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Differenzverstärker Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker
zum Übertragen der gegebenenfalls verstärkten, von einem Abnehmer oder Transduktor
gelieferten Meßspannung. Bei solchen Verstärkern ist man bestrebt, die Eingangsimpedanz
in bezug auf die Eigenimpedanz des Abnehmers, der z. B. ein Thermoelement, ein Widerstandsthermometer
oder eine Dehnungsmeßstreifenbrücke sein kann, groß zu halten, um die Spannung zu
übertragen, die der Abnehmer in praktisch unbelastetem Zustand erzeugt. Bei Röhrenverstärkern
ergibt sich dabei keine Schwierigkeit. Die Änderungen der Spannung an der Ausgangselektrode
werden meist durch Verwendung einer Ausgleichstufe ausgeglichen, und die Symmetrie
der Ausgleichstufe kann auf bekannte Weise gegenüber Änderungen der Speisespannungen
durch einen gemeinsamen Kathodenwiderstand erheblich verbessert und stabilisiert
werden. Eine entsprechende Transistor-Ausgleichstufe ist aus der deutschen Auslegeschrift
1 129 233 (Patentanmeldung N 17435 VIIIa/21a1) bekannt. Sie enthält zwei durch einen
gemeinsamen Emitterwiderstand miteinander gekoppelte Transistoren, zwischen deren
Basiselektroden die Meßspannung angelegt wird. Dabei sind die Emitterelektroden
der beiden Transistoren mit den Enden eines Potentiometers verbunden, dessen Abgriff'
mit dem vorstehend erwähnten gemeinsamen Emitterwiderstand verbunden ist. Dieser
Abgriff wird derart eingestellt, daß bei Eingangsspannung Null die Ausgangsspannung
der Ausgleichstufe ebenfalls Null ist. Auf diese Weise werden Unterschiede, z. B.
des Stromverstärkungsfaktors und/oder des Kollektorstroms, zwischen den beiden Transistoren
ausgeglichen. Dieser Ausgleich wird jedoch nur für einen bestimmten Arbeitspunkt
erreicht.
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Der Abnehmer ist oft einseitig oder nicht genau symmetrisch geerdet,
meist über einen Widerstand. Infolgedessen sind die effektiven Basiswiderstände
der beiden Transistoren ungleich, so daß, wenn ein Strom die Basis-Emitter-Kreise
der Transistoren durchfließt, der von diesem Strom im Basis-Emitter-Kreis eines
Transistors erzeugte Spannungsabfall nicht oder nur in der Nähe eines bestimmten
Arbeitspunktes (Eingangspunkt Null) durch einen entsprechenden Spannungsabfall im
Basis-Emitter-Kreis des anderen Transistors ausgeglichen wird.
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Die Erfindung bezweckt, diese bei Transistorausgleichstufen auftretende
Schwierigkeit ganz oder wenigstens größtenteils zu beseitigen. Der Verstärker nach
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Potentiometer zwischen
den Emitterelektroden der Transistoren angeschlossen und sein Abgriff' mit einem
die Transistoren miteinander koppelnden gemeinsamen Emitterwiderstand verbunden
ist, daß ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten im Emitterkreis jedes
der Transistoren in an sich bekannter Weise eingeschaltet und parallel zu einem
symmetrischen Kollektorausgangskreis der Ausgleichstufe ein drittes Potentiometer
geschaltet ist, dessen Abgriff. mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden
ist und so eingestellt wird, daß bei den mittels des ersten Potentiometers eingestellten
unterschiedlichen Emitterströmen der beiden Transistoren, für welche die durch Temperaturänderung
bedingten Spannungsdifferenzen zwischen deren Basiselektroden und dem Abgriff des
zweiten Potentiometers Null sind, die Ströme durch die beiden Zweige des symmetrischen
Ausgangskreises einander gleich sind.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung näher erläutert,
in der Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Verstärkers nach der
Erfindung ist, Fig. 2 und 3 die Strom- und Spannungsverhältnisse in diesem Ausführungsbeispiel
im eingeschalteten bzw. im ausgeschalteten Zustand darstellen und Fig. 4 ein Diagramm
zur Erläuterung der Wirkungsweise des Temperaturausgleichs des Ausführungsbeispieles
nach Fig. 1 ist.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht aus einer Ausgleichstufe
mit zwei durch einen gemeinsamen Emitterwiderstand 3 mit einander gekoppelten Transistoren
1 und 2. Ein Abnehmer 4, z. B. ein Thermoelement, ist zwischen die Basiselektroden
dieser
Transistoren geschaltet, und ihre Emitterelektroden sind mit den Enden eines Potentiometers
5 verbunden, dessen Abgriff' mit dem gemeinsamen Emitterwiderstand 3 verbunden ist.
