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Automatische Dynamikregelung für einen Halbleiter-Verstärker Die Erfindung
bezieht sich auf die automatische Dynamikregulierung eines Ealbleiter-VeratarJkers,
die drei sehr vorteilhafte Eigenschaften besitzt.
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1.) Sie ist in der Lage einen Regelhub von 40 - 60 dB auszuführen.
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2.) Die Einschwingzeitkonstante der Dynamikregelung kann daher extrem
klein gemacht werden Es bereitet keine Schwierigkeiten Zeitkonstanten von 0,5 msec
und weniger zu erreichen.
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3.) In einer besonderen Ausführung ergibt sich im gesamter Regelgebiet
im eingeschwungenen Regelzustand ein Eigenklirrfaktor der kleiner als 0,5 % ist.
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Die Erfindung geht von dem bekannten Prinzip der Dynamikregelung mit
einem Feldeffekttransistor aus, welches unter der Bezeichnung "AGC-Schaltungen mit
Feldeffekttransistoren" bekannt ist, Vergleiche dazu "Texas Instruments European
Applications Group" EB 70 808. Der Titel lautet: Neue AGC-Schaltungen mit Feldeffekttransistoren.
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Hier wird gezeigt, daß die drain-source-Strecke eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors
bei Aussteuerung mit Wechselspannungen bis etwa 100 mV angenähert lineare Kennlinien
besitzt, deren Steilheit bei einer gate-source-Spannung von 0 Volt am größten ist
und im Gebiet von -5 bis -10 V praktisch nach 0 konvergiert. Die Impedanz des Feldeffektore
kann demnach von etwa 100 # bis zu einigen M# verändert
werden,
ohne daß ein Gleichstrom über die drain-source-ßtrecke des Transistors fließt. Auch
werden bereits Angaben gemacht, wie die nicht linearen Verzerrungen der drain-source-Strecke
durch eine zusätzliche Wechselspannungssteuerung des gate verringert werden können,
Dazu soll dem gate die halbe zwischen drain und source stehende Wethselspannung
zugeführt werden0 Diese vorbekannte Technik hat den Nachteil, daß sich mit ihr die
nach DIN 45 568 geforderte Ansprechzeit der Dynamikregelung von weniger als 5emsec
nicht erreichen läßt.
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Die Erfindung beseitigt diesen Nachteil und zeigt in einer speziellen
Ausführung, daß auch der Eigenklirrfaktor der Regelanordnung sich noch entscheidend
verringern läßt.
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Die Erfindung bezieht sich auf die automatische Dynamikregulierung
in einem Verstärker mit Ealbleiterverstärker-Elementen. Es wird dazu als Regelstrecke
die steuerbare Impedanz eines i?eldeffekttransistors verwendet, wobei.dem gate dieses
Feldeffekttransistors zusätzlich zur Regelsteuerspannung die halbe der zwischen
drain und source liegenden Tonfrequenzspannung zugeführt wird. Das Besondere ist
dadurch gekennzeichnet, daß am gate zwei gleiche Widerstände liegen, die dazu dienen,
dem gate die halbe drain-source-vonfrequenzspannung und die Regelsteuerspannung
zuzuführen, und daß dieser Schaltkreis so bemessen ist, daß die Einschwingzeit der
am gate wirksamen GleichsSs7lnung wesentlich kleiner als 0,5-msec ist.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
steuerbare Impedanz des Feldeffekttransistors zusammen mit einem Bestwiderstand
einen Regelspannungsteiler im Zuge des Verstärkers bildet.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Dynamikregelung mittels einer Gegenkopplungsschaltung im Zuge des Verstärkers
geschieht, bei der die steuerbare Impedanz des Feldeffekttransistors zusammen
mit
einem Festwiderstand den Gegenkopplungsgrad des Verstärkers steuert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Regelsteuerspannung von der Spitzenspannung der zu regelnden Wiederfrequenz
abhängig ist, und daß sie entweder durch Gleichrichtung direkt aus dieser gewonnen
wird oder daß ihre Spitzenspannung einen elektronischen Schalter aussteuert, der
die Regelsteuerspannung aus der Betriebsgleichspannung des Verstärkers entnimmt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß ihre Einschwingzeitkonstante kleiner als 5 msec ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Einschwneeitkonstante der Regelsteuerspannung gleichzeitig die EinschwlngzeitZonstante
der automatischen Dynamikregelung ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf eine automatische
Dynamikregulierung mit implitudenbegrenzung. Das Besondere ist dadurch gekennzeichnet,
daß. die Eingangsspannung, bei der die Amplitudenbegrenzung einsetzen soll durch
ein elektronisches Schwellwertglied, beispielsweise einen Schalttransistor, eine
Zenerdiode oder dergleichen bestimmt wird, und daß im Bedarfsfalle diese Eingangsamplitude
mittels einer Stellvorrichtung, beispielsweise Potentiometer, Schalter oder dergleichen
veränderbar ist.
