DE1613381C3 - Verstärker enthaltende Vierpolschaltung zur Transformation einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sieh auf eine Verstarker enthaltende Vierpolsehaltung zur Transformation einer gegebenenfalls einen Gleiehstromspannungsanteil enthaltenden elektrischen Spannung und/oder eines gegebenenfalls einen Gleichstromanteil enthaltenden elektrischen Stromes mit Realisierung der Vierpolsehaltung durch einen Sechspol mit drei Anschlußklemmenpaaren 1, 2, 3, bei dem das Anschlußklemmenpaar 2 den einen Anschluß der Vierpolsehaltung bildet, während der andere Anschluß der Vierpolsehaltung durch die Parallelschaltung der Anschlußklemmenpaare 1 und 3 gebildet wird, und der Sechspol derart aufgebaut ist, daß er von seinem hochohmigen Anschlußklemmenpaar 1 über einen Spannungs-Spannungs-Verstärker nur in Richtung zu seinem niederohmigen Anschlußklemmenpaar 2, von diesem über einen Strom-Spannungs-Verstärker nur zum Anschlußklemmenpaar 3 und vom Anschlußklemmenpaar 1 nur über den Spannungs-Spannungs-Verstärker und den Strom-Spannungs-Verstärker zum Anschlußklemmenpaar 3 überträgt, daß dereine Anschluß des Anschlußklemmenpaares 1 mit der nicht invertierenden Eingangsklenime eines Differenzverstärkers verbunden ist und daß der Ausgang dieses Differenzverstärkers mit der Basiszuleitung eines Transistors und der invertierende Eingang dieses Differenzverstärkers mit dem Emitter dieses Transistors verbunden sind, an dessen Emitter ferner eine Betriebsgleichstromquelle und ein Anschluß des Anschlußklemmenpaares 2 und an dessen Kollektor ein Kollektorwiderstand und ein Anschluß des Anschlußklemmenpaares 3 angeschaltet sind.

Die bekannteste Ausführung einer Schaltung zur Transformation ist die eines Strom- oder Spannungstransformators unter Verwendung von magnetisch miteinander gekoppelten Spulen. Diese Ausführungsform hat indes die Eigenschaft, daß sie nur Wechselspannungen bzw. Wechselströme überträgt. Dies beruht auf der galvanischen Trennung der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Transformators. In der Praxis tritt indes noch häufig die Forderung auf, auch Gleichspannungs- bzw. Gleichstromanteile mit zu übertragen.

Ein anderes Problem der Transformation elektrischer Spannungen bzw. Ströme ist das der Ausführung der Schaltung in der sogenannten integrierten Bauweise, die Übertrager mit Spulen und magnetischem Kreis praktisch nicht zuläßt. Die integrierte Bauweise gliedert sich in sehr unterschiedliche Ausführungsarlen. Die nennenswertesten lassen sich durch mechanisch-konstruktive Bauvorschriften klassifizieren, die beispielsweise als Mikromodultechnik, Dünnfilmtechnik, Halbleiterschaltkreistechnik oder Mischforinen dieser Technik bekannt sind.

In der Hauptpatentanmeldung wurde eine Schaltung zur Transformation der einleitend geschilderten Art angegeben, die einen Sechspol und vorzugsweise auch einen Impedanzwandler entsprechend der Darstellung nach der Fig. 1 enthält. Wegen der hohen Verstärkung des im Sechspol vorgesehenen Differenzverstärkers ist die Eingangsspannung zwischen den Eingangsklemmen dieses Differenzverstärkers praktisch nahezu gleich Null, so daß im Betrieb am Anschlußklemmenpaar 1 die dort stehende Spannung praktisch gleich der Spannung am Anschlußklemmenpaar 2 ist. Dies schränkt jedoch die Anwendungsmöglichkeit der Transformationsschaltung erheblich ein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine diesen Nachteil vermeidende Lösung anzugeben.

Ausgehend von einer Vierpolsehaltung der einleitend geschilderten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß, auf die Gesamtschaltung bezogen, der Differenzverstärker außer der Gegentaktverstärkung K auch eine Gleichtaktverstärkung K' hat, und seine Gleichtaktunterdrückung KIK' weniger als 40 beträgt, und daß die Gesamtschaltung derart ausgebildet ist, daß die Gleichtaktunterdrückung K/K' im Betriebsfrequenzbereich möglichst gleich und zeitlich konstant ist.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn bei der Parallelschaltung der Anschlußklemmenpaare 1 und 3 des Sechspols in die Zuleitung zum Anschlußklemmenpaar 3 ein Impedanzwandler eingefügt wird, der an der Parallelschaltungsstelle die Anschlußimpedanz des Anschlußklemmenpaares 3 hochohmig geschaltet.

