DE2411069B2 - Dynamisch vorgespannte Differentialverstärkeranordnung - Google Patents

Dynamisch vorgespannte Differentialverstärkeranordnung

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Description

Die Erfindung I ? ^ trifft eine dynamisch vorgespannte Differentialverstärkeranordnung mit einem Differentialverstärker, der ein Transistorpaar und einen Eingangssignalanschluß aufweist, der mit einem der beiden Transistoren des Differentialverstärkers verbunden ist, und mit einer Stromquelle für einen eingeprägten Strom.
Differentialverstärkeranordnungen dieser Art werden insbesondere in Codierern verwendet, die daher nachfolgend in erster Linie berücksichtigt werden.
Bei PCM-Nachrichteriübertragungsanlagen werden kontinuierliche Informationssignale wie etwa Spredtisignale durch eine Folge von EIN- und AUS-ImpuIstin dargestellt Die Umwandlung von analogen in digitale Signale erfolgt durch periodisches Abtasten, Quantisteren und Codieren der Amplitude jeder der Abtastproben in ein Binärcodewort Beim Quantisteren wird dcr genaue Pegel des zeitveränderlichen Eingangssignals durch einen aus einer Anzahl von diskreten Weiten, die Quantisierungspegel genannt werden, angenähert Die Differenz zwischen dem Augenblickswert des Eingangssignals und dem tatsächlich übertragenen Quantisii;-rungspegel wird Quantisierungsfehler genannt und verursacht die bekannte Quantisierungsverzerrung.
Die Quantisierungsverzerrung ist besonders unerwünscht und kann sehr oft nicht hingenommen werden, wenn die Amplitude des Eingangssignals klein ist, aber gewöhnlich unbedeutend, wenn die Amplitude des Eingangssignals groß ist Soll eine qualitativ höherwertige Übertragung erreicht werden, ist es deshalb wünschenswert, wesentlich mehr Abtastproben von den kleineren Amplituden des Eingangssignals und verhältnismäßig weniger Abtastproben von den größeren Amplituden des Eingangssignals zu nehmen. Die unerwünschten Auswirkungen eines Quantisierungsfelilers können also reduziert werden, wenn man die Quantisierungifehler im Bereich kleinerer Amplituden des Eingangssignals, wo eine Quantisieningsverzerrung schwer wiegen würde, um den Preis eines höheren Quantisierungsfehlers im Bereich größerer Amplituden, wo eine größere Verzerrung hingenommen werden kann, verringert
Weil die zu codierenden eingangsseitigen Analogsignale mit ihren positiven und negativen Anteilen normalerweise symmetrisch um die Null- oder Zeitachse liegen, kann der Quantisierungsvorgang noch genauer werden, wenn ein Teil des Eingangssignals
to ähnlich, wie das bei einem Doppelweggleichrichter geschieht, um die Nullachse umgeklappt wird. Ein solcher Doppelweggleichrichter klappt die negativen Halbwellen eines sinusförmigen Wechselstromeingangssignals um die Nullachse in die Lücken zwischen dta positiven Halbwellen nach oben. Die Vorteile liegen auf der Hand. Zum Beispiel kommt ein Codierer, der bei Signalspitzenwerten von +3 und —3 Volt 256 ungleiche Quantisierungspegel bildet, mit nur 128 Pegeln · (plus/ Polarität) aus, um ein Signal Ober einen Bereich von 3VoIt (0 bis +3VoIt) zu codieren, wenn er die negativen Teile des Eingangssignal» umklappt
Eine Schaltung zur Realisierung dieses Umklapp- und Codierungsverfahrens weist eine Vorspannungsschaltung als Konstantstromquelle für einen eingeprägten Strom, einen Differentialverstärker, einen Differentialschalter und ein angepaßtes, aus Widerständen aufgebautes Gewichtungsikäzwerk auf, die sämtlich in Reihe geschaltet sind. Das zu codierende Eingangssignal wird an den Differentialverstärker angelegt und das einem Komparator und einer logischen Schaltung zugeführte Ausgangssignal vom Gewichtsnetzwerk abgenommen. Das Gewichtungsnetzwerk kann ein Widerstands-Leiternetzwerk sein, das von der logischen Schaltung gesteuert wird, um Spannungsstufen oder Strombezugswerte zu bilden, mit denen die Signale für Codierungszwecke verglichen werden. Der Differentialschalter wird von einem Netzwerk betätigt das entsprechend der Polarität und Frequenz des Eingangssignals synchronisiert und nullgesetzt wird, toi die gewünschte Umklappwirkung zu erreichen. Weil der eingeprägte Strom durch das Gewichtungsnetzwerk, den Differentialschalter und Differentialverstärker konstant ist führen irgendwelche Veränderungungen der angepaßten Bauelemente, z.B. Widerstandsänderungen der angepaßten Widerstände des Codierungsnetzwerkes, zu einem Fehler im Umklappverfahren, der konstant ist (das heißt der konstante eingeprägte Strom multipliziert mit den Änderungen Δ R der Widerstände erzeugt eine Fehlerspannung Δ V). Dieser konstante Fehler ist für Eingangssignale größerer Amplituden unproblematisch, bei denen die Verzerrung toleriert werden kann. Er wiegt aber außerordentlich schwer, wenn die Eingangssignale kleinere Amplituden haben, wie das bereits zuvor in Verbindung mit dem Quantisierungsfehler diskutiert wurde.
