CH619084A5 - Method for rapid setting of the operating range of a transistor amplifier - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Einstellung des Arbeitsbereiches eines Transistorverstärkers mit einer an- und abschaltbaren als Gleichstromgegenkopplung ausgebildeten Anfangswerteinstellung unter Verwendung einer Speicherschaltung und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt bei einem Transistorverstärker, insbesondere in dessen Ausgangsstufe, einen für den Betrieb der Endstufe optimalen Arbeitspunkt über eine Gleichstromgegenkopplung einzustellen. Da diese jedoch für die zu verarbeitenden Wechselspannungen unwirksam sein soll, werden Siebkondensatoren im Gleichstromgegenkopplungsweg verwendet. Dadurch ergibt sich der Nachteil, dass sich der Arbeitspunkt erst nach einer von der Grösse der Siebkondensatoren und der Widerstände im Gegenkopplungsweg abhängigen Zeit auf den gewünschten Wert einstellt.

In der in Fig. 1 gezeigten bekannten und allgemein üblichen

Transistorverstärkerschaltung besteht der Gleichstromgegenkopplungsweg für den Verstärker 1, dessen Verstärkung V0 ist, aus einem am Ausgang 7 angeschlossenen Spannungsteiler,

also einer Reihenschaltung aus den Widerständen 4 und 5, an deren Verbindungspunkt die für einen vorgegebenen Arbeitspunkt des Verstärkers 1 erforderliche Vorspannung abgegriffen und über ein Speicherelement 2 und einem Entkopplungswiderstand 3 dem Eingang 6 des Verstärkers zugeführt wird. In den Eingang 6 wird ausserdem die zu verstärkende Wechselspannung einer Signalquelle 10 über deren Innenwiderstand 9 eingespeist.

Infolge des Speicherelementes 2, hier einen Kondensators, ist der Gegenkopplungsfaktor k frequenzabhängig. Ist kD der Gegenkopplungsfaktor für Gleichstrom (f = 0), so ist k = ko/(l +jf/fgi) wobei fgi = 1/2 %ig und xg = Zeitkonstante der Gegenkopplung und damit der Arbeitspunkteinstellung ist.

Die Verstärkung eines gegengekoppelten Verstärkers ist:

V = Vo/(l-kV0).

Weit unterhalb der Grenzfrequenz für die Gegenkopplung fgi ist somit k«*ko und V«4/k0.

Wenn f = fgi so ist k auf ko/V~2 gefallen und die Verstärkung V auf V = V~2/ko gestiegen.

Bei f>fgi ist kHkofgi/f und V«*f/fgik0.

Für Frequenzen, die genügend weit oberhalb der unteren Grenzfrequenz für die Wechselstromverstärkung fg2 = V0kofgi, für die V = Vol^f 2 gilt, liegen, ist V = Vo.

Diese Zusammenhänge zeigt Fig. m der der normierte Gegenkopplungsfaktor k/ko und die normierte Verstärkung V/V„ in Abhängigkeit der Frequenz f jeweils in logarithmischem Massstab aufgetragen sind.

Der Verstärker wird normalerweise mit Frequenzen oberhalb f = fg2 betrieben. Beim Einschalten oder bei niederfrequenten Störungen der Speisespannung wirkt sich jedoch die lange Zeitkonstante xg der Gegenkopplung für die Arbeitspunkteinstellung nachteilig aus.

