistoren Q2 und Q3 abfällt.
In Bild 5 sind alle Spannungen, Ströme und Leistungen gemeinsam dargestellt. Zum besseren Verständnis werden in den folgenden Bildern jeweils einzelne Größen ausgewählt.
Erst dann, wenn die Ubb des PNP-Transistors Q3 um 0,7 V niedriger als die Emitterspannung Uee ist, fließt ein Strom in Q3 (bei 0,6ms).
Im NPN-Transistor fließt erst dann Strom, wenn die Basis-Emitter-Spannung um 0,7 V höher ist (bei 1,1ms).
Bemerkenswert ist die höhere Kollektor-Emitter-Spannung des PNP-Transistors Q3. Damit wird der Spannungsabfall am Emitterwiderstand R4 ausgeglichen.
Die höhere Leistung Pt3 im PNP-Transistor Q3 beruht auf dessen höherer Kollektor-Emitter-Spannung.
Aus Bild 8 lässt sich die Leistung in den Ausgangstransistoren und am Ausgang nur grob abschätzen. Wir können davon ausgehen, dass die Ausgangsleistung bei etwa 50 mW liegt, während etwa 100 mW in den Ausgangstransistoren anfallen.
- Die in den Transistoren anfallende Leistung ist somit etwa doppelt so hoch wie die Ausgangsleistung.
- Die Verzerrung der Spannungen und Ströme ist auf die Basisspannung der Ausgangstransistoren zurückzuführen.
Fazit
- An den Ausgangstransistoren fällt keine Leistung bei einer Ausgangswechselspannung von 0 V ab.
- Wenn die Ausgangswechselspannung steigt, steigt die an den Ausgangstransistoren anfallende Leistung.
- Die Ausgangsleistung ist etwas geringer als die in den Ausgangstransistoren anfallende.
- Die Ausgangsspannung ist verzerrt.
Klasse-AB-Verstärker
Wir haben Folgendes festgestellt:
- Ein Klasse-A-Verstärker hat eine schlechte Leistungsbilanz.
- Ein Klasse-B-Verstärker verursacht hingegen Verzerrungen.
Die Verzerrungen beim Klasse-B-Verstärker werden durch die Basis-Emitter-Spannungen verursacht. In den Basen fließt erst dann ein Strom, wenn die Eingangswechselspannung höher als die Basis-Emitter-Spannung von 0,7 V ist.
Im Gegensatz dazu fließt im Klasse-A-Verstärker immer ein Basisstrom, selbst bei einer Eingangswechselspannung von 0 V.
- Würden wir in den Ausgangstransistoren eines Klasse-B-Verstärkers auch bei einer Eingangswechselspannung von 0 V einen Strom fließen lassen, könnten wir das Problem der Verzerrungen umgehen.
In dem in Bild 9 dargestellten Klasse-AB-Verstärker wird durch den Widerstand R5 eine Vorspannung für die Basen der Ausgangstransistoren erzeugt. Dadurch wird auch bei einer Eingangsspannung von null ein Strom in den Ausgangstransistoren erzeugt. Der Kondensator C3 ist erforderlich, um unnötige Querströme durch die Ausgangstransistoren bei anliegender Eingangsspannung zu vermeiden.
Die folgenden Diagramme zeigen das Verhalten mit und ohne Kondensator. Abschließend wird eine moderne Variante des Klasse-AB-Verstärkers einbezogen.
- Dabei dient die Spannung Uee an den gemeinsamen Emittern als Bezugsgröße.
- Untersucht werden die Kollektorströme Ic2 und Ic3 der Ausgangstransistoren sowie
- der Ausgangsstrom Ia durch den Lastwiderstand RL.
Zum Vergleich beginnen wir mit dem einfachen Klasse-B-Verstärker aus Bild 4.
Der Ausgangsstrom Ia verläuft ohne Verzerrungen, z. B. bei 1ms.
Der Ausgangsstrom Ia verläuft in diesem Bereich wie erwartet, z. B. bei 1ms.
Am Anfang, solange keine Wechselspannung anliegt, fließt ein kleiner sogenannter Ruhestrom von 8 mA in den Ausgangstransistoren. Das ist der A-Anteil.
Der Verlauf der Ströme zeigt, dass es wie bei der Schaltung mit Widerstand und Kondensator zu keinen Verzerrungen kommt.
Solange keine Wechselspannung anliegt, fließt in dieser Schaltung ein Ruhestrom von 5 mA in den Ausgangstransistoren.
Die höhere Leistung Pt3 im PNP-Transistor Q3 beruht auf dessen höherer Kollektor-Emitter-Spannung.