Damit auch kleinere Eingangssignal-Amplituden codiert werden können, ist es erforderlich, daß der durch das Umklapp- und Codierungsverfahren eingeführte Fehler auf Spannungamplituden begrenzt wird, die wesentlich kleiner als die Amplitude des niedrigsten Quantisierungspegels sind. Beispielsweise ist für 256 ungleiche Quantisierungspegel ein Umklappgenauigkeitsgrad von 4000 zu 1 von Nöten. Dieser Genauigkeit steht hauptsächlich der durch die Widerstandsänderungen im Codierungs- und Vorspannungsnetzwerk entstehende konstante Codierfehler entgegen. Für 256 Quantisierungsstufen wäre eine Widerstandsgenauigkeit von 0,01% oder besser zu fordern, um die
gewünschte Codierungsgenauigkeit zu erreichen. Eine solche Genauigkeit ist beim derzeitigen Stande der Technik praktisch weder zu. erreichen noch aufrechtzuerhalten. Verwendet man derzeit erhältliche Bauelemente, dann besteht das Ergebnis darin, daß ungenau codiert wird, wodurch dann wiederum eine Signalverzerrung in den Nulldurchgängen und ein starkes Leerlaufrauschen entsteht
Die erfinduiigigemäße Aufgabe besteht darin, die Störempfindlichkeit der Differential verstärkeranord- ι ο nung gegen Bauteilabweichungen und Schwankungen im Betiieb im Bereich kleiner Signale ohne Einschränkung der Dynamik zu verringern, d. Il, es sollen auch große Signale verarbeitet werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus is von einer Differentialverstärkeranordnung der eingangs genannten Art und ist gekennzeichnet durch eine Schaltung zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms, deren Eingang mit dem EingangssignalanschluB der Differentialverstärkeranordnung und deren Ausgang mit der Koüekior-Enänerstrecke der Transistoren des Differentialverstärkers verbünden ist, um dem Differentialverstärker abhängig von Amplitudenänderungen des Eingangssignals einen zusätzlichen, veränderlichen Strom zuzuführen.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Schaltung zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms den zusätzlichen Strom gegensinnig zur Eingangssignalamplitude der Kollektor-Emitterstrecke der beiden Transistoren des Differentialverstärkers zuführt
Weil der eingeprägte oder Ruhestrom fiber den Hauptcodierungsweg also von der Amplitude des Eingangssignals abhängt und nicht entsprechend den zu erwartenden Amplitudenspitzenwerten des Eingangssi- J5 gnals im voraus festgelegt ist, sind der Spannungsabfall id Ä und die Basis-Leckströme in der Umklappschaltung zur Amplitude des Eingangssignals proportional. Der Fehler bleibt also für größere Eingangssignal-Amplituden, für die e< toleriert werden kann, ungefähr gleich dem Fehler, der bei Schaltungen mit konstantem Strom auftritt
Für kleinere Eingangssignal-Amplituden wird der Fehler aber merklich auf einen Wert reduziert, den man ohne weiteres tolerieren kann. Aufgrund des kleineren v> Fehlers für kleinere Eingangssignal-Ainplituden können Dünnschicht-Bauelemente ebensogut wie leicht im Handel erhältliche Bauelemente verwendet werden, ohne daß auf Signallinearität verzichtet werden muß.
Ein Ausführungsbeispiei der Erfindung wird nachtatgend anhand der Zeichnung genauer beschrieben.
