DE2227117A1

DE2227117A1 - Elektrische schaltungsanordnung mit parallet- und reihenrueckkopplung

Info

Publication number: DE2227117A1
Application number: DE19722227117
Authority: DE
Inventors: Eric Wolfendale
Original assignee: REDAC SOFTWARE Ltd
Current assignee: REDAC SOFTWARE Ltd
Priority date: 1971-06-04
Filing date: 1972-06-03
Publication date: 1973-01-04
Also published as: GB1391783A

Description

eingegangen am.

■2,9.72-

Dr-an. Wilhelm Eeichel „„₁₁₇

Ksl-lag. Wüygang Reichel ILlI \\ I

B Ficmkiuri a. M. I
Parkstraße 13

P 22 27 117 6 31, August 1972

Redac Software Ltd. ReLi-Gu 7080

Elektrische Schaltungsanordnung mit Parallel- und Reihenrückkopplung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schaltungsanordnungen, beispielsweise selektive Verstärker und Oszillatoren, die aus Transistoren aufgebaut sein können.

Nach der Erfindung ist eine elektrische Schaltungsanordnung vorgesehen, enthaltend einen Signalübersetzer mit einer Eingangs- sowie Ausgangsschaltung und enthaltend Einrichtungen, die zwischen der Eingangs- und Ausgangsschaltung des Signalübersetzers kapazitive Parallel- und Reihenrückführzweige vorsehen, die derart ausgelegt sind, daß die von einem Rückführzweig hervorgerufene Phasenverschiebung durch die von einem anderen Rückführzweig hervorgerufene Phasenverschiebung ausgeglichen wird·

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ORIGINAL JNSPECTED

Nach dei" Erfindung ist eine Tranoistorsehaltungsanordnung vorgesehen, enthaltend einen mit einem Widerstand belasteten Transistor, eine im wesentlichen rein kapazitive Parallelrückführung und eine im wesentlich η rein kapazitive Reihenrückführung, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß die von den beiden Rückführungen hervorgerufenen Phasenverschiebungen die Neigung haben, sich auszugleichen.

Ausführungsbeispiele von nach der Erfindung ausgebildeten elektrischen Schaltungsanordnungen werden anhand von Figuren beschrieben.

Die Figur 1 zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die Figur 2 zeigt das der Schaltungsanordnung nach der Figur entsprechende Ersatzschaltbild, das zur Erläuterung der grundsätzlichen Arbeitsweise dient.

Die Figur 3 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Verstärkung von der Frequenz und dient zur Erläuterung der in der Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung.

Die Figur 4 ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der in der Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung.

Die Figur 5 zeigt das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels, das eine Abwandlung der in der Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist.

Die Schaltungsanordnung nach der Figur 1 ist nach Art eines Verstärkers aufgebaut und enthält einen NPN-Transistor 10 mit einem Verbraucherwiderstand 12 im Kollektorzweig, einem Eingangswiderstand 14 im Basiszweig, einem Kondensator 16, der eine Parallelrückführung vorsieht und einem Kondensator 18, der eine Reihenrückführung vorsieht. Ferner ist ein gestri-

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chelt eingezeichneter Widerstand 20 vorgesehen, der zum Einstellen des Gleichspannungsarbeitspunktes des Verstärkers dient.

In der Figur 2 sind Teile, die den in der Figur 1 dargestellten Bauelementen ähnlich sind, mit gleichem Beaugszeichen ver·» sehen. Der Wert des Eingangswiderstands l4 ist wesentlich größer als der Basiswiderstand des Transistors„ Weiterhin ist der Reaktanzwert des Kondensators 18 wesentlich größer als der Emitterwiderstand des Transistors,, Der Basis%'/iderstand und der Emitterwiderstand des Transistors sind daher in der Figur 2 nicht berücksichtigt.

Beim Betrieb" fließt durch den Kondensator 18 ein Strom 3I₁, der dort einen Spannungsabfall V hervorruft, der gegenüber dem Strom eine Phasenverschiebung von 90 aufweist. Der eingezeichnete Stromgenerator 22 stellt die Wirkung des Transistors dar und treibt einen Strom A*T zu einem Sohaltungspunkt 2k, von wo aus der größte Teil des Stroms als Verbraucherstrom I₁ durch den Belastungswiderstand 12 fließt und dort einen Spannungsabfall V. hervorruft» Ein kleinerer Strom I_ fließt durch den Kondensator 16 und weist gegenüber dem Strom I₁ eine Phasenverschiebung von 90 auf» Der Wert des Stroms I» ist eine Funktion der Frequenz und des Werts des Belastungswider= stands 12. Der Strom 3I„ ist wesentlich größer als der Basis-» strom I, , stellt jedoch nur einen Bruchteil des Stroms I dar«

Der durch den Kondensator 16 fließende Strom ][,. fließt auch durch den Eingangswiderstand lh und ruft dort an diesem Widerstand einen Spannungsabfall V hervor, der gegenüber der Spannung V eine Phasenverschiebung von 18O aufweist»

Bei der Betriebsfrequenz der Schaltungsanordnung gleichen sich die Spannungen V und V miteinander aus und die Ausgangsspannung V₁ ist somit gegenüber der Eingangsspannung V. um 180 phasenverschoben. Auf diese Weise gleichen sich die von den beiden kapazitiven Rückführungen hervorgerufenen Phasenver-

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Schiebungen bei der Betriebsfrequenz einander aus.