Aus der Analogrechentechnik ist es bekannt, die dort verwendeten Rechenverstärker, wie z. B. Integratoren, vor Beginn der eigentlichen Rechnung auf einen Anfangswert einzustellen. Diese Verstärker haben keinen festen Arbeitspunkt, sondern einen Arbeitsbereich, innerhalb dessen keine Übersteuerung des Ausgangssignals eintritt. Zur Einstellung des Anfangswertes, z. B. bei Integratoren, ist eine abschaltbare, als Gleichstromgegenkopplung ausgebildete Anfangswerteinstellung unter Verwendung eines Speicherelements, beispielsweise eines Kondensators, vorgesehen. Aus dem Buch A. Korn et al., «Electronic Analog and Hybrid Computers» McGraw-Hill Book Company (1972), S. 6 ist es z. B. aus Fig. 1 -3b bekannt, hierzu den Verbindungspunkt der Widerstände 4 und 5 (Fig. 1) über einen Verstärker, der zur Durchführung'der später erfolgenden mathematischen Operation benutzt wird, zunächst auf den gewünschten Anfangswert einzustellen. Diese Schaltung erfüllt zwar die Forderung nach schneller Anfangswerteinstellung, hat aber den schwerwiegenden Nachteil, dass bei Änderungen der Arbeitsbedingungen während des Betriebes der Verstärker aus seinem vorgesehenen Arbeitsbereich herausgesteuert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll ein Verfahren zur schnellen Einstellung des Arbeitsbereiches einen Transistorverstärkers der eingangs genannten Art angegeben werden, mit dem es möglich ist, beim Einschalten des Verstärkers und bei Unregelmässigkeiten in der Speisespannungsversorgung den Arbeitspunkt des Transistorverstärkers in einem Arbeitsbereich einzustellen, in welchem die Ausgangsspannung möglichst innerhalb einer Schwingungsperiode des zu verstärkenden Signals nahezu verzerrungsfrei abgreifbar ist. Ferner soll eine möglichst unaufwendige Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs kator 18 vorgesehen, der das Über- oder Unterschreiten des genannten Art dadurch gelöst, dass lediglich bei jedem Über- Arbeitsbereiches feststellt und der, im Prinzipschaltbild über und Unterschreiten des Arbeitsbereiches eine den Anfangs- die mit «Relais» bezeichnete Einheit 14 den Schalter 13 und wert korrigierende Gegenkopplung eingeschaltet wird. damit die einen Anfangswert einstellende Gegenkopplung

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung 5 schaltet.

des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeich- Der Indikator 18 enthält zweckmässigerweise zwei Schwel net, dass ein das Über- und Unterschreiten des Arbeitsberei- lenschaltungen, dessen eine bei jedem Überschreiten und des-ches feststellender, am Ausgang des Transistorverstärkers sen andere bei jedem Unterschreiten des Arbeitsbereiches die angeschlossener Indikator vorgesehen ist, der die den Anfangs- den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung einschaltet, wert einstellende Gegenkopplung schaltet i o Wie Fig. 4 zeigt, kann die Speicherschaltung 2 aus Fig. 3 in

Durch die Erfindung ist es nunmehr möglich, den Arbeits- einfacher Weise aus einem Kondensator 17 als Speichereiepunkt eines Transistorverstärkers nach seinem Einschalten und ment und einem Hilfsverstärker 16, beispielsweise einem auch bei Unregelmässigkeiten der Speisespannungsversorgung Stromverstärker (Spannungsfolger), bestehen, an dessen Aus-(durch beispielsweise Störungen) innerhalb einer Perioden- gang über den Entkopplungswiderstand 3 der Eingang des dauer des zu verstärkenden Wechselspannungssignals in einen 15 Transistorverstärkers 1 angeschlossen wird. Selbstverständlich praktisch verzerrungsfreien Arbeitsbereich des Transistorver- kann statt des Entkopplungswiderstandes 3 auch eine Impe-stärkers zu bringen. Sowohl beim Über- als auch beim Unter- danz mit hohem Wechselstromwiderstand verwendet werden, schreiten des Arbeitsbereiches wird die Lage des Arbeitspunk- Bei genügenden grossen Innenwiderstand des Hilfsverstärkers tes im Augenblick des Übersteuerns und somit mit maximaler 16 kann der Entkopplungswiderstand auch entfallen. Einstellgeschwindigkeit korrigiert. Der Verstärker kann mit 20 Fig. 5 zeigt ein detailliertes Ausführungsbeispiel gemäss der unterschiedlichen Betriebsspannungen und Betriebsströmen, Erfindung. Hier ist der Transistorverstärker 1 als Darlington-die auch eingeprägt sein können und sich zeitlich ändern dür- schaltung mit Vortransistor 32 und Lasttransistor 31 ausgebil-fen, betrieben werden. Er ist somit mit besonderem Vorteil in det. Die aus Fig. 3 bekannten Einheiten wurden in Fig. 5 mit durch Teilnehmeranschlussleitungen gespeisten Endstellen von gleichen Bezugszeichen versehen. Ferner wurde der Last-Fernmeldeanlagen verwendbar. 25 widerstand 30 des Transistorverstärkers ergänzt, der an eine

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Betriebsspannungsquelle 28 mit Störspannungsquelle 27 über Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angege- einen Schalter 29 angeschlossen ist. Die Darlingtonschaltung ben. Zur Feststellung der Über- und Unterschreitens des ist mittels eines Emitterwiderstandes 33 gegengekoppelt.

