DE1908119B2 - Transistorverstaerker - Google Patents

Description

Bewegung eines Elementes eines Differentialkondensators zur Beschleunigungsmessung und zur Abgabe eines Signals verwendet wird, das verstärkt und einer Momentspule zugeführt wird. Die Momentspule übt eine Kraft aus, durch welche das beweglich gelagerte Element wieder in die Nullstellung zurückgebracht wird, wobei der zur Rückstellung erforderliche Strom eine Anzeige für die Größe der gemessenen Beschleunigung ist. In dem geschilderten Anwendungsbeispiel soll das Auftreten einer Potentialdifferenz zwischen dem Meßelement des Kondensators und der Momentspule vermieden werden, da diese Teile über eine Streukapazität elektrisch miteinander gekoppelt sind. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verstärkers ist das Potential der Momentspule stets gleich dem Potential des Kondensatorelementes, da Eingang und Ausgang des Verstärkers fest miteinander verbunden sind. Dadurch wird das Auftreten von Nichtlineaiitäten oder Linearitätsabweichungen infolge elektrostatischer Kräfte, die bei einer Potentialdifferenz zwischen dem Meßelement des Kondensators und der Momentspule auftreten, verhindert.

Die einzelnen Merkmale und weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor, das an Hand der Zeichnungen näher erläutert wird.

F i g. 1 ist ein schematischer Schaltplan der bevorzugten Ausführungsform eines Verstärkers nach der Erfindung;

F i g. 2 ist ein schematischer Schaltplan einer Ersatzschaltung für den Verstärker der F i g. 1;

F i g. 3 ist eine schematische Darstellung des in F i g. 1 dargestellten Verstärkers in Verbindung mit einem Beschleunigungsmesser mit Kräfteausgleich.

Die in F i g. 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsfi'rm des Verstärkers weist einen Eingangswiderstand 11 auf, der mit ^₁ bezeichnet und in einer solchen Weise mit den Transistoren des Verstärkers verbunden ist, daß die an dem Eingangswiderstand liegende Spannung stets auf einem konstanten Wert in der Nähe von Null gehalten wird. Die Tiansistoren des Verstärkers sind mit den Bezugszeichen 12, 13, 14 bezeichnet und weisen die Emitter 12a, 13a, 14« und die Basen 126, 136 146 sowie die Kollektoren 12c, 13c, 14c auf.

Der Kollektor l?c ist über einen als R₃ bezeichneten Widerstand 16 mit dem Emitter 14a verbunden. Ein Diodenpaar 17a ist einerseits mit dem Verbindungspunkt des Kollektors 13c mit dem Widerstand 16 und andererseits mit der Basis 146 des Transistors 14 verbunden. Ein mit R₂ bezeichneter Widerstand 19 ist zwischen Basis 146 und Kollektor 14c geschaltet, und dieser Kollektor ist mit einer Anschlußklemme 21 verbunden, die mit einer Spannungsquelle f V verbunden svird.

Ein als Rl bezeichneter Lastwiderstand 22 ist auf seiner einen Seite mit dem Emitter 14a und auf seiner anderen Seite über einen als Rf bezeichneten Rückkopplungswiderstand 24 mit dem unteren Ausgangspunkt des Eingangswiderstandes 11 verbunden. Parallel zu dem Lastwiderstand 22 ist ein Ausgangsklemmenpaar 25 geschaltet.

An einem Eingangsklemmenpaar 26 wird dem Verstärker ein geeignetes Eingangssignal zugeführt, das beispielsweise von einer Stromquelle geliefert werden kann, die durch die mit dem Bezugszeichen 27 bezeichnete Quelle dargestellt wird. Die Quelle 27 fühlt dem Verstärkereingang einen Strom I₉ zu. Das Eingangssignal für den Verstärker kann auch von einer Spannungsquelle geliefert werden, die über einen in Reihe geschalteten Widerstand mit den Eingangsklemmen 26 verbunden ist.

