Please read the start blog first. This blog explains the 'common mode feedback' aspect in the circuit. A simple BJT bread board circuit is build and some measurements are taken. The 'common mode feedback' makes the output X3 X4 floating and creates an 'anode coupled' differential amp characteristic for Q3 Q4.
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Um die Zusammenschaltung von katodengekoppeltem- und anodengekoppeltem Differenzverstärker zu verstehen, habe ich mal die folgende Experimentier-Schaltung mit Bipolar-Transistoren aufgebaut:
So lässt sich leicht die Funktionsweise nachvollziehen und überprüfen. Mit den im folgenden gegebenen Werten erhält man eine Verstärkung von 20dB. Die Betriebsspannung VCC = 24VDC ermöglicht line Pegel an den Ausgängen X3 und X4.
Widerstände:
R01 = 2K2Ω
R02 = 2K2Ω
R03 = 1MΩ
R04 = 6K8Ω
R05 = 1MΩ
R06 = 820Ω
R07 = 820Ω
R08 = 100KΩ
R09 = 100KΩ
R10 = 200Ω
R11 = 200Ω
R12 = 3K9Ω
R13 = 100KΩ
R14 = 100KΩ
R15 = 100KΩ
R16 = 2K2Ω
R17 = 2K2Ω
R18 = 100KΩ
R19 = 4K7Ω
Kondensatoren:
C1 = 47µF 63VDC Pluspol an Vcc
C2 = 1µF 63VDC Minuspol an X1
C3 = 1µF 63VDC Minuspol an X2
C4 = 1µF 63VDC Pluspol an Q1
C5 = 1µF 63VDC Pluspol an Q2
C6 = 100µF 25VDC Minuspol an GND
C7 = 47µF 16VDC Minuspol an X3
C8 = 47µF 16VDC Minuspol an X4
C9 = 220µF 10VDC Minuspol an GND
Dioden:
D1 = 1N4148
D2 = 1N4148
Transistoren:
Q1 = BC547C
Q2 = BC547C
Q3 = BC547C
Q4 = BC547C
Kurze Funktionsbeschreibung der Bauelemente im einzelnen:
Widerstände:
R1,R2_Arbeitswiderstände für die Differenzverstärker Transistoren Q1,Q2.
R10,R11_Stromgegenkopplungswiderstände für die Transistoren Q1,Q2. Durch ihr Widerstandsverhältnis zu den Arbeitswiderständen wird die Verstärkungsziffer, hier 20dB, festegelgt. Sie halten die Arbeitssteilheit von Q3,Q4 konstant.
R16,R17_Arbeitswiderstände für die Differenzverstärker Transistoren Q3,Q4.
R3,R5,R15,R19_laden die Koppelkondensatoren auf und ziehen die Anschlüsse X1,X2,X3,X4 großsignalmässig auf GND.
R4,R12,R19_teilen die Betriebsspannung Vcc in Spannungen zur Arbeitspunkteinstellung der Differenzverstärker.
R8,R9_Entkoppeln kleinsignalmässig die Basen von der Gleichspannung an C6. R13,14_Entkoppeln kleinsignalmässig die Basen von der Gleichspannung an C9.
R6,R7_Begrenzungs- und Schwingschutzwiderstände für die Basen von Q1,Q2.
Kondensatoren:
C1_Betriebsspannungsblock
C2,C3,C7,C8_Koppelkondensatoren
C6_Referenzspannungsblock
C9_Referenzspannungsblock
C4_Koppelkondensator, verbindet kleinsignalmässig Collektor von Q1 mit Basis von Q3.
C5_Koppelkondensator, verbindet kleinsignalmässig Collektor von Q2 mit Basis von Q4.
Dioden:
D1,D2_begrenzen mit R6,R7 die Eingangsspannung, verhindern das Zenern der Basis-Emitterdioden von Q1,Q2.
Transistoren:
Q1,Q2_Dieses Differenzverstärker Paar wird in Analogie zum katodengekoppelten Differenzverstärker im weiteren Text entsprechend bezeichnet.
Q3,Q4_Dieses Differenzverstärker Paar wird in Analogie zum anodengekoppelten Differenzverstärker im weiteren Text entsprechend bezeichnet.
Noch ein paar grundlegende, allgemeine Bemerkungen zum Differenzverstärker.