Arbeitsbereiches ist es vorteilhaft, den Indikator mit zwei Am Ausgang 7 des Transistorverstärkers ist ferner der Indi-

Schwellenschaltungen auszubilden, deren eine bei jedem Über- 30 kator 18 angeschlossen. Der Ausgang des Indikators 18 ist mit schreiten und deren andere bei jedem Unterschreiten des der Speicherschaltung 2 und der Ausgang des Speicherschal-

Arbeitsbereiches die den Anfangswert korrigierende Gegen- tung 2 über den Entkopplungswiderstand 3 mit dem Eingang 6 kopplung einschaltet. des Transistorverstärkers verbunden.

Eine einfache und betriebssichere Schaltungsanordnung für Der Indikator 18 enthält eine Serienschaltung eines ersten einen Indikator besteht in vorteilhafter Weise aus einem als 35 Widerstandes 23 mit einer Zenerdiode 24 und eine Serienschal-Darlingtonschaltung ausgebildeten Transistorverstärker, an tung einer Diode 25 und eines zweiten Widerstandes 26. Der dessen Ausgang der Indikator angeschlossen ist. Der Ausgang Verbindungspunkt des ersten Widerstandes 23 mit der Zener-des Indikators ist hierbei mit der Speicherschaltung und der diode 24 ist an den Basisanschluss eines ersten Transistors 21 Ausgang der Speicherschaltung direkt oder über einen Ent- und der Verbindungspunkt der Diode 25 mit dem zweiten kopplungswiderstand mit dem Eingang des Transistorverstär- 40 Widerstand 26 ist an den Basisanschluss eines zweiten Transi-kers verbunden. stors angeschlossen. Der Kollektor des ersten Transistors 21 ist

Wird die Speicherschaltung als Kondensator mit Hilfsver- mit dem Emitter des zweiten Transistors 23 und dem Ausgang stärker ausgebildet, so kann als Speicherelement ein Kondensa- des Indikators verbunden. Ferner ist der Emitter des ersten tor kleiner Kapazität verwendet werden. Der Transistorver- Transistors 21 und die jeweiligen freien Enden des Widerstan-stärker arbeitet dann trotzdem bis zu relativ niedrigen Fre- 45 des 23 und der Diode 25 mit dem einen Eingang und der Kollek-quenzen störungsfei. tor des zweiten Transistors 22 und die jeweiligen freien Enden

Die Erfindung wird nun anhand von in Figuren dargestell- der Zenerdiode 24 und des Widerstandes 26 mit dem anderen ten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Eingang des Indikators verbunden.

Fig. 3 Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäss Die Speicherschaltung 2 besteht aus dem Kondensator 17, der Erfindung 50 der parallel zum Ausgang des Indikators 18 liegt und einem als

Fig. 4 Beispiel einer Speicherschaltung Emitterfolger ausgebildeten Verstärker 16 mit Transistor 19

Fig. 5 Ausführungsbeispiel und Emitterwiderstand 20. In an sich bekannter Weise ist die

Fig. 6 Ausgangsspannung und Steuerspannung in Abhän- Basis des Transistors 19 der Eingang des Emitterfolgers und gigkeit von der Zeit der Emitter der Ausgang. Die Spannungsverstärkung des

Fig. 7 Integrierbares Ausführungsbeispiel 55 Emitterfolgers ist nahezu 1 und die Stromverstärkung etwa

In Fig. 3 ist das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanord- gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors 19.

