DE2003863B2 - Verstaerkungsregelungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsregelungsschaltung mit einem ersten Transistor, der zwischen seinem Kollektor und seiner Basis eine Gegenkopplung aufweist, und mit einem zweiten Transistor in Emitterschaltung, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors gleichstromgekoppelt ist und dessen Emitter mit dem Emitter des ersten Transistors gleichstromgekoppelt ist und an dessen Kollektor abhängig von einem seiner Basis zugeführten Eingangsstrom und von einem der Basis des ersten Transistors zugeführten Steuerstrom ein Ausgangssignal steuerbarer Verstärkung erscheint.

Bei einer derartigen aus der deutschen Patentschrift 1 247 405 bekannten Schaltung besteht die Gegenkopplung zwischen dem Kollektor und der Basis des ersten Transistors aus der Reihenschaltung eines veränderlichen Widerstands mit einem Kondensator. Um den Kollektorruhestrom des zweiten Transistors zu stabilisieren, ist dieser Transistor mit einem Emitter-Gegenkopplungswiderstand versehen.

ίο Wird bei dieser bekannten Schaltung der erste Transistor. auf Grund einer Änderung des seiner Basis zugeführten Steuerstroms durchlässiger, so sinkt nicht nur sein Gleichstromwiderstand, sondern infolge der durch den Kondensator realisierten Wechselstromgegenkopplung auch sein Wechselstromwiderstand. Die am Eingang des zweiten Transistors liegende Signalspannung wird somit stärker gedämpft. Die Wirkung der bekannten Schaltung beruht daher auf der Änderung der Eingangsdämpfung des zweiten Transistors in Abhängigkeit von der Änderung des Verstärkungsfaktors des für Signale gegengekoppelten ersten Transistors.

Dieses bekannte Verstärkungsregelungsprinzip bringt jedoch verschiedene Probleme mit sich. Je stärker die Dämpfung des Ausgangssignals sein soll, desto höher muß der Verstärkungsfaktor des ersten Transistors sein, so daß eine Dämpfung des Ausgangssignals auf Null auf Schwierigkeiten stößt. Um bei der bekannten Schaltung den Betriebsstrom des zweiten Transistors bis Null regeln zu können, ist eine zusätzliche Spannungsquelle im Emitterkreis dieses Transistors vorgesehen, was für eine Ausführung der Schaltung in integrierter Bauweise nicht günstig ist. Ferner haben in der bekannten Schaltung geringe temperaturbedingte Gleichspannungsverschiebungen an der Basis des ersten Transistors hochverstärkte Gleichspannungsverschiebungen an der Basis des zweiten Transistors zur Folge, so daß zur Temperaturstabilisierung der Wert des Emitter-Gegenkopplungswiderstands am zweiten Transistor sehr groß sein muß. Dies und der zur Überbrückung dieses Widerstands notwendige Wechselstrom-Ableitkondensator erschweren ebenfalls die Herstellung der Schaltung in integrierter Bauweise. Schließlich haben der besagte Emitter-Gegenkopplungswiderstand und die besagte zusätzliche Spannungsquelle auch den Nachteil, daß mit ihnen der Bereich der mit der Verstärkungsregelungsschaltung erzielbaren Ausgangsamplituden klein ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine in integrierter Bauweise leicht herzustellende Verstärkungsregelungsschaltung anzugeben, die einen großen Regelbereich umfaßt und eine verbesserte Temperaturstabilisierung ermöglicht. Ausgehend von einer Schaltung der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Emitter der beiden Transistoren direkt miteinander verbunden sind und daß die Gegenkopplung zwischen dem Kollektor und der Basis des ersten Transistors aus einem Gleichstromweg besteht, der einen Widerstand enthält.

