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Verfahren zur Verstärkungsregelung von Transistorregelstufen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Verstärkungsregelung von Transistorregelstufen.
Dabei liegt die Aufgabe zugrunde, eine exponentiell von der Basisspannung am geregelten
Transistor abhängige Verstärkung und gleichzeitig eine Kompensierung des Temperaturdurchgriffes
des geregelten Transistors zu erzielen. Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung
von einer Transistorregelschaltung aus, bei der zwei Transistoren auf einen gemeinsamen
Emitterwiderstand arbeiten. Die bekannten Schaltungen dieser Art, wie sie beispielsweise
in Gleichstrom-Differenzverstärkern verwendet werden, sind für eine exponentielle
Verstärkungsregelung über einen großen Dynamikbereich ungeeignet, da die bei diesen
Schaltungen zwangläufig auftretende Stromgegenkopplung über die Emitter-Innenwiderstände
zu stark linearisierend wirkt.
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Erfindungsgemäß läßt sich sowohl eine exakt exponentielle Verstärkungsregelung
über die Basisspannung am geregelten Transistor bei einem verhältnismäßig großen
Regelbereich als auch eine weitgehende Temperaturkompensation dadurch erzielen,
daß der eine der beiden Transistoren (Hilfstransistor) in Kollektor-Basis-Schaltung
mit einem zum Kollektorstrom des geregelten Transistors großen Kollektorgleichstrom
das Emitterpotential stabilisiert und dabei durch eine Rückkopplung der Kollektorgleichspannung
des geregelten Transistors auf seine Basis unterstützt wird, während der andere,
in Emitter-Basis-Schaltung arbeitende, geregelte Transistor über die Änderung des
Kollektorstromes in seiner Steilheit und damit in seiner Verstärkung geregelt wird.
Infolge der damit erzielten äußerst niedrigen Emitter-Ausgangsimpedanz wird eine
Stromgegenkopplung vermieden und die erwünschte exponentielle Regelung bei gleichzeitiger
weitgehender Kompensation des Temperaturdurchgriffs ermöglicht. Die Emitterspannung
am gemeinsamen Ernitterwiderstand wird somit durch den Hilfstransistor gleich- und
wechselstrommäßig stabilisiert, so daß der Kollektorstrom und damit auch die Steilheit
wie die Verstärkung exponentiell mit der Basisspannung am geregelten Transistor
über einen auf der einen Seite vom Reststrom und auf der anderen Seite vom Basisbahnwiderstand
begrenzten Bereich variiert werden kann. Diese neue Schaltung zeichnet sich durch
hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Verstärkung aus, wie sie z. B. bei Meß-
und Regelvorgängen oft erforderlich ist.
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Eine Schaltung mit einer derartigen exponentiellen Verstärkungsregelung
ist mit herkömmlichen Mitteln, insbesondere normalen Röhren, nur mit großem Aufwand
zu verwirklichen. Ferner besteht die vorteilhafte Möglichkeit, mehrere geregelte
Transistoren gleichzeitig mit einem gemeinsamen Hilfstransistor als Impedanzwandler
und Temperaturkompensationsglied zusammenarbeiten zu lassen, wobei die ohnehin geringe
Regelabweichung zwischen derartigen parallel betriebenen Regelverstärkerstufen weiter
eingeengt werden kann. Durch die Rückkopplung der Kollektorgleichspannung des oder
der geregelten Transistoren auf die Basis des Hilfstransistors läßt sich unabhängig
von der relativ geringen Stromänderung im Hilfstransistor das Emitterpotential konstant
halten. Diese Maßnahme bedeutet die Kompensation der Emitter-Ausgangsimpedanz des
Hilfstransistors auf einen Wert nahe Null.
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Zur Kompensation der temperaturabhängigen Steilheit und des restlichen
Temperaturdurchgriffs kann eine in geringem Maße linear mit der Temperatur ansteigende
Regelspannung vorgesehen werden.
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Die Erfindung sei an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Die
Abbildung zeigt das Schaltbild einer Regelverstärkerstufe mit Vorwärtsregelung nach
der Erfindung.
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Ein oder mehrere Regeltransistoren Q, arbeiten parallel mit einem
Kompensationstransistor Q2 auf einen möglichst hochohmigen Emitterwiderstand R,.
Dazu ist das Basispotential in dem Beispiel durch eine Zenerdiode CR um die Spannung
Uz an der Zenerdiode zur Batteriespannung UB verschoben. Der Emitterwiderstand
R, ist durch den in Kollektor-Basis-Schaltung betriebenen Transistor Q2 wechselstrommäßig
wirksam überbrückt, solange die Bedingung I2 > I, erfüllt ist. Da 12 jedoch nicht
beliebig groß gewählt werden kann, wird eine Emittergegenkopplung für Q, bei höheren
Strömen I, durch einen Kondensator C, vermieden.