Für die praktische Ausführung des Erfindungsgegenstandes ist es vorteilhaft, wenn der Differenzverstärker einen höheren Wert an Gleichtaktunterdrükkung K/K' hat als in der Gesamtschaltung, und daß zusätzliche Schaltmittel vorgesehen sind, die die Gleichtaktunterdrückung KIK' auf den geforderten geringeren Wert reduzieren.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn als zusätzliche Schaltmittel zwischen der einen Eingangsklemme des Differenzverstärkers und dem nicht geordneten Anschluß des ersten Anschlußklemmenpaares ein erster Vierpol mit einem möglichst konstanten Spannungsübersetzungsverhältnis und/oder zwischen der anderen Eingangsklemme des Differenzverstärkers und dem nicht geerdeten Anschluß des zweiten Anschlußklemmenpaares ein zweiter Vierpol mit einem möglichst konstanten Spannungsübersetzungsverhältnis vorgesehen sind.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn an Stelle des weiteren Differenzverstärkers ein Verstärker mit einer nicht geerdeten Eingangsklemme vorgesehen ist, und wenn zwischen der nicht geerdeten Eingangsklemme des Verstärkers und dem ersten Vierpol einerseits ein erster Widerstand und dem zweiten Vierpol andererseits ein zweiter Widerstand vorgesehen sind.

Die erfindungsgemäße Transformationsschaltung läßt sich als Transformator verwenden, wenn die Übertragungsphasenwinkel des Sechspols vom ersten Anschlußklemmenpaar zum zweiten Anschlußklemmenpaar und vom zweiten Anschlußklemmenpaar zum dritten Anschlußklemmcnpaar sowie der Übertragungsphasenwinkel des Impedanzwandlers so gewählt sind, daß das Produkt aus dem Stromübersetzungsverhältnis ni und aus dem Spannungsübersetzungsverhältnis im positiv ist.

Als Negativ-Impedanz-Konverter läßt sich die er-

findungsgemäße Transformationsschaltung verwenden, wenn die Übertragungsphasenwinkel des Sechspols vom ersten Anschlußklemmenpaar zum zweiten Anschlußklemmenpaar und vom zweiten Anschlußklemmenpaar zum dritten Anschlußklemmenpaar sowie der Übertragungsphasenwinkel des Impedanzwandlers so gewählt sind, daß das Produkt aus dem Stromübersetzungsverhältnis ni = — ./2/Jl und aus dem Spannungsübersetzungsverhältnis nu = Ul/ Ul negativ ist.

Zur Festlegung des Vorzeichens dieses Produktes ist definiert (siehe F i g. 2), daß der Eingangsstrom 71 positiv ist, wenn er in die eine Klemme A eines Eingangsklemmenpaares I hinein und aus der anderen Klemme B des Eingangsklemmenpaares I herausfließt, daß die Eingangsspannung Ul positiv ist, wenn die eine Klemme A des Eingangsklemmenpaares I positiv gegenüber der anderen Klemme B des Eingangsklemmenpaares I ist, daß der Ausgangsstrom 72 positiv ist, wenn er in die eine Klemme C eines Ausgangsklemmenpaares II hinein und aus der anderen Klemme D des Ausgangsklemmenpaares II herausfließt, daß die Ausgangsspannung Ul positiv ist, wenn die eine Klemme C des Ausgangsklemmenpaares II gegenüber der anderen Klemme D des Ausgangsklemmenpaares II positiv ist.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die sich als besonders vorteilhafte Lösungsmöglichkeiten für die Realisierung des Erfindungsgegenstandes erwiesen haben.

In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild gezeigt, das den Sechspol S nach der Hauptpatentanmeldung in der Anwendung als allgemeine Transformationsschaltung wiedergibt. Der Sechspol S hat drei Anschlußklemmenpaare 1, 2 und 3. Für diese Anschlußklemmenpaare sollen folgende Bedingungen gelten.

a) Der Sechspol soll vom Anschlußklemmenpaar 1 in Richtung auf das Anschlußklemmenpaar 2 übertragen.

b) Der Sechspol soll in Richtung vom Anschlußklemmenpaar 2 zum Anschlußklemmenpaar 3 übertragen.

c) Der Sechspol soll mittelbar vom Anschlußklemmenpaar 1 über das Anschlußklemmenpaar 2 zum Anschlußklemmenpaar 3 übertragen. Es soll keine Übertragung vom Anschlußklemmenpaar 2 in Richtung zum Anschlußklemmenpaar 1, vom Anschlußklemmenpaar 3 in Richtung auf das Anschlußklemmenpaar 1 und vom Anschlußklemmenpaar 3 in Richtung auf das Anschlußklemmenpaar 2 gegeben sein.

d) Das Anschlußklemmenpaar soll eine möglichst hohe Eingangsimpedanz aufweisen, während das Anschlußklemmenpaar 2 eine demgegenüber niederohmige Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz haben soll. Die Ausgangsimpedanz des Anschlußklemmenpaares 3 ist gegenüber den Anschlußklemmenpaaren 1 und 2 an sich zunächst beliebig. Der Sechspol arbeitet demzufolge vom Anschlußklemmenpaar 1 in Richtung zum Anschlußklemmenpaar 2 als Spannungs-Spannungsverstärker und vom Anschlußklemmenpaar 2 in Richtung zum Anschlußklemmenpaar 3 als Strom-Spannungsverstärker oder als Strom-Strom-Verstärker.

