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Regelschaltung für transistorisierte Verstärker Die Erfindung betrifft
eine Verstärkerschaltung mit einem Transistor in Emitterschaltung, dessen Spannungsverstärkung
durch eine den in der Emitterleitung liegenden Widerstand über einen Kondensator
überbrückende Diode verändert werden kann.
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Wenn bei einem elektronischen Verstärker eine konstante Ausgangsspannung
bei stark schwankender Eingangsspannung erzielt werden soll, muß der Verstärkungsfaktor
elektronisch geregelt werden. Diese Notwendigkeit ist z. B. bei Rundfunkempfängern
gegeben, wo wechselnde Empfangsfeldstärken als Folge von Schwunderscheinungen keine
Lautstärkenänderungen ergeben sollen.
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Ein anderes, sehr wichtiges Anwendungsgebiet sind die Aufsprechverstärker
von Magnetbandgeräten, die als Diktiergeräte oder als Reportagegeräte eingesetzt
werden, wo der als Speicher verwendete Magnetogrammträger im Interesse einer großen
Dynamik möglichst hoch ausgesteuert werden soll, andererseits aber eine Übersteuerung
unter allen Umständen vermieden werden muß, da sonst unzulässig hohe Verzerrungen
auftreten. Eine genaue Pegeleinstellung von Hand ist aber beispielsweise bei Diktiergeräten
eine Erschwerung der Bedienung, bei Reportagegeräten oft wegen der zu großen Dynamik
der aufzunehmenden Schalleindrücke nicht mehr möglich.
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Diese hier aufgezählten Beispiele sollen nur Anwendungsmöglichkeiten
zeigen, wo Verstärker verwendet werden, deren Verstärkungsfaktor geregelt werden
muß. Bislang wurden für diese Verstärker Elektronenröhren verwendet, bei denen in
bekannter Weise zur Regelung der Verstärkung Regelröhren verwendet werden, deren
Verstärkung vom Arbeitspunkt abhängt. Dieser Arbeitspunkt wird durch die Regelspannung
eingestellt, die durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung gewonnen wird. Bei ansteigender
Ausgangsspannung wird die Regelspannung größer und verschiebt den Arbeitspunkt der
Regelröhre zu kleinen Anodenströmen hin, so daß die Steilheit und damit auch die
Verstärkung der Röhre verringert wird.
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Bei elektronischen Verstärkern, die an Stelle von Elektronenröhren
Transistoren verwenden, fehlt ein der Regelröhre entsprechendes Bauelement der Transistortechnik.
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Man kann zwar auch hier durch Verändern des Arbeitspunktes eines Transistors
eine Verstärkungsänderung erzielen, jedoch ist diese vorwiegend auf eine Änderung
des Eingangs- und Ausgangswiderstandes des Transistors zurückzuführen, wodurch die
Leistungsanpassung verändert wird. Diese Regelung bleibt auf die Ausregelung kleiner
Signale beschränkt, da der Regelbereich in Gebieten starker Kennlinienkrümmung liegt.
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Mit einer Schaltung, die den Erfindungsgedanken enthält, können dagegen
wesentlich höhere Eingangsspannungen geregelt werden, wie sie z. B. ein Mikrofon
bei naher Besprechung liefert oder wie sie bei einem Magnetbandgerät am Eingang
auftreten, wenn dieses an einen nicht geregelten Funkempfänger angeschlossen ist,
dessen Signale zur Dokumentation auf einem Magnetband gespeichert werden sollen.
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Es sind bereits mehrere Verstärkerschaltungen mit einem Transistor
in Emitterschaltung bekannt, bei denen die Verstärkungsregelung durch Verändern
eines zwischen Emitter und gemeinsamer Nulleitung des Verstärkers liegenden Widerstandes
vorgenommen ist. Im einfachsten Fall kann man dazu einen von Hand einstellbaren
Widerstand nehmen, der über einen Kondensator an den Emitter angeschlossen wird.
Die Gleichstromversorgung des Transistors erfolgt dabei über einen sehr hochohmigen
Emitterwiderstand.
