DE1292201B

DE1292201B - Spannungsbegrenzer mit einstellbarem Begrenzungspegel fuer Signalverstaerker

Info

Publication number: DE1292201B
Application number: DEW42707A
Authority: DE
Inventors: Hull Robert E
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1965-11-17
Filing date: 1966-11-02
Publication date: 1969-04-10
Also published as: US3437836A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen hinsichtlich Spannungsabfälle dieser Dioden zuzüglich der Ausseines Grenzwerts einstellbaren elektronischen Span- gangsspannung des Verstärkers A ist, welche an den nungsbegrenzer für elektronische Signalverstärker. ' Klemmen T₀ und T_g0 erscheint. Sind die Dioden D₂ In vielen Anwendungsfällen ist es nötig, die Aus- und D₃ Siliziumdioden, so haben diese etwa je einen gangsspannung von Verstärkern in vorbestimmten 5 Durchlaßspannungsabfall von 0,7 V. Die Spannung Grenzen zu halten, um die gewünschten Steuerfunk- am Emitter des Transistors Q₁ ist dann also um 1,4 V tionen zu erzielen. Begrenzeranordnungen bei Ver- höher als die positive Ausgangsspannung E₀. stärkern benötigen Schwellenanordnungen, um die Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 möge angenom-

Ausgangsspannung des Verstärkers zu begrenzen. men sein, daß die positive Ausgangsbegrenzerspan-Zum Zweck der einstellbaren Ausgangsspannungs- io nung des Verstärkers +10 V sein soll. Es möge dann pegeländerung ist es jedoch nötig, Schwellenanord- weiter eine negative Eingangsspannung — E₁ dem nungen zu verwenden, bei denen der Ausgangs- Eingang des Verstärkers Λ zugeführt werden. Zum Spannungsgrenzwert durch Vorgabe einer veränder- Zweck des Aufbaus' dieser Ausgangsbegrenzerspanbaren Steuerspannung in weiten Grenzen verschoben nung wird eine Steuerspannung +E_c an die Kiemwerden kann. Die Erfindung gibt hierfür eine prak- 15 men T₀₊ und T_gc angelegt. Solange die Ausgangstische Lösung, die als Ausführungsbeispiel an Hand spannung E₀ kleiner als +10V ist, ist der Transizweier Figuren im folgenden Beschreibungsteil und stör Q₁ nichtleitend, da die Diode D₁ durch die in den Ansprüchen naher erläutert werden soll. positive Steuerspannung E₀ von 10 V in Sperrichtung

In der Fig. 1 sei A ein Transistorverstärker er- vorgespannt ist. Nunmehr sei angenommen, daß die findungswesentlicher Art, der eine Ausgangsspannung *° Ausgangsspannung E₀ einen Wert größer als +10 V liefern soll, die proportional der Eingangsspannung erreichen möge. In diesem Fall wird am Emitter des mit Signalumkehr ist. Der Begrenzer hat die Aufgabe, Transistors Q₁ eine Spannung auftreten, die größer den Ausgangspegel des Verstärkers^ innerhalb als +11,4V ist (10 V Ausgangsspannung + 1,4 V steuerbarer Grenzen und unabhängig von der Ampli- Spannungsabfall an den Dioden D₂ und D₃). Unter tude des dem Eingang des Verstärkers A zugeführten as diesen Voraussetzungen wird der Transistor Q₁ Eingangssignals zu begrenzen. durchlässig gesteuert, weil dann der Emitter dieses