In der Zeichnung sind sechs gestrichelt umrandete Einzelbaugruppen dargestellt, die als Grundnetzwerke zu verstehen sind Diese sechs Einzelbaugruppen sind: Längskompensationsschaltung, Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk, Differentialschalter, Differentialverstärker, Stromquelle für eingeprägten Strom und Schaltung zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms, nachfolgend auch kurz Stromsteuerschaltung genannt
Eine eingangsseitige Quelle 1 liefert das umzuklappende und zu codierende Eingangssignal über einen Kondensator 2 an den Eingang der Schaltung zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms (Stromsteuerschaltu.ig) an den Eingang des Differen- t>"> tialverstärkers. Das Eingangssignal liefert ferner direkt an der Treiberschaltung 3 M, die über ihre Ausgangsanschlüsse mit dem Differentialschalter verbunden ist Das in die Stromsteuerschaltung eingekoppelte Eingangssignal liegt dort an der Basis des Transistors 4. Der Kollektor des Transistors 4 ist über einen Widerstand 5 an eine Quelle mit positivem Potential angeschlossen. Der Emitter des Transistors 4 ist über einen Widerstand 7 mit einem Widerstand 8 und über den letzteren dann wiederum mit dem Emitter eines Transistors 9 verbunden. Die Widerstände 7 und 8 können den gleichen Wert haben. Die Basis des Transistors 9 liegt an Erde und sein Kollektor über einen Widerstand 10 an der Quelle mit positivem Potential Die Basis eines weiteren Transistors 11 in der Stromsteuerschalning ist mit dem Kollektor des Transistors 4 verbunden. Der Kollektor des Transistors 11 liegt direkt an der Quelle mit positivem Potential.
Ferner ist die Basis eines Transistors 12 mit dem Kollektor des Transistors 9 verbunden. Der Transistor 12 ist ebenfalls direkt an die Quelle mit positivem Potential angeschaltet, und zwar ober seinen Kollektoranschluß. Die Emitter der als Doppr'jveggleichrichter arbeitenden Transistoren 11 und 12 sind züsanunengeschaltet und über einen gemeinsamen Widerstand 13 an eine Quelle mit negativem Potential angeschlossen. Die beiden weiteren Transistoren 15 und 16 der Stromsteuerschaltung sind basisseitig zusammengeschaltet und mit dem gemeinsamen Emitteranschluß der Transistoren 11 und 12 verbunden. Dem Emitter des Transistors 15 ist ein Widerstand 17 und dem Emitter des Transistors 16 ein Widerstand 18 vorgeschaltet Diese beiden Widerstände sind dann ihrerseits zusammengeschaltet und liegen über einen weiteren Widerstand 19 der Längskompensationsschaltung an der Quelle mit positivem Potential. Die Basis und der Kollektor des in der Längskompensationsschaltung angeordneten Transistors 20 sind über den Widerstand 19 zusammengeführt Der Emitter des Transistors 20 ist mit dem Gewichts- und Codierungsnetzwerk verbunden.
Das Gewichtungsnetzwerk 21, dessen Funktion noch besprochen wird, ist mit dem Emitter des Transistors 20 der Längskompensationsschaltung verbunden. Der Emitter des Transistors 20 liegt femer über einen Widerstand 22 am negativen Eingangsanschluß eines Komparators 23. Das Ausgangssignal des Kcmparators 23 wird an die Treiberschaltung 3 angelegt, um das treibende Signal mit der Polarität des verglichenen und zu codierenden Signal zu synchronisieren. Die Quellenimpedanz des Gewichtungsnetzwerkes 21 wird durch einen Widerstand 25 dargestellt, der mit dem positiven Eingangsanschluß des Komparators 23 verbunden ist Am Ausgang des Komparators liegt neben der Treiberschaltung 3 eine logische Schaltung 26, die ausgangsseitig mit dem Gewichtungsnetzwerk 21 verbürgten ist, und von der das Ausgangssignal der Umklapp- und Codierungsschaltung abgeht
Der Differentialschalter weist 8 Transistoren auf, die paarweise in Darlington-Schaltung angsordnet sind. Demgemäß sind neben den Kollektoren etwa der beiden Transistoren 27 und 28 des Differentialverstärkers auch die Basis Jes Transistors 27 und der Emitter des Transistors 28 zusammengeschaltet Die Basis des Transistors 28 liegt ferner an der Treiberschaltung 3 und über eine Diode zur Erhöhung der Schaütyeschwindigkeit des Transistors 28 am Emitter desselben. Die Diode ist so gepolt, daß sie nur in Richtung auf die Basis leitet Die Diode 29 bildet aiwh einen Weg für Transistorleckströme, um zu verhindern, daß Ungenauigkeiten codiert werden, die auf diese Ströme zurückzuführen sind Die Transistoren 30 und 31 bilden ebenfalls eine Darlington-
Schaltung. Die Kollektoren der beiden Transistoren sind miteinander verbunden und liegen Ober einen Widerstand 22 am Gewichtungsnetzwerk. Außerdem ist die Basis des Transistors 30 wiederum an den Emitter des Transistors 31 angeschaltet Der Emitter des Transistors 30 ist mit dem Emitter des Transistors 27 verbunden. Ahnlich wie im Falle der Diode 29 ist eine Diode zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit und zum Ableiten von Leckströmen zwischen dem Emitter des Transistors 31 und seiner Basis vorgesehen. Die Basis des Transistors 31 ist mit dem anderen AusgangsanschluB der Treiberschaltung 3 verbunden.