Das Eingangsklemmenpaar I der allgemeinen Transformationsschaltung ist vom Anschlußklemmcnpaur 2 des Sechspols .S' und das Ausgangsklemmenpaar II ist von der Parallelschaltung der Anschlußklemmenpaare 1 und 3 des Sechspols 5 gebildet. Diese Parallelschaltung erfordert, daß im Parallelschaltungspunkt /' sowohl die Impedanz aus dem Anschlußklemmenpaar 1 als auch die Impedanz aus dem Anschlußklemmcnpaar 3 möglichst hochohmig ist. Die Wertfestlegung hochohmig bzw. niederohmig im Sinn der vorstehenden Ausführungen bezieht sich dabei jeweils auf den an I bzw. II

ίο angeschalteten Lastwiderstand bzw. den dort anliegenden Generatorinnenwiderstand. Um diese Bedingung mit Sicherheit an der Stelle /' auch für die Impedanz aus dem Anschlußklemmenpaar 3 sicherzustellen, ist es von Vorteil, wenn in die Zuleitung zum Anschlußklemmenpaar 3 ein Impedanzwandler 7 eingeschaltet wird, der, bezogen auf sein in P überführendes Anschlußklemmenpaar und die an II angeschaltete äußere Impedanz der allgemeinen Transformationsschaltung einen hochohmigen Ausgangswi-

ao derstand hat. Es ist dann weitgehende Freiheit dahingehend gegeben, ob nun der Übertragungsweg von 2 nach 3 im Sechspol S als Strom-Spannungsverstärker oder als Strom-Stromverstärker ausgebildet ist. Das bedeutet, daß im Falle einer ausreichend

«5 hochohmigen Ausgangsimpedanz in 3 der Impedanzwandler 7 an sich nicht unbedingt erforderlich ist.

Der Vierpol VP in der Fig. 2 mit dem Eingangsklemmenpaar I und dem Ausgangsklemmenpaar II ist eine schematische Darstellung der in der Fig. 1 gezeigten allgemeinen Transformationsschaltung mit den gleichartig bezeichneten Klemmenpaaren. Das Eingangsklemmenpaar I ist mit A und B, das Ausgangsklemmenpaar II mit C und D bezeichnet.
Wird der Vierpol VP mit einer gestrichelt dargestellten Abschlußimpedanz ZL am Ausgangsklemmenpaar II abgeschlossen, so ist der Wert der Abschlußimpedanz durch das Verhältnis der Ausgangsspannung Ul zum negativ genommenen Ausgangsstrom — 72 festgelegt. Am Eingangsklemmenpaar I wird eine Eingangsimpedanz ZE gemessen, wie es in der Fig. 2 angedeutet ist. Die Eingangsimpedanz ZE ist durch das Verhältnis der Eingangsspannung i/l zum Eingangsstrom 71 gegeben. Der Vierpol VP ist eine Transformationsschaltung, die den Wert der Abschlußimpedanz ZL in den Wert der Eingangsimpedanz ZE transformiert. Entsprechend transformiert der Vierpol VP auch eine am Eingangsklemmenpaar I anliegende Abschlußimpedanz.

Ein Transformator, der aus magnetisch gekoppelten Kreisen gebildet ist, transformiert stets (unter Vernachlässigung der Streureaktanzen) eine reelle Abschlußimpedanz ZL in eine reelle Eingangsimpedanz ZE. Diese Tatsache kann auch so ausgedrückt werden, daß das Spannungsübersetzungsverhältnis nu = Uli Ul stets das gleiche Vorzeichen wie das Stromübersetzungsverhältnis ni — — Jl/Jl haben muß. Diese Bedingungen kann die Transformationsschaltung nach der Hauptpatentanmeldung erfüllen. Ein Negativ-Impedanz-Konverter ist dadurch charakterisiert, daß eine Abschlußimpedanz ZE, die am Ausgangsklemmenpaar II angeschlossen ist, in eine Eingangsimpedanz ZE transformiert wird, die der Abschlußimpedanz ZL direkt proportional ist, jedoch das umgekehrte Vorzeichen wie die Ausgangsabschlußimpedanz ZL hat. Das Spannungsübersetzungsverhältnis na= UMUl muß also stets das entgegengesetzte Vorzeichen haben wie das Stromübcrsetzungsverhältnis /;/= —72/71.

Das Produkt aus dem Spannungsübersetzungsverhältnis nit und dem Stromübersetzungsverhältnis ni hat also in jedem Falle ein negatives Vorzeichen. Auch diese Bedingungen lassen sieh mit der Transl'ormationsschaltung nach der Hauptpatentannieldung erfüllen.

