DE1159513B

DE1159513B - Amplifier arrangement

Info

Publication number: DE1159513B
Application number: DEG29923A
Authority: DE
Inventors: William Ian Mcmillan
Original assignee: General Electric Co PLC
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 1959-06-25
Filing date: 1960-06-24
Publication date: 1963-12-19
Also published as: GB897104A

Description

Die Erfindung betrifft Verstärkeranordnungen zum Verstärken eines Gleichstrom- oder verhältnismäßig niederfrequenten Wechselstromsignals, die aus einer Anzahl von in Kaskade geschalteten, durch Gegenkopplung stabilisierten Transistorverstärkerstufen bestehen, bei der das Eingangssignal im Rhythmus einer höherfrequenten Hilfsspannung zerhackt (moduliert), verstärkt, anschließend phasenrichtig gleichgerichtet und integriert wird.The invention relates to amplifier arrangements for amplifying a direct current or relatively Low-frequency alternating current signal, which is made up of a number of cascaded, by negative feedback stabilized transistor amplifier stages exist, in which the input signal in the rhythm of a Higher-frequency auxiliary voltage chopped up (modulated), amplified, then rectified in the correct phase and is integrated.

Anordnungen dieser Art sind bekannt, und die Verwendung von Transistoren in solchen Schaltungen ist in einer Abhandlung mit dem Titel »A Transistor High-Gain Chopper-Type D. C Amplifier« (»Ein Transistor-Gleichstromverstärker des Zerhackertyps mit hoher Verstärkung«) von G.B. Chapling und A. R. Owens in Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, Bd. 105, Teil B, S. 258 bis 266, behandelt, in dieser Abhandlung sind die Modulatorschaltung und die geschaltete Integratorschaltung, die zuvor erwähnt wurden, als »Eingangszerhacker« bzw. »Ausgangszerhacker« bezeichnet.Arrangements of this type are known and use of transistors in such circuits is in a treatise entitled "A transistor High-Gain Chopper-Type D. C Amplifier «(» A transistor DC amplifier of the chopper type with high gain «) by G.B. Chapling and A. R. Owens in Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, Vol. 105, Part B, pp. 258-266, in this paper are the modulator circuit and the switched integrator circuit mentioned earlier as "input chopper" or "Output Chopper" called.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Verstärkeranordnung, die eine sehr große Verstärkung hat und bei der unter Verwendung von Transistoren die Empfindlichkeitsänderung bei Temperaturänderungen auf ein Minimum verringert ist.The object of the invention is to provide an improved amplifier arrangement which is very has large gain and when using transistors the change in sensitivity is reduced to a minimum with temperature changes.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Modulatortransistor mittels eines auf dessen Temperatur ansprechenden, mit ihm im Wärmekontakt stehenden temperaturempfindlichen Elementes auf einer über der Umgebungstemperatur liegenden konstanten Temperatur gehalten wird und daß die übrigen Transistoren der Anordnung nicht temperaturstabilisiert sind.This is achieved according to the invention in that the modulator transistor is adjusted to its temperature by means of a appealing temperature-sensitive element in thermal contact with it a constant temperature above the ambient temperature is maintained and that the other transistors of the arrangement are not temperature stabilized.

Die Modulatorschaltung kann einen einzigen Transistor aufweisen, der als Nebenschlußmodulator angeordnet ist und der das temperaturempfindliche Element ist, dessen Betriebstemperatur stabilisiert wird.The modulator circuit can have a single transistor arranged as a shunt modulator and which is the temperature sensitive element whose operating temperature is stabilized.

Der Transistorverstärker kann zwei getrennte Verstärker bilden, die in Kaskade geschaltet sind und von denen jeder aus wenigstens zwei von in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen besteht, wobei an jeden dieser Verstärker Gegenkopplung angelegt ist, so daß deren Eingangsimpedanz vermindert ist.The transistor amplifier can form two separate amplifiers which are connected in cascade and each of which consists of at least two of cascaded amplifier stages, each of which this amplifier negative feedback is applied, so that its input impedance is reduced.

