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Verzerrungsarme Verstärkerschaltung mit Transistoren Die verzerrungsfreie
Verstärkung von Signalen über einen großen Frequenzbereich mit der unteren Grenzfrequenz
f = 0 Hz bereitet trotz fortgeschrittener Technik immer noch gewisse Schwierigkeiten.
Vor allem ist der Verstärkungsgrad bekannter Schaltungen temperaturabhängig, wenn
nicht die Umgebung der Schaltung - unter erheblichem Aufwand - auf konstanter Temperatur
gehalten wird.
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Unter anderem sind als Modifikationen von Spannungs- oder Stromkonstanthaltern
ausgebildete Verstärkerschaltungen mit einem Regel- und einem Stelltransistor bekannt.
Darin sind Basis und Emitter des Stelltransistors mit Kollektor bzw. Emitter des
Regeltransistors leitend verbunden. Die Eingangsspannung liegt am Emitter des Regeltransistors,
und dessen Basis ist über einen Arbeitswiderstand geerdet. Bei Spannungsverstärkung
liegt der Lastwiderstand zwischen Emitter des Stelltransistors und Erde und bei
Stromverstärkung in der Kollektorleitung des Stelltransistors. Durch die Verwendung
des Regeltransistors ist zwar der Stelltransistor, nicht aber der Regeltransistor
selbst temperaturkompensiert. Daher arbeiten diese Schaltungen immer noch recht
stark temperaturabhängig.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung mit mindestens
einem Regel- und einem Stelltransistor mit eingeprägter Spannung oder eingeprägtem
Strom am Ausgang zu schaffen, die eine verzerrungsarme Verstärkung von elektrischen
Signalen ermöglicht und die unabhängig von der Umgehungstemperatur arbeitet. Die
Erfindung besteht darin, daß ein Regeltransistorpaar mit leitend verbundenen Emittern
und mit gleichen Kollektorwiderständen vorgesehen ist, zwischen deren Verbindungspunkt
und den Emitteranschlüssen eine gemeinsame Gleichspannungsquelle liegt, daß die
Basis des einen (eingangsseitigen) Regeltransistors am Eingang der Schaltung liegt
und die des zweiten Regeltransistors über einen Arbeitswiderstand geerdet ist, daß
Basis bzw. Kollektor des zweiten Regeltransistors mit Emitter bzw. Basis eines Stelltransistors
leitend verbunden sind, daß zwischen Basis des zweiten Regeltransistors und Emitter
des Stelltransistors oder zwischen Erde und einer in der Kollektorleitung des Stelltransistors
liegenden Spannungsquelle ein Vorwiderstand liegt und daß ein Lastwiderstand parallel
zur Reihenschaltung aus Arbeitswiderstand und Vorwiderstand oder einstellbarer Teil
des Vorwiderstandes geschaltet ist.
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Weiterhin stimmen die beiden Transistoren hinsichtlich ihrer Kenndaten
weitgehend überein. Außerdem ist die Basis des eingangsseitigen Regeltransistors
zum Abgleich der Basis-Emitter-Spannungen am Regeltransistorpaar über einen veränderlichen
Widerstand mit dessen Kollektor verbunden.
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Weiterhin kann zur Vorgabe eines Arbeitspunktes für den Ausgang der
erfindungsgemäßen temperaturkompensierten Schaltung ein Spannungsteiler zwischen
der eingangsseitigen Basis des Regeltransistorpaares, Erde und dem negativen Pol
einer Spannungsquelle vorgesehen sein, wobei der negative Pol der Spannungsquelle
an Erde liegt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zur Vergrößerung
der Ausgangsleistung in Kaskadenschaltung zum Stelltransistor ein oder mehrere Transistoren,
insbesondere in Darlington-Schaltung, geschaltet.
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Am Beispiel einiger Schaltbilder und Meßergebnisse wird die Erfindung
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Prinzip einer Verstärkerschaltung mit eingeprägter
Spannung am Ausgang, F i g. 2 das Prinzip einer Verstärkerschaltung mit eingeprägtem
Strom am Ausgang, F i g. 3 eine temperaturkompensierte Verstärkerschaltung, F i
g. 4 eine praktisch ausgeführte Verstärkerschaltung, F i g. 5 Meßergebnisse, mit
der Schaltung nach F i g. 4 aufgenommen.
