DE2308835A1 - Signalregelschaltung - Google Patents

Description

HENKEL— KERN — FEILER — HÄNZEL— MÜLLER

DR PHIL. DIPL.-ING. DR. RER. NAT. DIPL.-ING. DIPL.-ING. Telex: es 29 802 HNKL D EDUAR D-SCH M ID - STRAS SE 2 bayerische Hypotheken- und

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MÖNCHEN D-8000 MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MCHN ,62147-.09

Sony Corporation Tokio, Japan

22 FEa 1973

MU/wb

Signalregelschaltung

Die Erfindung betrifft eine Signalregelschaltung, die sich insbesondere zur Auslegung als integrierte Schaltung eignet und/vSr allem als automatische Verstärkungsrege !schaltung (AGC) verwenden läßt.

Bei herkömmlichen,für die Auslegung in integrierter Schaltkreistechnik geeigneten AGC-Schaltkreisen wird gewöhnlich ein sogenannter Differentialverstärker mit zwei Transistoren verwendet. Die Emitter dieser Transistoren sind zusammengeschaltet und über einen Eingangstransistor an ein Bezugspotential gelegt. Der Basis des Eingangstransistors wird z.B. ein Eingangssignal zugeführt, während ein Steuersignal, z.B. ein AGC-Signal, einer der Basen der beiden Transistoren aufgeprägt wird. Eine Ausgangsklemme ist mit den Kollektoren der beiden Transistoren verbunden.

Mit einer AGC-Schaltung dieser Art jedoch läßt sich eine Stromverstärkung nicht linear steuern oder regeln, da das Verhältnis des EingangsStroms zum Ausgangsstrom infolge der

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Änderungen des Steuersignals nicht konstant gehalten wer den kann« Weiterhin ist der Aussteuer- oder Regelbereich infolge der zur Verfügung stehenden, begrenzten Betriebsspannung bzw. Arbeitskennlinienbereichs für die Transistoren schmal. Daraus ergeben sich ersichtlicherweise ins besondere bei in integrierter Technik aufgebauten Regel- Anordnungen erhebliche Nachteile.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine ver besserte Signalregelungschaltung und insbesondere eine AGC- Schaltung zu schaffen, die sich speziell für integrierte Schaltkreise eignet. Bei dieser AGC-Schaltung soll die AGC-Funktion in Abhängigkeit vom Regelsignal und vom Eingangssignal über einen weiten Bereich linear sein. Außerdem soll das Eingangs- und Ausgangs-Gleichstrompotential unabhängig von Schwankungen des Regelsignals auf konstantem Wert gehalten werden.

Die Erfindung sowie einige vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in den beigefügten Patentansprüchen definiert.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Signalregelschaltung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Signalregelschaltung mit vollständiger Stromversorgungsschaltung,

Fig. 3A bis 3C Kennlinien zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 und 5 Schaltbilder abgewandelter Ausführungsformen

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der Erfindung, bei denen der Gleichstromwert an der Ausgangsklemme durch Schwankungen des Regelsignals nicht beeinflußt wird,

Fig. 6 und 7 Schaltbilder weiter abgewandelter Ausführungsformen, bei denen der Oleichstromwert an der Eingangskletnme durch Änderungen des Regelsignals nicht beeinträchtigt wird, und

Fig. 8 eine noch weiter abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung.

Gemäß Fig. 1 ist eine Eingangssignalquelle 1 über einen Widerstand 2 an den Kollektor eines n-p-n-Transistors 3 angeschlossen, dessen Emitter mit einem Bezugspotentialpunkt (Masse) und dessen Basis mit dem Kollektor verbunden ist, so daß der Transistor 3 als Diode geschaltet ist, die eine konstante bzw« Bezugs-Vorspannung erzeugt· Bei dieser Schal· tung besitzt der Widerstand 2 vergleichsweise hohen Wert, so daß die Eingangssignalquelle 1 als Stromquelle betrachtet werden kann.