Die Fig. 3 zeigt einen Sechspol S nach der Hauptpatentanmeldung. Dieser Sechspol enthält einen Differenzverstärker DV mit einer nicht invertierenden Eingangsklcinine, deren Potential el sei, und einer invertierenden Eingangsklemme, deren Potential el sei. Die nicht invertierende Eingangsklemme bildet die nicht geerdete Klemme des Anschlußklemmcnpaares 1 und die invertierende Eingangsklemme die nicht geerdete Klemme des Anschlußklemmenpaares 2. Die nicht geerdete Ausgangsklemme des Differenzverstärkers DV, deren Potential UO sei, ist mit der Basiszuleitung eines Transistors 71 verbunden, dessen Emitterzuleitung mit der nicht geerdeten Klemme des Anschlußklemmenpaares 2 verbunden ist. Zwischen die nicht geerdete Klemme des Anschlußklemmcnpaares 2 und eine mit /V— bezeichnete Versorgungsspannung ist eine Gleichstromquelle Ql mit gleich- und weehselstrommäßig hohem Innenwiderstand geschaltet, die für den Transistor Tl einen konstanten Emitter- und damit auch praktisch konstanten Kollektorgleichstrom liefert. In der Kollektorzuleitung des Transistors 71 liegt ein Arbeitswiderstand Rl. Diese Kollektorleitung ist mit der nicht geerdeten Klemme des Anschlußklemmenpaares 3 verbunden.

Positive bzw. negative Vcrsorgungsgleichspannungen, deren Quellen weehselstrommäßig sehr niederohmig sind, sind in dieser und in den folgenden Figuren mit N+ bzw. TV- bezeichnet.

Die Wirkungsweise des Sechspols nach der Fig. 3 ist folgende. Am Eingang des Differenzverstärkers DV liegt eine Spannung, die gleich der Differenz aus der Spannung t/l am Anschlußklemmenpaar 1 und der Spannung «2 am Anschlußklemmenpaar 2 ist. Die Spannung UO am Ausgang des Differenzverstärkers D V ist gleichphasig zur Spannungsdifferenz //1 — ul, und um den Verstärkungsfaktor A des Differenzverstärkers DV größer als diese Spannungsdifferenz. Wegen der hohen Verstärkung A, die beispielsweise in der Größenordnung 1()^Λ liegen kann, tritt zwischen Basis und Emitter des Transistors Tl bei kurzgeschlossenen Anschlußklemmenpaaren 1 eine Spannung auf, die etwa tausendmal größer ist als die Spannung w2am Anschlußklemmenpaar 2. Dies hat wegen des hinreichend hohen Eingangswiderstandes des Differenzverstärkers D V zur Folge, daß der Innenwiderstand des Anschlußklemmenpaares 2 ungefähr nur ein Tausendstel desjenigen Wertes beträgt, den ein üblicher Transistor, der in Basisschaltung betrieben wird, bei kollektorseitigem Kurzschluß aufweisen würde. Die hohe Verstärkung A bewirkt weiter, daß die Eingangsspannung zwischen den Eingangsklemmen des Differenzverstärkers DV praktisch gleich Null ist, so daß im Betrieb des Sechspols S die Spannung i/l praktisch gleich der Spannung t/2 ist. Ein im Anschlußklemmcnpaar 2 eingeprägter Strom fließt praktisch völlig durch Emitter und Kollektor des Transistors 7Ί und damit auch durch den Kollektorlastwiderstand Rl. Die dann am Anschlußklemmenpaar 3 erscheinende Spannung ist dem am Anschlußklemmenpaar 2 eingespeisten Strom direkt proportional. Vom Anschlußklemmenpaar 2 zum Anschlußklemmenpaar 1 tritt praktisch keine Rückwirkung ein. weil der vom Anschlußklemmenpaar 2 gesehene Innenwiderstand sehr gering ist und in der Praxis beispielsweise in der Größenordnung von 1OmQ liegt.

Eine unmittelbare Übertragung vom Anschlußklemmenpaar 1 zum Anschlußklemmenpaar 3 ist nicht möglich. Da das Anschlußklcmmenpar 3 am Kollektor des Transistors 71 angeschlossen ist, besteht auch keine Übertragung in der Richtung vom Anschlußklemmenpaar 3 zum Anschlußklem'menpaar 1 und zum Anschlußklemmcnpaar 2.

Im Bedarfsfall kann zur Herabsetzung des Innenwiderstandes am Anschlußklemmenpaar 3 oder auch zur Heraufsetzung des Innenwiderstandes am An-

¹S schlußklemmenpaar 3 ein zusätzlicher Impedanzwandler vorgesehen werden, der am Kollektor des Transistors 71 angeschlossen wird.

