DE2246607A1

DE2246607A1 - Schaltungsanordnung zur vergroesserung der wirksamen kapazitaet eines kondensators

Info

Publication number: DE2246607A1
Application number: DE19722246607
Authority: DE
Inventors: Jiri Dr-Ing Dr Mastner
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1972-08-29
Filing date: 1972-09-22
Publication date: 1974-03-07
Also published as: CH548696A; GB1444924A; ATA598273A; AU5836473A; CA977045A; JPS4960849A; FR2198312B3; NL7311738A; US3916297A; FR2198312A1

Description

UM/12'. He.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Schaltungsanordnung zur Vergrösserung der wirksamen Kapazität eines Kondensators.

Zur definierten Verstimmung von Resonanzkreisen durch von aussen angelegte Abstimm-Gleichspannungen werden in der Hochfrequenz-Technik Kapazitätsdioden verwendet, die in einer breiten Auswahl von Kapazitätswerten von einigen Picofarad bis zu wenigen 100 pF erhältlich sind, (Elektronik 1970 Heft 8, S. 257 u. 258).

Zur Verstimmung von niederfrequenten Kreisen, bei denen die benötigten Abstinunkapazitäten um Grössenordnungen höher sein können, eignen sich Kapazitätsdioden nur in beschränkten Umfang. Notfalls können (als Ersatz für nicht vorhandene Kapazitätsdioden mit grossen Kapazitätswerten) normale Leistungs-

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oder Zener-Dioden verwendet werden. Deren Sperrschicht-Kapazität und die Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität von der angelegten Gleichspannung ist jedoch weder in den Datenblättern der Hersteller angegeben, noch kann der Hersteller die Einhaltung bestimmter Werte garantieren.

Häufig werden in elektrischen Schaltungen, z.B. Nf-Oszillatoren, abstimmbaren Filtern etc., veränderliche Kondensatoren grosser Kapazität bzw. mit grosser Kapazitätsvariation benötigt. Derartige Kondensatoren lassen sich jedoch nur bis zu bestimmten Kapazitätswerten mit vernünftigen Aufwand realisieren.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Mängel des Bekannten zu beheben und einen Weg aufzuzeigen, auf welche Weise die Kapazität üblicher Kondensatoren, seien es Kondensatoren mit festen oder veränderlichen Kapazitätswerten, vergrössert werden kann.

Der Erfindung liegt dabei folgende Ueberlegung zugrunde: Eine Kapazität in einem Stromkreis kennzeichnet sich durch die Phasenverschiebung von 90 zwischen Strom und Spannung und deren Verhältnis zueinander. In einer beliebigen Schaltung kann nun der durch einen Kondensator flieseenden Strom nur durch Vergrösserung der anliegenden Spannung erhöht

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BAD

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werden. Diesem Vorgehen sind jedoch insbesondere bei Kapazitätsdioden obere Grenzen gesetzt.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung zur Vergrösserung der wirksamen Kapazität eines Kondensators vorgeschlagen, dem Kondensator einen Stromverstärker mit hoher Ausgangs- und niedriger Eingangsimpedanz parallel zu schalten, wobei die wirksame Kapazität zwischen dem Ausgang und dem Bezugspunkt (Masse) des Stromverstärkers erscheint.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein erstes.prinzipielles Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Vergrösserung der wirsamen Kapazität eines Kondensators,

Fig. 2 ein praktisches Ausführungsbeispiel einer· derartigen Schaltungsanordnung,

Fig. 3 eine von der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung mit erweiterter Einstellmöglichkeit der Kapazitätswerte,

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Fig. U ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer monolithisch integrierbaren Schaltung.

Die Erfindung wird zunächst anhand des in Fig. 1 dargestellten Prinzip-Schaltbild erläutert. Der zu verstimmende Resonanz-

Z kreis besteht aus einer Spule 1 und einem Kondensator. Mit 3 ist eine Kapazitätsdiode mit relativ kleiner, zur gewünschten Verstimmung nicht ausreichender Kapazität bzw. Kapazitätsvariation bezeichnet. Die Klemmen U und 5 bilden die Signal-Anschlüsse der Schaltung. Zwischen der "heissen" Klemme U und der negativen Versorgungsspannung -U_n liegt eine Reihenschal-

tung, bestehend aus der Emitter-Kollektor-Strecke eines ersten Transistors 6, einem ersten Widerstand 7 und einer Stromquelle 11. Die Verbindungsleitung zwischen Widerstand 7 und Stromquelle 11 ist wechselspannungsmässig mittels eines Kondensators 12 geerdet. Zwischen der Kapazitätsdiode 3 und der negativen Versorgungsspannung -U_ß liegt die Emitter-Kollektorstrecke eines zweiten Transistors 8 und ein zweiter Widerstand 9. Die Basis des Transistors 6 ist mit dem Kollektor des Transistors 8 verbunden, dessen Basis die Abstimmspannung U. zugeführt wird. Eine Stromquelle 10 speist einen Strom i._Q in den Emitter des Transistors 8 ein und macht das Kollektorpotential'dieses Transistors unabhängig von der an der Basis anliegenden Ab*- stimmspannung U_. Hat diese Abstimmspannung einen konstanten

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. 2 2 U 6.6 O ?