Ein Differenzverstärker ist dadurch gekennzeichnet, dass seine Differenzverstärkung größer als seine Summenverstärkung ist. Im Idealfall gibt es dann nur noch Differenzverstärkung. Dies wird durch die Verkopplung beider Differenzverstärkerzweige erreicht. Das Summensignal darf idealerweise auch keine Stromänderung in den Differenzverstärkerzweigen hervorrufen können. Dazu bedarf es, sofern die Differenzverstärkerzweige nicht komplementär aufgebaut sind, neben den beiden Röhren- oder Transistorstufen noch einer, wie auch immer gearteten, "Stromquelle". Diese stellt den Strom bereit der sich auf die beiden Stufen, der Ansteuerung entsprechend, verteilt. Kleinsignalmäßig hängt die Symmetrie der Ausgangsspannung zu GND von der Symmetrie der Arbeitswiderstände ab, jedoch nicht davon ob elektrisch gleichwertige Transistoren oder Röhren in den beiden Zweigen verwendet werden. Das spielt erst eine Rolle, wenn die reale "Stromquelle" einen zu niedrigen Innenwiderstand bekommt.
Die Komplementäre Schaltungstechnik ermöglicht die Verkopplung beider Zweige des Differenzverstärkers ohne die separate "Stromquelle". Ein Komplementärer Differenzverstärker wird beispielsweise beim UVB verwendet; Q10 und Q2 bilden seine komplementären Differenzverstärkerzweige, hier in asymmetrischer Ausführung.
Die Zusammenschaltung des anoden- und katodengekoppelten Differenzverstärkers lässt,
infolge der Gleichtaktverkopplung*,
die separaten "Stromquellen" entfallen, die sonnst, für beide Differenzverstärker alleinstehend, nötig wären.
Messungen an der Schaltung:
Großsignal
Im folgenden Bild habe ich die mit dem Digitalmultimeter (Ri=10MΩ) gemessenen Gleichspannungen eingetragen.
Für die größtmögliche Aussteuerbarkeit, soll dabei je ≈¼ der Betriebsspannung an den Transistoren und den Arbeitswiderständen abfallen. Dementsprechend sind die Teilerwiderstände R4, R12 und R19 dimensioniert. Wenn R11 kurzgeschlossen wird, liegen am Collector von Q1 20VDC und am Collector von Q2 16VDC. Die Stromverstärkung der Transistoren liegt bei B ≈ 500.
Kleinsignal
Messung des Eingangswiderstandes rEasym der Schaltung:
5.00 Eingangssignal Sinus von 1KHz -20dBu, das entspricht 200mVpp an X1, dabei X2 kurzschließen. Ausgangsspannung an X3, X4 messen. -14dBu, also 400mVpp über Widerstand an X1, Widerstandswert für gleiche Ausgangsspannung ausprüfen.
Der ausgeprüfte Widerstandswert beträgt 56KΩ. Der gleiche Wert ergibt sich für X2 bei Kurzschluss von X1.
Errechneter Wert
rEasym = R3 II R9 II hfe x (R10 + 1/s)
rEasym = 1MΩ II 100KΩ II 500 x (200Ω + 15Ω)
rEasym = 1MΩ II 100KΩ II 108KΩ = 49KΩ
Der Eingangswiderstand rEasym beträgt ≈ 50KΩ.
Tipp:
Die Eingangskapazität ist dann am geringsten, wenn die beiden Differenzverstärker asymmetrisch betrieben werden und der in Phase zum Eingang liegende Ausgang verwendet wird. Im Klartext, wenn X1 Eingang ist, werden X2 und X3 geerdet und X4 als Ausgang verwendet. Der Signalweg Emitterfolger → Basisverstärker (mit lokaler Gegenkopplung) → Emitterfolger bietet eine sehr breitbandige und schnelle Verstärkertopologie. Sie wird in komplementär Form deshalb beim Universal Video Board verwendet.
Messung des Ausgangswiderstandes der Schaltung
6.oo Ausgangswiderstand zwischen den Emittern ree von Q3 und Q4:
Sinus von 1KHz -46dBu am Eingang einspeisen. Belastungswiderstand am Ausgang X3-X4 so ausprüfen, dass der Pegel auf die Hälfte einbricht. Der ausgeürpfte Widerstand ree beträgt 30Ω.
Bei der Messung ist es gleichgültig ob sie symmetrisch also zwischen den beiden Ausgängen X3-X4 oder asymmetrisch, also ein Ausgang an GND, der andere Ausgang an die Last, durchgeführt wird.