Auch die beiden Transistoren 33 und 34 bilden eine Darlington-Schaltung. Die Basis des Transistors 33 liegt an der Basis des Transistors 31 und dem zweiten r, Ausgang der Treiberschaltung 3. Die Transistoren 33 und 34 sind kollektorseitig zusammengeschaltet, wie das auch für den Emitter des Transistors 33 und die Basis des Transistors 34 der Faii ist Die miteinander verbundenen Kollektoren der Transistoren 33 und 34 sind über einen Widerstand 25 mit dem Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk verbunden. Über dem Emitter und der Basis des Transistors 33 ist eine Diode 36 zum Erhöhen der Schaltgeschwindigkeit und zum Ableiten von Leckströmen angeordnet, die so gepolt ist, daß sie nur in _>-, Richtung auf den Basisanschluß des Transistors leitet. Sie erfüllt den gleichen Zweck wie die Diode 29. Der Emitter des Transistors 37 der vierten Darlington-Schaltung ist mit dem Emitter des Transistors 34 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 37 und 38 jo sind zusammengeschaltet und über den Widerstand 22 dem Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk verbunden. Der Emitter des Transistors 38 liegt gleichzeitig an der Basis des Transistors 37 und die Basis des Transistors 38 an einem Ausgangsanschluß der Treiber- ü schaltung 3 mit dem auch die Basis des Transistors 28 verbunden ist Ober dem Emitter und der Basis des Transistors 38 ist wiederum eine Diode 39 vorgesehen, die die Schaltgeschwindigkeit des Transistors erhöht Leckströme ableitet und nur in einer Richtung, nämlich vom Emitter zur Basis des Transistors 38 leitet
Der zum Differentialverstärker gehörende Transistor 40 ist kollektorseitig mit den zusammengeschalteten Emittern der Transistoren 27 und 30 und dem Kollektor des Transistors 16 verbunden. Die Basis des Transistors 40 liegt an Erde. Dem Emitter dieses Transistors ist ein Widerstand 41 vorgeschaltet Der Kollektor des zweiten Transistors 42 des Differentialverstärkers ist mit dem Kollektor des Transistors 15 und den zusammengeschalteten Emittern der Transistoren 34 und 37 verbundn. Die Basis des Transistors 42 liegt über einen Widerstand 50 an Erde. Sie ist ferner über einen Koppelkondensator 2 mit der Eingangssignalquelle 1 verbunden. Der Emitter des Transistors 42 liegt Ober einen Widerstand 43 zugleich am eben erwähnten Widerstand 41. Die Widerstände 41 und 43 können die gleichen Widerstandswerte haben.
Die Stromquelle für eingeprägten Strom umfaßt die beiden Transistoren 44 und 45. Sie hält einen konstanten Strom im Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 41 und 43 des Differentialverstärkers und im Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 7 und 8 der Stromsteuerschaltung aufrecht Der Kollektor des Transistors 44 ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 41 und 43 und der Kollektor des Transistors 45 an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen 7 und 8 angeschaltet Die Basis der beiden Transistoren 44 und 45 liegt über den Widerstand 46 an Erde und über den Widerstand 47 an einer Quelle mit negativem Potential. Ebenfalls mit dieser Quelle verbunden sind der Emitter des Transistors 45 über den Widerstand 48 und der Emitter des Transistors 44 über den Widerstand 49.
Ehe die Funktion jedes dieser Bauelemente detailliert geschildert wird, soll zunächst auf die Funktion der Baugruppen eingegangen werden. Die Treiberschaltung 3 betätigt den Differ6ntialschalter entsprechend der Polarität und der Frequenz des von der Signalquelle 1 gelieferten Eingangssignals. Der Differentialschalter übt eine Umkiappfuntkion aus, d h. er liefert an die beiden vorzeichenverschieden dargestellten Eingänge des Komparators 25 ungeachtet der Polarität des von der Signalquelle 1 abgegebenen Wechselstromsignals Eingangssignale einer einzigen Polarität Die Treiberschaltung wird mit dem Signal der Signalquelle 1 so synchronisiert, daß das Signal zum Betätigen des Differentiaischaiters nach Phase, Polarität und Frequenz gleich dem von der Signalquelle 1 abgegebenen Eingangssignal ist. Eine Schaltung für diesen Zweck, die z. B. aus Flipflops besteht welche mit der Polarität und Phase des zu codierenden Eingangssignals auf null gesetzt werden, kann vom Fachmann entworfen werden.
