DE1562085A1

DE1562085A1 - Verstaerker fuer Tonregelungssysteme

Info

Publication number: DE1562085A1
Application number: DE19681562085
Authority: DE
Inventors: Von Recklinghausen Daniel R; Fish Jun Lawrence W
Original assignee: H H SCOTT Inc
Current assignee: H H SCOTT Inc
Priority date: 1967-06-07
Filing date: 1968-01-22
Publication date: 1970-03-05
Also published as: ES347473A1; US3419811A; CH484558A; LU54946A1; NL6801351A; GB1165930A; IL28928A; BE706884A

Description

PATENTANWALTS PATENTANWALT DIPL-ING. R. MDILER-BORNER PATENTANWALT DIPL..ING. HANS-H. B E »LI N-.DAHLEM 33 ■ PO D BI ELS KIALLEE 68 · MÖNCHEN Zt · Wl D EN MAYE !STRASS E 4» TEL. Ρ3Π . 742907 · TElEGR. PROPINDUS · TELEX 0184057 TEL. MIl ■ 225585 · TELEGR. PROPINDUS · TELEX 0524244

20 211 Berlin, den 22. Januar 1968

H. H. Scott, Inc., Maynard Massachusetts, U.S.A.

Verstärker für Tonregelungssysteme

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung, bestehend aus einer Quelle für ein Wechselstromsignal, einer Steuerungseinrichtung, die einen Feldeffekt-Transistor mit Source-, Gate- und Drain-Elektrode enthält, sowie einen Eingangs- und Ausgangsschaltkreis.

Die Erfindung bezieht sich dabei auf einen Verstärker für Tonregelungssysteme, insbesondere einen Tonverstärker mit Verstärker- und Dämpfungsschaltkreis, allgemein mit Tonregelungsschaltung bezeichnet, die sich der Lautstärkeregelstufe im Tonverstärkersystem anschließt; es sei hier klargestellt, daß die neuen Merkmale der Erfindung auch in anderen Schaltungsanordnungen und Frequenzbereichen angewendet v/erden können.

In der Anwendung als Verstärker für. Tonregelungssysteme wird in. konventioneller Weise die relativ hohe Impedanz in der Lautstärke-

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regelstufe über einen Ubertragerschaltkreis als Tonsignal an die Tonregelungsschaltung übertragen, somit in üblicher Weise in einen mehrstufigen Verstärker-Schaltkreis. Wegen der relativ niedrigen Impedanz bei beispielsweise transistorisierten Tonverstärker-Schaltkreisen werden relativ große elektrolytische und andere Koppel- und Gegenkopplungskapazitäten in Verbindung mit der vorerwähnten Impedanzübertragung im Eingangsschaltkreis benötigt. Deswegen v/erden viele Transistorstufen erforderlich, um die gewünschte Verstärkung zu erzielen.

Da es bekannt ist, daß Feldeffekt-Transistoren (I¹ET) eine höhere Impedanz als gewöhnliche Transistoren aufweisen, wird hier die Möglichkeit betrachtet, derartige Bauelemente in Schaltungen der oben beschriebenen Art zu verwenden, obwohl es bekannt ist, daß die Rauschgrenze der Feldeffekt-Transistoren sich bei niedrigen Frequenzen verschlechtert. Wenn auch Feldeffekt-Transistoren im Tonfrequenzbereich benutzbar erscheinen und eine ausreichende Rauschcharakteristik bei niederen Frequenzen haben, so vreisen sie doch im allgemeinen nur eine geringe Steilheit und damit einen geringen Verstärkungsgrad auf. Feldeffekt-Transistoren sind für Hochfrequenzen entworfen und müssen eine große Steilheit zeigen, um bei Hochfrequenzen korrekt zu arbeiten, und sie sind nicht

ß für konventionelle Anwendungen in Tonregelungssystemen geeignet. Aus diesen Gründen erscheint es nicht möglich oder nicht wünschenswert, den Versuch zu machen, an die Stelle einer transistorisierten Mehrstufenverstärkung mit Impedanzübertragungen nun Schaltkreise mit Feldeffekt-Transistoren- zu setzen. · "