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Bei Verstärkern mit automatischer Verstärkungsregelung ersetzt man
in bekannter Weise den einstellbaren Widerstand durch eine Diode, die in Durchlaßrichtung
von einem dem Ausgangssignal proportionalen Gleichstrom durchflossen wird. Diesen
Gleichstrom gewinnt man durch Gleichrichten des Ausgangssignales. Ebenfalls bekannt
ist es, durch die Regeldiode einen Vorstrom zu schicken, damit bei kleinen Eingangssignalen
der dynamische Innenwiderstand der Diode klein und demzufolge die Gegenkopplung
schwach
ist, so daß die kleineren Eingangssignale hoch verstärkt werden. Dabei ist es gleichgültig,
ob der Vorstrom, der die Diode für kleine Eingangssignale öffnet, und der Steuerstrom,
der durch Gleichrichtung des Ausgangssignales gewonnen wird und der so gerichtet
ist, daß er die Diode sperrt, dem gleichen Anschluß der Diode zugeführt werden oder
ob gemäß einer anderen, bekannten Ausführungsform Vorstrom und Steuerstrom je einem
unterschiedlichen Diodenanschluß zugeführt werden. Bei dieser zuletzt genannten
Schaltungsart wird der die Diode öffnende Strom durch die Größe der Potentialdifferenz
bestimmt, die an den beiden Anschlüssen der Diode als Folge des konstanten Vorstromes
einerseits und des durch den von der Größe des Ausgangssignales abhängigen Steuerstromes
andererseits entsteht.
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Allen diesen bekannten Schaltungen ist gemeinsam, daß die als veränderlicher
Widerstand benutzte Diode im Durchlaßgebiet betrieben wird. Infolge der starken
Kennlinienkrümmung bei kleinen Strömen ändert sich der dynamische Innenwiderstand
der Diode sehr stark, was zur Einstellung der Gegenkopplung und damit zur Regelung
der Verstärkung ausgenutzt wird. Nachteilig ist, daß der ausnutzbare Bereich der
Stromspannungskennlinie einer Germanium-Selen- oder Silizium-Diode und auch eines
Gleichrichters zwischen 0 und höchstens 0,8 V liegt. Dabei muß das an der Basis
des zu regelnden Transistors liegende Eingangssignal wesentlich kleiner sein als
die oben angegebene Spannung. Denn an den beiden Grenzen dieses Bereiches ist die
Diode nahezu gesperrt bzw. nahezu offen, so daß die Krümmungsänderung in diesem
Bereich sehr stark ist. Im Interesse geringer Verzerrungen muß die Verstärkungsregelung
aber unabhängig vom Augenblickswert des Wechselspannungssignales sein, so daß sich
auf Grund dieser Forderung die Notwendigkeit ergibt, das zur Gegenkopplung an der
Diode abfallende Wechselspannungssignal klein gegen 0,8 V zu machen. An der Diode
fällt aber bei herabgeregeltem Verstärker, d. h. bei großen Eingangsspannungen,
eine Signalspannung von fast der gleichen Größe ab, wie sie dem Eingang des Verstärkers
zugeführt wird, so daß auch die dem Verstärker maximal zugeführte Eingangsspannung
klein gegen 0,8 V sein muß.
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Im Gegensatz zu allen bekannten Anordnungen zur Verstärkungsregelung
mit Transistoren wird erfindungsgemäß die den veränderlichen Widerstand darstellende
Diode im Sperrbereich ihrer Kennlinie betrieben und hat eine logarithmische Sperrkennlinie,
bei der die in Sperrichtung anliegende Spannung proportional dem Logarithmus des
Sperrstromes ist. Bisher ist eine solche Diode noch nicht zur Verstärkungsregelung
verwendet worden.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung liegt darin, daß der ausnutzbare
Regelbereich wesentlich größer ist und bei 3,7 V liegt. Die entsprechende Änderung
des dynamischen Innenwiderstandes variiert zwischen 2 Megaohm und 500 Ohm. Demzufolge
kann die geregelte Verstärkerstufe wesentlich höhere Eingangssignale verzerrungsarm
verarbeiten als alle bisher bekannten Schaltungen.
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In den Figuren 1 bis 3 sind Ausführungsbeispiele dargestellt. Die
Fig. 1 zeigt einen Transistor 1 in Emitterschaltung, bei dem über den Trennkondensator
2 an den Anschluß 3 die zu regelnde und zu verstärkende Signalspannung angelegt
wird. Die Ausgangsspannung wird hinter dem Trennkondensator 4 am Anschluß 5 abgenommen.