Der Differentialverstärker verstärkt das Eingangssignal. Die Wirkungsweise dieser Schaltung, die in der Zeichnung als unsymmetrische Schaltung dargestellt ist, ist bekannt Die Stromsteuerschaltung steuert den Kollektorstrom, der zu den beiden Differentialverstärkertransistoren fließt entsprechend der Amplitude des Eingangssignals in einer noch zu beschreibenden Weise. Die Stromquelle für eingeprägten Strom führt den Verbindungspunkten zwischen den Widerständen 7 und 8 und den Widerständen 41 und 43 konstante Ströme zu.
Die Längskompensationsschaltung gleicht große Spannungsunterschiede aus, die von Lengs- auf Querzweigspannungen übertragen werden können und dann einen Fehler am Eingang des Komparators 23 bewirken.
Das Codieren des analogen Eingangssignals geschieht durch Vergleichen von zum analogen Eingangssignal proportionalen Spannungen oder Strömen mit einer von vielen Bezugsspannungen und -strömen, die vom Gewichtsnetzwerk erzeugt werden. Die Vergleichsergebnisse werden dann der logischen Schaltung 26 zugeführt und dort zu ^inera Wort im PCM-Code zusammengestellt Das Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk ist bereits bekannt Näheres darüber entnehme man beispielsweise der Textstelle Seiten 583—W5 in »Transmission Systems für Communications«, 4. Auflage, verfaßt von Mitgliedern des technischen Stabes der Bell Telephon-Laboratorien. Im einzelnen wird der Strom durch die Widerstände 22 und 25 in Obereinstimmung mit der Amplitude des Eingangssignals verändert worauf später noch eingegangen wird. Die Änderungen der über diesen Widerständen abfallenden Spannungen werden vom Komparator 25 mit den Bezugsausgangsspannungen des Gewichtsnetzwerkes verglichen und an die logische Schaltung zum Codieren als PCM-Wort weitergegeben. Das Gewichtungsnetzwerk 21 kann irgendein Digital-Analogwandler sein, z.B. das aus Widerständen aufgebaute Leiter- und Schaltnetzwerk, das in Fig.25—13 auf Seite 584 der vorerwähnten Literaturstelle dargestellt ist Dieses Netzwerk erzeugt unter der Steuerung der logischen Schaltung 26 eine Reihe von Spannungen oder Strömen vorherbestimm-
ter Abstufung, bis die Spannung über dem Widerstand 22 größer als die Summe der Spannungen wird, die über dem Gewichtungsnetzwerk 21 und dem Widerstand 25 abfallen. Die logische Schaltung setzt dann das Gewichtungsnetzwerk zurück und erzeugt ein PCM-Wort als Ausgangssignal, woraufhin das Verfahren für die nächste Eingangsabtastprobe wiederholt wird.
Eh'.< die Schaltung genauer erläutert wird, ist es sinnvoll, kurz darauf einzugehen, warum der Differentialverstärker dynamisch vorgespannt werden muß. Eine Schaltung ohne dynamische Vorspannung würde die Transistoren 4, 9, 11, 12, 15 und 16 und die diesen Transistoren zugeordnete Beschallung nicht aufweisen. Auch würden der Transistor 45 und der Widerstand 48 der Stromquelle nicht erforderlich sein. Wenn man die Längskompensationsschaltung einen Moment außer acht läßt und annimmt, daß der Verbindungspunkt zwischen dem Gewichtungsnetzwerk 21 und dem
f τ luvi eiaiiu Λ* uiii»i\i an uu v/uviiw inn |/iraiu vein Vorspannungspotential liegt, dann würde die sich ergebende Schaltung das Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk, den Differentialschalter, den Differentialverstärker und die Stromquelle umfassen. Wenn nun kein Eingangssignal an dieser Schaltung ohne dynamische Vorspannung anliegt; würden symmetrische und gleiche Ströme von der Quelle mit positivem Potential (in der Zeichnung oben) über die beiden Stromzweige oder -pfade mit den Widerständen 22 und 25, die zusammen den Hauptcodierungspfad bilden, zur Quelle mit negativem Potential (in der Zeichnung unten) fließe i. Der linke Zweig dieses Hauptcodierungspfades würde das Gewichtungsnetzwerk 21, den Widerstand 25, die Transistoren 27 und 28, den Transistor 40, den Widerstand 41, den Kollektor-Emitterweg des Transistors 44 und den Widerstand 49 der Stromquelle bis hin zur Quelle mit negativem Potential einschließen. Der rechte Zweig dieses Hauptcodierungspfades umfaßt den Widerstand 22, die Transistoren 37 und 38, den Transistor 42, den Widerstand 43, den Kollektor-Emitterweg des Transistors 44 und den Widerstand 49 der Stromquelle bis zur Quelle mit negativer Vorpsannung. Wie bereits beschrieben, würde das Codieren in dieser modifizierten Schaltung ebenfalls durch Vergleichen der Spannungen und/oder Ströme des Gewichtungsnetzwerkes 21 und der Widerstände 22 und 25 erfolgen. Der eingeprägte Strom im Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 41 und 43 des Differentialverstärkers, der vom Transistor 44 der Stromquelle kommt, wird auf einem konstanten Wert gehalten.
