Klasse-B-Verstärker mit Operationsverstärker
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 mit hoher Leistung z. B. für Konzertbeschallung.
Um einen Klasse-B-Verstärker zu verstehen, betrachten wir zunächst den Booster für Operationsverstärker mit kombinierten Emitterausgängen.
In Bild 1 ist ein Operationsverstärker mit NPN- und PNP-Transistoren mit gemeinsamen Emittern dargestellt. Er verwendet zwei Spannungsquellen, um sowohl eine positive als auch eine negative Ausgangsspannung liefern zu können.
- Der Operationsverstärker LM358 wird als nicht invertierender Verstärker betrieben.
- Die Emitterfolger haben eine Verstärkung von 1.
- Ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers positiv,
- so ist auch die Ausgangsspannung des gesamten Verstärkers positiv. Dann kann nur der NPN-Transistor Q1 leiten. Er liefert den Strom für den Lastwiderstand RL.
- Bei negativer Ausgangsspannung leitet dagegen nur der PNP-Transistor Q2.
- Bei einer Ausgangsspannung von 0 V leitet keiner der beiden Transistoren.
Die folgenden Aussagen charakterisieren Klasse-B-Verstärker:
- Ein Klasse-B-Verstärker enthält zwei komplementäre Transistoren, die als Emitterfolger betrieben werden.
- Dabei sind die Basen sowie die Emitter der beiden Transistoren miteinander verbunden.
- Bei positiver Ausgangsspannung leitet nur der NPN-Transistor, der von der positiven Versorgungsspannung Strom zum Ausgang leitet.
- Bei negativer Ausgangsspannung leitet dagegen nur der PNP-Transistor von der negativen Versorgungsspannung Strom zum Ausgang.
- Bei einer Ausgangsspannung von 0 V leitet keiner der beiden Transistoren.
Wir haben uns einen Klasse-B-Verstärker angesehen, der sowohl positive als auch negative Gleichspannungen und damit auch Wechselspannungen verstärken kann.
Klasse-B-Verstärker für Wechselspannung
Der in Bild 2 dargestellte Verstärker wird als nicht invertierender Verstärker mit einer Verstärkung von 1 betrieben, da die Rückkopplung vom Ausgang unmittelbar auf den invertierenden --Eingang erfolgt. Der Widerstand R3 hat keine Wirkung.
Der Spannungsteiler aus R1 und R2 legt an den +-Eingang die halbe Betriebsspannung Ue+ = Uv / 2 = 5 V / 2 = 2,5 V. Am Ausgang stellt sich somit eine Spannung von 2,5 V ein.
Für diese einfache Schaltung ist der Widerstand Rb nicht nötig. Der Widerstand Rp = 3 kΩ hingegen ist optimal, um eine möglichst hohe Ausgangsspannung zu erreichen.
Mehr dazu im Kasten: Anmerkungen zum LM358 mit Klasse-B-Endstufe.
Messungen am Klasse-B-Verstärker
Um die Schaltung des Klasse-B-Verstärkers in Bild 2 zu verstehen, ist es am besten, zu messen. Unsere Messschaltung ist im Kasten Verstärker untersuchen dargestellt.
Eigentlich müssten wir folgende Spannungen untersuchen:
- die Eingangsspannung,
- die Spannung an den Basen der Ausgangstransistoren,
- die Spannung an den Emittern der Ausgangstransistoren und
- die Ausgangsspannung.
Das ist mit einem üblichen Oszilloskop nicht möglich. Wir beschränken uns auf die Eingangsspannung sowie auf die Spannungen an den Basen oder Emittern der Ausgangstransistoren.
Die Spannung an den Emittern enthält die Wechselspannung am Ausgang.
Wir messen immer mit einem Lastwiderstand von 16 Ω.
Im Oszillogramm sind für jeden Kanal einige Werte eingeblendet:
- die minimale Spannung Umin,
- die maximale Spannung Umax,
- die Spitze-zu-Spitze-Spannung Uss als Maß für die Wechselspannung und
- die mittlere Spannung Um, den Gleichspannungsanteil.
Der gelbe Kanal ist die Eingangsspannung und der blaue die Basis- oder Emitterspannung.
Die Kanäle sind um 2,5 V, den Gleichspannungsanteil, nach unten verschoben (rotes Dreieck mit 2, links unten). Dadurch sind die Wechselspannungsanteile gut zu erkennen. Die tatsächlichen Werte sind rechts eingeblendet.
Verstärker untersuchen
Wir messen die Spannungen am Verstärker mit dem Oszilloskop und verwenden unsere bewährte Testschaltung mit Sinusgenerator.
Als Koppelkondensatoren verwenden wir C1 = 100 µF und C2 = 1000 µF.
Normale Eingangsspannung
Wenn wir eine Wechselspannung an den Eingang legen, erhalten wir am Ausgang die gleiche Spannung.
Bild 3 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) und die Spannung an den Emittern der Ausgangstransistoren (blau).
- Die Gleichspannung am Eingang beträgt UE+ = Um = 2,54 V.