Wert, so kann die Stromquelle 10 durch einen Widerstand ersetzt werden, z.B. dann, wenn an die Stelle der Kapazitätsdiode 3 ein (veränderlicher) Kondensator tritt.

Die Transistoren 6 und 8 bilden zusammen mit den Widerständen 7 und 9 sowie der Stromquelle 10 einen Stromverstärker mit hoher Ausgangs- und niedriger Eingangsimpedanz. Der Transistor 6 wird dabei in Emitterschaltung, der Transistor 8 in Basisschaltung betrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass ein derartiger Stromverstärker mit den üblicherweise als stromverstärker bezeichneten Emitter- oder Spannungsfolger-Schaltungen nichts gemeinsam hat, da bei letzteren stets umgekehrte ImpedanzVerhältnisse vorliegen: Emitter- oder Spannungsfolger haben hohe Eingangs- und niedrige Ausgangsimpedanz.

Es ist selbstverständlich, dass sich die Erfindung auch mit. umgekehrten Polaritäten bzw. Leitfähigkeitstypen der Transistoren realisieren lässt. Die Transistoren 6 und 8 sind dann durch solche umgekehrten Leitfähigkeitstyps zu ersetzen, die Kapazitätsdiode sowie die Polaritäten der Versorgungsspannungen umzupolen.

Auch können statt eines einzelnen Transistors 6 und/oder 8 Darlington-Paare oder Operationsverstärker eingesetzt werden. Im Falle des Ersetzens des Transistors 6 durch einen Operationsverstärker ist ein solcher mit Stromausgang zu verwenden.

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Bei einer über dem Resonanzkreis liegenden Wechselspannung U,„ flieest in den Emitter des Transistors 8 ein Strom

^{+ r}e8)

wobei C₃ die Kapazität der Kapazitätsdiode 3 und r „ den Emitter-Eingangswiderstand des Transistors 8 bedeuten.

Unter der Annahme, dass der Eingangswiderstand des Transistors 6 viel höher ist als der Widerstand 9 und der Transsistor 6 eine hohe Stromverstärkung aufweist - beide Bedingungen lassen sich z.B. durch jeweils ein Transistor-Paar in Darlington-Schaltung leicht realisieren - entsteht über dem Widerstand 9 eine Spannung

Bei genügend grossem Widerstand R₇ kann in der ersten Näherung h,, und h_?2 des Transistors 6 vernachlässigt werden. Es ergibt sich so ein Kollektorstrom i. des Transistors 6 von

(3) i_c = U,ZR, s(MZRj.pC,.R₀Z(PC₁.r_a+l) b If ρ Γ 9 9 Λ eo

Die Kollektor-Ausgangsimpedanz Z_g des Tranistors 6 beträgt

Damit verhält sich die Schaltung am Kollektor des Transitors (und damit auch an der Eingangsklemme U) wie eine Kapazität C₃.(Rg/'R₇) »it einem Widerstand von der Grosse r_eg.(R₇ZR₄) in Reihe.

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Die Kapazität C_ der Kapazitätsdiode 3 ist also um den Faktor (1 + Rq/FU) multipliziert, d.h, vergrössert, worden.

Für die Güte der äquivalenten Kapazität ergibt sich dann (5) Q = l/d)C₃r_e8)

wenn alle Phasenverschiebungen in dem Verstärker vernachlässigt werden können.

Da bei den tieferen Frequenzen, bei denen die Vorteile der Erfindung 'besonders zum Tragen kommen, die Reaktanz 4er Kapazitätsdiode 3 hoch ist und r _Q durch die Wahl des Stromes i_in in

eb ■ IU

der Gröseenordnung von einigen Ohm gehalten werden kann, ergibt sich dadurch ein Gütefaktor Q von mehreren 10 bis 100.

