CH679717A5

CH679717A5 -

Info

Publication number: CH679717A5
Application number: CH4532/89A
Authority: CH
Inventors: Guido Fosco
Original assignee: Siemens Ag Albis
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1992-03-31
Also published as: NO176080B; DE4037219A1; NO905462D0; NO905462L; NO176080C; DE4037219C2

Description

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CH 679 717 A5 CH 679 717 A5

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Beschreibung description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zweistufen-Verstärker nach dem Oberbegrff des Patentanspruchs 1. The present invention relates to a two-stage amplifier according to the preamble of claim 1.

Schaltungen mit einem gegengekoppelten Operationsverstärker, in dessen Gegenkopplungszweig sich die Basis-Emitter-Strecke eines nachfolgenden Transistors befindet, weisen oft keine lineare Spannungs- oder Stromverstärkung auf. Insbesondere, wenn bei wechselnden Betriebszuständen des Transistors der Widerstand Rbe der Basis-Emitter-Strecke gegenüber den restlichen Widerständen des Gegenkopplungszweiges stark ändert, ergibt sich ein unlineares Übertragungsverhalten der Schaltungsanordnung. Circuits with a negative feedback operational amplifier, in the negative feedback branch of which is the base-emitter path of a subsequent transistor, often have no linear voltage or current gain. In particular, if the resistance Rbe of the base-emitter path changes significantly in relation to the remaining resistances of the negative feedback branch when the operating states of the transistor change, this results in a non-linear transmission behavior of the circuit arrangement.

Bei der in Fig. 1 gezeigten bekannten Schaltung wird ein in Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung betriebener Transistor T1 durch einen Operationsverstärker OV gesteuert, dessen Ausgang über einen Gegenkopplungswiderstand R2 mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, dem über einen Widerstand R1 die Eingangsspannung ue zugeführt wird. Im normalen Betriebszustand der Schaltung, d.h. falls der Widerstand Rbe sehr viel kleiner als der Gegenkopplungswiderstand R2 ist, wird die Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers OV durch das Verhältnis der Widerstände R1, R2 bestimmt. Falls die dem invertierenden Eingang zugeführten Signale negative Werte annehmen, ergeben sich am Ausgang des Operationsverstärkers OV positive Ausgangsspannungen ua, die den Transistor T1 sperren. Durch die sich ergebende Vergrösserung des Basis-Emitter-Widerstandes Rbe erhöht sich die Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers OV derart, dass die Ausgangsspannung ua bereits bei leicht negativen Eingangssignalen ue einen positiven Extremwert annimmt. Beim Verlauf des Eingangssignals vom negativen in den positiven Bereich entsteht dabei das Problem, dass schnell ansteigende Flanken nicht korrekt übertragen werden. Dies ergibt sich durch die Zeit, die die Schaltung benötigt, um in den linearen Betriebszustand zu gelangen. Insbesondere der Operationsverstärker OV benötigt Zeit, um die Ausgangsspannung ua vom positiven Extremwert zurück gegen Nullpotential zu steuern. Die zu übertragenden positiven Signalanteile des Einganssignals ue werden von der Schaltung folglich insbesondere bei stark ansteigenden Flanken nur unvollständig verarbeitet. In the known circuit shown in FIG. 1, a transistor T1 operated in an emitter circuit with negative current feedback is controlled by an operational amplifier OV, the output of which is connected via a negative feedback resistor R2 to the inverting input, to which the input voltage ue is supplied via a resistor R1. In the normal operating state of the circuit, i.e. if the resistance Rbe is very much smaller than the negative feedback resistance R2, the voltage gain of the operational amplifier OV is determined by the ratio of the resistors R1, R2. If the signals supplied to the inverting input assume negative values, positive output voltages, inter alia, result at the output of the operational amplifier OV and block the transistor T1. The resulting increase in the base-emitter resistance Rbe increases the voltage amplification of the operational amplifier OV in such a way that the output voltage, among other things, assumes a positive extreme value even with slightly negative input signals u. In the course of the input signal from the negative to the positive area, the problem arises that rapidly rising edges are not transmitted correctly. This results from the time it takes for the circuit to get into the linear operating state. In particular, the operational amplifier OV takes time to control the output voltage from the positive extreme value back to zero potential, among other things. The positive signal components of the input signal ue to be transmitted are consequently only incompletely processed by the circuit, particularly in the case of strongly rising edges.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schaltungsanordnung mit iinearisiertem Übertragungsverhalten anzugeben. The present invention is therefore based on the object of specifying such a circuit arrangement with linearized transmission behavior.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben. This object is achieved by the measures specified in the characterizing part of patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in further claims.