- Die Gleichspannung an den Emittern ist Uee = Um = 2,54 V, entspricht also der Eingangsspannung.
- Ebenso sieht es mit der Wechselspannung mit 2,00Vss am Eingang und 1,98Vss an den Emittern aus. Die Abweichung liegt bei 1 %.
- Der Verstärker mit Klasse-B-Endstufe hat also bei normaler Eingangsspannung die erwartete Verstärkung von 1, selbst bei Belastung mit 16 Ω.
Spannung an den Basen bei normaler Eingangsspannung
Bild 4 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) und die Spannung an den Basen der Ausgangstransistoren (blau).
Wir vergleichen die Bilder 3 und 4.
- Die Basisspannung in Bild 4 weist beim Nulldurchgang der Eingangsspannung hohe Sprünge auf.
- In Bild 3 ist die maximale Spannung an den Emittern Ueemax = 3,54 V.
- In Bild 4 ist die maximale Spannung an den Basen Ubbmax = 4,24 V.
- Die Spannung an den Basen ist um Ubbmax - Ueemax = 4,24 V - 3,54 V = 0,7 V höher, was der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors entspricht.
- Bei positiver Eingangsspannung liegt die Basisspannung um 0,7 V höher als die Emitterspannung, d. h., der NPN-Transistor Q1 leitet.
- Bei negativer Eingangsspannung liegt die Basisspannung um 0,7 V niedriger als die Emitterspannung und der PNP-Transistor Q2 leitet.
- Es ist deutlich zu sehen, dass die beiden Transistoren wechselseitig leiten.
- Die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren führt beim Nulldurchgang zu Sprüngen.
Hohe Eingangsspannung
Bild 5 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) und die Spannung an den Emittern der Ausgangstransistoren (blau).
- Die maximale Spannung an den Emittern ist Ueemax = 3,62 V.
- Die Ausgangsspannung ist um Uv - Ueemax = 5 V - 3,62 V = 1,38 V geringer als die Betriebsspannung.
- Die minimale Spannung an den Emittern ist Ueemin = 1,48 V.
Eine Ursache ist unter anderem die Basis-Emitter-Spannung der Ausgangstransistoren. Dies wird in Bild 6 deutlich.
Spannung an den Basen bei hoher Eingangsspannung
Bild 6 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) und die Spannung an den Basen der Ausgangstransistoren (blau).
- Die maximale Spannung an den Basen beträgt Ubbmax = 4,30 V.
- Die Ausgangsspannung ist um Uv - Ubbmax = 5 V - 4,3 V = 0,7 V geringer als die Betriebsspannung.
- Die minimale Spannung an den Basen beträgt Ubbmin = 0,78 V.
Die Spannung an den Basen der Ausgangstransistoren entspricht der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers LM358. Dieser kann offensichtlich maximal 4,30 V und minimal 0,78 V liefern.
- Der Operationsverstärker LM358 kann offensichtlich nicht die maximal mögliche Ausgangsspannung von 5 V und die minimal mögliche Spannung von 0 V liefern.
Da die Ausgangstransistoren noch eine Basisspannung von 0,7 V benötigen, können die Emitterfolger Q1 und Q2 an den Emittern keine Spannung unter 1,48 V und über 4,30 V liefern.
Mehr dazu im Kasten: Anmerkungen zum LM358 mit Klasse-B-Endstufe.
Klasse-B-Verstärker für Wechselspannung mit Verstärkung 2
Bild 7 zeigt, wie eine Verstärkung einer Wechselspannung über 1 eingestellt werden kann.
Die Verstärkung ist V = (R3 + R4) / R4 = (10 kΩ + 10 kΩ) / 10 kΩ = 2.
Durch Anpassung von R3 und R4 kann eine andere Verstärkung eingestellt werden.
Mit R3 = 20 kΩ und R4 = 10 kΩ ist beispielsweise eine Verstärkung von 3 möglich.
Anmerkungen zum LM358 mit Klasse-B-Endstufe
Die Schaltung des Verstärkers in den Bildern 2 und 7 bedarf einer Erklärung.
1. Der Basis-Kollektor-Widerstand am NPN-Transistor
2. Die Wirkung hoher Eingangsspannungen
Basis-Kollektor-Widerstand am NPN-Transistor
Bild 8 zeigt die Spannung am +-Eingang des Operationsverstärkers (gelb) sowie die Spannung an den Emittern der Ausgangstransistoren (blau).
Zum Vergleich betrachten wir die Bilder 3 und 8:
- In Bild 3 beträgt die maximale Spannung an den Emittern Ueemax = 3,54 V.
- In Bild 8 beträgt Ueemax = 3,16 V.
- Ohne den Widerstand Rp verringert sich die maximal mögliche positive Ausgangsspannung.
Die Ursache ist der LM358, der keine höhere Ausgangsspannung als Uv - 2 V = 5 V - 2 V = 3 V abgeben kann. Durch Rp kann am LM358 eine höhere Ausgangsspannung erreicht werden.