In den F i g. 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele des Sechspols der erfindungsgemäßen Transformations-

schaltung dargestellt. Diese Ausführungsbeispiele zeichnen sich dadurch aus, daß in der Übertragungsrichtung vom Anschlußklemmenpaar 1 zum Anschlußklemmenpaar 2 eine Spannungsverstärkung gegeben ist, die vom Wert Eins erheblich abweichen

^a5 kann. Beispielsweise sollen Spannungsverstärkungen von K) oder auch '/,„ realisierbar sein. Die Schaltung nach der Fig. 4 unterscheidet sich von der nach der Fi g. 3 dadurch, daß zwischen der nicht invertierenden Eingangsklemme des Differenzverstärkers DV und der nicht geerdeten Klemme des Anschlußklemmenpaares 1 ein Vierpol Ül eingeschaltet ist, der vom Anschlußklemmenpaar 1 zum nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers D V ein Spannungsübersetzungsverhältnis t/l hat. Ferner besteht ein Unterschied darin, daß zwischen der invertierenden Eingangsklemme des Differenzverstärkers DV und der nicht geerdeten Klemme des Anschlußklemmenpaarcs 2 ein weiterer Vierpol Ü2 eingeschaltet ist, dessen Spannungsübersetzungsverhältnis vom Anschlußklemmenpaar 2 zur invertierenden Eingangsklemme des Differenzverstärkers DV ül ist.

Die Wirkungsweise des Sechspols nach der Fig. 4 entspricht im wesentlichen der des Sechspols nach der Fig. 3. Wegen der hohen Verstärkung A des Differenzverstärkcrs D V ist bei endlicher Ausgangsspannung «0 seine Eingangsspannung el — el = 0. Nun ist aber <?1 = ül · ul und andererseits el — t/2 · ul, wobei t/l und t/2 die Spannungen am Anschlußklemmenpaar 1 bzw. 2 sind. Aus der Gleichheit der Spannungen el und el am nicht invertierenden bzw. invertierenden Eingang des Differenzverstärkers D V folgt, daß sich die Klemmenspannungen ul und t/2 wie das Verhältnis t/2 zu ül der Vierpole Ül und Ü2 verhalten müssen. In diesem Falle gibt also das Verhältnis t/2/t/l der Spannungsübersetzungsverhältnisse der Vierpole Ü2 bzw. Ül die Spannungsverstärkung vom Anschlußklemmenpaar 1 zum Anschlußklemmenpaar 2 an. Durch geeignete Wahl der Spannungsübersetzungsverhältnisse ül und ül kann die Spannungsverstärkung vom Klemmenpaar 1 zum Klemmenpaar 2 in weiten Grenzen verändert werden.

In der Praxis kann einer.der beiden Vierpole Ül oder Ül entfallen; dann ist das entsprechende Spannungsübersetzungsverhältnis i/l= 1 bzw. Ul= 1.

Der Differenzverstärker DV verhält sich zusammen mit dem Übertragungsvierpol Ül und/oder Ül wie ein in Fig. 4 gestrichelt umrahmter Differenzverstärker DVZ, dessen Eingangsspannung am nicht in-

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vertierenden Eingang ui und am invertierenden Eingang ul ist, dessen Ausgangsspannung «0 ist und der nur eine Gleiehtaktunterdrüekung KlK' weniger als 40 aufweist.

Übliche Differenzverstärker sollen im allgemeinen eine praktisch unendlich große Gleichtaktunterdrükkung aulweisen. Sie zeichnen sieh dadurch aus, daß ihre Ausgangsspannung durch das Produkt des Verstärkungsfaktors K und der Differenz der Spannung el — el gegeben ist. Die Spannung el bedeutet dabei die Spannung zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers und dem Bezugspotential, während die Spannung el die Spannung zwischen der invertierenden Eingangsklemme und dem Bezugspotential bedeutet. Demgegenüber zeichnet sich ein Differenzverstärker mit »endlicher« Gleiehtaktunterdrüekung dadurch aus, daß seine Ausgangsspannung nicht nur von der Differenz (ei — el) der Eingangsspannungen, sondern in definierter Weise auch noch von der Summe (ei + el) der Eingangsspannungen abhängt. Die Ausgangsspannung eines solchen Verstärkers kann also in der Form K (el — el) + K' (el + el) geschrieben werden, wobei K die übliche Differenzverstärkung (Gegentaktverstärkung) und K' die Summenverstärkung (Gleichtaktverstärkung) bedeuten. Unter Gleichtaktunterdrükkung versteht man das Verhältnis der Verstärkung K/K'. Die Gleiehtaktunterdrüekung ist also nur dann praktisch unendlich groß, wenn die Gleichtaktverstärkung K' praktisch Null ist.

Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 unterscheidet sich von dem nach der Fi g. 4 durch eine andersartige Realisierung des Differenzverstärkers D V3 mit Gleichtakt und Gegentaktverstärkung. Der Differenzverstärker DV nach der Fig. 4 ist durch einen Verstärker Versetzt, der nur eine nicht geerdete Eingangsklemme besitzt. Zwischen die nicht geerdete Eingangsklemme des Verstärkers V und dem Ausgang des Vierpols Üi ist ein Widerstand /1 und zwischen dem Ausgang des Vierpols (Ji und die nicht geerdete Eingangsklemme des Verstärkers V ist ein Widerstand rl geschaltet. Der Verstärker V weist eine möglichst große Verstärkung auf.