Die Arbeitsweise der Verstärkerschaltung läSt sich am besten an Hand der nachstehenden Überlegungen verstehen, Wie F i g. 1 zeigt, ist der Eingangswiderstand U zwischen der Basis 120 des Transistors 12 und dem Emitter 14a des Transistors 14 geschaltet,

ία und der Emitter 12a ist mit der Basis 146 verbunden. Damit sind die Basis-Emitter-Übergangspotentiale der Transistoren 12, 14 über den Widerstand 11 gegeneinandergeschaltet, so daß das Potential am Widerstand 11 gleich ist der Differenz zwischen diesen

beiden Basis-Emitter-Übergangspotentialen. Wenn die Kennlinien der beiden Transistoren 12 und 14 in geeigneter Weise gewählt und aneinander angepaßt werden, kommt das an άϊ λ Widerstand 11 liegende Potential dem Idealwert Null r ahe, und dieser kleine Potentialwert bleibt auch über längere Zeit und bei unterschiedlichen Temperaturen unverändert. Wenn daher die schwebende Eingangsquelle auf den Ausgang bezogen wird, ist die Potenttaldifferenz an dem Widerstand 11 sehr klein und hat infolge der sich gegenseitig aufhebenden Basis-Emitter-Übergangspotentiale der Transistoren 12 und 14 im Idealfall den Wert Null. Unter diesen Bedingungen fließt der Eingangsstrom Ig durch den Rückkopplungswiderstand 24 und nicht durch den Eingangswiderstand 11. Das läßt sich

an Hand des Ersatzschaltbildes der F i g. 2 rechnerisch nachweisen:

^Υ— = Ao;

AVi

A Vl =

A Vo Ao

wobei

A Vi gleich ist dem Spannungsabfall an R₁ infolge des Stromes I_g und Ao gleich ist dem Verstärkungsgrad der Rückkopplangsschleife der Schaltung.

AVb₁ = A Vo (l | und A V_Bl «* Δ Vo ,

A If =

wenn Ao größer ist als 40 oder 50.

-A Vo .... ₀ .
i fur ein großes Ao.

Rf

AVo

— - = -Rf, AIf = AIg, wenn AVo AIf

AVo

AL·

= -Rf.

Es läßt sich somit sehen, daß die Ausgangsspannung proportional ist dem Eingangssvrom und ausgedrückt werden kann als das Produkt von Eingangsstrom und Widerstand-wert des Rückkopplungswiderstandes.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung soll angenommen werden, daß die Stromquelle 27 an den durch den Verbindungspunkt von Widerstand 11, Widerstand 24 und Basis 126 des Transistors 12 gebildeten Knotenpunkt einen Strom abgibt. Da der Transistor 12 keinen unendlich hohen Verstärkungsgrad hat, muß ein kleiner Teil des von der Quelle 27 erzeugten Stromes /„ an die Basis 126

abgegeben werden. Diese Zunahme des Basisstromes wesentlichen konstante Stromdurchgang durch den

bewirkt eine Zunahme des Kollektorstromes in dem Widerstand 16 größer ist als der Maximalstrom durch

Transistor 12, wobei der Bett ag dieser Zunahme durch den Lastwiderstand 22, wenn der Ausgang des Ver-

den mit beta bezeichneten Emitter-Verstärkungsgrad stärkers negativ ist. Wenn dieser Faktor nicht berück·

des Transistors 12 festgelegt ist. 5 sichtigt wird und der bei einem negativen Ausgang

Der Kollektorstrom des Transistors 12 ist gleich- des Verstärkers durch den Lastwiderstand 22 hinzeitig der Strom, durch den die Basis des Transistors 13 durchgehende Strom größer ist als der Strom durch den beaufschlagt wird, so daß eine Zunahme des Basis- Widerstand 16, kann eine Stromzunahme in dem stromes des Transistors 12 eine Zunahme des Kollek- Widerstand 16 erfolgen, so daß der Transistor 14 torstromes des Transistors 12 hervorruft, wodurch der io gesperrt wird Dadurch würde die unerwünschte Basisstrom des Transistors 13 zunimmt. Diese Zu- Wirkung auftreten, daß der Transistor 13 als Kollektor· nähme des Basisstroms des Transistors 13 bewirkt last nicht länger den Widerstand 19, sondern den eine entsprechende Zunahme des Kollektorstromes Lastwiderstand 22 haben würde, des Transistors 13. Wie bereits erwähnt wurde, eignet sich der erfin-