Eine Verstärkeranordnung nach der Erfindung weist eine Gesamtspannungsverstärkung von wenigstens 50 000 auf und ist so ausgebildet, daß sie auch verhältnismäßig niederfrequente Wechselstromsignale verarbeitet.An amplifier arrangement according to the invention has an overall voltage gain of at least 50,000 and is designed so that it is also relatively low-frequency AC signals processed.

Ein Beispiel einer elektrischen Verstärkeranordnung nach der Erfindung wird nun an Hand der VerstärkeranordnungAn example of an electrical amplifier arrangement according to the invention will now be made with reference to the Amplifier arrangement

Anmelder:Applicant:

The General Electric Company Limited,
LondonThe General Electric Company Limited,
London

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Patentanwalt,
Berlin 33, Auguste-Viktoria-Str. 65Representative: Dr.-Ing. H. Ruschke, patent attorney,
Berlin 33, Auguste-Viktoria-Str. 65

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 25. Juni 1959 (Nr. 21 864)Claimed priority:
Great Britain June 25, 1959 (No. 21 864)

William Ian McMillan, Portsmouth, HantsWilliam Ian McMillan, Portsmouth, Hants

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden(Great Britain),
has been named as the inventor

Zeichnung beschrieben, die das Schaltbild der Anordnung zeigt.Description of the drawing showing the circuit diagram of the arrangement.

Mit Bezug auf die Zeichnung wird ein zu verstärkendes Signal, das entweder ein Gleichstromsignal oder ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz von weniger als 10 Hz sein kann, zwischen die Eingangsklemmen 1 und 2 angelegt und mittels einer Nebenschlußmodulatorschaltung 3 in ein Tonfrequenzsignal umgesetzt. Das modulierende Signal wird an die Schaltung 3 von einem Sperrschwinger 4 über einen Transformators geliefert. Das von der Sekundärwicklung 6 des Transformators 5 abgegebene Signal hat Rechteckspannungswellenform und wird zwischen die Kollektorelektrode und die Basiselektrode eines Transistors 7 der Modulatorschaltung 3 angelegt. Der Transistor? wirkt daher als Schalter und wird veranlaßt, für einen kurzen Zeitraum periodisch leitend zu werden. Wenn er leitend ist, liegt der Widerstand 8 wirkungsmäßig direkt zwischen den Eingangsklemmen 1 und 2, während kein solcher Nebenschlußpfad zwischen den Klemmen 1 und 2 vorhanden ist, wenn der Transistor 7 gesperrt ist.With reference to the drawing, a signal to be amplified, which may be either a direct current signal or an alternating current signal having a frequency of less than 10 Hz, is applied between the input terminals 1 and 2 and converted into an audio frequency signal by means of a shunt modulator circuit 3. The modulating signal is supplied to the circuit 3 by a blocking oscillator 4 via a transformer. The signal output from the secondary winding 6 of the transformer 5 has a rectangular voltage waveform and is applied between the collector electrode and the base electrode of a transistor 7 of the modulator circuit 3. The transistor? therefore acts as a switch and is caused to periodically become conductive for a short period of time. When it is conductive, the resistor 8 is operatively directly between the input terminals 1 and 2, while there is no such shunt path between the terminals 1 and 2 when the transistor 7 is blocked.

Das von der Modulatorschaltung 3 gelieferte Signal gelangt über einen Kondensator 9 an einen Verstärker 10, der von zwei Transistoren 11 und 12 gebildet ist, und das von diesen Verstärker abgegebene Signal verläuft über einen Kopplungskondensator 13 an einen Verstärker 14, der drei Transistoren 15, 16 und 17 umfaßt. Das von dem Verstärker 14 gelieferte Signal gelangt an eine geschaltete IntegratorschaltungThe signal supplied by the modulator circuit 3 reaches an amplifier via a capacitor 9 10, which is formed by two transistors 11 and 12, and the signal output by this amplifier runs through a coupling capacitor 13 to an amplifier 14, the three transistors 15, 16 and 17 includes. The signal supplied by the amplifier 14 reaches a switched integrator circuit