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Die Biguren 1 - t sollen die Erfindung erläutern.
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Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Mit 1 ist eine Niederfrequenz-Eingangsspannungsquelle bezeichnet,
Sie liefert beispielsweise ein Mikrofon beliebiger Art. Es liefert die Eingangsspannung
UE mit einem
zu komprimierenden Dynamikumfang. Mit 2 ist ein Halbleiterverstärker
bezeichnet, der eine automatische Dynamikregelung nach dem Erfindungsvorschlag besitzt.
Der Ealbleiterverstärker besteht aus dem Eingangsverstärker 2.1 und dem husgangsverstärker
2.2. An seinem Ausgang liefert er die susgangsspannung UA. Ihr Dynamikumiang ist
in diesem Beispiel gegen--über dem Dynamikumfang der Eingangsspanaungsquelle 1 komprimiertO
Der Ausgang des Verstärkers 2.1 ist mit dem Eingang des Verstärkers 2o2 über das
Dynamikregelglied 2o3 verbunden. In diesem Beispiel besteht es aus dem Feldeffekttransistor
2.31. Seine drei Elektroden drain, source und gate sind mit D; S; G bezeichnet.
In die direkte Verbindung zwischen dem Ausgang des Verstärkers 2.1 und. dem Eingang
des Verstärkers 2o2 sind zur galvanischen Trennung und Anpassung der Schaltung des
Dynamikregelgliedes 2.3- der Kondensator 2o41, der Widerstand 2o42, der zusammen
mit dem nicht dargestellten Quellwiderstand des Ausgangs des, Verstärkers 2.1 den
nicht naher dargestellten Festwiderstand 2.420 bildet, der Kondensator 2.43 und
der Kondensator 2.44 eingeschaltet. Diese Teile sind nur als Beispiele dargestellt.
Sie können gegebenenfalls entfallen oder durch andere Schaltelemente ersetzt werden.
Der Widerstand 2.5 dient dazu,dem gate des J?eldeffekttransistors 2.31 im unbesprochenen
Zustande eine hohe negative Vorspannung zu geben, damit die Impedanz der drain-source-Strecke
sehr hochohmig wird. Die Widerstände 2.32 u0 2o33 sind hochohmige Widerstände gleichen
Betrages, von beispielsweise je 1 M#. Sie dienen dazu entsprechend dem dargestellten
Stande der Technik dem gate des Feldeffekttransistors, die halbe zwischen drain
und source stehende Wechselspannung zum verringern des Klirrfaktors zu geben. Die
symbolisierte Gleichspannungsquelle 2.3+ führt dem gate die Regelgleichspannung
zu. Sie bezieht bei einer Vorwärtsregelung die gleichzurichtende Wechselspannung
in bekannter-
Weise vom Ausgang des Verstärkers 2o1 und bei einer
Rückwärtsregelung vom Ausgang des Verstärkers 2.2. In beiden Fällen dient ein nicht
dargestellter Zusatzverstärker dazu, diese Niederfrequenzwechselspannung auf den
notwendigen Betrag zu bringen Sie wird mit einer bekannten Spitzengleichrichter-Anordaung
gleichgerichtet. Die Einschwing-Zeitkonstante dieser Anordnung liegt im Gebiet von
etwa 0,5 bis 5 msec. Dieses ist dann'die Gleichspannung der symbolisierten Gleichspannungsquelle
2.3o Ihre Entlade-Zeitkonstante ist für den Erfindungsvorschlag ohne Bedeu-.
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tung. Sie liegt in der Regel zwischen 100 msec und mehreren sec. Die
Regelgleichspannung ist in der mit + und - symbolisierten Weise gepolt und verringert
dadurch die Impedanz der drain-source-Strecke um den Faktor 10-3 bis 10-4, so daß
in Zusammenarbeit mit dem nicht dargestellten Bestwiderstand 2.420 eine sehr starke
Dynamikverringerung eintritt.
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Die bei dieser Dynamikkompression auftretenden nicht linearen Verzerrungen
liegen in Abhängigkeit des Regelhubes im Gebiet von etwa 1 % bei kleinem Regelhub
und 0,3 % bei großem RegelhubO Diese Klirrfaktoren lassen sich durch eine besondere
Ausführung der Regelschaltung noch wesentlich verringern.