Berechnung des Ausgangswiderstandes entsprechend 4.01
6.01 Die Steilheit s = Ie/UT
Ie = 6VDC/2K2Ω = 2,7mA Emitterstrom
UT = 40mV Temperaturspannung Silizium
s = 2,7mA/40mV = 68mA/V
1/s = 15Ω
6.02 ree = 2/s = 30Ω
7.00 Ausgangswiderstand rkm an X3 wenn X4 offen ist und umgekehrt:
Sinus von 1KHz -20dBu am Eingang einspeisen. Belastungswiderstand am Ausgang X3 so ausprüfen, dass der Pegel auf die Hälfte einbricht. Dabei bleibt X4 offen. Der ausgeprüfte Wert für rkm beträgt 560Ω. Der gleiche Wert ergibt sich bei der Messung an X4 bei offenem X3.
Berechnung analog zu 4.05
Rages = R1 II R2 = 1K1Ω
Rkges = R15 II R16 II R17 II R18 = 1K1Ω
rkm = (Rages + 1/s) II Rkges
rkm = ( 1K1Ω + 15Ω) II 1K1Ω
rkm = 554Ω
8.00 Die folgende Messung zeigt, dass der Ausgang floaten kann:
Sinus von 1KHz -6dBu (das entspricht 1Vpp) an den Ausgang X3 anklemmen. Eingänge werden dabei kurzgeschlossen. Das Signal welches an X3 eingespeist wird, kommt an X4 heraus. Gleiches auch umgekehrt also Signal an X4 kommt bei X3 heraus.
Das gilt natürlich auch für Applikationen mit FET's und Elektronenröhren.
Speziell beim Gegentakttreiber mit Röhrenbestückung bekommt man die im Startblog erklärten Eigenschaften, die einen deutlichen technischen Fortschritt gegenüber dem 'Stand der Technik' bieten.
Wird fortgesetzt ...
(23.08.2009) Reaktionen auf diesen Blog in Foren, es darf gelacht werden:
"Das ELKO": Versuch einer Foren-Diskussion zum blog. Achtung, der Thread besteht inzwischen aus mehreren Seiten, die Ihr oben rechts auswählen könnt. Inzwischen habe ich den Eindruck, dass die Leute mit der Thematik hoffnungslos überfordert sind. Grund: Auf der Suche nach einem Grundlagen Hyperlink zum Thema Differenzverstärker, bin ich auf diese Seite (Abruf 16.07.09) gestoßen. Dort behauptete man, der Differenzverstärker sei die Grundschaltung des Operationsverstärkers und zeigt im Bild einen Gegentaktverstärker. Dieser musste dann für die Erklärung des Differenzverstärkers herhalten. Etwas dezenter versuchte ich das im zugehörigen Forum anzusprechen. Offenbar nicht weil man es verstanden hat, sondern um mein "Weltbild nicht ins Wanken zu bringen", hat man sich im 2. Versuch (Abruf 22.07.09) immerhin schon zum LTP durchgerungen. Auf meine Frage, ob denn der Unterscheid zwischen Differenz- und Gegentaktverstärker bekannt sei, blieb man mir die Antwort schuldig. Konsequenterweise schafft man es auch nicht CMRR für den Gegentaktverstärker anzugeben. 5. Seite im Thread Nur logisch, wenn man die Erklärung zur Gleichtaktunterdrückung aus dem 3.Versuch (Abruf 18.08.2009) liest. Übrigens: Da beim Gegentaktverstärker Differenz- und Summenverstärkung (im Idealfall) betragsgleich sind, ist der Quotient 'CMRR' dann gleich Eins. Ob diese Kritik die Macher vom selbst ernannten 'Elektronik Kompendium' zum Um-denken anregt? Nach fünf Seiten (!) Diskussion und den Anfeindungen im Forum, habe ich da wenig Hoffnung.
*www.ebmule.de: Herrlich, die Reaktion des Herrn Ing. ..., der am Verständnis der Gleichtaktverkopplung zwischen den Differenzverstärker-Röhrenstufen zerbricht. http://www.ebmule.de/printthread.php?tid=1147
Zitat vom 27.07.09 20:43 :"... Deine Irrsinnige Gleichtaktverkopplung zwischen den Röhren existiert nur in Deinem Kopf. Rein technisch ist die Verbindung zwischen den Röhren kalt. Man kann sie problemlos wechselspannungsmäßig erden, ohne daß sich auch nur ein Jota an der Funktion ändert. ..."Zitat Ende.
Hatte er doch, siehe Startblock unten, die Anordnung für sich verbuchen wollen. Der Thread steht in der Fassung vom 06.08.2009 als pdf-Kopie zur Verfügung und kann auf Anfrage privat zugesandt werden.
Letzte Bearbeitung am 03.September 2009 (Text ebmule hifi-portal)
Der folgende blog behandelt die Schutzmaßnahmen in der Endstufe.
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