309 769ß13309 76913

18, die einen Transistor 21 aufweist, dessen Emitterelektrode und Kollektorelektrode parallel zu der Reihenschaltung eines Widerstandes 22 und eines Kondensators 23 geschaltet sind. Der Transistor 21 ist so angeordnet, daß er als Schalter parallel zu dieser Reihenschaltung wirkt, und der »Schalter« wird veranlaßt, synchron mit der einem Eingangssignal von der Modulatorschaltung 3 überlagerten Modulation betätigt zu werden, so daß das verstärkte Signal an Ausgangsklemmen 19 und 20 geliefert wird, die parallel zu dem Kondensator 23 geschaltet sind.18, which has a transistor 21 whose emitter electrode and a collector electrode in parallel with the series connection of a resistor 22 and a Capacitor 23 are connected. The transistor 21 is arranged so that it acts as a switch in parallel with this series connection works, and the "switch" is caused to synchronize with that of an input signal to be operated by the modulator circuit 3 superimposed modulation, so that the amplified Signal is supplied to output terminals 19 and 20, which are connected in parallel with the capacitor 23.

Da ein Transistorverstärker im wesentlichen eine strombestätigte Vorrichtung ist, ist es zweckmäßig, daß seine Eingangsimpedanz so niedrig wie möglich ist, falls er wie in dem vorliegenden Fall als Spannungsverstärker verwendet werden soll. Infolgedessen ist an den Verstärker 10 in an sich bekannter Weise Gegenkopplung angelegt, deren Stärke hauptsächlich von zwei Widerständen 24 und 25 bestimmt wird. Zusätzlich zu der Herabsetzung der Eingangsimpedanz des Verstärkers 10 stabilisiert diese Gegenkopplung naturgemäß die Verstärkung der Transistoren 11 und 12.Since a transistor amplifier is essentially a current-validated device, it is convenient to that its input impedance is as low as possible if it is used as a voltage amplifier as in the present case should be used. As a result, the amplifier 10 is in a known manner Negative coupling applied, the strength of which is mainly determined by two resistors 24 and 25. In addition to reducing the input impedance of amplifier 10, this negative feedback stabilizes naturally the gain of transistors 11 and 12.

In gleicher Weise ist der Verstärker 14 mit Gegenkopplung parallel zu den Transistoren 15 und 16 versehen, so daß seine Eingangsimpedanz vermindert und gleichzeitig seine Verstärkung stabilisiert wird. In diesem Fall wird die Stärke der Gegenkupplung von den Widerständen 26 und 27 bestimmt. Ein Widerstand 28 ist in an sich bekannter Weise so geschaltet, daß er Gegenkopplung parallel zu dem Transistor _: 17 herstellt, die in diesem Fall so wirkt, daß sie die Verstärkung stabilisiert und die Ausgangsimpedanz der von dem Transistor 17 gebildeten Stufe vermindert. (Diese niedrigere Ausgangsimpedanz ist erwünscht, da die betrachtete Transistorstufe die letzte Verstärkerstufe ist und da es notwendig ist, Leistung an eine Belastung unbekannter Impedanz zu liefern, wobei diese Belastung von dem zwischen die Ausgangsklemmen 19 und 20 geschalteten Ohmschen Widerstand bestimmt wird.) Die an die Basiselektrode des Transistors 15 gelieferte Vorspannung wird in an sich bekannter Weise außerdem auch von einer Gleichstromgegenkopplung gesteuert, die parallel zu dem Verstärker 14 mittels eines Stromkreises angelegt wird, der von den Widerständen 29, 30 und 31 sowie einem Kondensator 32 gebildet wird.In the same way, the amplifier 14 is provided with negative feedback in parallel with the transistors 15 and 16, so that its input impedance is reduced and, at the same time, its gain is stabilized. In this case, the strength of the mating coupling is determined by the resistors 26 and 27. A resistor 28 is connected in known manner so as to counter-coupling parallel with the transistor _of: preparing 17 which acts in this case, that it stabilizes the gain, and reduces the output impedance of the stage formed by the transistor 17th (This lower output impedance is desirable because the transistor stage under consideration is the last amplifier stage and since it is necessary to supply power to a load of unknown impedance, this load being determined by the ohmic resistance connected between output terminals 19 and 20.) The an The bias voltage supplied to the base electrode of the transistor 15 is also controlled in a manner known per se by a direct current negative feedback which is applied in parallel to the amplifier 14 by means of a circuit formed by the resistors 29, 30 and 31 and a capacitor 32.