Ein Eingangsspannungssignal E_{ wird an die Ein- Transistors sich auf positivem Potential gegenüber gangsklemmen T₁, T_gl angelegt. Die Eingangs- seiner Basis befindet. Die Spannung zwischen dem klemmer, ist über eine EingangsimpedanzZ, mit \ Emitter des Transistors Q₁ und der Klemme T_c+ bedem Eingang des Verstärkers A über den Sammel- 3° trägt dann etwa 1,4 V, weil die Summe der Basispunkt SJ verbunden. Die Klemme T_gi ist über die Emitter-Spannung des Transistors Q₁, des Span-Bezugsleitung G, die geerdet sein kann, ebenfalls an nungsabfalls der Diode D₁ und des. Spannungsabfalls den Verstärker A angeschlossen. Die Klemme T₀ ist am Widerstand R₁ etwa gleich dem Spannungsabfall mit dem Ausgang: des; Verstärkers verbunden. Zwi- an der Diodenkombination D₂, D₃ ist. sehen Klemme T₀ und dem Sammelpunkt SJ liegt die 35 wird der Transistor Q₁ durchlässig gesteuert, so Rückkopplungsimpedanz Z_{. Die Ausgangsspannung verlagert sich das Potential an seinem Kollektor zu E₀ des Verstärkers A ist den Klemmen T₀ und T_eo positiven Werten hin. Der Kollektor des Transientnehmbar, wobei die letztere mit der Bezugs- stors Q₁ ist mit der Basis des Transistors Q₂ vom leitung G verbunden ist. npn-Typ in Emitterfolgerschaltung verbunden. Die

Die Ausgangsgrenzspannungen des Verstärkers A 4° Spannung am Emitter des Transistors Q₂ folgt demwerden unter Mitwirkung der Steuerspannung +E_c nach der Spannung an seiner Basis. Der Transistor ß₂ und . — E₀ eingestellt. Die positive Steuerspannung ist durch den Emitterwiderstand .R₄ vorgespannt, der +E_C ^K ist an die Klemme T_c+ und die gemeinsame mit seinem freien Ende an der Klemme Γ— der Klemme T_gc angelegt, wobei die letztere an die Be- Stromversorgung liegt. Der Kollektor des Transizugsleitung G angeschlossen ist. Die negative Steuer- 45 _stors q^ j_st üb_er d_en Widerstand R₅ mit der positiven spannung —E_c liegt an der KlemmeT_c_ und der Klemmer+ der Stromversorgung verbunden. Zwigemeinsamen Klemme T_gc. sehen den Emitter des Transistors Q₂ und dem

Die Klemme T_c+ ist mit dem einen Ende eines Punkt SJ am Eingang des Verstärkers A ist eine Widerstandes R₁ verbunden, dessen anderes Ende an Diode D₄ geschaltet, deren Anode an den Emitter die Kathode der Diode D₁ angeschlossen ist. Die""50· des Transistors ß_o - und dessen Kathode 'an den Anode der Diode D₁ führt zur Basis des Transistors Punkt 57 angeschlossen ist. Die Diode D₄ ist durch Q₁ vom pnp-Typ. Der Kollektor des Transistors Q₁ das negative Betriebspotential an der Klemme T— ist mit dem einen Ende eines Widerstandes R₂ ver- in Sperrichtung vorgespannt, so daß der Begrenzer bunden, dessen anderes Ende an die Klemme T— vom Eingang des Verstärkers A abgeschaltet ist, soder Stromversorgung.angeschlossen ist. Der Emitter. 55 länge keine Begrenzung durchgeführt wird. Während des Transistors Q₁ liegt über den Widerstand R₃ am der Begrenzung aber, also wenn der Transistor Q₁ positiven Pol Γ+ der Stromversorgung. Zwischen durchlässig gesteuert ist und sein Kollektorpoteiitial den Emitter des Transistors Q₁ und die Ausgangs- positiver wird, wird die Basis des Transistors Q₂, klemme T₀ des Verstärkers A ist eine Serienschal- welche mit dem Kollektor des Transistors Q₁ verbuntung aus der Diode D₂ und der Diode D₃ geschaltet. 60 den ist, ebenfalls zu positiven Werten hingesteuert. Die Anode der Diode D₂ liegt dabei am Emitter des Der Emitter des Transistors Q₂ wird also zu posi-Transistors Q₁, während die Kathode der Diode D₃ tivem Potential geführt und damit der Transistor Q₂ an die Ausgangsklemme T₀ angeschlossen ist. Die durchgesteuert.