Das andere Ende des Widerstandes 3 ist mit der Plusklemme 6 einer Speisequelle,
z. B. einer Quelle positiver Abtastimpulse, verbunden. Die Kollektorelektroden der
Transistoren 1 und 2 sind über einen symmetrischen Belastungskreis,
der aus den beiden Hälften der Primärwicklung eines symmetrischen Ausgangstransformators
8 besteht, mit der Minusklemme 7 der Speisequelle verbunden. Der Abgriff des Potentiometers
5 wird bei einer -Eingangsspannung Null so eingestellt, daß die Ausgangsspannung
der Ausgleichstufe, gemessen zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 1
und 2, gleich Null ist, d. h., daß die Kollektorströme 1" und I" untereinander gleich
sind, sofern die Widerstände der beiden Hälften der Primärwicklung des Transformators
8 einander auch gleich sind. Durch diese bekannte Maßnahme wird die Ausgleichstufe
in einem bestimmten Arbeitspunkt und bei einer bestimmten Temperatur praktisch völlig
symmetrisch.
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Wird jetzt vom Abnehmer 4 eine Spannung zwischen den Basiselektroden
der Transistoren 1 und 2 angelegt, so nimmt der Basisstrom eines Transistors zu
und der Basisstrom des anderen Transistors ab. Wäre jedoch der Abnehmer asymmetrisch
geerdet oder mit einem Punkt des gemeinsamen Teiles der Emitter-Kollektor-Kreise
der Transistoren 1 und 2 verbunden, während die Schaltung auch geerdet ist, so ließe
sich der von den unterschiedlichen Basisströmen durch die entsprechenden Teile des
Abnehmers erzeugte Spannungsabfall über dem Abnehmer nicht mehr vom eigentlichen
Signal oder von der Eingangsspannung Vi unterscheiden. Ein Ausgleich mittels eines
zwischen den Abnehmer und eine der Basiselektroden geschalteten zusätzlichen Widerstandes
ist nicht wirksam, wenn der Eigenwiderstand des Abnehmers sich z. B. mit dem Wert
der Eingangsspannung ändert.
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Gemäß der Erfindung wird diese Schwierigkeit dadurch beseitigt, daß
der Abgriff des Potentiometers 5 bei kurzgeschlossenem Eingang eingestellt wird
und daß zwischen die Basiselektroden der Transistoren 1
und 2 ein zweites
Potentiometer 9 geschaltet ist, dessen Abgriff mit einemPunkt konstanten Potentials,
z. B. mit der Klemme 7, verbunden ist und bei nicht angeschlossenem Abnehmer 4 (offenem
Eingangskreis) so eingestellt wird, daß die Ausgangsspannung der Ausgleichstufe,
gemessen zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren 1 und
2, wieder gleich Null ist.