In dieser Schaltung ohne dynamische Vorspannung ist deshalb die Summe der Ströme in jedem Stromzweig des Codierungspfades immer gleich dem eingeprägten, konstanten Strom, der vom Transistor 44 aufrechterhalten wird. Weil der Spannungsfehler bei dem Umklapp- und Codierungsverfahren betragsmäßig kleiner als die Spannung des niedrigsten Quantisierungspegels sein soll, muß die Änderung AR der Widerstände 22 und 25 im Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk begrenzt werden auf
IK =
Kleinstzulässiger Spannungsfehler
Eingeprägter Strom
Dabei wird der erforderliche Wert des eingeprägten Stromes durch den Strom bestimmt, der für Signalamplitudenspitzenwerte nötig ist, wenn im wesentlichen der gesamte Strom durch den einen oder anderen Stromzweig des Hauptcodierungspfades fließt Für die 256 Quantisierungspegel und ein Eingangssignal mit einem Amplitudenspitzenwert von 3 V würde das z. B. bedeuten, daß die Widerstände 22 und 25 Toleranzen von 0,012% oder besser haben müssen, um die
■-, Fehlerspannung IAR auf annehmbare Werte zu begrenzen. Ganz ähnlich müssen die Widerstände 41 und 43 des Differentialverstärkers so gewählt werden, daß die Veränderungen AR nur geringfügig sind. Des weiteren müssen die Transistoren 27,28,30,31,33,34,
ίο 37 und 38 des Differentialschalters so gewählt werden, daß ihr Basisstrom im wesentlichen den Wert Null hat, damit eine Ungleichheit dieser Ströme nicht auch die Ströme in jedem Zweig des Codierungspfades ungleich macht und dadurch ein Fehler entsteht. Widerstände mit
Ii Toleranzen von 0,012% und Transistoren mit Basis-Emitterleck- oder Verlustströmen vom Betrag Null sind jedoch beim gegenwärtigen Stand der Technik nicht verfügbar.
Die Funktion dei dynamischen Sirunmeuerschaiiung
2i) kann am besten dadurch erläutert werden, daß man zunächst annimmt, daß die Signalquelle 1 kein Eingangssignal liefert. Für diese Eingangssignalbedingung ist der Strom I\ durch den Kollektor-Emitterweg des Transistors 4 ungefähr gleich dem Strom k durch
2r, den Kollektor-Emitterweg des Transistors 9. Wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist, sind die Transistoren 4 und 9 wie ein Differentialverstärker mit einem unsymmetrischen Eingangssignal geschaltet Die Arbeitsweise einer solchen Schaltung ist bekannt. Der eingeprägte Strom /3 im Knotenpunkt zwischen den Widerständen 7 und 8 ist immer gleich der Summe der Ströme /1 und h und wird von dem Transistor 45 konstant gehalten. Die Widerstände 5 und 10 sind so gewählt, daß sie im wesentlichen gleich sind. Folglich ist
3s das Basispotential der beiden Transistoren 11 und 12 ungefähr gleich. Das Basispotential der beiden Transistoren 15 und 16, deren Basen zusammengeschaltet und mit den ebenfalls zusammengeführten Emittern der Transistoren 15 und 16 verbunden sind, ist genügend klein, um einen Strom durch diese Transistoren zu ermöglichen. In Abwesenheit eines Eingangssignals sind die Ströme U bzw. /5 etwas kleiner als die Ströme k bzw.
Die Transistoren 40 und 42 des Differentialverstär-
kers bilden eine unsymmetrische Differentialverstärkerschaltung. In Abwesenheit eines Eingangssignals von der Quelle 1 sind die Ströme /5 und /7 deshalb wie im Falle der Ströme /1 und h der Transistoren 4 und 9 gleich. Der Transistor 44 der Stromquelle hält den Strom h konstant, der der Summenstrom der Zweigströme h und /7 ist Der Wert des Stromes 1% wird, wie bereits in Verbindung mit der Umklapp- und Codierungssschaltung ohne dynamische Vorspannung erörtert wurde, entsprechend dem Strom gewählt, der für ein Eingangssignal der Queue 1 mit maximaler Amplitude zu fordern ist Ist also das Eingangssignal NuU, dann ist der Strom /9 im linken Zweig des Hauptcodierungspfades mit dem Gewichtungsnetzwerk 21 und dem Widerstand 25 gleich der Differenz der Ströme h und U und der Strom /10 im rechten Zweig des Hauptcodierungspfades mit dem Widerstand 22 gleich der Differenz der Ströme h und /5.