Bei der Analyse des in der Figur 2 dargestellten Ersatzschaltbildes wird angenommen, daß die Viderstandswerte der Widerstände 12 und 14 jeweils R Ohm betragen und der Kondensator 16 eine Kapazität von C2 Farad und der Kondensator 18 eine Kapazität von kC Farad hat.

Unter der Annahme, daß die Stromverstärkung des Transistors gleich oder größer als k ist, kann man den Basisstrom I, vernachlässigen. Hieraus folgt:

I_f . R β V_± - J . K . X · (I_r + I₁)

dabei ist X = 1/wC und K = 1/k. Ferner ist Φ* mit 1 angenommen. Weiterhin gilt:

₁ . R β I_f . (R + j . X)

Hieraus folgt:

I₁ . R R + j . X

Aus den Gleichungen ( 1) und (3) ergibt sich:

(R + j.χ) ^{= V}i

j.K.X.I..R R + j.X

Somit gilt:

j .K.X.R

R + j.X

_ V

¹ Wa.

" vT - VL^R

.X

R + j.X ^T

^r2 + j.K.X.R-K.X² * j.K.X.Rj

J-K.X 1 R + j.X]

R(R + j.X)

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_ R.(R + j.X)

R² - K.X² + j.2.K.X.R

_ R.(R + J.X). C(R²-K.X²) - j.2.K₀X.r1

(R² - K.X²)² + (2K.X.R)²

Dieser Ausdruck ist reell, wenn

j.X(R² - K.X.²) + J.2.K.X.R²

R² - K.X² - 2.K.R² = 0 (5)

_r2 R².(1 - 2K)

Wenn K^S 1, kann die Gleichung. (5) wie folgt geschrieben v/er« den:

X = R/ /~Κ = */~li..R
Somit gilt:

(6)

Dabei ist f die Arbeitsfrequenz der Schaltung. Aus der Gleichung (6) geht hervor, daß die Zeitkonstante, die benötigt wird, um bei einer vorgegebenen Frequenz f den Q«=Faktor zu erzeugen, (und damit den Wert des Kondensators 16), um dia Quadratwurzel aus dem Faktor k herabgesetzt ist₀

Die Arbeitsweise der Schaltung ist in der Figur 3 grafisch dargestellt. Die Kurve A zeigt die durch den Kondensator 16 hervorgerufene Verstärkungs-Frequenz-Kennlinie dar Schaltung. Wie man sieht, nimmt die Verstärkung mit wachscndsr Frequenz ab. Die Kurve D zoitft die durch dan Haihanrückführkondonsa-

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tor 18 hervorgerufene Verstärkungsfrequenzkennlinie. Wie mnn sieht, fällt die Verstärkung bei. d&n niederen Frequenzen ab. Der Punkt C, box dem sich die Karven A und B überschneiden, zeigt die wirksame Gesamtverstärkung der Schaltung. Wenn k mit der Stromverstärkung des Transistors gleich ist, tritt der Schnittpunkt C an der Stelle maximaler Verstärkungsänderung in Abhängigkeit von der Frequenz auf. Dies bedeutet, daß die Schaltung ein maximales Q hat. Aus der Gleichung (6) geht hervor, daß die erforderliche Zeitkonstante zum Erzeugen des Q-Faktors bei einer vorgegebenen Frequenz unter diesen Umständen (und damit der* Wert des Kondensators 16) um die Quadratwurzel aus der Stromverstärkung herabgesetzt ist.

In der Figur 4 ist ein verallgemeinertes Ersatzschaltbild der in der Figur 1 dargestellten Anordnung gezeigt. In der Figur k ist der Kondensator 18 durch einen Spannungsgenerator ersetzt, der mit der vorgeschriebenen Phase eine Spannung V erzeugt« Der Kondensator 16 ist durch einen Stromgenerator ersetzt, der mit der vorgeschriebenen Phase einen Strom I. erzeugt. Sowohl den Spamrangs- als auch den Stromgenerator kann man jetzt dadurch ableiten, daß ein Teil der Ausgangsspannung getrennten Verstärkern zugeführt wird, die derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie das Äquivalent des Stromgenerators und des Spannungsgenerator ergeben. Der Tranaistor 10 ist durch einen zusammengesetzten Verstärker dargestellt, der die Kennlinien eines Stromgenerators hat.