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Unter diesen Umständen wird die Symmetrie der Ausgleichstufe, mit
guter Annäherung praktisch unabhängig von der Eingangsspannung und von der Speisespannung
aufrechterhalten. Tatsächlich wird die Eingangsimpedanz der Schaltung, unter anderem
mittels der Emitterwiderstände, verhältnismäßig hoch bemessen, d. h. viel höher
als die Eigenimpedanz des Abnehmers, und der Gesamtwiderstand des Potentiometers
9 wird so groß gewählt, daß er diese Eingangsimpedanz nicht allzu stark herabsetzt;
z. B. wird dieser Widerstand R9 gleich der Eingangsimpedanz Zi der Ausgleichstufe
gewählt. Dabei muß selbstverständlich der Abgriff' des Potentiometers 9 den einzigen
»Erdpunkt« des Eingangskreises bilden, oder wenn der Abnehmer »geerdet« ist, muß
dieser Abgriff in bezug auf Gleichspannungen gegen die »Erde« des Abnehmers isoliert
sein. Die Einwirkung gegenseitiger Differenzen zwischen den Kollektorleckströmen
leo und den Basis-Kollektor-Stromverstärkungsfaktoren x' der Transistoren
1 und 2 bei einer bestimmten.Temperatur läßt sich somit durch Einstellung
der Potentiometer 5 und 9 ganz oder wenigstens größtenteils beseitigen.
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Die so erhaltene Symmetrie bleibt jedoch bei Änderung der Temperatur
nicht erhalten. Mit der Temperatur ändern sich die Kollektorleckströme und die Emitter-Basis-Spannungen
der Transistoren 1 und 2. Selbstverständlich sind diese Änderungen auch verschieden
für die beiden Transistoren. Die linken Kurven der Figur 4 stellen z. B. die Änderungen
der Emitter-Basis-Spannungen der beiden am meisten verschiedenen Transistoren aus
einer Gruppe von fünf Transistoren vom Typ 0C 45 in Abhängigkeit vom Emitterstrom
bei Erhöhung der Temperatur von 23°C auf 50°C dar, während die Fig. 2 und 3 die
unterschiedlichen, bei Änderung der Temperatur im Verstärker nach Fig. 1 auftretenden
asymmetrischen Strom- und Spannungsquellen angeben. Der Einfuß eines gegenseitigen
Unterschiedes zwischen den Kollektorstromänderungen AI"" und AI"" wird durch Verwendung
eines Ausgangstransformators 8 beseitigt, weil dieser Unterschied sowohl im »Aus«-
(Fig. 3) als auch im »Ein«-Zustand (Fig. 2) zur Geltung kommt. Dies ist nicht der
Fall für die Basisleckströme, deren Unterschied eine Fehlerspannung im Eingangskreis
erzeugt. Wenn angenommen wird, daß die Temperatur von 10 ° C auf 40 ° C erhöht wird
und die Kollektorströme sich voneinander um einen Faktor 2 K unterscheiden, (Icox
= (1 ± K) Ico = (1 ::F K) Icoz), so ergibt sich
eine Fehlerspannung Ve = 40 Klco (10°C) - RB
für Germaniumtransistoren
und Ve = 200 K Ico (10°C) - RB
für Siliziumtransistoren. Bei K = 0,05
(±5 °/o) und I,0 (10°C) = 0,001 #tA für Siliziumtransistoren ergibt sich daraus,
daß für einen Höchstwert der Fehlerspannung Ve von 10 @.V der Basiswiderstand
RB
kleiner als 1000 SZ sein muß.
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Dieser Basiswiderstand ist immer größer als der Eigenwiderstand des
Abnehmers, so daß Ve bei Verwendung von Siliziumtransistoren meist vernachlässigbar
ist.
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Eine zweite und meist wichtigere Fehlerspannung ist die Folge der
untereinander verschiedenen Änderungen d VEB der Emitter-Basis-Spannung bei
einem bestimmten Emitterstrom.
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Auf dem Gedanken der Beseitigung der Einwirkung der Änderungen der
Basisströme mit dem gewählten Arbeitspunkt mit Hilfe eines zweiten Potentiometers
weiterbauend, gibt die Erfindung einen Weg an, um diese zweite Fehlerspannung zu
beseitigen oder wenigstens erheblich herabzusetzen, so daß die vom Verstärker gelieferte
Ausgangsspannung auch praktisch unabhängig von der Betriebstemperatur ist.