Kathode der Diode D₂ ist mit der Anode der Diode Befindet sich der Emitter des Transistors ß₂ auf

D₃ verbunden. Das Diodenpaar D₂, D₃ wirkt als 65 positivem Potential, so ist die Diode D₄ in Durchlaß-Schwellenwertglied für den Emitter des Transistors richtung vorgespannt und erlaubt einen Stromfluß Q₁ und legt an den Emitter des Transistors Q₁ eine zum Verbindungspunkt SJ hin. Der Strom fließt also Spannung an, welche gleich der Summe der Vorwärts- in den Verbindungspunkts/ hinein, wobei der Strom-

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fluß im Sammelpunkt SJ auf Grund des wirksamen Der Transistor Q₄ ist kollektorseitig über den

negativen Eingangssignals E₁ ausgeglichen wird. Das Widerstand R_g mit der negativen Stromversorgüngs-

Eingangssignal kann also die Ausgangsspannung am klemme T— verbunden, während der Emitter des

Verstärker nicht weiter zu positiveren Werten treiben, Transistors Q₄ über den Widerstand JR₁₀ an den solange die eingestellte 10-Volt-Grenzspannung durch 5 positiven Pol der Betriebsstromquelle T+ angeschlos-

die Steuerspannung + E_c bereitgestellt ist und an- sen ist. Der Emitter des Transistors Q₄ ist überdies

steht. über die Diode D₈ mit dem Sammelpunkt SJ am

Die Begrenzung wird in der Fig. 2 bei einer auf Eingang des Verstärkers A verbunden. Wird der

10 V begrenzten Ausgangsspannung veranschaulicht, Transistor Q₃ durchgesteuert, so wird sein Kollektor welche unabhängig vom Eingangssignalpegel E₁ ist io zu negativen Werten hin gesteuert, wobei die Basis

und eine positive Steuerspannung E₀ von +10V er- des Transistors Q₁ und sein Emitter ebenfalls zu

fordert. Die positive Begrenzerspannung könnte auch negativen Werten hin gesteuert werden. Dadurch

auf andere Grenzpegel eingestellt werden, wie z. B. wird die Diode D₈ im Durchlaßsinn beansprucht und

auf 3 V, z. B. durch Einstellen einer Steuerspannung läßt einen Stromfluß zu. Dieser Strom wird jetzt von -\-E_c von 3 V, wie dies in der gestrichelten Kurve ¹S dem Sammelpunkt 5/ wegfließen und über die

der Fig. 2 veranschaulicht ist. Der Grenzwert könnte Diode D₈ geleitet werden, wobei der Ausgang des

auch auf OV durch Anwendung einer 0-Spannung Verstärkers A auf etwa —5 V, unabhängig von der

zwischen den Klemmen E_c+ und T_gc eingestellt Amplitude des EingangssignalsE₁ gehalten wird,

werden, so daß irgendeine Ausgangsspannung E₀, Dies ist in der Fig. 2 für eine Steuerspannung E_c von welche 0 V in positiver Richtung überschreitet, den ^ao etwa —5 V veranschaulicht. Befindet sich der Ver-

Begrenzungsvorgang auslösen kann. stärker A in nicht begrenztem Arbeitszustand, d. h.

Eine negative Grenzspannung des Verstärkers A bei einer negativen Ausgangsspannung von weniger

kann durch Anlegen einer negativen Steuerspannung als —5 V, so wird die Diode D₈ durch die positive

—E c an die Klemmen T_c_ undT_gc eingestellt werden. Spannung an der Klemmer+ über den Widerstand

Es ist somit ein einfacher und symmetrischer Aufbau ²5 R₁₀ im Sperrsinn beansprucht. Der Begrenzer ist

erreichbar, um auch den negativen Grenzwert ein- dann vom Verstärkereingang während dieses nicht

zustellen, wenn er neben einer positiven Ausgangs- begrenzenden Arbeitszustandes abgeschaltet,

begrenzung benötigt wird. Hierzu dient der Transi- Die negative Ausgangsbegrenzung des Verstär-

stor Q₃ vom npn-Typ und der Transistor O₄ vom keisA kann natürlich auch auf andere Grenzwerte

pnp-Typ. Diese Transistoren entsprechen in ihrer 3o eingestellt werden, welche durch die Größe der

Arbeitsweise den Transistoren Q₁ und Q₂, welche Steuerspannung —E_c bestimmt werden. Wie in Fig. 2

zuvor beschrieben wurden. Die Eingangsklemme T_c_ veranschaulicht, wird bei einer Steuerspannung E_c

ist mit dem einen Ende des Widerstandes R₆ ver- von etwa —15 V der Ausgangsgrenzpegel auf etwa

bunden, dessen anderes Ende an die Anöde der —15 V eingestellt.