Det Kollektorstrom des Transistors 13 fließt sowohl »s dungsgemäße Verstärker besonders gut zur Verdurch den Widerstand 16 als auch durch die Dioden Wendung in einem Beschleunigungsmesser mit Kräfte-17a und bewirkt eine im wesentlichen konstanten ausgleich, und ein derartiges Beschleunigungsmesser-Spannungsabfall an dem Widerstand 16. Der Grund system ist in F i g. 3 schematisch dargestellt. Dieses dafür ist, daß der Spannungsabfall an dem Wider- System weist einen Differentialkondensator mit einem stand 16 gleich ist dem Spannungsabfall an den Dioden ao au Deren Plattenpaar 31 α und einer mittleren oder 17a, abzüglich des Basis-Emitter-Übergangspotentials gemeinsamen Platte 31 ft auf. Die Platte 31 ft ist starr des Transistors 14. Durch geeignete Wahl der Dioden mit dem beweglich gelagerten Übertragungselement 17a und des Transistors 14 läßt sich der Spannungs- verbunden, das im Falle eines Beschleunigungsmessers abfall an einer der beiden Dioden gleich groß machen mit Krät'V-ausgleich aus einem seismischen Glied dem Basis-Emitter-Übergangspotenttal des Transistors, »5 besteht. Dem Kondensator wird elektrische Energie so daß der am Widerstand 16 auftretende Spannungs- durch einen Hochfrequenzoszillator 32 über einen abfall gleich ist dem Spannungsabfall an der anderen Transformator 33 und Gleichrichter 34 zugeführt. Eine der beiden Dioden. Es kann andererseits auch eine Änderung der Einstellung des beweglich gelagerten einzige Diode verwendet werden, deren Spannungs- Gliedes ruft eine Änderung des Kondensatorausgangsabfall doppelt so hoch ist wie das Basis-Emittet- 30 signals hervor. Dieses Signal wird in dem erfindungs-Übergangspotential des Transistors 14, so daß der gemäßen Transistorverstärker verstärkt und einer Spannungsabfall an dem Widerstand 16 der Hälfte Momentspule 96 zugeführt. Der durch die Momentdes Spannungsabfalls an dieser einzigen Diode spule 96 gehende Strom hat die Wirkung, das bewegentspricht. Hch gelagerte Glied wiederum in seine Nullstellung

Auf diese Weise bleibt der Spannungsabfall an dem 35 zurückzubringen, und der in der Momentspule 36

Widerstand 16 im wesentlichen konstant, und wenn zur Rückstellung benötigte Strom ist ein Maß für die

sich der Kollektorstrom des Transistors 13 ändern Beschleunigung, welche auf das beweglich gelagerte

sollte, fließt dieser Änderungsstrom im wesentlichen Glied ausgeübt worden ist.

vollständig durch die Dioden 17 a und nicht durch Zwecks Vermeidung zusätzlicher Spulen- oder den Widerstand 16. Wenn der Verstärkungsgrad des 40 Schneckenfedern ist der Übertragermechanismus in Transistors 14 ausreichend hoch ist. was bei heutzu- einer solchen Weise ausgeführt, daß die mittlere tage gebräuchlichen Transistoren im allgemeinen Kondensatorplatte 31 b durch Streukapazität oder vorausgesetzt werden kann, wird diese Kollektor- Eigenstreuung elektrostatisch mit der Momentspule 96 Stromänderung des Transistors 13 nahezu ganz durch gekoppelt ist. Diese Streukapazität wird durch den den Widerstand 19 geleitet werden. Unter diesen Um- 45 Kondensator 98 und die gestrichelte Linie dargestellt, ständen stellt der Widerstand 19 im wesentlichen die welche die Platte 31 ft mit der Momentspule Λ ver-Lastimpedanz für den Kollektor des Transistors 13 bindet. Wenn infolge einer Bewegung der Moment' dar. Mit anderen Worten, jede an dem Ausgang oder spule in bezug auf Masse größere Potentialdifferenzen Emitter des Transistors 14 auftretende Spannungs- zwischen dem Eingangskondensator und der Momentänderung ist praktisch gleich dem Produkt aus der 50 spule auftreten, könnten diese Potentialdifferenzer Kollektorstromänderung des Transistors 13 mit dem infolge der dadurch auftretenden elektrostatischer Widerstand des Widerstandes 19. Es ist daher möglich, Kräfte folgenschwere Linearitätsabweichungen hervor den Lastwiderstand 22 zwischen dem Emitter 14 a und rufen.

Masse zu schalten, ohne den Verstärkungsgrad des Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Ver

Verstärkers dadurch in merklicher Weise zu beein- 55 stärkers, bei welchem der schwebende Eingang fes

flüssen. Das bedeutet, daß unabhängig von der mit dem Ausgang verbunden ist, wird der Differential

Größe des Lastwiderstandes 22 (die innerhalb prak- kondensator jedoch gezwungen, der Momentspul

tischer Grenzen liegen muß) die Lastimpedanz für elektrostatisch zu folgen und verhindert dadurch da

den Transistor 19 im wesentlichen durch die Impedanz Auftreten von Potentialdifferenzen, die Linearität

des Widerstandes 19 gebildet wird. Daher läßt sich 60 abweichungen zur Folge haben könnten, zwische

vermittels eines verhältnismäßig kleinen Lastwider- Kondensator und Spule.