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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird eine neue Möglichkeit der Arbeitsweise eines Feldeffekt-Transistors mit fast kritischer Abstimmung der Impedanzwerte zwischen Gleichstrom-Gegenkopplungen und dem Eingangskreis des Tonregelungssystems aufgezeigt, die ebensogut bei Wechselstrom-Gegenkopplungen geeignet ist; weiterhin wird gezeigt, welche großen Vorteile bei der Anwendung eines einzigen Feldeffekt-Transistors erzielt werden können, beispielsweise als Ersatz für viele gewöhnliche Transistoren in Tonverstärker-Schaltkreisen, ohne daß die Notwendigkeit einer Impedanzübertragung besteht, und mit einem überraschenden Hangel an Rauschverschlechterung, was ganz im Gegensatz zu den Ausführungen steht, die die Hersteller von Feldeffekt-Transistoren über deren Eigenschaften publizieren. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine neue Anwendung von sogenannten Niederfrequenz-Feldeffekt-Transistoren beschränkt, denn sie umfaßt auch sogenannte Hochfrequenz-Feldeffekt-Transistoren mit der - wie bekannt - zur Verfügung stehenden großen Verstärkung.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein neues urd verbessertes Tonverstärkersystera »entsprechend den vorbeschriebenen Eigenschaften aufzuzeigen, das die Notwendigkeit der Verwendung einer Vielzahl von. transistorisierter. Verstärkerstuf en vermeidet, ebenso wie das Erfordernis der Impedanzübertragung, das weitgehend die benötigten Abmessungen der Kapazitäten und anderer elektrischer Komponenten reduziert, was durch die neue Anwendungsmöglichkeit eines Feldeffekt-Transistors in Verbindung mit einem Paar von negativen Gleichetroni-Gegenkopplungswegen sowie einer negativen ₍ . Wechselstrom—Gegenkopplung erreicht wird.. Durch das Vermeiden von

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• Elektrolytkondensatoren wird einen der Hauptprobleme bei derartigen Bauelementen, nämlich die Stromschwankungen, vermieden. Keramik-, Papier- oder Polyester-Dielektrika und andere Kondensatortypen zeigen hier wesentlich verbesserte Eigenschaften und können, jetzt eingesetzt werden, ohne daß die Nachteile der großen und unbequemen Abmessungen mit ihrer Tendenz zur Aufnahme unerwünschter Wechselspannungen auftreten.

Dementsprechend besteht die Erfindung darin, daß.der Eingangsschaltkreis als Entzerrung.?- und Frequenzgangscheltung ausgebildet mit der Source- und Gate-Elektrode des Feldeffekt-Trsnsistors verbunden ist, daß zur Herabsetzung der Verzerrung und zur· Steuerung der Frequenzgang-Verstärkung des Transistors ein Wechselstrom-GegenkopplungGweg zur Drain-Elektrode" vorgesehen irt, daß weiterhin die Verbindung mit einem Paar von rt«£«rfc±ven Gleichßtrom-Gegenkopplungswegen zwischen der Source- und Drain-Elektrode zur Gate-Elektrode vorgesehen ist und daß schließlich die Impedanz des Gleichstrom-GegenkopplungEweges größer als diejenige in der Schaltung zur Gate-Elektrode ist, so daß der Gleichstromfluß durch den Feldeffekt-Transistor stabilisiert ißt, ohne daß eine unerwünschte zusätzliche WechselStrom-Gegenkopplung auf die Gate-Elektrode aufgegeben wird.

Ein anderer Faktor, der für die Anwendungsmöglichkeit von FET-Bauelementen in diesen speziellen Schaltkreisen ganz im Gegensatz zu ihrem ursprünglich vorgesehenen Verwendungebereich spricht, ist in der weiten Produktionsvariation (Impedanzverhältnis 10 : 1) bei Feldeffekt-Transistoren mit Nullvorspsnnung in Sperrichtüng

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zu sehen. Bei der kritischen Schaltungsanordnung nach der Erfindung treten keine weiteren Nachteile hinsichtlich der Toleranzen bei der Trennschärfe auf.

Ferner ist Gegenstand der Erfindung ein neuer und verbesserter Tonregelungs-Schaltkreis.