Die Leistung am Ausgang ist geringer und verläuft mit der doppelten Frequenz der Ausgangsspannung.
Temperaturverhalten
Die einfache Erzeugung der Vorspannung für die Basen der Ausgangstransistoren durch einen Widerstand hat einen entscheidenden Nachteil:
Die Ausgangstransistoren erwärmen sich bei Belastung, was zu einer geringeren Basis-Emitter-Spannung und somit zu einem höheren Ruhestrom führt.
- Der Ruhestrom hängt von der Temperatur der Ausgangstransistoren ab.
-
Der Arbeitspunkt kann instabil werden:
höhere Temperatur ⇒ höherer Strom ⇒ höhere Temperatur ...
Typischer Klasse-AB-Verstärker
Bild 16 zeigt einen typischen Klasse-AB-Verstärker. Bei diesem wird die Vorspannung für die Basen der Ausgangstransistoren mithilfe eines Transistors eingestellt. Ein Spannungsteiler multipliziert die Basis-Emitter-Spannung dieses Transistors und erzeugt die notwendige Vorspannung für die Basen der Ausgangstransistoren. Oft wird anstelle der beiden Widerstände R5 und R6 ein Trimmpotentiometer eingesetzt, mit dem sich der Ruhestrom der Ausgangstransistoren einstellen lässt. Diese Schaltung wird als Bias-Transistor oder VBE-Multiplier bezeichnet.
Temperaturverhalten
Die Ausgangstransistoren erwärmen sich bei Belastung, was zu einer geringeren Basis-Emitter-Spannung und somit zu einem höheren Ruhestrom führt.
Deshalb wird der Transistor Q4 thermisch mit den Ausgangstransistoren gekoppelt, d. h. er wird in der Regel auf deren Kühlkörper montiert. Dann erwärmt sich der Bias-Transistor in gleichem Maße wie die Ausgangstransistoren. Seine Basis-Emitter-Spannung sinkt mit der Erwärmung und passt aufgrund der Multiplikation die Basisspannungen für die Ausgangstransistoren an.
Basis-Emitter-Spannung
Zur Einstellung der Basis-Emitter-Spannung der Ausgangstransistoren und damit des Arbeitspunkts sind verschiedene Schaltungen üblich:
- Transistor und Spannungsteiler wie in Bild 16 dargestellt,
- Spannungsteiler mit Potentiometer,
- mehrere Dioden in Reihe,
- in die Ausgangstransistoren eingebaute Dioden,
- Kondensator parallel zu den genannten Schaltungen.
Messungen am Klasse-AB-Verstärker
Bild 17 zeigt ein Oszillogramm des in Bild 16 vorgestellten Klasse-AB-Verstärkers.
- Der Ausgang wurde mit 8 Ω belastet.
- Der Kanal für die Ausgangsspannung ist um 2 V nach unten verschoben (blauer Pfeil links).
- Die Eingangswechselspannung (gelb) beträgt 800mVss.
- Die Ausgangswechselspannung (blau) liegt bei 2,04Vss.
- Der Arbeitspunkt des Ausgangs liegt bei 2,92 V.
- Die Ausgangsspannung liegt zwischen 1,88 V und 3,92 V.
- Es sind keine starken Verzerrungen erkennbar.
- Der Ruhestrom Ic3 beträgt 4 mA.
Ab einer Ausgangsspannung von 2,5Vss zeigt der Klasse-AB-Verstärker von Bild 16 deutliche Verzerrungen.
Diese einfache Schaltung kann an einen Lastwiderstand von 8 Ω etwa 60 mW abgeben. Ein optimaler Verstärker könnte bei einer Versorgungsspannung von 5 V bis zu 200 mW abgeben.
- Optimisten glauben, dass sogar 400 mW möglich sind.
LTspice
Die mit LTspice ermittelten Werte für die Bauelemente des in Bild 16 dargestellten Klasse-AB-Verstärkers wurden durch die reale Schaltung gut eingehalten.
- Der geplante Arbeitspunkt von (3 V, 5 mA) wurde mit (2,94 V, 3,2 mA) gemessen.
Optimierungen
Um es klar zu sagen, die Schaltung in Bild 14 ist keineswegs optimal:
- Durch den Emitterwiderstand R4 wird die Ausgangsspannung nach unten beschränkt.
- Der Widerstand R3 lässt ebenso keine Ausgangsspannung bis fast an die Betriebsspannung zu.
- Eine Gegenkopplung, die den Ausgang einbezieht, also Uee, kann:
- zur Stabilisierung des Arbeitspunkts (gleichstrommäßig) und
- zur weiteren Verringerung von Verzerrungen (Klirrfaktor) beitragen.
Darauf gehen wir später ein.