DiodeDg angeschlossen ist. DieKathode derDiodeD₅ 35 Die Begrenzungssteuerung kann als eineArtRückist mit der Basis des Transistors Q₃ verbunden, wäh- kopplungssteuerung angesehen werden. Das bedeurend der Emitter des Transistors Q₃ an den Wider- tet, daß der Rückkopplungsstrom durch die Diostandi?₇ angeschlossen ist, dessen freies Ende mit den D₄ bzw. D₈ für positive bzw. negative Grenzdem negativen Betriebsspannungspol Τ— verbunden werte den Bezugsstrom durch die Eingangsimpeist. Ein Kollektorwiderstand R₈ ist zwischen den 40 danzZ,- auslöscht, wobei nur ein kleiner Fehlstrom Kollektor des Transistors Q₃ und die positive Be- zum Verstärker A geleitet wird. Da jeweils zwei Vertriebsstromklemme T+ geschaltet. Zwischen dem Stärkungsstufen im Begrenzer vorgesehen sind, wird Emitter des Transistors Q₃ und der Ausgangs- eine genügende Verstärkung erhalten, um eine sehr klemme T₀ des Verstärkers ^l liegt die Diodenkombi- scharfe Begrenzerwirkung zu erzielen, die sich im nation D₆ und D₇ in Reihenschaltung. Die Kathode 45 Begrenzungsfall nur wenig ändert, der Diode D₆ ist mit der Anode der Diode D₇ ver- Die positive und negative Grenzwerteinstellung ist bunden, ihre Anode ist an die Ausgangsklemme T₀ im wesentlichen symmetrisch, weil die Transistoangeschlossen, während die Kathode der Diode D₇ ren Q₁ und Q₂ den Transistoren Q₃ und Q₄ entmit dem Emitter des Transistors Q₃ und überdies sprechen. Die Größen der an die Klemmen T+ und über den Widerstand R₇ mit der Klemme T— ver- 50 T — anzulegenden Betriebsspannungen sind ebenfalls bunden ist. Die Dioden D₆ und D₇ stellen am Emit- gleichartig, jedoch entgegengesetzter Polarität. Auch ter des Transistors Q₃ einen Spannungspegel ein, die Widerstandswerte der im folgenden genannten welcher bei einem Anstieg um die Durchlaßspan- Widerstände entsprechen einander, so z. B. R₁ und nungsabfälle der Dioden D₀ und D₇ negativer ist als i?₆, R₂ und R_s, R₇ und JR₃, JR₄ und i?_I0, R₉ und R₅, die Ausgangsspannung. Betragen diese Spannungs- 55 R_n und jR₁₂. Die Kapazitäten C₁ und C₂ sind ebenabfälle je etwa 0,7 V, so ist die Spannung am Emit- falls gleichartig, und die Dioden D₁ bis D₁₀ sind vorter des Transistors Q₃ um etwa 1,4 V negativer als zugsweise Siliziumdioden gleicher Art. die Spannung an der Klemme T₀. Wie schon erwähnt, sind die Dioden D₄ und D₈ Soll die Begrenzerspannung etwa —5 V betragen, während der nicht begrenzenden Tätigkeit des Verwird eine Steuerspannung von — 5 V an die Klem- 60 stärkers im Sperrsinn vorgespannt und erlauben es menT_c_ und T_ec angelegt. Überschreitet dann die somit, den Begrenzer vom Verstärker zu trennen. Ausgangsspannung E₀ —5 V, so wird am Emitter des Dies gestattet es, den Verstärker auch in normalem, Transistors Q₃ beim Überschreiten von etwa —6,4 V also nicht begrenzendem Sinne zu betreiben. Eine eine Spannung erscheinen, die den Transistor Q₃ Schaltungsergänzung zur Fig. 1 ergibt sich dadurch, durchsteuert, wobei sein Kollektor zu negativen 65 daß eine Kapazität C₁ zwischen Basis und Kollektor Werten hin gesteuert wird. Der Kollektor des Transi- des Transistors Q₁ und eine Kapazität C₂ zwischen stors Q₃ ist an die Basis des Transistors Q₄ an- Basis und Kollektor des Transistors Q₃ geschaltet geschlossen. werden können. Diese Kondensatoren sollen den