nung gemäss der Erfindung dargestellt. Der Transistorverstär- Die Zenerdiode 24 des Indikators 18 bildet eine obere ker 1 erhält seine zu verstärkende Wechselspannung aus der Schwellenspannung, die in Fig. 6 mit U71 bezeichnet ist. Über-Signalquelle 10 über deren Innenwiderstand 9. Die Ausgangs- schreitet die Ausgangsspannung U7 am Ausgang 7 die obere Spannung liegt am Ausgang 7 des Verstärkers, von dem auch to Schwellenspannung U71, so fliesst ein Strom durch den Wider-die den Arbeitspunkt korrigierende Gegenkopplungsspannung stand 23. Die am Widerstand 23 auftretende Spannung steuert mittels der Spannungsteilerwiderstände 4 und 5 abgeleitet den Transistor 21 auf und der Kondensator 17 wird über den wird. Der Verbindungspunkt der Widerstände 4 und 5 ist über Lastwiderstand 30 und die Emitter-Kollektorstrecke des Traneinen von einer Einheit 14 steuerbaren Schalter mit einer sistors 21 geladen. Dadurch wird die Spannung am Ausgang Speicherschaltung 2 verbunden, deren gespeicherter Span- 65 des Verstärkers 16 und am Eingang 6 des Transistorverstärkers nungswert über einen Entkopplungswiderstand 3 mit dem Ein- 1 erhöht und damit auch der Strom im Transistorverstärker 1. gang des Transistorverstärkers 1 galvanisch verbunden ist. Als Folge davon sinkt die Spannung U? unter Un. In diesem Am Ausgang des Transistorverstärkers 1 ist ferner ein Indi- Fall schaltet also der Transistor 21 die Gegenkopplung zwi-

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sehen Ausgang 7 des Transistorverstärkers und Speicherschaltung 2.

Für die Feststellung des Unterschreitens einer unteren Schwellenspannung U72 sind eine Diode 25 mit Widerstand 26 und der Transistor 22 vorgesehen. Der Transistor ist normaler- 5 weise durch die leitend betriebene Diode 25 gesperrt (vergleiche Fig. 5). Beim Unterschreiten der unteren Schwellenspannung U72 wird jedoch die Diode 25 gesperrt und der Transistor 22 über den Widerstand 26 leitend geschaltet, so dass der Kondensator 17 soweit entladen wird, bis die Ausgangsspan- 10 nung U7 durch den infolge der absinkenden Kondensatorspannung des Kondensators 17 und des damit sinkenden Stroms durch den Verstärker 1 und den Lastwiderstand 30 wieder höher als die untere Schwellenspannung U72 wird und damit der Transistor 22 über die Diode 25 wieder gesperrt wird. 1 s

Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht der in Fig. 3 dargestellten. Sie sei am Beispiel einer zeitweise durch eine Wechselspannung U27 gestörten Betriebsspannung U28 anhand der Fig. 6 näher erläutert.

Zum Zeitpunkt t = 0 wird die Betriebsspannung U28 durch 20 den Schalter 29 eingeschaltet. Die Spannung U27 sei, wie die resultierende Betriebsspannung (U27+U28) in Zeile 3 der Fig. 6 zeigt, bis zum Zeitpunkt t2 nicht vorhanden. Über den Lastwiderstand 30 und den Transistor 21 wird der Kondensator 17 solange aufgeladen, bis die Ausgangsspannung Us des Verstär- 25 kers 16 (vergleiche Fig. 6, Zeile 2, Zeitspanne t = 0 bis t = ti)

eine ausreichende Spannung hat, um den Verstärker 1 aufzu-steuern.

Beim Zeitpunkt ti ist der Verstärker 1 aufgesteuert. Zusammen mit der jetzt verstärkten Wechselspannung übersteigt 30 aber die Ausgangsspannung U7 des Transistorverstärkers wieder die obere Schwellenspannung U71 und bewirkt jeweils zur Zeit der Spannungskuppen eine weitere Erhöhung der Spannung Us, so dass der Arbeitspunkt des Verstärkers 1 weiter verschoben wird in Richtung zur unteren Schwelle U72. 35

Zum Zeitpunkt t2 setzt nun die Störspannung U27 (vergleiche [U27+U28] in Zeile 3) ein, die die Spannung Us solange nicht beeinflusst, solange die Ausgangsspannung U7 nicht an der oberen oder an der unteren Schwellenspannung anstösst und somit durch den Indikator mit Schalter eine Korrektur bewirkt. Bei Erreichen der unteren Schwellenspannung U72 wird der Transistor 22 des Indikators leitend und korrigiert den Anfangswert (Spannung Us).