Andere Gegenstände im Zusammenhang mit der Erfindung werden insbesondere in den Ansprüchen aufgezeigt und beschrieben. "

Die Erfindung wird nun in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung erläutert, in der die Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Erfindung in einer bevorzugten Form wiedergibt und die Fig. 2.ein ähnliches Schaltbild mit Abänderungen zeigt, bei dem eine andere Type eines Feldeffekt-Transistors enthalten ist.

Eine Quelle 1, beispielsweise für ein Tonsignal, das mit einer konventionellen Lautstärkeregelung versehen ist, wird als Einspeisung für die Eingangsleitung 2 (eine andere ist bei G mit dem Erdpotential verbunden) schematisch dargestellt und steht direkt in Verbindung mit einem Verstärker- und Dämpfungs-Tonsteuerkreis 4-, der ein Höhenregler-Potentiometer P1 und ein Bassregler-Potentiometer P2 enthält und mit einer frequenzselektiven Summenschaltung über den Widerstand R1 und die Kapazität C1 verbunden ist, derart daß beispielsweise die Schleife SI und S2 mit den Potentiometern P1 und P2 verbunden sind. Die Enden der Potentiometer P1 und P2 sind, wie gezeigt, durch die Widerstände H2 und H3 zusammengeschaltet in Verbindung mit den Kapazitäten 02 und 0.3 bsw. sind

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letztere verbunden mit verschiedenen Abschnitten des Potenbiome- . ters P2; weiterhin ist die Bassregler-Schaltung enthalten urd ferner die Schaltung zur Begrenzung des Verstärkungs- und Dämpfungsbetrages, entsprechend der gewünschten Höhen- und Bassregelung, die wie eine Entzerrungs- und Frequenzwiedergabe-Schaltung wirkt.

Ein n-Kanal-Feldeffekt-Transistor ist bei F gezeigt, der eine Gate-Elektrode 3, eine Source-Elektrode 5 und eine Drain-Elektro—

* de 7 aufweist, wobei die Drain-Elektrode über die Kapazität G4 im Ausgangskreiß mit der Ausgangsleitung 2¹ verbunden ist (eine andere ist bei G mit dem Erdpotential verbunden). Die Speisespannung für die Drain-Elektrode 7 wird von der Plusleitung über den Spannungsteilerwiderstaad R4 und R5 eingegeben, dessen Zwischenabgriff P über die Kapazität C5 mit einer negativen Wechselstrom-Gegenkopplung in Verbindung steht und weiterhin mit der rechten Anschlußklemme des Potentiometers P1 in der Eingangsschaltung 4 verbunden ist. Diese Wechselstrom-Gegenkopplung unterdrückt Ver-Zerrungen und steuert die Verstärkung gegen den Frequenzgang des Transistors in bekannter Weise.

In Verbindung mit einem wichtigen Merkmal nach der Erfindung wird aufgezeigt, daß ein Paar von Gleichstrom-Gegenkopplungswegen von fast kritischer Abstimmung relativ zum Scheinwiderstand der* Eingangsschaltung 4 vorgesehen sein muß, wie beispielsweise durch den Widerstand E6 als Verbindung der Drain-Elektrode· 7 und der Gate-Elektrode 3 gezeigt wird,und entsprechend die Widerstände S7 und E8 als geerdete Verbindung der Source-Elektrode 5 und der Gate-ELektrode 3· Dem Gegenkopplungswiderstand H7 let die Kapazität 06

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parallelgeschaltet. Die eben angedeutete vorteilhafte Wirkung" wird durch ,die Erzeugung des ScheinwiderStandes mittels des Paares von Gleichstrom-Gegenkopplungswegen über R6 und R7, 8 erreicht, die b'o ausgelegt sind, daß sie einen beträchtlich größeren Impedanzwert aufweisen als derjenige, der durch die Eingangsschaltung 4 zur Gate-Elektrode 3 repräsentiert wird. Unter diesen Bedingungen wurde gefunden, daß der Gleichstromfluß durch den Feldeffekt-Transistor F stabilisiert ist, ohne daß nachteilige Auswirkungen auf die weitere feste Wechselßtrom-Gegenkopplung der Gate-Elektrode J über den Gegenkopplungrweg R6 aufgegeben werden.