Der erfindungsgemässe Zweistufen-Verstärker weist folgende Vorteile auf: Die Linearisierung der Schaltung erfordert einen geringen zusätzlichen Schaltungsaufwand. Positive Eingangssignale werden ohne Verzerrungen übertragen. The two-stage amplifier according to the invention has the following advantages: The linearization of the circuit requires little additional circuitry. Positive input signals are transmitted without distortion.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigt: The invention is explained in more detail below with reference to drawings, for example. It shows:

Fig. 1 Einen bekannten Zweistufen-Verstärker Fig. 1 A known two-stage amplifier

Fig. 2 Den bekannten Zweistufenverstärker mit zuschaltbarer Diode und Spannungsquelle Fig. 2 The known two-stage amplifier with switchable diode and voltage source

Fig. 3 Eine erfindungsgemässe Schaltung mit einer elektronisch gesteuerten Batterie Fig. 3 An inventive circuit with an electronically controlled battery

Fig. 4 Zeitdiagramme für den Verlauf der Ein-gangsspannung und der Ausgangsspannungen der ersten und zweiten Verstärkerstufe in der Schaltung gemäss Fig. 2 in Abhängigkeit der Beschaltung 4 shows time diagrams for the course of the input voltage and the output voltages of the first and second amplifier stages in the circuit according to FIG. 2 as a function of the wiring

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung wurde einleitend beschrieben und entspricht der Schaltung gemäss Fig. 2, wenn die Schalter S1, S2 beide auf Position a gesetzt sind. Die Schalter S1, S2 dienen hier lediglich zur Erläuterung verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemässen Schaltung und werden in der praktischen Anwendung durch feste Verbindungen ersetzt. Fig. 4a zeigt den Spannungsverlauf einer an den Operationsverstärker OV angelegten Eingangsspannung ue, der Ausgangsspannung ua des Operationsverstärkers OV und der am Kollektor des Transistors T1 auftretenden Spannung Uk. Die am Widerstand R1 angelegte Eingangsspannung ue weist einen sägezahnförmi-gen Verlauf auf. Im Bereich negativer Eingangsspannungen ue ist der Operationsverstärker OV auf eine maximale Ausgangsspannung ua ausgesteuert. Nach dem Nulldurchgang des Eingangssignals ue nimmt die Ausgangsspannung ua erst nach einer Verzögerung von einigen Mikrosekunden zum Eingangssignal ue umgekehrt proportionale Werte an. Beim folgenden Nulldurchgang des Eingangssignals ue bzw. am Ende der positiven Halbwelle treten erst beim Unterschreiten der Schwellspannung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T1 Uniinearitäten auf. Die sich am Kollektor des Transistors T1 ergebenden Verläufe der Spannung Uk sind für alle Diagramme der Fig. 4 betrags-mässig proportional zu den negativen Signalanteilen der Spannung ua. The circuit shown in FIG. 1 has been described in the introduction and corresponds to the circuit according to FIG. 2 when the switches S1, S2 are both set to position a. The switches S1, S2 are used here only to explain various embodiments of the circuit according to the invention and are replaced in practice by fixed connections. 4a shows the voltage profile of an input voltage u applied to the operational amplifier OV, the output voltage, inter alia, of the operational amplifier OV and the voltage Uk occurring at the collector of the transistor T1. The input voltage u applied to the resistor R1 has a sawtooth shape. In the area of negative input voltages u, the operational amplifier OV is driven to a maximum output voltage, among other things. After the input signal ue has passed zero, the output voltage only takes on inversely proportional values after a delay of a few microseconds to the input signal ue. During the subsequent zero crossing of the input signal ue or at the end of the positive half-wave, uninearities only occur when the threshold voltage of the base-emitter path of the transistor T1 is undershot. The waveforms of the voltage Uk resulting at the collector of the transistor T1 are, for all diagrams in FIG. 4, proportional in terms of amount to the negative signal components of the voltage and others.

Falls in der Schaltung gemäss Fig. 2 der Schalter S1 auf Position b gesetzt wird, treten die in den Diagrammen von Fig. 4b gezeigten Spannungsverläufe auf. Durch das Zuschalten der Diode zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers OV wird die maximal mögliche positive Ausgangsspannung ua beim Auftreten von negativen Eingangsspannungen auf einige hundert mV beschränkt. Beim Übergang zu positiven Eingangssignalen ue benötigt der Operationsverstärker OV folglich kaum noch Zeit zur Rückführung der Ausgangsspannung ua aus einem Extrembereich sowie zur Stabilisierung. Die in Fig. 4b sichtbare restliche Unlinearität entsteht hauptsächlich durch die Verzögerung, welche bei der Rückführung der Transistorstufe in den normalen Arbeitsbereich eintritt. Zur Behebung dieser restlichen Unlinearität wird in Fig. 2 durch zusätzliches Setzen des Schalters S2 auf Position b eine Spannungs- If switch S1 is set to position b in the circuit according to FIG. 2, the voltage profiles shown in the diagrams of FIG. 4b occur. By connecting the diode between the inverting input and the output of the operational amplifier OV, the maximum possible positive output voltage is limited to a few hundred mV when negative input voltages occur. When transitioning to positive input signals ue, the operational amplifier OV consequently hardly needs any time to return the output voltage, inter alia, from an extreme range and to stabilize it. The residual non-linearity visible in FIG. 4b is mainly due to the delay which occurs when the transistor stage is returned to the normal operating range. To remedy this remaining non-linearity, a voltage is set in FIG. 2 by additionally setting switch S2 to position b.