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In F i g. 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung
mit eingeprägter Spannung am Ausgang dargestellt. Mit 1 ist der Stelltransistor
und mit 2 der Regeltransistor bezeichnet. Bei 3 wird das Eingangsspannungssignal
(z. B. Wechselspannung) auf die Schaltung gegeben. Mit 4 ist ein Arbeitswiderstand
RA, mit 5 ein Vorwiderstand Rv und mit 6 ein Lastwiderstand gekennzeichnet. Um die
Schaltung
rückwirkungsfrei gegenüber dem Eingang zu machen, befindet sich zwischen dem Emitter
und dem Kollektor des Transistors 2 eine Gleichspannungsquelle 9.
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Die Spannung am Arbeitswiderstand RA ist gleich der Eingangsspannung
(3) vergrößert um den verhältnismäßig kleinen Steuerspannungsabfall an der
Basis-Emitter-Strecke des Transistors 2. Da der Arbeitswiderstand RA konstant
bleibt, ist der durch diesen Widerstand fließende Strom JA der Eingangsspannung
proportional. Der Vorwiderstand Ry, der ebenfalls konstant ist und in Reihe mit
dem Arbeitswiderstand RA liegt, wird also vom gleichen Strom JA durchflossen.
Der Lastwiderstand liegt parallel zum Vorwiderstand Ry und zum Arbeitswiderstand
RA; daher ist die am Lastwiderstand liegende Spannung der Eingangsspannung proportional.
Diese Spannung am Lastwiderstand ist bis zur maximalen Verlustleistung bzw. bis
zum maximalen Kollektorstrom des Stelltransistors 1 unabhängig vom Lastwiderstand,
d. h., sie ist nur nach unten durch die Verlustleistung des Transistors
1 begrenzt.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Verstärker mit eingeprägter Spannung
am Ausgang beträgt die Verstärkung 1 -f- Ry/RA. Dieser Spannungsverstärkungsfaktor
kann auch variabel einstellbar sein; dazu wird der eine Anschluß des Lastwiderstandes
6 nicht zwischen dem Transistor 1 und dem Vorwiderstand 5 angebracht, sondern an
einem verstellbaren Abgriff des Vorwiderstandes 5, oder es wird ein veränderlicher
Vorwiderstand verwendet.
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In F i g. 2 ist das Prinzipschaltbild einer Verstärkerschaltung gemäß
der Erfindung mit eingeprägtem Strom am Ausgang dargestellt, die analog zur Verstärkerschaltung
nach F i g.1 aufgebaut ist und in der gleiche Teile wie vorher bezeichnet sind.
Der Lastwiderstand 10 befindet sich in der Kollektorleitung des Stelltransistors
1. Der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand RA (4) ist wieder fast gleich der Eingangsspannung.
Da RA konstant bleibt, ist der durch RA fließende Ausgangsstrom JA der Eingangsspannung
proportional. Der Lastwiderstand liegt in Reihe zu RA und wird ebenfalls von dem
Ausgangsstrom JA durchflossen. Bei diesem Verstärker mit eingeprägtem Strom
am Ausgang ist der Ausgangsstrom bis zum Erreichen der maximalen Kollektorverlustleistung
bzw. der maximalen Kollektorsperrspannung des Transistors 1 unabhängig vom
Lastwiderstand 10.
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Ursachen für ein Abweichen der beschriebenen Verstärker vom idealen
Verhalten innerhalb des Aussteuerbereiches können einerseits die Temperaturabhängigkeit
der Eigenschaften des Regeltransistors 2 und andererseits die Differenz der
Spannung UA am Arbeitswiderstand RA (4) und der Eingangsspannung (3) sein.
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Eine einfache und besonders wirksame Methode zur Eliminierung der
genannten Temperaturabhängigkeit wird an Hand des Prinzipschaltbildes in F i g.