Keiner der Transistoren 11, 12, 15, 16, 17 und 21 ist in irgendeiner Weise temperaturgeregelt. Jedoch ist die Temperatur des Transistors 7 stabilisiert, so daß dessen Gleichstromdrift reduziert ist. Zu diesem Zweck sind der Transistor? und ein Abweichungsanzeigertransistor 33, der nicht zu dem gleichen Typ wie der Transistors? zu gehören braucht, so angeordnet, daß sie nebeneinander liegen und mit Aluminiumfolie umwickelt sind, so daß sie beide angenähert die gleiche Temperatur haben. Eine Heizspule 34, die eine Einlagenspule sein kann, ist um diese Aluminiumfolie herumgewickelt, und der durch diese Spule fließende Strom wird von einem Transistor 36 geliefert.None of the transistors 11, 12, 15, 16, 17 and 21 are temperature controlled in any way. However the temperature of the transistor 7 is stabilized, so that its direct current drift is reduced. To this Purpose are the transistor? and a deviation indicator transistor 33 which is not of the same type like the transistor? needs to belong, so arranged that they lie next to each other and are wrapped with aluminum foil so that they are both approximated have the same temperature. A heating coil 34, which may be a single layer coil, is around this Aluminum foil is wrapped around it, and the current flowing through this coil is controlled by a transistor 36 delivered.

Es wird bemerkt, daß sich der Kollektorableitungsstrom (I_co) eines Transistors mit der Betriebstemperatur des Transistors ändert, und dieser Strom des Transistors 33 wird verwendet, um die an die Basiselektrode des Transistors 35 angelegte Spannung zu steuern, so daß die Amplitude des durch die Spule 34 fließenden Stromes gerade ausreicht, um den Transistor 33 auf einer bestimmten Temperatur, von z. B. 50° C, zu halten. Da an der Basiselektrode des Transistors 33 keine Gleichstromverbindung liegt, obgleich ein Kondensator (nicht gezeigt) zwischen die Basiselektrode und die Kollektorelektrode geschaltet sein kann, ist der Emitterstrom, welcher (über den Spannungsabfall am Widerstand 44) die Transistoren 36 und 35 steuert, gleich dem Kollektorableitungsstrom. In einer bevorzugten Ausführungsform der Temperaturabweichungsanzeigeschaltung zur Verwendung mit den Speiseleitungen 42 und 43, die angenähert — 33 bzw. + 18 V mit Bezug auf die Klemmen 1 und 19 haben, sind folgende Schaltungselemente vorhanden: It is noted that the collector leakage current (I _co ) of a transistor changes with the operating temperature of the transistor, and this current of transistor 33 is used to control the voltage applied to the base electrode of transistor 35 so that the amplitude of the generated by the Coil 34 flowing current is just enough to set the transistor 33 to a certain temperature, from z. B. 50 ° C to hold. Since there is no direct current connection at the base electrode of the transistor 33, although a capacitor (not shown) can be connected between the base electrode and the collector electrode, the emitter current which controls the transistors 36 and 35 (via the voltage drop across the resistor 44) is the same Collector leakage current. In a preferred embodiment of the temperature deviation indicator circuit for use with feed lines 42 and 43 which are approximately -33 and +18 V, respectively, with respect to terminals 1 and 19, the following circuit elements are provided:

