Gegentaktverstärker

CMOS-Inverter

Gegentakt bedeutet allgemein: Der eine tut etwas, während der andere es nicht tut. In der Schaltungstechnik bezeichnet Gegentakt(end)stufe eine Anordnung, bei der zwei Bauteile in entgegengesetzter Weise arbeiten aber jeweils nur einer von beiden aktiv ist (engl. push-pull). Die höchste Verbreitung hat das Prinzip bei Transistorschaltungen. Das Bild rechts zeigt eine CMOS-Inverterlogik. Hat der Eingang High-Potenzial, leitet der untere Transistor und der obere sperrt. Bei Low-Potenzial leitet der obere Transistor und der untere sperrt.

Typische Anwendungen sind:

• Audio-Verstärker
• Spannungswandler, wie der Gegentaktdurchflusswandler
• Leistungsverstärker in der Hochfrequenztechnik (Sender)
• Augsgangstreiber in der Digitaltechnik

Ein Arbeitswiderstand o.ä. ist bei der Gegentaktschaltung nicht erforderlich, wodurch ein deutlich höherer Wirkungsgrad erreicht wird und damit bei Leistungsverstärkern einen wesentlichen Vorteil gegenüber „Eintaktschaltungen“ bietet.

Eine spezielle Form der Gegentaktstufe ist die H-Brücke/Brückenschaltung. Diese bietet den Vorzug, dass sich trotz einer unipolaren Spannungsversorgung sowohl positive als auch negative Spannung ausgeben lässt.

Komplementärendstufe

Eisenlose Endstufe mit Komplementär-Transistoren

Das Bild zeigt die Grundschaltung einer Komplementärendstufe mit Eintaktansteuerung und unsymmetrischer Betriebsspannung. Von Vorteil ist hier, dass die gleichstrommäßige Reihenschaltung der Transistoren Q4 und Q5 die teuren Transformatoren überflüssig macht (eisenlose Endstufe). Es ist jedoch eine Basisvorspannung für die Endstufentransistoren notwendig, um die Übernahmeverzerrungen zu minimieren, was mit den beiden Dioden D1 und D2 erfolgt. Werden diese Dioden wärmeleitend mit den Transistoren verbunden, ändert sich die Flussspannung der Dioden in gleichem Maße wie die der Basis-Emitter-Strecken der Transistoren, was eine Arbeitspunktveränderung weitgehend kompensiert (Temperaturkompensation). Sowohl Q4 als auch Q5 leiten gerade noch keinen Ruhestrom, es liegt B-Betrieb vor.

Schaltungsbeschreibung: R1=100 kΩ und R2=20 kΩ sorgen dafür, dass sich am Verbindungspunkt eine Spannung von 3,3 V einstellt. Q1 und Q2 bilden einen Differenzverstärker, der den Bruchteil R7/(R7+R8) der Ausgangsspannung mit diesen 3,3 V vergleicht und jede Abweichung sofort zum Anlass nimmt, über Q3 gegenzusteuern. Die Ausgangsspannung an der Verbindung von Q4 und Q5 soll die halbe Betriebsspannung betragen, damit der Aussteuerbereich nach oben und unten symmetrisch ist. Damit folgen die Werte R7=20 kΩ und R8=40 kΩ.

Damit durch den Lautsprecher nicht ständig Gleichstrom fließt, der ihn selbst und Q4 erhitzen würde, wird ein Elko von etwa 1000 µF in Reihe gelegt.

Wenn nun die Eingangsspannung um 1 V steigt, muss die Ausgangsspannung um 3 V steigen, damit der Differenzverstärker aufhört, über Q3 nachzusteuern. Die Schaltung verstärkt also die Spannung um den Faktor 3. Wenn die Eingangsspannung um 1 V ansteigt, muss die Signalquelle 1 V/20 kΩ=50 µA liefern. Q4 bzw. Q5 können aber sicher 10.000-mal mehr Strom aus dem Netzteil zum Lautsprecher leiten, also wird die Steuerleistung am Eingang 30.000-fach verstärkt.

Diese Innenschaltung ist mit geringen Modifikationen in vielen ICs zu finden, die alles enthalten außer den beiden Kondensatoren. Bei 20 V Betriebsspannung kann die Ausgangsspannung maximal 10 V nach oben oder unten vom Mittelwert abweichen, das entspricht einer Effektivspannung von 7,1 V. Bei einem 4-Ohm-Lautsprecher beträgt dann die Maximalleistung 12,5 W. In der Praxis muss man noch knapp 1 V pro Leistungstransistor subtrahieren und kann dann mit 10 W rechnen.

Schaltungplan der Quasi-Komplementärendstufe

Quasi-Komplementärendstufe

Die Quasi-Komplementärendstufe besteht nur aus NPN-Transistoren. T2 und T3 (Bild rechts) bilden die Ausgangsstufe, wobei T2 als Kollektorschaltung und T3 in Emitterschaltung arbeitet. T1 dient als Treiber. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass kein NPN-PNP-Komplementärtyp mit identischen elektrischen Parametern erforderlich ist.

Gegentakt-Endstufe mit Transformator

Gegentakt-B-Endstufe mit zwei npn-Transistoren

Das Bild rechts zeigt eine Grundschaltung einer Gegentakt-B-Endstufe mit zwei npn-Transistoren, Gegentaktansteuerung durch Eingangstransformator und symmetrischem Ausgangstransformator, der beide Halbwellen wieder zusammensetzt. Dieser Schaltungstyp ist heute besonders bei Röhrenendstufen verbreitet.

Mit dem Basisspannungsteiler R1/R2 wird der Arbeitspunkt eingestellt: Die Spannung an R1 darf bei Siliziumtransistoren 0,55 V nicht überschreiten, sonst steigt der Ruhestrom stark an und die Transistoren können überhitzen. Die Arbeitskennlinie jeder Hälfte ist S-förmig. Die Kennlinie des Gegentaktverstärkers ergibt bei grafischer Addition eine zweifach S-förmige Kennlinie, woraus sich durch Fouriertransformation ein breites Oberwellenspektrum mit Dominanz der ungeradzahligen Oberwellen ergibt. Da die Gesamtschaltung durch keine Gegenkopplung linearisiert wird, ist mit Verzerrungen zu rechnen.

Digitaltechnik

Schematisches Innenleben eines digitalen ICs

Insbesondere TTL-Gatter benutzen die Totem-Pole-Schaltung als Ausgangsstufe. Der Aufbau entspricht einer Quasikomplementärendstufe und wurde auf kurze Schaltzeiten optimiert. Die CMOS-Technik hat TTL heute weitgehend verdrängt und arbeitet ausschließlich mit Komplementär-Transistoren.

→ Hauptartikel: Totem-Pole-Ausgang

Siehe auch

• Verstärker
• Operationsverstärker
• Endstufe (Elektrotechnik)

Weblinks

• Definition nach elektroniknet.de
• Definition nach IT Wissen
• Das ELektronik-KOmpendium
• Schaltungsanalyse einer Komplementär-Endstufe