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Die Bigur 2 zeigt daher ein Beispiel mit einer Prinzipanordnung die
es ermöglicht, die nicht linearen Verzerrungen noch erheblich herabzusetzen. Die
Bezeichnungen 1; 201; 2.2; 2.3; 2.31; 2.32; 2.33; 2.34. @@@@entsprechen im Grundprinzip
den Angaben zu Figur 1 Der Verstärker 2.2 besteht in diesem Aus-, führungsbeispiel
aus dem Eingangsverstärker 2.21 und dem Ausgangsverstärker 2.22o Der Ausgang des
Verstärkers 2.1 ist in diesem Beispiel direkt mit dem Eingang des Verstärkers 2.2
verbunden. Das Dynamikregelglied 2o3 ist in diesem Beispiel in den Gegenkopplungszweig
zwischen dem Verstärkerteil 2.22 und dem Verstärker 2o1 geschaltet. Es hat die Aufgabe
mit steigender Eingangsamplitude UE den Betrag der Gegenkopplung
zu
vergrößern, um durch die dadurch geringer werdende Verstärkung der von der Gegenkopplung
beeinflußten Teile der Verstärker 2.1 u. 2.2, die Dynamikkompression zu erreichen.
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Das setzt voraus, daß bei UE gleich Null die Regeigleichspannung der
symbolisch dargestellten Spannungsquelle 2.34 Null ist, und damit auch die Spannung
zwischen gate und source Null wird. Dadurch werden die Impedanz der drainsource-Strecke
des Feldeffekttransistors 2.31 und der Betrag der Gegenkopplung zwischen den Verstärkerteilen
2.1 und 2.2 sehr klein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel bezieht die symbolisch
dargestellte Gleichspnnnungsquelle 2.34 die gleichzurichtende Niederfrequenz bei
einer Vorwärtsregelung in bekannter Weise aus einem Punkt im Verstärker 2.1, der
nicht vom Gegenkopplungskreis beeinflußt wird. Im Balle der Rückwärtsregelung wird
diese Spannung an geeigneter Stelle aus dem Verstärker 2*2 entnommen. Mit steigender
Eingangsspannung UE liefert die Gleichspannungsquelle 2034 eine in der dargestellten
Weise gepolte Regelgleichspannung an das gate des Feldeffekttransistors 2051. Die
Impedanz des Feldeffekttransistors 2.31 und der Betrag der Gegenkopplung steigen,
so daß die Verstärkung der vom Gegenkopplungskreis beeinflußten Teile der Verstärker
2.1 uo 2.2 geringer wird, und die gewünschte Dynamikkompression eintritt. Die im
Dynamikregelglied 2.3 noch auftretenden nicht linearen Verzerrungen sind in diesem
Ausführungsbeispiel in den Gegenkopplungsweg der Verstärker mit einbezogen und werden
so automatisch mit steigendem Betrag der Gegenkopplung verringert. bei entsprechender
Dimensionierung ist es möglich den Höchstwert des Klirrfaktors, der durch das Regelglied
verursacht wird, in das Gebiet unterhalb 0,3 bis 0,5 °% zu verschieben.
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Bei. diesen dargestellten Beispielen des Grundprinzipes der Erfindung
wurde bewußt darauf verzichtet, nähere Angaben über das Erzeugen der Regelgleichspannung
zu m&ch£n,weil
dieser Punkt für das Prinzip der Erfindung keine
Bedeutung hat. Es ist üblich, in der beschriebenen Weise für eine Vorwartsregelllng
o.der eine Rückwärtsregelung aus dem Verstärkerzuge Niederfrequenz abzuzweigen,
sie gegebenenfalls noch weiter zu verstärken und dann einer Gleichrichteranordnung
zuzuführen0 Das setzt bei den sehr kleinen erforderlichen Einschwingzeitkonstanten
sehr hohe Aufladestromstöße voraus, die der Verstärker möglichst verzerrungsfrei
liefern können muß. Es kann daher vorteilhaft sein, besonders für Begrenzeranordnungen,
anstelle des Gleichrichtens der Niederfrequenz mit ihr einen elektronischen Schalter,
beispielsweise einen Schalttransistor, eine Zenerdiode oder dergleichen anzusteuern,
der im eingeschalteten Zustande einen sehr kleinen Durchlaßwiderstand hat. Dieser
elektronische Schalter entnimmt dann aus der Gleichstromversorgungsquelle des Halbleiterverstärkers,
beispielsweise einer Batterie den Aufladestrom für das Zeitkonstantenglied der Verstärkungsregelung.
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Die beschriebenen Beispiele der figuren 1 u. 2 zeigen Schaltprinzipien
für Dynamikregelschaltungen, die eine Kompression durcbführen sollen. Sinngemäß
ist es selbstverständlich auch möglich, mit der offenbarten Technik eine Expansionsschaltung
durchzuführen. Die Impedanzen der Feldeffekttransistoren 2.31 -müssen dann lediglich
entsprechend den Grundprinzipien der Figuren 1 uO 2 im entgegengesetzten Sinne gesteuert
werden.