Wenn ein Eingangssignal mit maximaler Amplitude und positiver Polarität anliegt, dann wird der Transistor 4 der dynamischen Stromsteuerschaltung derart vorgespannt, daß er vollständig leitet, wodurch der Strom h beträchtlich anwächst Weil die Summe der Ströme im Knotenpunkt zwischen den Widerständen 7 und 8 gleich
dem Strom h sein muß, nimmt der Kollektor-Emitterstrom h des Transistors 9 entsprechend ab. Der angewachsene Strom /i bewirkt, daß das Basispotential des Transistors 11 abfällt. Das Absinken des Stromes I1 bewirkt, daß das Basispotential des Transistors 12 anwächst. An den Transistor 12 wird also eine Basis-Emittervorpannung angelegt, die diesen in den leitenden Zustaf.a versetzt. Das Emitterpotential des Transistors 11 steigt nun steil an, und zwar bis zum Basispotential des Transistors 12 minus dem kleinen in Spannungsabfall über der Basis-Emitterstrecke de» Transistors 12. Der Transistor 11 ist also jetzt gesperrt, und der Transistor 12 leitet. Der Strom fließt von der Quelle mit positivem Potential (in der Zeichnung oben) über den Kollektor-Emitterweg des Transistors 12 und r> den Widerstand 13 zur Quelle mit negativem Potential. Die zusammengeschalteten Basen der Transistoren 15 und 16 sind mit den ebenfalls zusammengeschalteten Emittern der Transistoren 11 und 12 verbunden, und das positivere Potential am Emitter des Transistors Ii! m bewirkt, daß die Ströme /4 bzw. /5 durch die Kollektor-Emitterwege der Transistoren 16 bzw. 15 abfallen. Für ein Eingangssignal mit maximaler Amplitude fallen also die Ströme U und /5 auf einen geringen Wert ab.
Das Eingangssignal mit maximaler Amplitude wird auch an die Basis des Transistor 42 angekoppelt und zwar über den Kondensator 2. Steigt das Basispotential des Transistors 42 in positiver Richtung, dann wächst auch der Kollektor-Emitterstrom /7 des Transistors, und jn der KoUektor-Emitterstrom 1% des Transistors 40 nimmt ab, wobei der Strom h im Knotenpunkt zwischen den Widerständen 41 und 43 konstant gehalten wird. Wie zuvor erläutert wurde, bewirkt ein positives Eingangssignal mit maximaler Amplitude, daß die Ströme /4 und r> /5 von der Stromsteuerschaltung auf einen kleinen Wert abfallen. Außerdem bewirkt ein positives Eingangssignal maximaler Amplitude, daß der Strom /7 ungefähr gleich dem Vorspannungsstrom /8 ist, der betragsmäßig so gewählt ist, daß er dem für Eingangssignale maximaler Amplitude geforderten Strom entspricht Der Strom /10 ist also ungefähr gleich dem Strom /7 und fließt von der Quelle mit positivem Potential über den Kollektor-Emitterweg des Transistors 20, den Widerstand 22 des Codierungs- und Gewichtungsnetzwerkes, die Transistoren 37 und 38 des Differentialschalters, den Kollektor-Emitterweg des Transistors 42, den Widerstand 43 des Differentialverstärkers, den Kollektor-Emitterweg des Transistors 44 und den Widerstand 49 zur Quelle mit negativem Potential. (Die Transistoren 37 >o und 38 des Differentialschalters werden von der Treiberschaltung 3 in den leitenden Zustand überführt, die, wie bereits erwähnt, mit dem Signal der Eingangssignalquelle 1 synchronisiert ist und auf Null gesetzt wird. Die Treiberschaltung 3 versucht ferner, die Transistoren 27 und 28 für den behandelten Fall, daß ein positives Eingangssignal vorliegt, leitend zu machen. Wie aber bereits erwähnt wurde, ist der Strom I9, der diese Transistoren durchfließt, für positive Signale maximaler Amplitude klein gegenüber dem Strom /10.) bo
Ein negatives Eingangssignal maximaler Amplitude, das von der Quelle 1 an die Basis des Transistors 4 der Schaltung zur Steuerung der dynamischen Vorspannung und den Transistor 42 des Differentialverstärkers angelegt wird, reduziert den Koüekior-Erniitersirorn b5 jedes dieser beiden Transistoren. Der Kc&ektor-Emitterstrom /1 des Transistors 4 sinkt also. Hingegen steigt der Kollektor-Emitterstrom h des Transistors 9 in dem Maße, wie dt;i Strom /1 absinkt. Weil die Summe der Ströme I\ und I1 gleich dem Strom I3 ist, der vom Transistor 45 konstant gehalten wird, bewirkt eine Abnahme des Stromes I\, daß das Basispotential des Transistors il ansteigt, daß er leitend wird. Wenn der Transistor U leitet, liegt am Emitter des Transistors 12 das Basispotential des Transistors U abzüglich einer kleinen Potentialdifferenz zwischen den Basis-Emitteranschlüssen des Transistors U an. Der Transistor 12 wird dadurch gesperrt. Das positive Emitterpotential des Transistors 11 liegt aber auch an den Basen der Transistoren 15 und 16 an, die deshalb weniger leiten und nur noch kleine Kollektor-Emitterströme /4 und /5 führen.