Standes ein hober Spannungsverstärkungsgrad des Der erfindungsgemäße Verstärker kann somit m

Verstärkers erzielen. In einem praktischen Aus- einem an den Ausgang gebundenen Eingang arbeite

führungsbeispiel kann der Lastwiderstand 22 einen und hat an seinem Eingangswiderstand praktisch kei

Widerstandswert von 3000 Ohm und der Widerstand 65 Signal, wenn kein Signal am Eingang Hegt, so di

19 einen Widerstandswert von 20 000 Ohm haben. Abweichungen der Eingangsspannung eliminiert we

Im Einblick auf das vorstehend Gesagte ist es den.

wichtig, die Schaltung so auszuführen, daß der im Obwohl in dem bier dargestellten Ausführung

beispiel des Verstärkers bipolare Transistoren verwendet werden, läßt sich der Verstärker auch mit Unipolartransistoren herstellen und betreiben, vorausgesetzt, daß diese sorgfältig ausgewählt sind und ζικ/nander komplementäre Kennlinien aufweisen, um S zu gewährleisten, daß sich ihre Wirkungen am Eingangswiderstand gegenseitig aufheben.

Ohne die Erfindung darauf beschränken zu wollen, hat es sich gezeigt, daß ein Verstärker der in f i g. 1 dargestellten Ausführung, der aus den nachfolgend ίο angegebenen Bauteilen besteht, sehr zufriedenstellende Ergebnisse liefert.

Transistor 12 2N2605

Transistoren 13, 14 2N2484

Dioden 17a 1N4148

R₁ und R_t 20 000 Ohm

/t* 150 Ohm

Rp 1 MOhfli

Rt , 3 000 Ohm

Hierzu 809531/496

Claims (5)

1 2 stärkern wird ein Differentialeingang verwendet, der Patentansprüche· entweder aus einem Paar gegengeschalteter Tran- ' sistoren, einem Transformator oder aus anderen Vorrichtungen besteht. Diese Schaltungsanordnungen

1. Transistorverstärke! mit je zwei Eingangs-und 5 genügen im allgemeinen vollauf den an sie gestellten Ausgangsklemmen und schwebendem Eingangs- Anforderungen, machen jedoch in der Regel mehrere potential, dadurch gekennzeichnet, zusätzliche Schaltelemente erforderlich unc entbehren daß zwischen den beiden Eingangsklemmen ein an daher der für viele Schaltungen angestrebten Einfacheiner Strom- oder Spannungsquelle (27) liegender heit. Darüber hinaus ist bei den bekannten Verstärker-Eingangswiderstand (11) angeordnet ist, mit dessen io anordnungen der Eingang nicht elektrisch mit dem einem Ende die Basis (126) eines ersten Transistors Ausgang gekoppelt, so daß zwischen beiden Potential-(12) und mit dessen anderem Ende die eine Aus- differenzen entstehen.

gangsklemme sowie der Emitter (14a) eines zweiten Vermittels der Erfindung soll ein Transistorver-Transistors vom komplementären Leitfähigkeitstyp stärker mit einem schwebenden Eingang geschaffen (14) verbunden sind, dessen Basis (Ub) unmittel- 15 werden, bei welchem das Eingangspotential dem Ausbar mit dem Emitter (12a) des ersten Transistors gangspotential folgt. Der schwebende Eingang des (12) verbunden ist, daß die zweite Ausgangs- Verstärkers soll ohne die Verwendung von Differentialklemme über einen Rückkopplungswiderstand (24) schaltelementen ausgebildet sein und insbesondere einen mit der Basis des ersten Transistors (12) verbunden Eingangswiderstand aufweisen, an dem eine im wesent- und zwischen den beiden Ausgangsklemmen ein 20 liehen konstante und nahezu den Wert Null aufweisende Lastwiderstand (26) angeordnet ist, derart, daß das Spannung liegt, um Abweichungen der Eingangs-Ausgangspotential dem schwebendem Eingangs- spannung zu verringern oder ganz zu beseitigen. Der potential jeweils folgt. Transistorverstärker mit schwebendem Eingang soll