Transistor 33 Typ GET 103Transistor 33 type GET 103

Transistor 35 Typ GET 116Transistor 35 type GET 116

Transistor 36 Typ GET 872Transistor 36 type GET 872

Widerstand 44 500 OhmResistance 44 500 ohms

Widerstand 45 100 OhmResistance 45 100 ohms

Widerstand 46 2700 OhmResistance 46 2700 ohms

Spule 34 400 0hmCoil 34 400 ohms

Obgleich, wie zuvor festgestellt wurde, die geschaltete Integratorschaltung 18 synchron mit der Modulation betätigt werden soll, der das Eingangssignal von der Modulatorschaltung 3 unterworfen ist, ist es für die Arbeitsweise der Schaltung 18 zweckmäßig, wenn sie in Phase gebracht ist, um die Wirkung von Ausgleichs- und Einschwingungsvorgängen auf einem Minimum zu halten. Zu diesem Zweck wird in an sich bekannter Weise die an den Transistor 21 angelegte Schaltspannung von der Sekundärwicklung 37 des Transformators 5 über eine Schaltung 38 erhalten.Although, as previously stated, the switched integrator circuit 18 is synchronous with the modulation is to be operated to which the input signal from the modulator circuit 3 is subjected, it is for the operation of the circuit 18 expedient when it is brought in phase to the effect of compensation and keep transients to a minimum. To this end, in on In a known manner, the switching voltage applied to the transistor 21 is obtained from the secondary winding 37 of the transformer 5 via a circuit 38.

Der Sperrschwinger oder Oszillator 4 kann so dimensioniert sein, daß er mit einer Frequenz im Bereich von 1500 Hz arbeitet, und die von der Wicklung 6 des Transformators 5 gelieferte Spannung kann ein Zeichen-Abstand-Verhältnis von 1:5 haben, obgleich dieses Verhältnis zwecks Änderung der Gesamtverstärkung der Verstärkeranordnung dadurch eingestellt werden kann, daß das Verhältnis der negativen Spannungen an den Klemmen 39 und 40 mit Bezug auf die Klemme 41 geändert wird. Obgleich die Transistoren 11, 12, 15, 17 und 18 nur erforderlich sind, um Schwingungen zu verarbeiten, welche die Frequenz des Oszillators 4 haben und daher verhältnismäßig niederfrequente Transistoren sein können, ist es erwünscht, daß der Transistor 7 ein Hochfrequenztransistor ist.The blocking vibrator or oscillator 4 can be dimensioned so that it operates with a frequency im Range of 1500 Hz works, and the voltage supplied by the winding 6 of the transformer 5 can have a character-to-space ratio of 1: 5, though this ratio for the purpose of changing the overall gain of the amplifier arrangement thereby can be set that the ratio of the negative voltages at terminals 39 and 40 with Reference to terminal 41 is changed. Although transistors 11, 12, 15, 17 and 18 are only required are in order to process vibrations which have the frequency of the oscillator 4 and are therefore proportionate may be low-frequency transistors, it is desirable that the transistor 7 be a high-frequency transistor is.

In einem Ausführungsbeispiel der oben beschriebenen Anordnung beträgt die Gesamtspannungsverstärkung zwischen den Eingangsklemmen 1 und 2 und den Ausgangsklemmen 19 und 20 300 000, während die Temperaturdrift 5 uV/° C ausmacht.In one embodiment of the arrangement described above, the overall voltage gain is between input terminals 1 and 2 and output terminals 19 and 20 300 000, while the temperature drift is 5 uV / ° C.

Es wird bemerkt, daß das temperaturempfindliche Element (d.h. der Transistor33) kein Transistor zu sein braucht, sondern auch ein Thermistor oder eine sogenannte Zenerdiode sein könnte.It is noted that the temperature sensitive element (i.e. transistor 33) does not turn on a transistor but could also be a thermistor or a so-called zener diode.