Der Kollektor des Transistors 3 ist zusätzlich über einen Widerstand 4 an die Basis eines Verstärker-Transistors 5 angekoppelt, dessen Kollektor wiederum einmal mit einer Signalausgangsklemme 8 und zum anderen über einen Vorlast- oder Arbeitswiderstand 6 mit einer an eine Stromquelle angeschlossenen Klemme 7 verbunden ist. Der Emitter dieses Transistors 5 liegt außerdem auf Bezugspotential·

Bei dieser grundsätzlichen Ausführungsform der Erfindung ist eine Steuerstromquelle 9 unmittelbar an eine Verzweigung zwischen dem Widerstand 4 und der Basis des Transistors 5 angeschlossen. Der Spannungsabfall über den Widerstand 4 wird durch Änderung des Stroms der Steuerstromquelle 9 gesteuert

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bzw. geregelt.

Die Signal regel schaltung gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt» Zunächst sei angenommen» der Steuerstrom der Steuerstromquelle 9» z.B. ein Signalstrom zur automatischen Verstärkungsregelung (im folgenden als AOC-Signalstrom lage bezeichnet), sei nahezu Null. Der über den Transistor 3 fließende Strom, nämlich ein Eingangssignalstrom I_1n, 1st dann im wesentlichen gleich dem über den Transistor 5 und seinen Vorlast-Widerstand 6 fließenden Strom, d.h. gleich dem Ausgangssignalstrom I_ou*.· Dies ergibt sich daraus, daß die Restspannungen über den Basis-Emitter-Strecken der beiden Transistoren 3 und 5# d.h. V^₆.. und V^₆O* nahezu gleich sind.

Wenn sich der Strom lage allmählich erhöht, bewirkt er einen Gleiohspannungsabfall über dem Widerstand 4, Infolgedessen wird die Baeis-Emitter-Spannung V^ des Transistors 3 größer als die entsprechende Spannung V. ₂ des Transistors 5. Entsprechend dieser geringeren Basis-Emitter-Spannung "Vbe2 nimmt auch der Ausgangssignalstrom I_QU*. ab, da der Gegenleitwert gm des Transistors 5 abnimmt. Da der durch die Transistorstufe 5 mit geerdetem Emitter erreichte Spannungsverstärkungsgrad dem Wert gm unmittelbar proportional ist, nimmt die Amplitude der am Kollektor des Transistors 5 erzeugten Signale ab.

Bei Vernachlässigung sehr kleiner Basisströme der Transistoren 3 und 5 läßt sich die Grundgleichung für den über den Transistor 3 fließenden Strom I_1n allgemein wie folgt ausdrUokenj

I_B) exp

309836/0915 "⁵ '

Darin bedeuten: k » Boltzmann-Konstante, T = Absoluttemperatur in Grad Kelvin, e = Ladung eines Elektrons

und I » Wechselstromkomponente des Eingangsstroms, s

Ig β Gleichstromkomponente des Eingangsstroms.

Auf ähnliche Weise ergibt sich die Grundgleichung für den über den Transistor 5 fließenden Strom I_Qut zu:

V <²>

Das Verhältnis zwischen der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 5 und der Basis-Emitter-Spannung V₁₀₆₂ ^des Transistors 5 wird durch die Gleichung

^Vbe2 ^{β V}be1 " ^{R I} AGC

^Vbe1 -^Vagc

bestimmt, in welcher R den Widerstandswert des Widerstands 4 bedeutet.

Bei Einfügung von Gleichung (3) in die Gleichung (2) ergibt sich:

<^Vbe1 - ^Vagc> <·>

Folglich 1st der durch die Signalsteuerschaltung gemäß Fig. 1 erreichte Stromverstärkungsgrad A₁ folgender:

i ¹

^Ai - T^ ^{β ex}P (- W Vage) (5)

^{1 1 1}^

In

Dies bedeutet praktisch, daß die Stromverstärkung A. durch Variation des AGC-Signalstroms, d.h. des Spannungsabfalls Vagc über dem Wideretand 4, über einen weiten Bereich ge-

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steuert werden kann.

Pig. 2 zeigt die vollständige AGC-Quelle 9, wobei den vorher beschriebenen Teilen entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind.

