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Verstärker-Schaltung mit Gegenkopplung zur Regelung des Verstärkungsgrades
Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit Gegenkopplung in der Verstärkertechnik,
die es ermöglicht, den Verstärkungsgrad von Verstärkern, der durch Gegenkopplung
bestimmt und stabilisiert wird, oberhalb oder unterhalb einer oder mehrerer vorgebbarer
Schwellen sprungartig und definiert zu ändern. Sie betrifft insbesondere eine Schaltanordnung,
bei der das Auftreten von Verzerrungen von Signalen ausgeschlossen werden soll.
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Es wurden bereits zahlreiche Schaltungen für amplitudenabhängige Verstärkungen
vorgeschlagen. Die vorliegende, neuartige Schaltung zeichnet sich durch ihre Einfachheit,
Betriebssicherheit, genaue Berechenbarkeit und Verwendbarkeit für sehr verschiedene
Anwendungen aus.
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Es ist bekannt, daß der Verstärkungsgrad V von gegengekoppelten Verstärkern
durch das Verhältnis V = Z1 : 4 von zwei Impedanzen Z1 und Z2, die im Gegenkopplungspfad
in Serie geschaltet sind, bestimmt wird. Diese Impedanzen können durch Ohmsche,
kapazitive, induktive oder auch nichtlineare Widerstände gegeben sein. Die Impedanz
Z1 ist gewöhnlich mit einer .geeigneten Stelle des Verstärkerausganges, die die
Spannung U1 hat, verbunden. Die Gegenkopplungsverbindung Z1, Z2, die das Potential
U2 hat, wird einer geeigneten Stelle des Verstärkereinganges zugeführt. Die Impedanz
Z2 ist mit einem Potential U3 - häufig Erde - verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine amplitudenabhängige
Verstärkung zu erreichen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß bei einer Schaltung
in der Verstärkertechnik mit Gegenkopplung zur Regelung des Verstärkungsgrades gemäß-,der
Erfindung der zwischen dem Ausgang und einer Stelle des Einganges des Verstärkers
bzw. der Verstärkerstufe vorgesehene Gegenkopplungspfad aus einem aus zwei Impedanzen
bestehenden Spannungsteiler besteht, dessen zweite Impedanz über eine Diode mit
einem Potential verbunden ist und an die über eine dritte Impedanz ein weiteres
solches Potential angelegt ist, so daß für Eingangsamplituden unterhalb einer einstellbaren
Schwelle ein größerer und für Eingangsamplituden oberhalb dieser Schwelle ein kleinerer
Verstärkungsgrad erreicht wird.
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Es wird somit statt einer direkten Verbindung der Impedanz Z2 mit
dem Potential U3 eine Diode D zwischengeschaltet; ferner wird hinter Z2 eine dritte
Impedanz Z3 geschaltet, welche mit einem weiteren Potential Ux verbunden ist.
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Die Wirkungsweise dieser Gegenkopplungsschaltung nach der Erfindung
soll im folgenden an Hand der F i g. 1 näher erläutert werden, wobei die Impedanzen
als Ohmsche Widerstände angenommen werden. Das Ausgangssignal der Verstärkerstufe
1 wird über den Gegenkopplungspfad vom Abgriff zwischen den Impedanzen Z1, Z2 ausgehend
zum Verstärkereingang zurückgeführt. Die Diode D möge als leitend angenommen werden
und sei mit dem festen Potential U3 = Erde verbunden. über den Widerstand Z, sei
die Diode D aus einer Versorgungsbatterie mit dem negativen Potential Ux gespeist.
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In diesem Betriebszustand wird der Verstärkungsgrad V durch das Spannungsteilerverhältnis
Z1 : Z2 des Gegenkopplungspfades bestimmt. überschreitet die Amplitude des Ausgangssignals
einen positiven Schwellenwert, so wird die Diode D gesperrt, weil der Strom durch
die Impedanz Z3 nicht :groß genug ist, um die Diode D und den Spannungsteiler Z1,
Z2 mit Strom zu versorgen. Damit wird der Verstärkungsgrad über die veränderte Gegenkopplung
auf den Wert V' = Z1: (Z2 -I- Z3) reduziert. Die Schwellenamplitude und der reduzierte
Verstärkungsgrad V lassen sich beide beliebig und unabhängig durch geeignete Wahl
der Impedanzen und der Potentiale einstellen. Eine typische Verstärkungskennlinie
zeigt Fig.2a.