3 erläutert. In dieser temperaturkompensierten Verstärkungsschaltung mit eingeprägtem
Strom am Ausgang sind gleiche Teile wie in F i g. 2 bezeichnet. In Reihe zur Basis-Emitter-Strecke
des Regeltransistors 2 ist im entgegengesetzten Sinne die Basis-Emitter-Strecke
eines weiteren Transistors 11 geschaltet. Zweckmäßig werden für die Transistoren
2 und 11 Bauelemente mit möglichst identischen Eigenschaften ausgewählt.
Mit 13 und 14 sind insbesondere gleiche Widerstände und mit
15 ist eine Gleichspannungsquelle bezeichnet. Der verstellbare Widerstand
12 dient dazu, die Basis-Emitter-Spannung an den Transistoren 2 und 11 abzugleichen.
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Durch die Schaltung nach F i g. 3 wird erreicht, daß bei gleicher
Wahl des Arbeitspunktes (gleicher Temperaturdurchgriff) und gleicher Arbeitstemperatur
(z. B. beide Transistoren in einem Aluminium-oder Kupferblock) im gesamten Arbeitstemperaturbereich
die Summe der Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren zu Null wird. Dadurch
wird die temperaturabhängige Änderung der Differenzspannung zwischen der am Arbeitswiderstand
4 und der Eingangsspannung eliminiert.
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Bei bekannten Schaltungen dieser Art liegt ein Widerstand zwischen
den Emittern des Regeltransistorpaares 2, 11 und Erde, und die Spannungsquelle 15
ist durch eine solche zwischen den Widerständen 13 und 14 und Erde
ersetzt. Bei einer derartigen Schaltung ginge die Spannung am Arbeitswiderstand
4 nicht gegen Null, wenn das Eingangssignal (3) verschwindet. Daher kann mit Hilfe
dieser bekannten temperaturkompensierten Schaltung kein idealer Verstärker realisiert
werden. Dagegen geht bei der erfindungsgemäßen temperaturkompensierten Verstärkerschaltung
die Spannung am Arbeitswiderstand 4 mit dem Eingangssignal gegen Null.
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Das beschriebene Verhalten gilt für den ungesteuerten Verstärker und
bei konstantem Lastwiderstand. Bei Aussteuerung und Änderung des Lastwiderstandes
ist die Summe der genannten Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 2 und 11 von
Null verschieden. Die Temperaturabhängigkeit des Regeltransistorpaares 2, 11 ist
aber wesentlich geringer (etwa um den Faktor 100), als sie bei Verwendung nur eines
Transistors wie in F i g. 2 in Kauf genommen werden müßte. Durch die Gegenreihenschaltung
der Transistoren 2 und 11 wird nämlich die Differenz der Temperaturdurchgriffe
wirksam und nicht der Temperaturdurchgriff selbst. Um weiterhin den aussteuerungsabhängigen
Fehler der Spannungsübersetzung (Verhältnis der Spannung am Arbeitswiderstand zur
Eingangsspannung der Schaltung nach F i g. 3) klein zu halten, wird zweckmäßig die
Gesamtstromverstärkung der Transistoren 1, 2 und 11
zusammen möglichst
groß gewählt.
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Die Schaltung nach F i g. 3 kann auch durch Parallelschaltung zweier
solcher temperaturkompensierter Verstärkerschaltungen zu einer Gegentaktschaltung
erweitert werden. Die beiden Teilverstärkerschaltungen haben dann zweckmäßig nur
den Eingang und den Lastwiderstand 10 gemeinsam. Durch Auslegung der einen
Teilschaltung mit pnp- und der anderen Teilschaltung mit npn-Transistoren können
die gleichen Vorzüge (verzerrungsfrei usw.) wie mit Eintaktverstärkerschaltungen
erreicht werden.