Die Wirkungsweise des Sechspols nach der Fig. 5 ist folgende. Am Ausgang des Vierpols Üi liegt die Spannung Hl ■ ul und am Ausgang des Vierpols ÜI die Spannung Hl ■ ul, wobei die Spannungen //I und ul die Spannungen der nicht geerdeten Klemmen der Anschlußklemmenpaare 1 bzw. 2 gegenüber Erdpotential sind. Am Eingang des Verstärkers beträgt die Spannung also z/0 = (rluliil + rlulül):(rl + rl). Wegen der hinreichend großen Verstärkung des Verstärkers V ist bei endlicher Ausgangsspannung des Verstärkers V die Eingangsspannung (/0 praktisch gleich Null. Aus dieser Bedingung folgt für das Verhältnis der Klemmenspannungen »1 und ul an den Anschlußklemmenpaaren 1 und 2 der Ausdruck //I: »2= — /i Hl: rl /71. Das Spannungsüberset-/ungsverhältnis vom Anschlußklemmenpaar 1 zum Anschlußklemmenpaar 2 kann also in diesem Falle je nach Wahl der Werte der Widerstände /1 und rl und der Spannungsübersetzungsverhältnisse Hl und /Ϊ2 praktisch jeden beliebigen positiven oder negativen Wert annehmen.

Die Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erl'indungsgemäßen Sechspols .V nach der Fig. 4. Der Differenzverstärker DV ist durch einen zweistufigen Transistorverstärker realisiert, dessen erste Stufe aus einer emittergekoppelten Differenzstufe mit den Transistoren /'2 und Γ3 besteht. In der gemeinsamen Emitterzuleitung dieser beiden Transistoren liegt eine Gleichstromquelle Ql, die der Gleichtaktunterdrükkung dient und die beiden Transistoren mit einem konstanten Emitterstrom versorgt. Als Arbeitswiderstand dieser Eingangsdiffeienzstufe dient der Widerstand Rl in der Kollektorzuleitung des Transistors T3. Die zweite Stufe des Differenzverstärkers D V ist

ίο aus einer Emitterverstärkerstufe mit dem Transistor 7'4 gebildet, dessen Arbeitswiderstand in der Kollektorzuleitung mit R3 bezeichnet ist. Die Eingansspannung des Differenzverstärkers liegt zwischen den beiden Basiszuleitungen der Transistoren Tl und /'3, während die Ausgangsspannung ties Differenzverstärkers D V an der Kollektorzuleitung des Transistors 74 abgenommen wird.

Bei dem Sechspol nach der Fig. 6 ist kein Übertragungsvierpol ÜI vorhanden. Dies bedeutet, daß das

Übersetzungsverhältnis /72 = 1 ist.

Der Übertragungsvierpol Ü\ des Sechspols nach der F i g. 4 ist im Ausführungsbeispiel nach der F i g. ö durch einen emittergegengekoppelten Emitterverstärker mit dem Transistor 75 realisiert, in dessen Emitterzuleitungdergegenkoppelnde Widerstand /?4 liegt. In der Kollektorzuleitung liegt der Widerstand R5, dem ein aus den Widerständen R6 und Rl gebildeter Spannungsteiler parallelgeschaltet ist. Das Übersetzungsverhältnis /71 dieses Übertragungsvier-

pols Üi beträgt näherungsweise /71 = — R5 Rl: R4 (R5 + R6 + Rl). Die Spannungsverstärkung vom Anschlußklemmenpaar 1 zum Anschlußklemmenpaar 2 beträgt demnach //1 : ul = 1 : /71, wobei für ül der vorstehend genannte Wert einzusetzen ist. Die Wirkungsweise der Anordnung entspricht der des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 4.

Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Sechspols nach der Fig. 5. Die Übertragungsvierpole ÜI und ÜI sind durch Emitterfolger realisiert, deren Transistoren mit Γ6 bzw. Tl bezeichnet sind. Diese. Emitterfolger haben praktisch die Spannungsverstärkung 1, so daß gilt «1 = 1 und /72 = I. Die Emitterfolger ergeben den Vorteil, daß sie von den Anschlußklemmenpaaren 1 und 2 aus gesehen, einen hinreichend hohen Eingangswiderstand aufweisen.

Der Verstärker V ist durch einen dreistufigen Transistorverstärker mit den Transistoren TS, 7*9 und 710 gebildet. Die Arbeitswiderstände dieser Transistoren liegen in den entsprechenden Kollektorzuleitungen und sind mit RIO, RIl bzw. /?12 bezeichnet. Die Ausgangsspannung des Verstärkers V wird am Abgriff eines zwischen dem Kollektor des Transistors 710 und der negativen Versorgungsspannung /V — liegenden Spannungsteiler R13, R14 abgenommen.