Gemäß Fig. 2 wird die Steuerstromquelle 9 hauptsächlich durch Transistoren 10 und 11 gebildet, so daß die Stromverstärkung Ai für die Variation einer Steuerspannungsquelle linear gesteuert wird. Genauer gesagt, ist bei der dargestellten Ausführungsform die Verbindung zwischen dem Widerstand 4 und der Basis des Transistors 5 mit dem Kollektor eines n-p-n-Transistors 10 verbunden, dessen Emitter am Bezugspotential liegt, während seine Basis einmal unmittelbar mit dem Kollektor des Transistors 11 und zum anderen über einen Widerstand 13 mit einer Steuerspannungsquelle 14 verbunden ist. Die Basis des Transistors 11 ist an seinen Kollektor angebunden und sein Emitter ist über einen Widerstand 12 auf Bezugspotential gelegt.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 arbeitet wie folgt: Wird der Widerstand 12 als weggelassen gedacht, so weist der über den Transistor 10 fließende Kollektorstrom, d.h. der AGC-Signalstrom lage, praktisch denselben Wert auf wie der Steuerstrom Io der aus dem Widerstand 13 und der Steuerspannungsquelle 14 bestehenden Konstantstromquelle. Dies beruht darauf, daß die Stromverstärkung des aus den Transistoren 10 und 11 gebildeten Verstärkers nahezu den Wert 1 erreicht. Infolgedessen ist die Kennlinie des Steuerstroms Ic in Abhängigkeit vom AGC-Signalstrom lage gemäß Fig. 3A eine Gerade 51. Tatsächlich jedoch liegt der Widerstand 12 Im Emitterstrompfad des Translators 11, so daß für den AGC-Signalstrom lage folgende Gleichung gilt:

lage - Ic exp (J^ R¹Ic) (6)

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in weloher R¹ den Widerstandswert des Widerstands 12 entspricht« In der Praxis ist deshalb die Kennlinie des Steuerstroms Ic in Abhängigkeit vom AGC-Signalstrom lage gemäß Fig. 3A eine gekrümmte Linie 52.

Wie erwähnt, wird andererseits die durch den AGC-Signalstrom gesteuerte Stromverstärkung Ai entsprechend der Gleichung (5) bestimmt· Die Kennlinie des AGC-Signalstroms in Abhängigkeit vom Stromverstärkungsgrad Ai 1st in Fig. 3B dargestellt.

Weiterhin wird die Gleichung für die Stromverstärkung Al in der Veretärkungsregelschaltung gemäß Fig. 2 durch Einsetzen von Gleichung (6) in Gleichung (5) wie folgt erhalten!

Ai - exp£- £jr RIc exp (⁶^ R'lef/ (7)

Oleichung (7) ergibt gemäß Fig. j5C eine Gerade. Folglich wird bei der AusfUhrungsform gemäß Fig. 2 die Stromverstärkung Ai bei Variation des Steuerstroms Ic bzw. der Steuerspannungsquelle 14 über einen weiten Bereich linear gesteuert oder geregelt* Selbst wenn sich bestimmte Parameter der Schaltung aus irgend einem Orund ändern, ist - wie in Flg. yc gestrichelt eingezeichnet - die Änderung der Kennlinie Ai/lc sehr gering«

Bei dieser Ausführungsform 1st zu beachten, daß der Widerstand 12 anstell· des Widerstands 11 an den Emitter des Transistors 10 angeschlossen sein kann.

Weiterhin kann bei dieser AusfUhrungsform ein über den Transistor 3 fließender Vorspannungs-Gleichstrom über einen weiteren Widerstand 2* durch die Steuerspannungsquelle 14 geliefert werden. Wenn der Steuerstrom Ic, d.h. eine Größe

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des Eingangssignals in der AGC-Schaltung, kleiner ist« kann dabei auch der Über den Transistor 3 fließende Strom reduziert werden· Infolgedessen ist das Rauschsignal, das proportional zu dem Über den Transistor 3 fließenden Strom erzeugt wird, klein, so daß das SignaltRauschen-Verhältnls der Transistorstufe bei geerdetem Emitter besser 1st.

Pig. 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Oleichstromwert an der Auegangsklemme 8 durch den Strom lage nicht beeinflußt wird.