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quelle B1 zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers OV und die Basis des Transistors T1 geschaltet. Durch entsprechende Wahl der Polarität und der Grösse der Spannung für die Spannungsquelle B1 wird dabei vorgesehen, dass bei einer Ausgangsspannung ua von maximal null Volt die Schwellspannung der Basis-Emitter-Strecke annähernd erreicht wird. Wie in Fig. 4c ersichtlich ergibt sich für die Spannung Uk durch diese Massnahme bereits ab null Volt ein linearer Spannungsverlauf. source B1 connected between the output of the operational amplifier OV and the base of the transistor T1. By appropriate selection of the polarity and the magnitude of the voltage for the voltage source B1, it is provided that the threshold voltage of the base-emitter path is approximately reached with an output voltage of a maximum of zero volts. As can be seen in FIG. 4c, this measure results in a linear voltage curve for the voltage Uk even from zero volts.

In der in Fig. 3 gezeigten Schaltung wurde die Spannungsquelle B1 durch einen Kondensator C1, einen Widerstand R5 und eine Diode D2 ersetzt. Der Ausgang des Operationsverstärkers OV ist dabei mit dem Kondensator C1 verbunden, der über den Widerstand R5 mit der Basis des Transistors T1 und über die die Diode D2 mit Nullpotential verbunden ist. Die gezeigte Schaltung wird periodisch während einem Bruchteil der Periodendauer zur Verstärkung eines Signals, z.B. eines Bildsignals bzw. einer Bildzeile verwendet. Während einem weiteren Bruchteil der Periodendauer wird ein positiver Ladepuls an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OV angelegt. Der Kondensator C1 wird durch einen Ladestrom, der vom Ausgang des Operationsverstärkers OV über den Kondensator C1 und die Diode D2 gegen Nullpotential fliesst, auf die gewünschte, z.B. die der Spannungsquelle B1 entsprechende Spannung aufgeladen. Der Widerstand R5 dient zur Strombegrenzung und verhindert das schnelle Entladen des Kondensators C1 über den Transistor T1. Die Schaltung weist ferner eine Leuchtdiode D3 als Lastwiderstand auf, welche die Bildsignale z.B. über ein Spiegelsystem auf einen Bildschirm überträgt. In the circuit shown in FIG. 3, the voltage source B1 was replaced by a capacitor C1, a resistor R5 and a diode D2. The output of the operational amplifier OV is connected to the capacitor C1, which is connected via the resistor R5 to the base of the transistor T1 and via which the diode D2 is connected to zero potential. The circuit shown is used periodically during a fraction of the period to amplify a signal, e.g. an image signal or an image line used. During a further fraction of the period, a positive charge pulse is applied to the non-inverting input of the operational amplifier OV. The capacitor C1 is brought up to the desired, e.g., by a charging current which flows from the output of the operational amplifier OV via the capacitor C1 and the diode D2 to zero potential. the voltage corresponding to the voltage source B1 is charged. The resistor R5 serves to limit the current and prevents the capacitor C1 from being rapidly discharged via the transistor T1. The circuit also has a light-emitting diode D3 as a load resistor, which the image signals e.g. transmitted to a screen via a mirror system.

Claims

1. Circuit arrangement with an inverting and a non-inverting input having a differential amplifier that controls a transistor (T1), characterized in that the base-emitter path of the transistor (T1) is serially in the negative feedback branch of the differential amplifier (OV) and that the output and the inverting input of the differential amplifier (OV) are connected to one another via a voltage limiter (D1) in such a way that the output voltages (inter alia) blocking the transistor (T1) are limited to a minimum amount.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that between the output of the differential amplifier (OV) and the input of the transistor (T1) a battery (B1) is inserted such that the resulting base-emitter voltage of the transistor (T1) approximately corresponds to the forward voltage of the base-emitter path of the transistor (T1).

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that from the base of the transistor (T1) an inverse to the base-emitter path of the transistor (T1) polarized diode (D2) against zero potential and between the output of the differential amplifier (OV) and Input of the transistor (T1) on

Capacitor (C1) is inserted, which is periodically charged via the differential amplifier (OV) such that the resulting base-emitter voltage of the transistor (T1) corresponds approximately to the forward voltage of the base-emitter path of the transistor (T1).

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the diode (D2) and the capacitor (C1) are connected via a resistor (R5) to the base of the transistor (T1).

5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the differential amplifier (OV) is an operational amplifier.

6. Image amplifier with a circuit according to claim 1 for linearizing the output signals.

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