Die Wirkungsweise des Sechspols nach der Fig. 7 entspricht der Wirkungsweise der Schaltung nach der Fig. 5.

Der Eingangswiderstand am Anschlußklemmenpaar 2 der Sechspole nach den Fig. 3 bis 7 bei Kurzschluß des Anschlußklemmenpaares 1 wirkt im wesentlichen als Verlustwiderstand. Die Herabsetzung dieses Eingangswiderstandes, der in den Schaltungen nach Fig. 3 bis 7 praktisch mit dem Emitterbasiswiderstand des Transistors Tl übereinstimmt, und der bei einem Emittergleichstrom von ImA ungefähr 25 Ω bei Zimmertemperatur ausmacht, wird auf folgende Weise durch die Wirkung des Differenzverstärkers DV bzw. DV3 herabgesetzt.

Ein am Anschlußklemmenpaar 2 eintretender Strom ./I (vgl. Fig. 3) hat normalerweise zur Folge, daß die Spannung am Emitter des Transistors 7*1 um einen Betrag steigt, der gleich dem Spannungsabfall des Stromes Jl am Basisemitterwiderstand des Transistors 71 ist. Diese Spannungserhöhung steuert den Differenzverstärker D Vbzw. D Vh aus, der eine Ausgangsspannung umgekehrter Polarität an die Basiszuleitungen des Transistors 71 derart liefert, daß die Erhöhung der Eingangsspanming am Anschlußklemmenpaar 1 praktisch kompensiert wird.

Mit den in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen von Sechspolen lassen sich Transformationsschaltungen nach der Fig. 1 realisieren, die als Transformatoren oder Negativ-Impedanz-Konverter wirken, je nachdem, ob die Schaltung so ausgc-

legt ist, daß das Produkt aus dem Stromübersetzungsverhültnis ni und aus dem Spannungsübersetzungsverhältnis int positiv oder negativ ist. Diese Schaltungen sind besonders für die Realisierung einer integrierten Schaltungstechnik geeignet, die eine Verwendung von Spulen und Übertragern mit magnetischem Kreis praktisch nicht zuläßt.

An Stelle der in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen verwendeten Transistoren sind auch solche

ίο anwendbar, die nach dem Feldeffektprinzip arbeiten. Diese Transistoren sind unter den Fachausdrücken FET und MOS-FET allgemein bekannt.

Die Übersetzung der erfindungsgemäßen Schaltungen in solche unter Verwendung von Feldeffekttransistoren ist nach bestimmten Regeln möglich, die allgemein bekannt sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verstärker enthaltende Vierpolschaltung zur Transformation einer gegebenenfalls einen Gleichspannungsanteil enthaltenden elektrischen Spannung und/oder eines gegebenenfalls einen Gleichstromanteil enthaltenden elektrischen Stromes mit Realisierung der Vierpolschaltung durch einen Sechspol mit drei Anschlußklemmpaaren 1, 2, 3, bei dem das Anschlußklemmenpaar 2 den einen Anschluß der Vierpolschaltung bildet, während der andere Anschluß der Vierpolschaltung durch die Parallelschaltung der Anschlußklemmenpaare 1 und 3 gebildet wird, und der Sechspol derart aufgebaut ist, daß er von seinem hochohmigen Anschlußklemmenpaar 1 über einen Spannungs-Spannungs-Verstärker nur in Richtung zu seinem niederohmigen Anschlußklemmenpaar 2, von diesem über einen Strom-Spannungs-Verstärker nur zum Anschlußklemmenpaar 3 und vom Anschlußklemmenpaar 1 nur über den Spannungs-Spannungs-Verstärker und den Strom-Spannungs-Verstärker zum Anschlußklemmenpaar 3 überträgt, nach Patent 15 63 020, _2g daß der eine Anschluß des Anschlußklemmenpaares 1 mit der nicht invertierenden Eingangsklemme eines Differenzverstärkers verbunden ist und daß der Ausgang dieses Differenzverstärkers , mit der Basiszuleitung eines Transistors und der invertierende Eingang dieses Differenzverstärkers mit dem Emitter dieses Transistors verbunden sind, an dessen Emitter ferner eine Betriebsgleichstromquelle und ein Anschluß des Anschlußklemmenpaares 2 und an dessen Kollektor ein Kollektorwiderstand und ein Anschluß des Anschlußklemmenpaares 3 angeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß, auf die Gesamtschaltung bezogen, der Differenzverstärker außer der Gegentaktverstärkung (K) auch eine Gleichtaktverstärkung (K') hat, und seine Gleichtaktunterdrückung (KIK') weniger als 40 beträgt, und daß die Gesamtschaltung derart ausgebildet ist, daß die Gleichtaktunterdrückung (KIK') im Betriebsfrequenzbereich möglichst gleich und zeitlich konstant ist.