Verstärker^ durch kapazitive Belastung stabilisieren, sobald dieser begrenzt wird.

Zwischen dem Kollektor des Transistors Q₁ und der Bezugsleitung G kann noch eine Diode D₉ und ein Widerstand R_n vorgesehen sein. Die Anode der Diode D₉ soll mit der Bezugsleitung G verbunden, ihre Kathode an den Widerstand A₁₁ angeschlossen sein. Das freie Ende des Widerstandes A₁₁ wird mit dem Kollektor des Transistors Q₁ verbunden. Eine entsprechende Anordnung kann dem Transistor O₃ zugeordnet sein. Die Fig. 1 veranschaulicht dementsprechend den an den Kollektor des Transistors Q₃ angeschlossenen Widerstand R₁₂, dessen freies Ende mit der Anode der Diode D₁₀ verbunden ist; die Kathode dieser Diode liegt auf Bezugspotential der *5 Leitung G.

Durch die DiodenD₉ und D₁₀ sollen die Kollektorspannungen der Transistoren Q₁ bzw. Q₃ stabilisiert werden. An diesen Dioden mögen beispielsweise Spannungsabfälle von —0,7 bzw. +0,7 V entstehen. ^ao Begrenzt man die Maximalspannungen, die an den Kollektoren der Transistoren Q₁ und Q₃ auftreten können, dann können hohe Spannungen an den Kondensatoren C₁ und C₂ nicht auftreten. Wären solche Spannungen zugelassen, dann ergäbe sich, sobald der Grenzwert erreicht wird, ein Uberschwingen des Verstärkers A entsprechend der Zeit, die benötigt wird, um die Kapazitäten C₁ und C₂ zu entladen. Die Dioden D₉ und D₁₀ sind nämlich während des Begrenzervorgangs im Sperrsinn beaufschlagt, da die Kathode der Diode D₉ über den Widerstand .R₁₁ mit dem Kollektor des Transistors Q₁ und die Anode der Diode D₁₀ über den Widerstand i?₁₂ mit dem Kollektor des Transistors O₃ verbunden ist. Die Widerstände A₁₁ und i?₁₂ begrenzen überdies den Basisstrom für die Transistoren Q₂ bzw. Q₄, sobald die Dioden D₉ und D₁₀ leitend sind.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist im Hinblick auf den Temperaturgang der Dioden im hohen Grad temperaturkompensiert. Der Spannungsabfall an den Dioden D₂ und D₃ hebt nämlich im wesentlichen die Spannungsabfälle an der Diode 5 und der Basis-Emitter-Verbindung des Transistors Q₃ auf. In entsprechender Weise kompensiert der Spannungsabfall an den Dioden D₆ und D₇ die Spannungsabfälle an der Diode 1 und an der Basis-Emitter-Verbindung des Transistors Q₁. Dieser Effekt gewährleistet, daß die Begrenzung in jeder Richtung bis herunter auf V durchführbar ist. Eine sinngemäße Ansteuerung des Basis-Emitter-Stromkreises der Transistoren Q₁ und Q₃ ist durch das Vorhandensein der Dioden D₁ und D₅ gewährleistet, weil diese als eine Art Gegenstromsicherung arbeiten.

Zusammengefaßt bildet die Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 einen Begrenzerzusatz für einen Verstärker, dessen Ausgangsgrenzspannung in einfacher Weise einstellbar ist. Die positiven und negativen Grenzwerte sind getrennt voneinander bis auf 0 einstellbar. Der Begrenzer kann auch vom Eingang des Verstärkers abgeschaltet werden, wobei der Verstärker in seiner normalen, d. h. in seiner unbegrenzten Betriebsweise zu arbeiten vermag.