Die Spannungsteilerwiderstände
R2 und R4 sind im ganzen Regelbereich 1e < 5 mA kleiner oder maximal von der
gleichen Größenordnung wie die inneren Basiswiderstände der Transistoren. Somit
stellen sich die Basisströme bei der Steuerung der Kollektorströme über die Basis-Emitter-Spannung
je nach Transistortype bis zu Kollektorströmen von I, = 5 mA nahezu rückwirkungsfrei
ein, so daB Änderungen der Stromverstärkung ohne Einfluß auf die Regelung bleiben.
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Die Gleichstromarbeitspunkte der Transistoren Q, und Q2 nach obigem
Beispiel ergeben sich zu R,(II +1D = Uz -f- Ur - Ubei, Ri (II -f-12)
= Uz -I- U4 - Ube2, das heißt Ur = Ubei - Ube2 -I- U4.
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Bei dem hohen Emitterwiderstand R,, ändert sich der Strom I, + I2
nur unwesentlich mit der Temperatur. Somit muß sich die Basis-Emitter-Spannung Ube
von Q, bei einer Temperaturänderung um das Produkt aus dem Temperaturdurchgrifl
D und der Temperaturänderung d T verschieben.
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Gilt für die Temperatur T, Ur = Uäe@ - Ube2 -I- U4,
so wird für T, -I- d T
Ur = Ube i - D, 4 T,
- Ube2 -i- D2d T2 -f- U4.
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Ist dafür gesorgt, daß die Transistoren Ql und Q2 der gleichen Umgebungstemperatur
ausgesetzt sind und ihre maximale Verlustleistung keine nennenswerte Erhöhung der
Kristalltemperatur über die Umgebungstemperatur bewirkt, so gilt d T,
= d T2. Weiterhin gilt angenähert D, .. D2.
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Somit bleibt für konstante Ströme I, und I2 die Bedingungsgleichung
für die Regelspannung nahezu unabhängig von der Temperatur Ur =
Ube l - Ube 2 T U4-Durch Mitkopplung an R6 und passende
Spannungsteilung über RS und R4 kann angenähert die Bedingung erfüllt werden: Ube
2 '#'" U4, somit gilt angenähert für konstanten Strom I, Ur = Uäei
= Ubel -DIA T.
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Bei Germanium-Drifttransistoren mit ihrem geringen inneren Basiswiderstand
und Emittersättigungsstrom ist eine exponentielle Verstärkungsregelung über 70 db
bis zu Temperaturen von 50°C ohne Schwierigkeiten möglich. Da der Kollektorstrom
des Regeltransistors Q, bei fester Regelspannung Ur und verschiedenen Transistoren
in den Grenzen von etwa 1L300/, schwanken kann, muß sich die Grundverstärkung der
Regelverstärker um diesen Betrag einmalig ausgleichen lassen. Ohne Aussortieren
der Transistoren nach den Sättigungsströmen bleiben die Verstärkungstoleranzen zwischen
Regelstufen, die nach dem obigen Beispiel aufgebaut sind und mit gleicher Regelspannung
geregelt werden, unabhängig von der Temperatur innerhalb der Grenzen von etwa 0,06
db pro 1-db-Regelung (z. B. von etwa 4-2 db bei 60-db-Regelung). Da die Steilheit
von Transistoren proportional mit der Erhöhung der absoluten Kristalltemperatur
abnimmt und die Kollektorströme von Q, und Q2 gegensinnig verlaufen und sich dadurch
der Temperaturdurchgriff nicht völlig kompensieren läßt, verringert sich die Steilheit
der Regelung mit der Temperatur noch geringfügig, z. B. bei 60-db-Regelung und 4Z
= '-, 25° um -I-6,7 db. Dieser restliche Temperaturfehler läßt sich leicht durch
eine linear mit der Temperatur gegenüber der Grundvorspannung bei maximaler Verstärkung
um etwa 50/"/'C sich erhehende Regelspannung, z. B. durch einen NTC-Widerstand R7
im Regelkreis kompensieren. Damit Spannungsschwankungen der Batteriespeisespannung
ohne nennenswerten Einfluß auf die Verstärkung der Regelstufen bleiben, müssen die
Teilerverhältnisse für die Basisspannungsteiler der Regel- und Hilfstransistoren
gegenüber der Speisespannung gleich groß sein.
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Es ist eine Rückkopplung der Kollektorgleichspannung des Transistors
Q, auf die Basis des Hilfstransistors Q2 über einen Widerstand R4 vorgesehen, die
so bemessen ist, daß die vom Hilfstransistor stabilisierte Spannung am gemeinsamen
Emitterwiderstand R, weitgehend unabhängig von der Größe seines Kollektorstromes
bleibt.
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Im Rahmen der Erfindung sind noch mancherlei Abänderungen und andere
Ausführungen möglich.