2. Verstärker enthaltende Vierpolschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Parallelschaltung der Anschlußklemmenpaare 1 und 3 des Sechspols in die Zuleitung zum Anschlußklemmenpaar 3 ein Impedanzwandler (7) eingefügt wird, der an der Parallelschaltungsstelle die Anschlußimpedanz des Anschlußklemmenpaares 3 hochohmig gestaltet.

3. Verstärker enthaltende Vierpolschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker einen höheren Wert an Gleichtaktunterdrückung (K/K') hat als in der Gesamtschaltung erforderlich, und daß zusätzliche Schaltmittel vorgesehen sind, die die Gleichtaktunterdrückung (K/K') auf den geforderten geringeren Wert reduzieren.

4. Verstärker enthaltende Vierpolschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Schaltmittel zwischen der einen Eingangsklemme des Differenzvei stärkers (DV) und dein nicht geerdeten Anschluß des ersten Anschlußklemmenpaares 1 ein erster Vierpol (Ül) mit einem möglichst konstanten Spannungsübersetzungsverhältnis (Ül) und/oder zwischen der anderen Eingangsklemme des Differenzverstärkers (DV) und dem nicht geerdeten Anschluß des zweiten Anschlußklemmenpaares 2 ein zweiter Vierpol (Ül) mit einem möglichst konstanten Spannungsübersetzungsverhältnis (Ül) vorgesehen sind.

5. Verstärker enthaltende Vierpolschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des weiteren Differenzverstärkers (DV) ein Verstärker ( V) mit einer nicht geerdeten Eingangsklemme vorgesehen ist, und daß zwischen der nicht geerdeten Eingangsklemme des Verstärkers (V) und dem ersten Vierpol (Ül) einerseits ein erster Widerstand (rl) und dem zweiten Vierpol ( Ü2) andererseits ein zweiter Widerstand (rl) vorgesehen sind.

6. Verstärker enthaltende Vierpolschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung als Transformator derart, daß die Übertragungsphasenwinkel des Sechspols (S) vom ersten Anschlußklemmenpaar 1 zum zweiten Anschlußklemmenpaar 2 und vom zweiten Anschlußklemmenpaar 2 zum dritten Anschlußklemmenpaar 3, sowie der Übertragungsphasenwinkel des Impedanzwandlers (J) so gewählt ist, daß das Produkt aus dem Stromübersetzungsverhältnis (ni = — JlIJl) und aus dem Spannungsübersetzungsverhältnis (nu = UliUl) positiv ist.

(Eingangsstrom (71) ist positiv, wenn er in die eine Klemme (A) eines Eingangsklemmenpaares (I) hineinfließt und aus der anderen Klemme (B) dieses Eingangsklemmenpaares (I) herausfließt.
Eingangsspannung (Ul) ist positiv, wenn die eine Klemme (A) dieses Eingangsklemmenpaares positiv gegenüber der anderen Klemme (B) dieses Eingangsklemmenpaares (I) ist.
Ausgangsstrom (Jl) ist positiv, wenn er in die eine Klemme (C) eines Ausgangsklemmenpaares (Ii) hineinfließt und aus der anderen Klemme (D) dieses Ausgangsklemmenpaares (II) herausfließt. Ausgangsspannung (Ul) ist positiv, wenn die eine Klemme (C) des Ausgangsklemmenpaares (II) positiv gegenüber der anderen Klemme (D) dieses Ausgangsklemmenpaares (II) ist.)

7. Verstärker enthaltende Vierpolschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung als Negativ-Impedanz-Konverter derart, daß die Übertragungsphasenwinkel des Sechspols (5) vom ersten Anschlußklemmenpaar 1 zum zweiten Anschlußklemmenpaar 2 und vom zweiten Anschlußklemmenpaar 2 zum dritten Anschlußklemmenpaar 3, sowie der Übertragungsphasenwinkel des Impedanzwandlers (J) so gewählt sind, daß das Produkt aus dem Stromübersetzungsverhältnis (ni= JlIJl) und dem Spannungsübersetzungsverhältnis (nu = UlIJl) negativ ist.

(Eingangsstrom (71) ist positiv, wenn er in die eine Klemme (A) eines Eingangsklemmenpaares (I) hineinfließt und aus der anderen Klemme (B) dieses Eingangsklemmenpaares (I) herausfließt.
Eingangsspannung (Ul) ist positiv, wenn die eine Klemme (A) dieses Eingangsklemmenpaares (I) positiv gegenüber der anderen Klemme (B) dieses Eingangsklemmenpaares (I) ist.

Ausgangsstrom (J2) ist positiv, wenn er in die eine Klemme (C) eines Ausgangsklemmenpaares (II) hineinfließt und aus der anderen Klemme (D) dieses Ausgangsklemmenpaares (II) herausfließt.
Ausgangsspannung (t/2) ist positiv, wenn die eine Klemme (C) des Ausgangsklemmenpaares (II) positiv gegenüber der anderen Klemme (D) dieses Ausgangsklemmenpaares (II) ist.)