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Die temperaturkompensierte Verstärkerschaltung mit eingeprägtem Strom
am Ausgang nach F i g. 3 kann auf einfache Weise in eine temperaturkompensierte
Verstärkerschaltung mit eingeprägter Spannung am Ausgang umgebaut werden, wenn nämlich
als Lastwiderstand nicht das Element 10, sondern der gestrichelt gezeichnete ohmsche
Widerstand 16 verwendet wird. Der Widerstand 10 erfüllt dann die Aufgabe
des Vorwiderstandes 5 (F i g. 1), obwohl er an eine andere Stelle in die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors 1 eingeschaltet ist. Selbstverständlich können die Widerstände
10, 4 und 16 in F i g. 3 auch
ebenso geschaltet sein
wie in F i g. 1 die entsprechenden Widerstände 5, 4 und 6.
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F i g. 4 zeigt ein praktisches Beispiel einer erfindungsgemäßen temperaturkompensierten
Schaltung mit eingeprägtem Strom am Ausgang. Im Prinzip entspricht diese Schaltung
der nach F i g. 3, daher sind mit 1 bis 4 und 9 bis 15 gleiche Teile wie dort bezeichnet,
jedoch sind hier zur Anpassung an die Leistung noch einige weitere Transistoren
22 bis 25, insbesondere in Darlington-Schaltung, und einige Widerstände 17 bis 20
zugeschaltet. Außerdem ist zur Vorgabe eines Arbeitspunktes für den Ausgang ein
Spannungsteiler 21 zwischen der Basis des Regeltransistors 11, Erde und dem negativen
Pol der Spannungsquelle 9 vorgesehen.
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In der ausgeführten Schaltung waren 1, 2 und 11 diffusionslegierte
pnp-Germanium-Hochfrequenz-Transistoren, 22 ein pnp-Germanium-Hochfrequenz-Legierungstransistor
und 23 bis 25 pnp-Germanium-Niederfrequenz-Leistungstransistoren.
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In F i g. 5 sind für eine Meßreihe, die an einer Schaltung gemäß F
i g. 4 aufgenommen wurde, die Werte der Spannungsverstärkung 30 und des Klirrfaktors
31 als Funktion der Frequenz (bei 10 Watt Ausgangsleistung) angegeben. Die Ausgangsspannung
wurde dabei am Lastwiderstand 10 abgenommen. Auf der linken Ordinate in F i g. 5
ist die Spannungsverstärkung in Dezibel (db), auf der rechten Ordinate der Klirrfaktor
K in Prozent und auf der Abszisse die Frequenz f der Spannung in Hertz aufgetragen.
Ein Zahlenwert in Dezibel ist definitionsgemäß gleich dem 20fachen dekadischen Logarithmus
des Verhältnisses der Ausgangs- zur Eingangswechselspannungsamplitude.
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Es geht aus der F i g. 5 einerseits hervor, daß der Klirrfaktor, d.
h. das Verhältnis des Effektivwertes der Summe sämtlicher Oberschwingungen zum Gesamteffektivwert,
wesentlich unter 1 % bleibt, und andererseits, daß die Spannungsverstärkung bis
etwa 20 kHz für alle Frequenzen gleich ist. Die obere Grenze von 20 kHz ist dabei
aber nicht durch das Prinzip der erfindungsgemäßen Schaltung, sondern durch die
Eigenschaften der verwendeten Transistoren vorgegeben. Bei Benutzung geeigneter
Transistoren können erfindungsgemäße Schaltungen gebaut werden, die in einem wesentlich
größeren Frequenzbereich eine überall gleiche Spannungsverstärkung (oder auch Stromverstärkung)
aufweisen.
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Die erfindungsgemäßen verzerrungsarmen Verstärkerschaltungen weisen
auch bei Temperaturschwankungen oder Schwankungen der Versorgungsspannung über den
gesamten, sehr großen Aussteuerbereich von 0 Hz an für alle Frequenzen die gleiche
Verstärkung auf. Die eingeprägte Spannung oder der eingeprägte Strom am Ausgang
sind im zulässigen Aussteuerbereich unabhängig vom Lastwiderstand. Spezielle induktive
oder kapazitive Koppelelemente werden nicht benötigt. Der Eingang und der Ausgang
der Schaltung sind galvanisch erdbar und eisenlos.