Claims

Patentansprüche: g5

1. Spannungsbegrenzer mit einstellbarem Begrenzungspegel für elektronische Signalverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektronischen Begrenzung der Ausgangssignalspannung (T₀) des Verstärkers (A) auf einem vorgebbaren, von der Eingangssignalspannung (Ei) unabhängigen Wert in Abhängigkeit von der Größe einer Steuersignalspannung (E_c) der Verstärkerausgang (T₀) über Schwellenwertglieder (D₂, D₃; D₆, D₇), die eine der Verstärkerausgangsspannung proportionale Spannung abgeben, mit dem einen Eingang eines Halbleiterschaltkreises (Qv Qz'' O₃J Qi) verbunden ist, dessen Ausgang den Verstärkereingang (Γ,) beeinflußt und an dessen zweiten Eingang (T_c) die Steuersignalspannung (E_c) anlegbar ist, deren Größe den Grenzwert am Verstärkerausgang (T₀) bestimmt.

2. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschaltkreis ein, vorzugsweise zweistufiger Transistorverstärker ist, bei dem an den Emitter des Eingangstransistors (Q₁; Q₃) die Ausgangsspannung der Schwellenwertglieder (D₂, D₃; D₆, D₇) an die Basis dieses Transistors die Steuersignalspannung (E_c) angelegt und von dessen Kollektor die den Verstärkereingang (Γ,·) beeinflussende Ausgangsspannung abgeleitet ist.

3. Spannungsbegrenzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingangstransistor (Q₁; Q₃) ein Ausgangstransistor (Q₂; Q₄) des anderen Leitfähigkeitstyps in Emitterfolgeschaltung nachgeschaltet ist, wobei der Kollektor des ersten an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist, und daß die den Eingang (Γ,) des Verstärkers (A) beeinflussende Ausgangsspannung vom Emitter dieses zweiten Transistors abgeleitet und über eine Diode (D₄; D₈) an den Eingang (Γ,·) des Verstärkers (A) angelegt ist.

4. Spannungsbegrenzer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung sowohl positiver als auch negativer Signalspanungen am Ausgang (T₀) des Verstärkers (A) zwei Halbleiterkreise vorgesehen sind, wobei der jeweilige Grenzwert durch eine bipolare, stetig veränderbare Steuersignalspannungsquelle (T_c+\ T_c_) unabhängig vom anderen Grenzwert einstellbar ist.

5. Spannungsbegrenzer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwertglieder aus einer Gruppe von Dioden (D₂, D₃; D₆, D₇) in Reihenschaltung bestehen, die je einen bestimmten Durchlaßspannungsabfall aufweisen.

6. Spannungsbegrenzer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die zur Basis der Eingangstransistoren (Q₁; Q₃) führenden Steuerleitungen Schutzdioden (D₁; D₅) eingefügt sind.

7. Spannungsbegrenzer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basisanschluß der zweiten Transistoren (Q₂; Q₄) und Bezugsleitung (G) je eine Widerstands-Diodenkombination (D₉₁A₁₁JD₁₀₅Ti₁₂) in Reihenschaltung eingefügt ist.

8. Spannungsbegrenzer nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Basis-Strecke jedes der beiden Eingangstransistoren (Q₁; Q₃) durch einen Kondensator (C₁; C₂) überbrückt ist.

9. Spannungsbegrenzer nach den Ansprüchen I₅

2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwertglieder (D₂, D₃; D₀, D₇), je in Reihe mit einem Widerstand (R₃; R₇), zwischen den Ausgang (T₀) des Verstärkers (A) und den positiven bzw. negativen Pol der Betriebsstrom-

quelle (Γ) geschaltet sind, wobei die zum Emitter des zugeordneten Transistors (Q₁; Q₃) führende Abzweigleitung an dem Verbindungspunkt zwischen Widerstand (R₃; R₇) und Diodengruppe (D₂, D₃; D₆, D₇) angreift.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909515/1261