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F i g. 2 b zeigt eine Verstärkungskennlinie, wenn die Potentiale und
die Widerstände so eingestellt sind, daß die Diode D im signalfreien Zustand des
Verstärkers 1 gesperrt ist. Hier wird der Verstärkungsgrad V' beim überschreiten
einer negativen Schwellenamplitude auf den Verstärkungsgrad V vergrößert.
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F i g. 3 zeigt eine Verstärkungskennlinie, die einer Umpolung der
Diode D entspricht. Hier wird der Verstärkungsgrad beim überschreiten eines positiven
Schwellenwertes vergrößert.
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Es ist ohne weiteres möglich, die erfindungsgemäße Gegenkopplungsschaltung
durch Hinzufügen von
weiteren Impedanzen (z. B. Z4, Z5), die über
zusätzlichen leitenden oder gesperrten Dioden, weiche alle in der gleichen Richtung
gepolt oder auch verschieden gepolt sein können, mit weiteren Potentialen U in Verbindung
stehen, zu erweitern (z. B. F i g. 4).
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F i g. 5 zeigt eine Verstärkungskennlinie, die einer stufenweisen
Zunahme bzw. Abnahme des Verstärkungsgrades als Funktion der Eingangsamplitude entspricht.
Es ist natürlich auch möglich, in einem Verstärker mit mehreren äufeinanderfolgenden
Verstärkerstufen, die durch Gegenkopplungsschaltungen charakterisiert sind, die
erfindungsgemäße Gegenkopplungsschaltung auf mehr als eine Verstärkerstufe anzuwenden.
Dabei kann die Schaltung so ausgelegt sein, daß der Verstärkungsgrad nur beim überschreiten
gewisser Schwellenwerte des Eingangssignals von einer Signalpolarität oder auch
von beiden Signalpolaritäten umgeschaltet wird.
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Aus den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Schaltung nach der
Erfindung sollen im folgenden einige genannt werden: Es ist bekannt, daß die übersteuerung
eines -Verstärkers eine verhältnismäßig lange Totzeit des Verstärkers zur Folge
haben kann, die die Dauer des übersteuerungssignal um das Vielfache überschreiten
kann. Die Ausgangsamplituden einer. Verstärkerstufe können -nun erfindungsgemäß
so reduziert werden, daß alle folgenden Verstärkerstufen nicht mehr übersteuert
werden können.
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Eine beispielsweise Anwendung der Schaltung nach der Erfindung für
einen Verstärker, der eine Verstärkungscharakteristik - wie in F i g. 2 dargestellt
- hat, betrifft die Registrierung von zwei oder mehreren Signalgruppen mit womöglich
sehr verschiedenen Eingangsamplituden, - die dem Verstärker automatisch und uriverzerrt
Entnommen werden können. Ebenso kann ein in der Amplitude stark schwankendes Signal
ohne Informations- und Totzeitverlust nachgewiesen werden, was einem Schwundausgleich
entspricht. Neben der allgemeinen Verwendbarkeit der Erfindung z. B. für totzeitlose
und nicht übersteuerbare Verstärker soll noch auf einige spezielle Anwendungsbeispiele
in der Nachrichtentechnik bzw. Impulstechnik hingewiesen werden: Messung von Vorgängen,
bei denen ein Störuntergrund vorhanden ist, dessen Amplituden die interessierenden
Amplituden mehrfach übertreffen; Verstärker mit konstanter Ausgangsamplitude und
konstantem Verstärkungsgrad; Verstärker mit selektiver Empfindlichkeit für Impulse
unterhalb und oberhalb einer wählbaren Schwelle. Bei Umkehrung der Diode erhält
man einen Schwellenverstärker mit unterdrücktem Nullpunkt, wodurch z.. B.- eine
Rauschunterdrückung ermöglicht wird, oder einen Verstärker mit erhöhtem Verstärkungsgrad
$b einer vorgegebenen Schwelle (Expander-Verstärker).
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Die Gegenkopplungsschaltung nach .der Erfindung besitzt den Vorteil,
daß sie automatisch und totzeitlos den Verstärkungsgrad ton Verstärkern in schar
einstellbaren Stufen von einem wohldefinierten stabilisierten Verstärkungsgrad in
einen weiteren wohldefinierter< stabilisierten Verstärkungsgrad schaltet. Sie
zeichnet sich .durch ihre einfache und damit sichere Arbeitsweise aus. Sie ist in
weitgehender Näherung frequenzunabhängig. Sie ist unabhängig von den speziellen
technischen Lösungen .der Gegenkopplungsweise und diese lassen sich leicht in die
erfindungsgemäße Gegenkopplungsschaltung modifizieren.