Typisch gebräuchliche Werte für die Bauteile R6, 7 und. 8 der Gleichstrom-Gegenkopplung und die Bauteile der Eingangsschaltung bei Verwendung des Feldeffekt-Transistors F vom Typ 2 H 3823 im Beispiel können sein: R6 «= 10 HOhm, R8 - 3,9 MOhm, R7 » 2,2 TOhm, P1 und P2 je 1 HOIm, R2 und R3 je 100 TOhm, R1 - 120 TOhm und R4 und R5 gleichmäßig oder 6,8 und 3,3 TOhm. Bei der Verwendung nach der vorliegenden Erfindung brauchen die Kapazitäten 05 und 0? nicht als Elektrolytkondensatoren ausgebildet zu sein, vielmehr genügen Keramik-, Papier- oder einfache Kondensatoren mit den Werten 0,22 uF und 0,02 iiF. Die Kapazitäten 02 und 03 können Werte von über 0,0068 uF aufweisen, anstelle derjenigen Werte, die bei üblichen konventionellen Transistorverstärkern benötigt werden. Die Kapazität 01 kann 4-70 pF betragen, anstelle desjenigen Wertes, der bei gewöhnlichen transistorisierten Verstärkerschaltungen dießer Art üblich ist. Gleichermaßen könnea die Werte für die Kapazitäten 04- und 06 ausgewählt werden, die beispielsweise über 10 u5T

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■ liegen, und sie können, wenn gewünscht, auch als Elektrolytkon- · '. densatoren ausgebildet sein. Die am Ausgang liegende Kapazität hat nur wenige Mikrofarad. Der Scheinwiderstand der Gleichstrom-Gegerikopplungswege R6 und R7, R8 im vorliegenden Beispiel beträgt über 3 NOhm im Vergleich mit den weniger als 300 TOhm für den effektiven Scheinwiderstand in der Eingangsschaltung 4 zur Gate-¹Elektrode 3 der Transistorstufe F; das Impedanzverhältnis der Gleichstrom-Gegenkopplungswege zur Eingangsschaltung 4 liegt somit bei 10 :' 1.

Die Anwendung der Gleichspannungs-Gegenkopplung von der Drain-Elektrode des Feldeffekt-Transistors' F über die Spannungsteilerwiderstände R6 und R8 zur Gate-Elektrode 3 des Feldeffekt-Transistors F und die negative Stromgegenkopplung mittels des Widerstandes R7 unterdrücken wesentlich die Gleichstromschwankungen des Feldeffekt-Transistors, und zwar auf einen konstanten Wert - 20 %. was als typisch angesehen werden kann, wenn Feldeffekt-Transistoren mit Ilullvorspannung in Sperrichtung in derartigen Schaltungen mit Impedanzverhältnissen von mehr als 10 : 1 angewendet werden. Hochstrom-Feldeffekt-Transistoren v/erden wirksam bei höheren Strombegrenzungen angewendet und Niedrigstrom-Feldeffekt-Transistoren v/erden wirksam bei vorerwähnten niedrigeren Werten eingesetzt, d. h. über 20 % niedriger als der Nominalwert. Diese reduzierte Stromärderung hat weitere Vorteile bei der Stabilisierung von offenen Leiεtungsverstärkern für Wechselspannungen ohne Gegenkopplung. Das wird durch die Tatsache bewirkt, daß Hochstrom-Feldeffekt-Transistoren bei einem konstanten Strom •operieren, was durch die geringere Steilheit erreicht wird gegen-'

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. über den Niedrigstrom-Feldeffekt-Transistoren, die bei denselben Strqmwerten eingesetzt werden. Durch die vorgeschlagene Schaltung

:" arbeiten Feldeffekt-Transistoren mit Null vorspannung in Sperrichtung bei einem etwas höheren Strom als der Nominalwert, wodurch eine höhere Steilheit hervorgebracht wird, die im Gegensatz zur eigenen niedrigeren Steilheit bei dem Nominalstromwert steht.