Der Spannungsteiler mit den Widerständen 6 und 7 dient in bekannter Weise zur Einstellung
des Basis-Potentiales, der Widerstand 8 ist der Arbeitswiderstand des Transistors
1 und der Emitterwiderstand 9 muß im Verhältnis zum Arbeitswiderstand 8 so groß
gewählt werden, daß der Verstärkungsfaktor nicht wesentlich größer als 1 wird, solange
die parallel zum Widerstand 9 liegende Diode 10 gesperrt ist. Die Diode 10 ist gleichstromfrei
über den Trennkondensator 11 an den Emitter des Transistors angeschlossen. Die Stromversorgung
der Verstärkerstufe erfolgt über die beiden Anschlüsse O und - U. Über den Widerstand
13 wird der zur Regelung benutzten Diode 10 ein Vorstrom gegeben, so daß ihr dynamischer
Innenwiderstand sehr klein wird und demzufolge die Verstärkung der Transistorstufe
groß. Dabei wird erfindungsgemäß die Diode 10 in Sperrrichtung betrieben, wenn man
an - U entsprechend den Betriebsverhältnissen eines pnp-Transistors die negative
Betriebsspannung anschließt. An den Anschluß 12 muß man die durch Gleichrichtung
des Ausgangssignales gewonnene Regelspannung legen. Mit steigender Ausgangsspannung
muß erfindungsgemäß diese Spannung positiver werden, so daß die Regel-Diode 10 in
einen Arbeitsbereich kleinerer Sperrspannung und damit größeren dynamischen Innenwiderstandes
gefahren wird. Die absolute Größe der am Punkt 12 liegenden Steuerspannung muß gegenüber
der 0-Leitung des Verstärkers immer negativ bleiben, da ja erfindungsgemäß die Diode
im Sperrbereich arbeitet.
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Um den Steuerstrombedarf um den Faktor 50 bis 100 zu verringern, kann
in einer weiteren Ergänzung der Erfindung eine Schaltung nach Fig. 2 gewählt werden.
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Bei dieser Anordnung ist die Diode 10 mit einem Transistor 13 in Reihe
geschaltet. Der dem Punkt 12 zugeführte Steuerstrom wird im Transistor 13 verstärkt
und durchfließt entsprechend verstärkt die Diode 10. Die am Emitterwiderstand
9 entstehende Gegenkopplungsspannung wird über den dynamischen Innenwiderstand der
Diode 10 und über den Kondensator 14 nach der gemeinsamen 0-Leitung des Verstärkers
kurzgeschlossen.
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In manchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, die Lage der Elemente
10 und 13 in Fig. 2 zu vertauschen. Bei einer solchen Anordnung kann der
Kondensator 14 entfallen. Allerdings liegt dann der Punkt 12 der Schaltung, der
mit der Basis des Transistors 13 verbunden ist, an einem von der Größe der Regelspannung
abhängigen Potential.
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Gemäß Fig.3 kann die Regelung auch verzögert arbeiten, wobei der Betrag
der Verzögerungsspannung mittels des Widerstandes 18 eingestellt werden kann. Dabei
ist der Einbau des Widerstandes 18 grundsätzlich auch bei den Schaltungen nach Fig.
1 und 2 möglich, wenn auch zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 3 nur die Schaltung
gemäß Fig. 2 gewählt worden ist.
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Soll die Verstärkung zur Aussteuerungsanzeige mit einem magischen
Auge versehen werden, so treten bei transistorisierten Verstärkern oft Schwierigkeiten
dadurch auf, daß keine genügend hohe Steuerspannung zur Verfügung steht. Bei einem
Verstärker gemäß der Erfindung tritt eine von der Aussteuerung des Verstärkers abhängige
Steuerspannung in hinreichender Größe an den Punkten 17 und 19 der Schaltungen nach
den Fig. 2 und 3 auf. Gemäß der Erfindung kann auch ohne einen zusätzlichen Gleichrichter
die Steuerspannung
für das magische Auge wahlweise an einem der
beiden Punkte 17 oder 19 abgegriffen werden.