Zwar verursacht jede Amplitudenbegrenzung nichtlineare Verzerrungen. Diese treten jedoch praktisch nur im Störungsfall und kurz nach Schaltstössen auf. Sie sind folglich nur von vernachlässigbar kurzer Dauer. Im Ausführungsbeispiel mit Widerstand 30 = 1 kfì, Kondensator 17 = 2,2 (iF und Betriebsspannung 28 = 24 V wurde eine Einstellzeit ti<l ms ermittelt. Die Signalfrequenz war dabei 580 Hz.

Da die Schaltung keinen festen Arbeitspunkt hat, sondern lediglich einen durch die beiden durch die Spannungen U71 und U72 festgelegten Arbeitsbereich, der durch die Verwendung des Indikators optimal ausgenutzt wird, kann der Transistorverstärker 1 in vorteilhafter Weise mit unterschiedlichen oder zeitlich sich ändernden Betriebsspannungen und auch veränderlichen Einströmungen betrieben werden. Dieser Betrieb tritt z. B. dann auf, wenn der Transistorverstärker in einem von einer Teilnehmeranschlussleitung gespeisten Endgerät einer Fernmeldeanlage verwendet wird.

In Fig. 7 ist ein leicht integrierbares Ausführungsbeispiel eines Indikators 18 und einer Speicherschaltung 2 dargestellt. Da sich PNP-Transistoren mit hoher Stromverstärkung schlecht im integrierten Schaltkreis realisieren lassen, ist es zweckmässig, an ihrer Stelle Verbundtransistoren aus kleinflächigen PNP- und NPN-Transistoren zu verwenden. Aus diesem Grunde wurden die Transistoren 21 und 22 durch Verbundtransistoren ersetzt. Ferner sind statt einer Zenerdiode 24 mehrere in Flussrichtung betriebene Dioden 241...24 n vorgesehen. Der Widerstand 26 ist durch eine von einem durch einen Transistor 201 gesteuerte Einströmung mittels eines Transistors 261 ersetzt und die Diode 25 wird durch einen als Diode geschalte-nen Transistor 251 gebildet.

Die Funktionsweise dieses integrierbaren Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie die des in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

619084 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur schnellen Einstellung des Arbeitsbereiches eines Transistorverstärkers mit einer an- und abschaltbaren als Gleichstromgegenkopplung ausgebildeten Anfangswerteinstellung unter Verwendung einer Speicherschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich bei jedem Über- und Unterschreiten des Arbeitsbereiches eine den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung eingeschaltet wird.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Über-und Unterschreiten des Arbeitsbereiches feststellender, am Ausgang des Transistorverstärkers angeschlossener Indikator (18) vorgesehen ist, der die den Anfangswert einstellende Gegenkopplung schaltet.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator zwei Schwellenschaltungen enthält, dessen eine bei jedem Überschreiten und dessen andere bei jedem Unterschreiten des Arbeitsbereiches die den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung einschaltet.

4. Anordnung anch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator (18) eine Serienschaltung eines ersten Widerstandes (23) mit einer Zenerdiode (24) und eine Serienschaltung einer Diode (25) und eines zweiten Widerstandes (26) enthält, dass der Verbindungspunkt des ersten Widerstandes (23) mit der Zenerdiode (24) an den Basisanschluss eines ersten Transistors (21) und der Verbindungspunkt der Diode (25) mit dem zweiten Widerstand (26) an den Basisanschluss eines zweiten Transistors (22) angeschlossen ist, dass der Kollektor des ersten Transistors (21) mit dem Emitter des zweiten Transistors (22) und dem Ausgang des Indikators (18) verbunden ist und dass der Emitter des ersten Transistors (21) und die jeweiligen freien Enden des ersten Widerstandes (23) und der Diode (25) mit dem einen Eingang und der Kollektor des zweiten Transistors (22) und die jeweiligen freien Enden der Zenerdiode (24) und des zweiten Widerstandes (26) mit dem anderen Eingang des Indikators verbunden sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistorverstärker eine Darlingtonschaltung ist, an dessen Ausgang der Indikator (18) angeschlossen ist, dass der Ausgang des Indikators mit der Speicherschaltung und der Ausgang der Speicherschaltung direkt oder über einen Entkopplungswiderstand mit dem Eingang des Transistorverstärkers verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschaltung ein Kondensator mit Hilfsverstärker ist.