An der Basis des Transistors 8 kann mit Vorteil die Abstimm-Spannung U_ für die Kapazitätsdiode 3 zugeführt werden, wodurch sich eine harte Einspeisung, d.h. kleine Zeitkonstante, vernachlässigbarer Einfluss des Dioden-Reststromes, ergibt. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass dadurch eine zumindest teilweise Kompensation des Temperaturganges der Kapazitätsdiode 3 erzielt wird, da der Temperatur-Koeffizient der Diode positiv (steigende Kapazität mit wachsender Temperatur), der der Basis-Emitter- Spannung des Transistors 8 negativ ist, so dass bei steigender Temperatur die Gleichspannung über der Kapazitätsdiode 3 steigt und - bedingt durch deren positiven .

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Temperatur-Koeffizienten einer Kapazitätsänderung entgegenwirkt.

Die Abstimmempfindlichkeit (Verhältnis von Kapazitätsänderung

zu Abstimm-Spannungsänderung) der Schaltungsanordnung gemäss

sich

Fig. 1 lässt durch einen, dem Transistor vorgeschalteten Steuerspannungsverstärker (z.B. ein Operationsverstärker) 13 erhöhen. Dieser Verstärker kann gleichzeitig dazu dienen, die Arbeitsfrequenz des Resonanzkreises bei der Steuerspannung' Null auf einen gewünschten Wert festzulegen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten praktischen Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Kapazitätserhöhung wurde mit den dort aufgeführten Komponenten eine Vergrösserung der wirksamen Kapazität um den Faktor 50 erreicht. Die Kapazität der Kapazitätsdiode 3 (MV 2113) beträgt laut Datenblatt des Herstellers ca. 60 pF bei U_ = + 6 Volt. Durch die vorgeschlagene Schaltungsanordnung vergrösserte sich die wirksame Kapazität zwischen dem Ausgang des Stromverstärkers und Masse auf ca. 3 000 pF. Die Arbeitsfrequenz betrug dabei 50 kHz.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die Vergrösserung der Kapazität von Kapazitätsdioden. Ersetzt man in der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 die Kapazitätsdiode 3

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durch einen üblichen Drehkondensator, so lässt sich dessen Kapazität bzw,'dessen Kapazitatsvariatiönsbereich ebenfalls linear vergrössern. Die Basis des Transistors 8 kann dabei auf ein festes Potential, z.B. Massepotential, gelegt werden. Die erzielbare Aenderung ist dabei wiederum von dem Verhältnis Rq/R, bestimmt. Der verwendete Kondensator muss dabei isoliert sein.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung lässt sich überall dort mit Vorteil einsetzen, wo Drehkondensatoren (allgemeiner: mechanisch veränderbare Kondensatoren) aus wirtschaftlichen Gründen oder wegen Platzmangel nicht mehr verwendet werden können, z.B. bei abstimmbaren Nf-Filtern, Oszillatoren etc.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung bietet gegenüber den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen eine erweiterte Einstellmöglichkeit: Mittels der der Basis des Transistors 8 gegebenenfalls über den Operationsverstärker 13 zugeführten Abstimmspannung U_ wird der Arbeitspunkt und der (an sich) wirksame Kapazitätswert der Kapazitätsdiode 3 bestimmt. Durch Aenderung des Widerstandes 7 wird der Grad der Vergrösserung dieser Kapazität eingestellt. Letzteres ist wiederum auf zweierlei Arten möglich: Durch wechselspannungsmässiges Parallelschälten eines Widerstandes .oder Potentiometers 7' in Reihe mit einem Kondensator 12' zu dem Widerstand 7 oder dadurch dass wechselspannungsmäss parallel zu dem Widerstand 7 ein elektronisch steuerbarer Widerstand, z.B. ein

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Feldeffekt-Transistor 14, geschaltet wird, der beispielsweise von einem weiteren Verstärker 15 angesteuert ist (ebenfalls strichliert angedeutet).

Durch die weit fortgeschrittene Technologie der integrierten Schaltungen ist es möglich, eine Schaltungsanordnung gemäss den Figuren 1 und 3 als monolithisch integrierten Schaltkreis oder als Hybrid-Schaltkreis herzustellen.

In dem in Fig. 4 dargestellten AusfUhrungsbeispiel ist dies veranschaulicht. Dies entspricht weitgehend dem der Fig. 1, weist jedoch folgende Besonderheiten auf:

Die Verbindung vom Ausgang des Stromverstärkers zur Kapazitätsdiode 3 wird nicht intern bewerkstelligt, sondern beide Anschlüsse U und 4¹ sind nach aussen geführt. Dies hat den Vorteil, dass bei Verwendung der eingebauten Kapazitätsdiode lediglich die Verbindung zwischen den Anschlüssen t und H* hergestellt werden muss, während bei Anwendung der Schaltung auf einen Drehkondensator und dergl. dieser mit dem Anschluss 4 (Ausgang des Stromverstärkers) und dessen Eingang 16 (Emitter des Transistors 8) verbunden werden muss, wobei die eingebaute Kapazitätsdiode unbenutzt bleibt.