2. Transistorschaltung nach Anspruch 1, da- zuverlässig und widerstandsfähig gegenüber mechadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollek- 25 nischen Beanspruchungen sein und aus einer sehr tor (12 c) des ersten Transistors und dem zweiten geringen Anzahl von Schaltelementen bestehen.
Transistor ein dritter Transistor (13) angeordnet Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorist· verstärker mit je zwei Eingangs- und Ausgangsklem-

3. Transistorschaltung nach Anspruch 2, dadurch men und schwebendem Eingangspotential. Um eine gekennzeichnet, daß die Basis (13b) des dritten 30 Verstärkung von Strömen oder Spannungen derart Transistors (13) mit dem Kollektor (12c) des zu erhalten, daß das Ausgangspotential einem schweersten Transistors (12) verbunden, zwischen dem benden Eingangspotential streng folgt, wird erfin-Kollektor (13c) des dritten Transistors und dem dungsgemäß vorgeschlagen, daß zwischen den beiden Emitter (Ua) des zweiten Transistors (14) ein Eingangsklemmen ein an einer Strom- oder Spandritter Widerstand (16), zwischen dem Kollektor 35 nungsquelle liegender Eingangswiderstand angeordnet des dritten Transistors und der Basis (Ub) des ist, mit dessen einem Ende ά'.ε Basis eines ersten zweiten Transistors eine Spannungskonstanthalte- Transistors und mit dessen anderem Ende die eine vorrichtung (17a) und zwischen der Basis und dem Ausgangsklemme sowie der Emitter eines zweiten Kollektor des zweiten Konsistors ein vierer Transistors vom komplementären Leitfähigkeitstyp Widerstand (19) als Lastwiderstand für den dritten 40 verbunden sind, dessen Basis unmittelbar mit dem Transistor angeordnet ist, derart, daß die an dem Emittei des ersten Transistors verbunden ist, daß die Eingangswiderstand anliegende Spannung im we- zweite Ausgangsklemme über einen Rückkopplungssentlichen konstant gehalten wird. widerstand mit der Basis des ersten Transistors ver-

4. Transistorschaltung nach Anspruch 3, da- bunden und zwischen den beiden Ausgangsklemmen durch gekennzeichnet, daß die Spannungskonstant- 45 ein Lastwiderstand angeordnet ist, derart, daß das haltevorrichtung (17a) aus einer Diodenanordnung Ausgangspotential dem schwebenden Eingangspotenbesteht. tial jeweils folgt.

5 Transistoischaltung nach Anspruch 4, dadurch Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Transistorgekennzeichnet, daß die Diodenanordnung (17a) verstärker weist einen schwebenden Eingang auf, an durch zwei Dioden gebildet ist, an denen jeweils 50 welchem ein Eingangswiderstand liegt. Der Eingangseine konstante Spannung liegt, welche im wesent- widerstand ist mit zwei Transistoren des Verstärkers liehen dem Basis-Emitter-Übergangspotential des in einer solchen Weise verbunden, daß die Basiszweiten Transistors (14) entspricht, und der Span- Emitter-Übergangspotentiale dieser beiden Transistonungsabfall an dem dritten Widerstand (16) etwa ren an dem Eingangswiderstand gegeneinandergeebenso gioß ist wie der Spannungsabfall an einer 55 schaltet sind. Dadurch ergibt sich ein im wesentder beiden Dioden. liehen konstanter Spannungsabfall, der an diesem

Eingangswiderstand in jedem Zeitpunkt nahezu den

_____ Weit Null annimmt. Dadurch werden gleichfalls im

unbelasteten Zustand gegebenenfalls auftretende

60 Schwankungen der Eingangsspannung beseitigt und

damit eine für eine Verstärkerschaltung erstrebens-

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen werte Eigenschaft erreicht.

Transistorverstärker und insbesondere auf einen Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verstärker·

Transistorverstärker mit schwebendem Eingang. schaltung eignet sich besonders gut für solche An-

Flir einen Transistorverstärker mit schwebendem 65 Wendungen, für welche das Eingangspotential dem

Eingang ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglich' Ausgangspotential möglichst genau folgen soll. Ein

ketten und zahlreiche Schaltungen dieser Art sind Beispiel für eine solche Anwendung ist ein Beschleuni·

bereits vorgeschlagen worden. Bei den meisten Ver· gungsmesser mit Kräfteausgleich, bei welchem die