In der Abänderung nach Fig. 2 ist ein Feldeffekt-Transistor F¹ mit zwei Gate-Elektroden 3 uncL 3" in einem Schaltkreis wesentlich identischer Funktion angewendet. Der Tonsteuerkreis 4· ist über die Gate-Elektrode 3 direkt mit der Leitung 3' verbunden, ohne daß in dieser Leitung die Kapazität 07 nach Fig. 1 vorgesehen ist. Die Gleichspannungs-Gegenkopplung von der Drain-Elektrode 7 ist über den Spannungsteiler E6 und S8 zur zweiten Gate-Elektrode 3" geführt. Um jegliche Wechselstrom-Gegenkopplung auf die zweite Gate-Elektrode 3" zu vermeiden, ist die Kapazität 08 als Br^paß zur Wechselspannung mit der Erdung G geschaltet. Die Gleichspannungssteuerung zur Gate-Elektrode 3", die auf den gesamten Drain-Strom des Feldeffekt-Transistors F¹ einwirkt und gleichzeitig die Wechselstromverstärkung der Gate-Elektrode 3 steuert, ist wie bei dem Dreielektroden-Transistor F in Fig. 1 ausgebildet. Gleichermaßen ist die Beziehung der Scheinwiderstände und anderer Parameter in Fig, 2 wie in Fig. 1 ausgebildet, so daß also etwas geringere Impedanzwerte von R6 und H8 in der gleichen Art erreicht werden, wenn für die gesamte Wechselspannung der Eypaß üfcer ÖS vorgesahea ist, . |

Während die dargestellten Transistoren F und I¹ n-Eanal-Ielde^kt-[Transistoren sind, ist es auch möglich. p-Kansl~£eXae£fekt-£raiisisto- \

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ren mit einer negativen Speisespannung zu verwenden, fernerhin können insulated-gate-field-effeet-Transistoren eher als
junction-field-effect-Transistoren Ergebnisse bei ähnlichen
Leistungen zeigen; es ist klar, daß unter den genannten Voraussetzungen v/eitere Abänderungen, sobald sie von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen, unter die beanspruchte Erfindung fallen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verstärkerschaltung, bestehend aus einer Quelle Tür ein Wechselstromsignal einer Steuerungseinrichtung, die einen Feldeffekt-Transistor mit Source-, Gate- und Drain-Elektrode enthält, sowie einem Eingangs- und AusgangcschaltkreiG, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsschaltkreis (4) als Entzerrungs- und Frequenzgangschaltung ausgebildet mit der Source-

, und Gate-Elektrode (5, 3) des Feldeffekt-Transistors (F) verbunden ist, daß zur Herabsetzung der Verzerrung und zur Steuerung der Frequenzgang-Verstärkung des Transistors ein Wechselsfcrom-ßegenkopplungstteg zur Drain-Elektrode (7) vorgesehen ist, daß weiterhin die Verbindung mit einem Paar von negativen Gleichstrom-Gegeiikopplungsvregen (R6, R7, R8) zwischen der Source- und Drain-Elektrode zur Gate-Elektrode vorgesehen ist und daß schließlich die Impedanz des Gleichstrom-Gegenkopplungsweges größer als diejenige in der Schaltung zur Gate-Elektrode .is"t,

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so daß der Gleichstromfluß durch den Feldeffekt-Transistor stabilisiert ist, ohne daß eine unerwünschte zusätzliche Wechselstrom-Gegenkopplung auf die Gate-Elektrode aufgegeben wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselstromsignalquelle (1) ein Tonsignal-Steuerschaltkreis vorgesehen ist.

P 3· Schaltung nach Anspruch 1_t dadurch gekennzeichnet,, daß das Impedanzverhältnis der Gleichstrom-Gegenkopplung zum Schaltungssystem bei "TO : 1 festliegt.

4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tonsignal-Steuerschaltkreis mit einer Lautstärkeregelung versehen ist, dere^v 3cheinv;iderstand nicht in den Eingangskreis übertragen wird.

5· Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis (4) in Verbindung mit einer frequenzselektiven Summenschsltung ein Potentiometerpaar (P1, P2) vorgesehen ist, wobei die Schaltung mit der Gste-Elektrode (3) des Transistors (F) verbunden ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Summenschaltung über einen Zwischenabgriff kapazitiv (07) mit der Gate-Elektrode (3) des Transistors (F) verbunden ist.

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· Schaltung nach Anspruch. 5? dadurch gekennzeichnet, daß die Summenschaltung über einen Zvischenabgriff■direkt mit der Gate-Elektrode verbunden ist.

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