Durch die erfindungsgemäße Gleichstromkopplung zwischen Kollektor und Basis des ersten Transistors hat dieser Transistor das Gleichstromverhalten eines Halbleitergleichrichters, der den Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors mit einer temperaturkompensierten Vorspannung versorgt. Eine die Steilheit und somit den Verstärkungsfaktor dieses zweiten Transistors beeinflussende Änderung der Vorspannung

erfolgt durch Änderung des Spannungsabfalls am tor, wie er in der USA.-Patentanineldung, Serial Nr. besagten Widerstand, wenn sich der Kollektorruhe- 705 709 vom 15. Februar 1968, beschrieben ist. strom des ersten Transistors mit dem Steuerstrom Zur Erläuterung des Betriebs sei angenommen, daß ändert. Das Prinzip der erfindungsgemäßen Verstär- die Transistoren 10 und 12 von der gleichen Klassikungsregelung beruht also nicht wie bei der bekannten 5 fikation sind und in ihren Charakteristika einander gut Schaltung auf der Änderung der Eingangsdämpfung angepaßt sind. Ferner sei angenommen, daß der Wert des zweiten Transistors in Abhängigkeit von der des Widerstandes 14 etwa ein Zehntel der dynamischen Änderung des Verstärkungsfaktors des ersten Tran- Impedanz des Transistors 10 und dessen Basis aufsistors, sondern durch Beeinflussung der Steilheit des weist und einen ähnlichen oder gleichen proportionalen zweiten Transistors. Dieser Transistor läßt sich des- io Bruchteil des Wertes des Widerstandes 28 hat.
wegen als emittergeerdeter Verstärker mit veränder- Liegen diese Widerstandsverhältnisse vor und ist licher Steilheit und ohne temperaturkompensierende die Gleichspannungsquelle F₂ am Anschluß 30 auf Gegenkopplung ausführen, weil durch direkte Kopp- 0 Volt eingestellt, dann fließt praktisch der gesamte lung seines Basis-Emitter-Übergangs mit dem als Gleichstrom des Transistors 24 und des Widerstandes Diode wirkenden ersten Transistor eine ausreichend 15 26 durch den Transistor 10. Der nicht durch den gute Temperaturstabilisierung erfolgt. Transistor 10 fließende Strom fließt statt dessen durch

Das erfindungsgemäße Regelungsprinzip hat gegen- den Widerstand 14, ist aber so gering, daß an diesem

. über der oben beschriebenen bekannten Schaltung Widerstand nur ein sehr kleiner Gleichspannungsabf all

im wesentlichen 3 Vorteile. Man kann die Verstär- auftritt.

kungsregelungsschaltung erstens leicht in integrierter 20 Der durch den Widerstand 26 fließende Gleichstrom

Bauweise ausführen, weil sei keine Kondensatoren ist hierbei praktisch gleich dem durch den Transistor 12

aufweist. Zweitens sind die Schwankungen des Be- und seinen Lastwiderstand 18 fließenden Strom. Der

triebsstroms kleiner, so daß der Aufbau des Ver- Grund hierfür liegt darin, daß die Basis-Emitter-

sorgungsteils einfach ist. Drittens umfaßt bei der Übergänge der beiden Transistoren 10 und 12 prak-

erfindungsgemäßen Schaltung der Bereich der mög- 25 tisch parallel geschaltet sind und beide Transistoren

liehen Ausgangsspannungsamplituden die gesamte zur von der gleich Klassifikation sind.

Verfugung stehende Betriebsspannung. Es sei nun angenommen, daß die Steuerspannungs-

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer quelle F₂ so eingestellt wird, daß sie an den Steuer-Zeichnung am Ausführungsbeispiel einer Dämpfungs- anschluß 30 eine positive Gleichspannung liefert, schaltung erläutert, jedoch läßt sich die Schaltung 3° Diese Gleichspannung hat einen entsprechenden auch für Verstärkerzwecke verwenden. Stromfluß durch die Widerstände 28 und 14 in

Die Schaltung enthält zwei Transistoren 10 und 12, einer Richtung zur Folge, daß die Leitfähigkeit des

deren Emitter an ein Bezugspotential geschaltet sind. Transistors 10 ansteigt. Bei dieser Erhöhung der

Zwischen Basis und Kollektor des Transistors 10 ist ein Leitfähigkeit sinkt die Kollektorgleichspannung des erster Widerstand 14 geschaltet, und der Kollektor 35 Transistors 10 und damit die Basisgleichspannung

ist ferner mit der Basis des Transistors 12 verbunden. des Transitors 12 ab. Dadurch verringert sich der

Der Kollektor des Transistors 12 ist erstens mit einem durch den Transistor 12 fließende Gleichstrom, so

Ausgangsanschluß 16 und zweitens über einen Last- daß auch die Übertragungssteilheit des Transistors 12

widerstand 18 mit einer Klemme 20 einer Speise- abnimmt. Da die Spannungsverstärkung der mit geerspannungsquelle + Fl verbunden. 40 detem Emitter betriebenen Transistorstufe 12 un-