Auch sind die beiden Enden des Widerstandes 7 an die.beiden Anschlüsse 17 und 16 geführt, wodurch sich die Möglichkeit bietet,

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durch wechselspannungsmässiges Parallelschalten eines veränderlichen Widerstandes (vgl. Fig. J) den Faktor der Kapazitätsvergrösserung.einzustellen. Ausserdem dient der Anschluss 18 zum Hinzuschalten des notwendigen Kondensators 12.

In den Ausführungsbeispielen gemäss den Figuren 1,5 ^un(* ^ kann der Steuerspannungsverstärker IJ derart ausgelegt werden, dass die Charakteristik der Kapazitätsdiode in gewünschter Weise beeinflusst wird. Ueblicherweise besteht bei Kapazitätsdiode kein linearer Zusammenhang zwischen Abstimmspannung und Kapazität. Das gleiche gilt für den Zusammenhang zwischen Resonanzfrequenz (eines mit derartigen Dioden ausgerüsteten Schwingkreises) und Abstimmspannung. Mit den aus der Analogtechnik bekannten Schaltungsmassnahmen lässt sich nun die Charakteristik eines Operationsverstärkers (Eingangsspannungs-Ausgangsspannungs-Kennlinie) so wählen, dass zwischen der dem Steuerspannungsverstärker IJ zugeführten Abstimmspannung U und der daraus resultierenden Kapazitätsänderung ein linearer, exponentieller oder sonstiger Zusammenhang besteht.

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Claims

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Patentansprüche

1; Schaltungsanordnung zur Vergrösserung der wirksamen Kapazität eines Kondensators, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensator O) ein Stromverstärker (6,8) mit hoher Ausgangsund niedriger Eingangs impedanz parallelgeschaltet ist, wobei die wirksame Kapazität zwischen dem Ausgang (4) und dem Bezugspotential (5) des Stromverstärkers erscheint.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromverstärker aus mindestens einem ersten (6) und einem zweiten Verstärker-Dreipol (8) aufgebaut ist, von denen der zweite Verstärker-Dreipol (8) von dem durch den Kondensator O) fliessenden Strom durchflossen ist und der genannte erste Verstärker-Dr-eipol (6) von dem besagten Strom gesteuert ist.
j5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstärker-Dreipol in Emitterschaltung, der zweite Verstärker-Dreipol in Basisschaltung betrieben ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

. . und

dass der Kondensator O) eine Kapazitätsdiode ist.die Aljstirr.mspannung (U₌) für die Kapazitätsdiode dem Steueranschluss des zweiten Verstärker-Dreipols (8) zugeführt ist.

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5. Schaltungsanordnung-nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Abstimmempfindlichkeit und/oder zur Festlegung des Arbeitspunktes der Kapazitätsdiode (3) ein Steuerspannungsverstärker (13) vorgesehen ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Charakteristik der Kapazitätsdiode (3) ein Steuerspannungsverstärker (13) vorgesehen ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur linearen Vergrösserung der Kapazität der Stromverstärkungsfaktor des Stromverstärkers einstellbar ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Ende des Kondensators (3) mit dem den Ausgang des Stromverstärkers bildenden Kollektor eines ersten Transistors (6), dessen zweites Ende mit dem den Eingang des Stromverstärkers bildenden Emitter eines zweiten Transistors (8) und einer Stromquelle (10) verbunden sind, dass der Basisanschluss des ersten Transistors (6) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (8) und über einen ersten Widerstand (9)

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mit einer ersten Versorgungsspannung (-U_n) verbunden 1st,
dass der Emitter des ersten Transistors (6) über einen
zweiten Widerstand an eine zweite Versorgungsspannung oder
über den zweiten Widerstand und einer damit in Reihe liegenden zweiten Stromquelle (11) mit der genannten ersten Versorgungsspannung angeschlossen sind, wobei der genannte Ausgang dos
Stromverstärkers und das Bezugpotential (5) der Versorgungsspannung diejenigen Klemmen sind, zwischen denen die annähernd um den Faktor (1 + Rg/R ) multiplizierte Kapazität des Kondensators (3) erscheint, und R_Q den Widerstandswert des ersten und R-den Widerstandswert des zweiten Widerstandes bedeuten.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Widerstand veränderbar sind.
10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromverstärker in
integrierter oder hybrider. Schaltungstechnik ausgeführt ist.

Aktiengesellschaft
Brown, Boveri & Cie,

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