- Die Ströme sind in Bild 9 nicht gleichmäßig, sondern logarithmisch eingetragen.
- Das Diagramm bezieht sich auf eine Betriebsspannung von Uv = UV+ = 5 V und dass der Anschluss V- an 0 V liegt.
Bild 9 zeigt die Ausgangsspannung des LM358 bei Belastung:
- Die maximale Ausgangsspannung ist vom Laststrom abhängig und liegt im Mittel bei 3,7 V, also 1,3 V unter 5 V. Die oben genannten 2 V werden vom Hersteller garantiert, die 1,3 V treten im Mittel auf.
Insbesondere interessiert uns die Kennlinie (rot) für den Widerstand Rp = 3 kΩ an 5 V.
Unsere Schaltung in Bild 2 beinhaltet den Widerstand Rp = 3 kΩ. Durch diesen Widerstand kann am Ausgang des LM358 eine Spannung von über 3 V erreicht werden.
In Bild 9 entspricht der Widerstand Rp einem Widerstand an 5 V. In Bild 9 ist die Kennlinie für den Widerstand 3 kΩ an 5 V rot eingetragen.
Der Basisstrom für den NPN-Transistor Q1 liegt bei etwa 0,1 mA. Dies entspricht dem Laststrom für den LM358 mit dem Widerstand Rp.
In Bild 8 oben links ist zu sehen, dass bei 0,1 mA eine Ausgangsspannung von 4,3 V möglich ist.
Der Strom von der +5 V-Versorgung über den Widerstand Rp muss vom LM358 als Senkenstrom verarbeitet werden. Damit ist eine minimale Ausgangsspannung von etwa 0,8 V möglich. (Die rote Kennlinie schneidet die schwarze bei 0,8 V.)
Durch den Widerstand Rp ergibt sich eine Ausgangsspannung zwischen 0,8 V und 4,3 V. Dies deckt sich mit den Messungen in Bild 6.
Die Wirkung hoher Eingangsspannungen
Der LM358 darf mit Eingangsspannungen zwischen UV- - 0,3 V und UV+ betrieben werden, ohne dabei beschädigt zu werden. In unseren Schaltungen bedeutet das, dass die Eingangsspannungen zwischen -0,3 V und 5 V liegen dürfen.
Allerdings sollten die Eingangsspannungen nicht UV+ - 2,0 V hinausgehen, damit der LM358 ordnungsgemäß funktioniert. In unserem Fall sollte die Eingangsspannung beispielsweise nicht über 3 V liegen.
Bei unseren Messungen mit hoher Eingangsspannung haben wir z. B. in Bild 5 eine Eingangsspannung, die zwischen Umin = 0,52 V und Umax = 4,08 V liegt. Das Oszillogramm in Bild 5 könnte in diesem Fall irreführend sein, da die Eingangsspannung von 4,08 V über 3 V liegt.
Bild 10 zeigt das Oszillogramm des Verstärkers aus Bild 9 mit einer Verstärkung von 3: R3 = 20 kΩ und R4 = 10 kΩ.
- Die maximale Eingangsspannung (gelb) ist UEin+max = 2,98 V.
- Die minimale Eingangsspannung beträgt UEin+min = 2,12 V.
- Die Eingangsspannung liegt also im erlaubten Spannungsbereich.
- Die Ausgangsspannung (blau) wird auf 1,5 V und 3,62 V ≃ 5 V - 1,5 V begrenzt.
Beispiel eines Klasse-B-Verstärkers mit Operationsverstärker
- Die Schaltung des Klasse-B-Verstärkers in den Bildern 2 und 7 ist keineswegs ideal. Sie demonstriert jedoch das Verhalten eines Klasse-B-Verstärkers.
- Die Verstärkung der Gleichspannung ist in beiden Schaltungen 1, d. h. die Spannung am +-Eingang UEin+ = Uv / 2 = 2,5 V ist auch die mittlere Spannung am Ausgang Uee = UEin+ = 2,5 V.
- Mithilfe des Operationsverstärkers wird die mittlere Ausgangsspannung genau auf die halbe Betriebsspannung eingestellt. Dies stellt den optimalen Arbeitspunkt eines Klasse-B-Verstärkers dar.
- Die Verstärkung für die Wechselspannung wird unabhängig von der Gleichspannungsverstärkung durch einen nur für Wechselspannung wirkenden Widerstand R4 eingestellt (über C3).
Zusammenfassung
Ein Klasse-B-Verstärker mit Operationsverstärker hat folgende Eigenschaften:
- In den Ausgangstransistoren fließt ein Strom, der proportional zur Eingangsspannung ist.
- Dies ist während der positiven Halbwelle im NPN-Transistor und
- während der negativen Halbwelle im PNP-Transistor der Fall.
- Die im Verstärker abfallende Leistung verteilt sich auf zwei Transistoren.
- Die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren führt beim Nulldurchgang zu Sprüngen.
- Die Basis-Emitter-Spannung der Ausgangstransistoren verringert die maximal mögliche Ausgangsspannung.
- Die Begrenzungen durch den Operationsverstärker summieren sich.