Die von der Schaltung zu dämpfenden Signale mittelbar proportional der Steilheit ist, sinkt auch die

werden über einen Eingangsanschluß 22 der Basis Amplitude der am Kollektor des Transistors 12 und

eines dritten Transistors 24 zugeführt, dessen Kollektor am Anschluß 16 anliegenden Signale entsprechend,

ebenfalls an die Klemme 20 geführt ist, während sein Auf diese Weise ergibt sich die gewünschte Dämpfung Emitter über einen Widerstand 26 mit dem Kollektor 45 der zugeführten Eingangssignale,

des Transistors 10 verbunden ist. Die Gleichspannung an der Basis-Emitter-Diode

Ferner enthält die Schaltung einen Vorspannungs- des Transistors 12 läßt sich ausdrücken durch die

widerstand 28, welcher von der Basis des Transistors 10 Gleichung

zu einem Dämpfungsregelanschluß 30 führt, welcher ,

mit einer einstellbaren Gleichspannungsquelle F₂ ver- 50 y_be — _LL I_n sL· _|_ j_{e rec} _| tlL·.. _; (i)

bunden ist, die zur Veränderung der Vorspannung des q I_s ""/3 + 7./ .
Transistors 10 dient. Durch eine solche Veränderung

wird die Dämpfung der dem Eingang des Transistors 24 wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute

zugeführten Signale verändert, welche durch den Temperatur in Grad Kelvin, q die Elektronenladung, Transistor 24 und den Widerstand 26 zum Ausgangs- 55 I_e der Emitterstrom des Transistors 12 und /_s der

transistor 12 gelangen. Sättigungsstrom dieses Transistors ist. Ferner ist r_ec

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- der Emitter- und Kontaktwiderstand des Transistors

dung ist der Signaleingangsanschluß 22 mit dem 12, während ■/·»' sein Basiseingangswiderstand und

Ausgang einer Begrenzerstufe eines Verarbeitungs- β seine Durchlaßstromverstärkung ist.
kanals für winkelmodulierte Schwingungen bei einem 60 Vernachlässigt man die Wirkung der beiden letzten

Fernsehempfänger verbunden, welcher modulierte Ausdrücke der Gleichung 1 und setzt den Ausdruck

Schwingungen einer Mittelfrequenz von 4,5 MHz *I _{= 2}6 mV bei Zimmertemperatur, dann sieht man,

liefert. Diese Schwingungen können typischerweise g

eine Spitzenamplitude von wenigen Volt und einen ,,daß ein Absinken von F&_e um etwa 18 mV einer Gleichstrompegel von 3,5 Volt gegen Masse aufweisen. 65 Reduzierung des Emitterstromes dieses Transistors

Der Ausgangsanschluß 16 ist wiederum mit einer auf die Hälfte entspricht.

Demodulatorstufe des Verarbeitungskanals verbunden, Der Kollektorgleichstrom des Transistors 12 ver-

beispielsweise mit einem Frequenzmodulationsdetek- ringert sich also bei einem Absinken der Kollektor-

s 6

gleichspannung des Transistors 10 um 18 mV auf die 10 und 12 fließende Strom herabgesetzt werden, so

Hälfte. Damit sinkt auch die Steilheit und die ent- daß diese letzten Ausdrücke der Gleichung 1 kleiner

sprechende Signalverstärkung auf die Hälfte. Eine werden. Andererseits kann die Schaltung auch mit etwas

Verringerung der Gleichspannung um je 18 mV bringt größeren Dimensionen aufgebaut werden, so daß die

also eine Verstärkungsminderung um 6 dB. Das Ab- 5 Werte für r_ec und r&' bei gleicher Stromverstärkung β

sinken um 18 mV bzw. um mehr oder weniger ergibt kleiner werden. .