Um dies zu erreichen, sind die zuvor in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Schaltungen um Transistoren 15, 16 und 17 erweitert worden. Der Emitter des Transistors 15 ist über den Widerstand 6 mit der Ausgangsklemme 8 verbunden, während der Kollektor an die Klemme der Spannungsquelle 7 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 15» mit welcher Widerstände 18 und 19 zur Erzeugung einer Vorspannung verbunden sind, liegt über den Transistor 16 an Masse. Der Transistor 17 ist als Diode geschaltet, wobei die Basis mit der AOC-Stromquelle 14 verbunden 1st. Bei einer Erhöhung der AOC-Spannung erhöht sich der Strom lage und nimmt auch der Spannungsabfall über den Widerstand 4 zu, so daß die Spannung Vbe2 reduziert wird. Da der Kollektorstrom lout abnimmt, kann das Qleiohspannungspotentlal an der Klemme 8 ansteigen. Bei der Schaltung gemäß Fig. 4 Jedoch nimmt auch der Kollektorstrom des Transistors 16 zu, und das Gleichspannungepotential an der Basis des Transistors 15 fällt ab« Dies bedeutet, daß sich die Vorspannung zwisohen Basis und Emitter des Transistors 15 verringert, so daß sich folglioh die Impedanz des Transistors 15 erhöht.

Dennoch kann dabei der nach unten tendierende Öleichwert an der Klemme 8 konstant gehalten werden. Dagegen kann bei

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einem Absinken der AGC-Spannung der Kollektorstrom des Transistors 5 erhöht werden. Die Impedanz des Transistors 15 wird jedoch verringert, so daß der Oleichstromwert an der Klemme 8 den gleichen Wert beibehält oder ansteigen kann.

Durch die neuartige Anordnung ergibt sich mithin eine AGC-Sohaltung, die durch Änderungen eines AQC-Signals selbst nicht beeinflußt wird« Diese Schaltungen eignen sich daher vorteilhaft als gleichstromgekoppelte Verstärker«

Pig· 5 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig« 4. Dabei ist der Transistor 15 zum Transistor 5 parallelgesohaltet und die Ausgangsklemme 8 1st mit beiden Kollektoren der Transistoren 5 und 15 verbunden. Arbeitsweise und Wirkung dieser Schaltung entsprechend weitgehend der Schaltung gemäß Fig, 4.

Fig. 6 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Oleichspannung am Kollektor des Transistors 3 konstant gehalten werden soll. Da der über den Transistor 3 fließende Strom dem Wert (Iin - lage) entspricht, ändert sich entsprechend der automatischen Verstärkungsregelung die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter. Zur Vermeidung dieses unerwünschten Effekts sind Transistoren 20 und 21 vorgesehen, von denen der Transistor 20 einen Kompensationsstrom Is zum Transistor 3 liefert, wodurch der über den Transistor 3 fließende Strom stets konstant gehalten wird, Der Transistor 21 beaufschlagt den Transistor 11 mit einem Steuerstrom. Dies bedeutet, daß der Strom Is bei einer Spannungserhöhung der AGC-Stromquelle 14 abnimmt. Andererseits verringert sich auch der Über den Transistor 21 fließende Strom. Es ist somit möglich, den reduzierten Strom Is entsprechend dem verringerten AOC-Strom einzustellen. Infolgedessen kann das Oleichstrompotential am Kollektor des Tran-

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sistors sehr konstant gehalten werden, ohne durch lage beeinflußt zu werden.

7 veranschaulicht eine noch weiter abgewandelte AusfUhrungsform, bei welcher ein Transistor 21 den Kompensationsstrom Is und den Steuerstrom gleichzeitig liefert. Hierdurch wird die Zahl der Transistoren verringert, während die anderen Wirkungen und Vorteile die gleichen sind wie bei der Schaltung gemäß Fig. 6.

Es sei noch ergänzt, daß bei den AusfUhrungsformen gemäß den Flg. 6 und 7 eier Transistor 22 als Impedanzwandler zur Umwandlung der Eingangssignalquelle in eine Stromquelle dient.

Fig· 8 schließlich zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Oleichstrompegel an der Ausgangsklemme 8 und am Kollektor des Transistors 3 unabhängig von Schwankungen des Stroms Iaog konstant gehalten werden sollen. Arbeitswelse und Wirkung dieser Ausführungsform entsprechend weltgehend denjenigen der Schaltungen gemäß Fig. 4 und 5 sowie Fig. 6 und 7.