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Um dieses Ziel zu erreichen, werden zwischen die Emitterelektroden
der Transistoren 1 und 2 und die entsprechenden Enden des Potentiometers 5 Widerstände
10 bzw. 11 mit dem positivem Temperaturkoeffizienten geschaltet, während parallel
zum symmetrischen Kollektorausgangskreis, der aus der Primärwicklung des Transformators
8 besteht, ein drittes
Potentiometer 12 geschaltet wird. Der Abgriff
dieses Potentiometers ist mit der Mittelanzapfung dieser Primärwicklung, mit der
Minusklemme 7 und mit dem Abgriff des zweiten Potentiometers 9 verbunden.
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Die rechte Kurve der Fig. 4 zeigt die temperaturabhängige Komponente
J VRE des Spannungsabfalles, der sich bei unterschiedlichen Emitterströmen
über jedem der Widerstände 10 und 11 ergibt. Die Gerade 4 VRE ergibt
sich bei Annahme eines Widerstandes von 1 k9 bei 23'C, eines Temperaturkoeffizienten
(x7, = 0,004 und einer Temperaturerhöhung von 23 ° C auf 50°C. In der Praxis wurden
induktionsfrei gewickelte Kupferwiderstände verwendet. Durch das Vorhandensein der
temperaturabhängigen Widerstände 10 und 11 verlaufen jetzt die durch
die Temperaturerhöhung herbeigeführten Fehlerspannungen J VAB 1 und
J VAB z zwischen den Basiselektroden der Transistoren 1 bzw. 2 und
dem Abgriff des Potentiometers 5 (Punkt A) so, wie dies durch die mittleren Kurven
der Fig. 4 dargestellt wird. Es ergibt sich jetzt die Möglichkeit, diese Fehlerspannungen
sich ausgleichen zu lassen, indem verhältnismäßig wenig voneinander verschiedene
Emitterströme 1E, und IEZ gewählt werden. Es ist sogar möglich, z. B. durch Änderung
der Gesamtemitterwiderstände, Arbeitspunkte wie P und O (Fig. 4) zu finden, bei
denen die Fehlerspannungen 4 VAB, und J VAB a beide gleich
Null sind. Die Einstellung des Abgriffes des Potentiometers 5 wird jetzt bei erhöhter
Temperatur (z. B. bei der maximalen Betriebstemperatur) nachgeregelt, die durch
die Temperaturerhöhung herbeigeführten Fehlerspannungen dVABl und JVAB2 sich ausgleichen
oder aufheben zu lassen, und die Ungleichheit der Ströme durch die beiden Teile
der Primärwicklung des Transformators 8 wird durch Einstellung des Abgriffes des
dritten Potentiometers 12 aufgehoben.
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Der beschriebene Verstärker kann somit so eingestellt werden, daß
er unempfindlich gegen Änderungen des Eigenwiderstandes des Abnehmers ist. Außerdem
kann er auch so eingestellt werden, daß er innerhalb eines bestimmten Bereiches
unempfindlich ist gegen Temperaturänderungen. Die Transistoren 1
und
2 und die Widerstände 10 und 11 müssen stets alle auf die gleiche
Temperatur gebracht werden, z. B. dadurch, daß die Widerstände 10 und 11 auf Aluminiumrohre,
in denen sich die Transistoren 1 und 2 befinden, induktionsfrei gewickelt
werden. Bei Berücksichtigung dieser Maßnahme gleichen sich die Fehlerspannungen
dVAB, und JVAB2 stets aus, auch zwischen den beiden Einstellungstemperaturen und
innerhalb gewisser Grenzen auch unterhalb der niedrigsten und oberhalb der höchsten
dieser Temperaturen. Tatsächlich nehmen diese Fehlerspannungen linear mit der Temperatur
zu, während etwaige ungleiche Änderungen der Basis-Kollektor-Stromverstärkungsfaktoren
der beiden Transistoren infolge der durch die in den Emitterkreisen beider Transistoren
eingeschalteten Widerstände herbeigeführten Stromrückkopplung praktisch keine Einwirkung
ausüben.