sich aus dem Zusammenwirken der Widerstände 14 Bei der dargestellten und beschriebenen Schaltung und 28 mit der Spannungsquelle F₂. werden diese Verzerrungen jedoch noch auf andere Wenn die Gleichspannungskomponente des dem Weise verringert. Da die am Emitter des Transistors 24 Eingangsanschluß 22 zugeführten Signals, wie bereits io auftretende Amplitude des Wechselspannungssignals erwähnt, in der Größenordnung von 3,5 V hegt, dann sich verändert, verändert sich auch der Anteil des wird für den Potentialabfall von 18 mV am Kollektor durch den Widerstand 14 zur Basis des Transistors 10 des Transistors 10 nur eine sehr kleine Änderung des gelangenden Signals in gleicher Weise. Ebenfalls durch den Transistor 10 fließenden Stromes benötigt, ändert sich der Kollektorstrom des Transistors 10 in wenn der Widerstand 26 einen Wert in der Größen- 15 gleicher Richtung wie das Signals, so daß die dynaordnung einiger kOhm hat. Da sich der durch den mische Impedanz am Kollektor des Transistors 10 sich Widerstand 26 fließende Strom nicht sehr stark ändern in umgekehrter Richtung ändert. Der Transistor 24 muß, um diese Gleichspannungsänderung zu bewirken, und der Widerstand 26 bilden praktisch eine Konstantarbeitet der Transistor 10 praktisch linear. Mit den stromquelle, und daher ändert sich das Signal am in der Zeichnung angegebenen Werten läßt sich die 20 Kollektor des Transistors 10 entgegengesetzt zu den Gleichspannungsänderung von 18 mV durch Erhöhen vom Transistor 24 gelieferten Signalen, so daß eine der Basisspannung des Transistors 10 um etwa Vorverzerrungskomponente der zum Transistor 12 1 oder 2 mV bewirken, so daß der Transistor 10 gekoppelten Signale eintritt. Diese Komponente ist insbesondere als linearer Spannungsverstärker arbeitet. jedoch den vom Transistor 12 selbst auf Grund der Im Betrieb zeigt die dargestellte Schaltung praktisch 25 Änderungen seiner Steilheit bei zugeführten Signalen eine linear-logarithmische Charakteristik, wie sie erzeugten Verzerrungskomponenten entgegengerichtet, insbesondere bei Tonfrequenzverstärkern wünschens- Bei einer innerhalb des Regelbereiches erzeugten wert ist, die mit einer Gleichspannung geregelt werden. Dämpfung von etwa 40 db betrug die Verzerrung Werden die relativen Werte für die Widerstände 14 des gedämpften Signals nur 2°/₀. Durch eine weitere und 28 genau ausgewählt, dann führt eine Gleichspan- 30 Verringerung der Werte r_ec und r&' ließ sich die Vernungsänderung der Spannungsquelle F₂ von beispiels- zerrung noch weiter auf nur wenige Zehntel Prozent weise 1 V zu einer Amplitudenänderung eines am An- herabsetzen. Eine noch stärkere Verringerung läßt Schluß 16 abgenommenen Ausgangssignals um 6 db. sich durch eine Verkleinerung des Wertes des Wider-Die beschriebene Schaltung eignet sich insbesondere Standes 14 im Verhältnis zu Widerstand 28 und zur zur Herstellung in integrierter Form, da sämtliche 35 Eingangsimpedanz des Transistors 10 erreichen.
Bauteile (mit Ausnahme der Spannungsquellen) sich Die beschriebene Dämpfungsschaltung läßt sich nach den heute bekannten Verfahren herstellen lassen. außerordentlich leicht realisieren und bringt keinerlei Die Werte der Ausdrücke r_ec und r&' aus Gleichung 1 Nachteile für das Übertragungsverhalten. Die Schalhängen von den physikalischen Abmessungen im tung hat sich als Dämpfungsschaltung für Hochintegrierten Aufbau ab. Die Werte ergeben sich zu 40 frequenzen in dem erwähnten Bearbeitungskanal für 3 bzw. 40 Ohm, wenn der integrierte Aufbau klein ist, winkelmodulierte Schwingungen bewährt, sie eignet beispielsweise als Teil eines Verarbeitungskanals für sich jedoch ebenfalls für Fernsteuerzwecke, wo eine winkelmodulierte Schwingungen ausgebildet ist, wobei gleichspannungsgesteuerte Verstärkungsänderung mit die Abmessungen dieses Verarbeitungskanals etwa linear-logarithmischem Verhalten gewünscht wird. 1,25 mm im Quadrat und die Abmessungen des 45 Bei der beschriebenen Ausführungsform führen die Transistors 12 etwa 0,09 ■ 0,14 mm betragen. Die Transistoren 10 und 12 anfänglich dieselben Gleich-Stromverstärkung