Zusammenfassend wurde mit der Erfindung eine vorzugsweise für integrierte Sohaltkreistechnik ausgelegte Signalsteuerschaltung geschaffen, die einen Verstärker-Transistor aufweist, an dessen Basis eine Eingangssignalquelle über einen Widerstand angeschlossen ist. Ein Diodenelement, das eine Bezugs-Vorspannung für den Transistor liefert, ist mit der Signalquellenseite des Widerstands verbunden, während an seine am Verstärker-Transistor liegende Seite eine variable Stromquelle angeschlossen ist. Der Gegenleitwert des Transistors wird durch Regelung des Stroms der variablen Stromquelle variiert, wodurch der Stromverstärkungsgrad des Verstärkers linear über einen weiten Bereich Steuer- oder regelbar ist.

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Claims (1)

1. Sony Corporation /308835

   Tokio, Japan 2 2. FEE «78

   Patentansprüche

   Signalregelschaltung mit einer Eingangssignalquelle und einen Verstärker für das Eingangssignal, gekennzeichnet durch einen zvrisohen die Signalquelle (1) und den Verstärker (5, 6) eingeschalteten Widerstand (4), eine an die Signalquelle angesohlossene Sohaltungseinhelt (3) zur Erzeugung einer Bezugsspannung als im wesentlichen konstante Vorspannung für den Verstärker unabhängig vom Eingangssignal, und duroh eine zwischen dem Verstärker und dem Widerstand angekoppelte variable Steuerstromquelle (9), die den Verstärkungsgrad des Verstärkers entsprechend dem variablen Strom steuert«

   2« Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker im wesentlichen aus einem Transistor (5) besteht«

   3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daft die Sohaltungaelnhelt zur Erzeugung der BerugsSpannung •In Transistor (3) ist, dessen Basis und Kollektor zusammengesohaltet sind·

   4. Schaltung nach Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet, daB der Knitter des Transistors (3) auf Massepotential liegt·

   5. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, daduroh gekennzeichnet, dal die Ausgangeklemme (8) des Verstärkers (£) zur Konstanthaltung ihres Gtlelohwertpegels mit den Ausgang einer von der Steuerstromquelle (9) aus beaufschlagten Korrekturschaltung (15 - 19) verbunden 1st (Pig. 4 oder 5).

   6. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüohe, daduroh ge-

   309836/0915 ~

   kennzeichnet, daß das Potential am Ausgang der Schaltungeeinheit zur Erzeugung der Bezugsspannung durch eine von der -Steuerstromquelle (9) aus beaufschlagte Kompensationsschaltung (20, 21) zusätzlich stabilisierbar ist (Fig. 6 oder 7).

   7« Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal einer Steuerspannungsquelle (14) entnommen und über einen Trenn-Verstärker (10, 11) mit Verstärkungsgrad Eins dem Eingang des Verstärkers (5) zuführbar ist (Pig. 2).

   8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenn-Verstärker (10, 11) aus zwei in Kaskade geschalteten Transistoren (10, 11) besteht, von denen der der Steuerspannungsquelle (14) zugewandte Transistor (11) als Diode geschaltet ist und der kollektorseitig mit dem Eingang des Verstärkers (5) verbundene Transistor (10) emitterseitig auf Bezugspotential liegt·

   9· Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungekennlinie des Trennverstärkers (10, 11) so gewählt ist, daß eine Nichtlinearität in der Verstärkungskennlinie des Verstärkers (5) zu einer Geraden kompensierbar ist.

   10« Schaltung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die als Diode geschaltete Eingangsstufe (11) des Trennverstärkers emitterseitig über einen gegenkoppelnden Widerstand (12) auf Bezugspotential liegt, dessen Wert so bemessen ist, daß die in der Verstärkerkennlinie des Verstärkers auftretende Nichtlinearität kompensierbar ist.

   11. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des SignaltRauschverhältnisses der Ausgang der Steuerspannungsquelle (14) über den Widerstand (4) hinweg auf den Bezugspotentialpunkt gekoppelt ist (Fig. 2).

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