Bei der Schaltungsanordnung nach dar Figur 1 ist der Wert des Kondensators 18 visl größer (uns den Faktor k) als der Wert des Kondensators 16. In der Figur 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die derart abgewandelt ist, daß diese Differenz herabgesetzt wird. In den Figuren 1 und 5 sind ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Aus der Figur 5 gaht harvor, daß dar Transistor 10 durch einen zusammengesetzten Doppe.!transistor 1OA (zwecks Erhöhung

der Verstärkung) ersetzt ist und der Kondensator 18 nicht direkt mit dem Emitter des Doppeltransistors 1OA verbunden ist, sondern über den Basis-Emitter-Kreis eines weiteren zusammengesetzten Doppeltransistors 25 an den Emitter des Doppeltransistors 1OA angeschlossen ist. Darüber hinaus ist dem Kondensator 18 und dem damit in Reihe liegenden Basis-Emitter-Kreis des Doppeltransistors 25 ein Widerstand 26 parallel geschaltet. Ein gestrichelt eingezeichneter Widerstand 27 dient zum Einstellen der Gleichvorspannung.

Die Wirkung des zusätzlichen zusammengesetzten Doppeltransistors 25 besteht darin, den Wert des Kondensators 18 aus der Sicht des Doppeltransistors 1OA mit yö (die Stromverstärkung des Doppeltransistors 25) zu multiplizieren (unter der Annahme, daß der Widerstandswert des Widerstands 26 viel größer als X-i/a* ist, wobei X. die Reaktanz des Kondensators 18 darstellt). Man kann daher jetzt die Werte der Kondensatoren 16 und 18 gleich groß wählen, um für die Schaltung einen maximalen Q-Faktor zu erhalten. Die-Tatsache, daß die Werte der Kondensatoren 16 und 18 gleich sind, ermöglicht es, daß die Schaltungsanordnung nach der Figur 5 als sehr kleine integrierte Schaltung hergestellt werden kann, beispielsweise in Form eines einzigen integrierten Siliziumplättchens·

Das dargelegte Schaltungsprinzip ist nicht auf die gezeigten . Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann einen weiten Anwendungsbereich finden. Nach der erfindungsgemäßen Lehre ist es möglich, selektive Verstärker und Oszillatoren herzustellen, die bei äußerst niedriger Frequenz einen hohen Q-Faktor zeigen (abhängig von der Verstärkung des benutzten Transistors). Bei einer Ausführungsform der Erfindung wurde beispielsweise bei einer Frequenz mit einer Periode von 20 Minuten ein Q-Faktor von 6 erzielt.

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Claims

eingegangen am.. P 22 27 117.6 31. August 1972 Redac Software Limited ReLi/Gu-7080 Neue Patentansprüche

1. Elektrische Schaltungsanordnung mit einer signalverstärkenden Einrichtung mit einer Eingangs- und Ausgangsschaltung, dadurch gekennzeichnet» daß zwischen der Ausgangs- und Eingangsschaltung der signalverstärkenden Einrichtung (10, 10A) kapazitive Parallel- und Reihenrückkopplungszweige (16, 18) vorgesehen sind, die derart angeordnet und ausgebildet sind, daß die von einem Rück* kopplungszweig (16) hervorgerufene Phasenverschiebung durch die von dem anderen Rückkopplungszweig (18) hervorgerufene Phasenverschiebung ausgeglichen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die signalverstärkende Einrichtung einen Transistor (10) oder einen zusammengesetzten Doppeltransistor (10A) enthält.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Wert der Kapazität (18) in dem Reihenrückkopplungszweig gleich dem effektiven Wert der Kapazität (16) in dem Parallelrückkopplungszweig multipliziert mit der Stromverstärkung ( ο ) des Transistors (10, 10A) ist, wobei der Q-Faktor der Schaltung einen Maximalwert annimmt.

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eingegangen am

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Kapazitätswert des Reihenrückkopplungszweigs (18) gleich dem durch den Emitter-Basis-Zweig eines weiteren Transistors oder eines weiteren zusammengesetzten Doppeltransistars (25) gesehenen Wert ist, so daß der tatsächliche Wert dieser Kapazität um einen Faktor herabgesetzt ist, der im wesentlichen mit der Stromverstärkung (0) des weiteren Transistors (25) übereinstimmt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung als Verstärkerschaltung ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung als Oszillatorschaltung ausgebildet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung als integrierte Schaltung hergestellt ist.

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