Da keine Gleichstromverbindung zwischen einer der Klemmen 1, 2, 19 oder 20 einerseits und einer der Speiseleitungen 42 und 43 andererseits besteht, kann die Verstärkeranordnung Eingangssignale jeder Polarität verarbeiten. In diesem Zusammenhang kann die Maximalspannung eines Eingangssignals nur 100 μν sein, und infolgedessen stellt der Transistor 7 eine hohe Impedanz im gesperrten Zustand dar, unabhängig davon, ob das Eingangssignal positive oderSince there is no direct current connection between one of the terminals 1, 2, 19 or 20 on the one hand and one of the feed lines 42 and 43 on the other hand, the amplifier arrangement can process input signals of any polarity. In this context, the maximum voltage of an input signal can only be 100 μν, and as a result the transistor 7 represents a high impedance in the blocked state, regardless of whether the input signal is positive or not

negative Polarität hat, so daß das Eingangssignal immer von dem Signal moduliert wird, das von dem Oszillator 4 geliefert wird, wie zuvor erwähnt wurde.has negative polarity, so that the input signal is always modulated by the signal that is generated by the Oscillator 4 is supplied as previously mentioned.

Die oben beschriebene Verstärkeranordnung ist geeignet, um die von einem Thermoelement gelieferte Spannung zu verstärken. In diesem Fall kann Gegenkopplung parallel zu der gesamten Verstärkeranordnung gelegt werden, wobei ein Teil der zwischen den Ausgangsklemmen 19 und 20 entwickelten Spannung mittels eines Gegenkopplungsnetzwerks (nicht gezeigt) abgeleitet und zu den von der »wärmen« und »kalten« Lötstelle des Thermoelementes abgegebenen Spannungen addiert wird, so daß das an die Klemmen 1 und 2 angelegte Eingangssignal geliefert wird. Diese Gegenkopplung hat die Wirkung, die dem Thermoelement dargebotene Belastungsimpedanz zu erhöhen. The amplifier arrangement described above is suitable for that supplied by a thermocouple Reinforce tension. In this case, negative feedback can be parallel to the entire amplifier arrangement with a portion of the voltage developed between output terminals 19 and 20 derived by means of a negative feedback network (not shown) and transferred to the "warm" and "cold" Solder joint of the thermocouple is added, so that the terminals 1 and 2 applied input signal is provided. This negative feedback has the same effect as the thermocouple to increase the presented load impedance.

Weiterhin kann die »kalte« Lötstelle längsseits des Transistors 7 angeordnet werden, so daß er auf einer angenähert konstanten Temperatur, von z.B. +50° C, in der zuvor beschriebenen Weise gehalten wird.Furthermore, the "cold" solder joint can be arranged alongside the transistor 7 so that it is on a approximately constant temperature, e.g. + 50 ° C, is maintained in the manner described above.

Anstatt die Transistoren 7 und 33 mit Aluminiumfolie zu umwickeln, können sie so angeordnet werden, daß sich ein Transistor in jedem Ende eines kurzen Längsstückes eines Kupferrohres befindet, das von der erwähnten Spule 34 umschlossen ist.Instead of wrapping the transistors 7 and 33 with aluminum foil, they can be arranged so that there is a transistor in each end of a short length of copper tube that is from the mentioned coil 34 is enclosed.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Amplifier arrangement for amplifying a direct current or relatively low-frequency alternating current signal, consisting of a number of cascade-connected transistor amplifier stages stabilized by negative feedback, in which the input signal is chopped up (modulated), amplified, then rectified and integrated in the rhythm of a higher-frequency auxiliary voltage, characterized in that the modulator transistor (7) is held at a constant temperature above ambient temperature by means of a temperature-sensitive element (33) which is responsive to its temperature and which is in thermal contact with it, and that the other transistors in the arrangement are not temperature-stabilized.

2. Amplifier arrangement according to claim 1, characterized in that the modulator transistor (7) is connected as a shunt modulator.

3. Amplifier arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that it has a Has a total stress gain of at least 50,000.

Considered publications:
"Proceedings of the IEE", Part B, 1958, May,

Pp. 258 to 266;

"IRE-Transactions on Circuit Theory", 1957,

September, pp. 194 to 202;

"Wireless World", 1958, May, pp. 237-239; July,

Pp. 327 and 328.

1 sheet of drawings