β beträgt hierbei etwa 50. ströme, weil sie wegen ihrer gemeinsamen Herstellung Wird der Gleichstrom des Transistors 12 zunächst die gleichen physikalischen Eigenschaften haben, auf 1 mA eingestellt, so bringen die letzten beiden Jedoch kann auch vorgesehen werden, daß die Gleich-Ausdrücke der Gleichung 1 eine Additionsgröße von 50 ströme anfänglich in einem anderen Verhältnis zu-3,8 mV zur Basis-Emitter-Übergangsspannung des einander stehen, wenn die beiden Transistoren in Transistors 12. Wird der Kollektorstrom des Tran- unterschiedlicher Größe (beispielsweise hinsichtlich sistors 12 zu einer Signaldämpfung verringert, so ihrer Emitterflächen) hergestellt werden,
können, wie sich gezeigt hat, diese letzten Ausdrücke Eine andere vorteilhafte Eigenschaft der Schaltung zu einem Verzerrungsanteil des Ausgangssignals 55 besteht darin, daß ohne Zufuhr einer Gleichspannung führen, der in manchen Fällen unerwünscht ist. Eine am Steueranschluß 30 eine Signalverstärkung statt solche Wirkung tritt jedoch nicht ein, wenn es sich um einer Dämpfung bewirkt werden kann. Der Grund winkelmodulierte Schwingungen handelt, weil die hierfür liegt darin, daß das am Ausgangsanschluß 16 Verzerrungen als Amplitudenmodulation auftreten, entstehende Signal mit seiner Amplitude die gesamte die vom nachfolgenden Frequenzdemodulator unter- 60 Speisespannung der Spannungsquelle F₁ ausnutzen drückt wird. kann. Auf diese Weise läßt sich mit Hilfe eines Ein-Verwendet man die dargestellte Schaltung als gangssignals eine Amplitude von 1 oder 2 V, beispiels-Tonfrequenzvorverstärker, so können diese Ver- weise ein Ausgangssignal am Anschluß 16 mit einer Zerrungen jedoch sehr störend werden. Zur Verringe- Spitzenamplitude von 5 V_ss erzielen, wenn die Spanrung dieser Probleme kann der durch die Transistoren 65 nungsquelle F₁ einen solchen Wert hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verstärkungsregelungsschaltung mit einem ersten Transistor, der zwischen seinem Kollektor und seiner Basis eine Gegenkopplung aufweist, und mit einem zweiten Transistor in Emitterschaltung, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors gleichstromgekoppelt ist und dessen Emitter mit dem Emitter des ersten Transistors gleichstromgekoppelt ist und an dessen Kollektor abhängig von einem seiner Basis zugeführten Eingangsstrom und von einem der Basis des ersten Transistors zugeführten Steuerstrom ein Ausgangssignal steuerbarer Verstärkung erscheint, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter der beiden Transistoren (10,12) direkt miteinander verbunden sind und daß die Gegenkopplung aus einem zwischen Kollektor und Basis des ersten Transistors (10) geschalteten Gleichstromweg besteht, der einen Widerstand (14) enthält.

2.Verstärkungsregelungsschaltungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (10,12) in einer einzigen integrierten Schaltung ausgebildet sind.

3. Verstärkungsregelungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle (22, 24) von Eingangsstromsignalen über einen zweiten Widerstand (26) mit dem Kollektor des ersten Transistors (10) verbunden ist und daß eine Betriebsspannungsquelle (20) über einen dritten Widerstand (18) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (12) verbunden ist.

4. Verstärkungsregelungsschaltung nach An^ spruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom von einer variablen Gleichspannungsquelle (F₂) geliefert wird, die über einen vierten Widerstand (28) mit der Basis des ersten Transistors (10) verbunden ist.

5. Verstärkungsregelungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des vierten Widerstands (28) wesentlich größer als der Wert des in der Gegenkopplung enthaltenen ersten Widerstands (14) ist und daß die Eingangsimpedanz an der Basis des ersten Transistors (10) den Wert des besagten ersten Widerstands (14) übersteigt.

6. Verstärkungsregelungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (10,12) und die Widerstände (14, 26,18, 28) alle in integrierter Schaltung in einem einzigen Halbleiterkörper ausgebildet sind.