Das an die Basis des Transistors 42 angelegte negative Eingangssignal bewirkt, daß der KoUektor-Emitterstrom /7 dieses Transistors abfällt, weil der Strom h nur klein ist. Das gleiche gilt auch für den vom Hauptcodierungs- und Gewichtungsnetzwerk über den Hauptcodierungsweg zufließenden Strom /10. Deshalb fließt für den Fall, daß ein negatives Eingangssignal mit maximaler Amplitude anliegt, in der Umklapp- und Codierungsschaltung ein Strom von der Quelle mit positivem Potential (in der Zeichnung oben) über den Kollektor-Emitterweg des Transistors 20 der Längskompensationsschaltung, den Widerstand 22 des Gewichtungs- und Codierungsnetzwerkes, die Transistoren 30 und 31 des Differentialschalters, den Kollektor-Emitterweg des Transistors 40, den Widerstand 41 des Differentialverstärkers, den Kollektor-Emitterweg des Transistors 44 und den Widerstand 49 zur Quelle mit negativem Potential. (Die Transistoren 30 und 31 des Differentialschalters werden von der Treiberschaltung 3 entsprechend der Polarität des Eingangssignals in den leitenden Zustand überführt. Die Treiberschaltung versucht ferner, die Transistoren 33 und 34, leitend zu machen. Wie aber bereits erwähnt, ist der Strom /10, der diese Transistoren durchfließt klein. Der Differentialschalter sorgt also dafür, daß der Strom durch die Widerstände 22 und 25 und das Gewichtungsnetzwerk 21 des Gewichtungs- und Codierungsnetzwerkes ungeachtet der Polarität des Eingangssignals in einer Richtung fließt, d. h, die Polarität an den Eingangsanschlüssen des Komparators 23 ist immer dieselbe.
Sowohl für positive als auch für negative Eingangssignale maximaler Amplitude ergibt sich also, daß die Ströme durch die Zweige des Hauptcodierungspfades im wesentlichen dieselben wie bei Schaltungen sind, die nicht dynamisch vorgespannt werden. Weil die Eingangssignalamplituden groß sind, sind die durch Widerstandstoleranzen bewirkten und dem Strom proportionalen Fehler sowie die Transistor-Basisströme jedoch anteilsmäßig klein und belasten das Codierungsoder Quantisierungsverfahren nur mit einem sehr kleinen Fehler. Vorteile durch dynamisches Vorspannen ergeben sich deshalb erst für Eingangssignale mit Amplituden, die kleiner als die maximalen Amplituden sind und besonders für Signale mit verhältnismäßig kleinen Amplituden. Um das zu zeigen, wird angenommen, daß die Signalquelle 1 Eingangssignale relativ kleiner Amplitude liefert
Wenn ein positives Eingangssignal kleiner Amplitude anliegt, steigt der Kollektor-Emitterstrom /| des Transistors 4 und fällt der KoUektor-Emitterstrom /2 des Transistors 9. Das Anwachsen des Stromes i\ bewirkt, daß das Basispotential des Transistors 11 abfällt, und die Abnahme des Stromes h bewirkt, daß das Basispotential des Transistors 12 anwächst Das größere Basispotential
des Transistors 12 abzüglich der Potentialdifferenz an den Basis-Ef.iitteranschlüssen dieses Transistors wird an den Emitter des Transistors 11 angelegt, um dessen Leitfähigkeit zu begrenzen bzw. um ihn zu sperren. Obwohl der Gleichspannungspegel am Emitter des > Transistors 12 gegenüber dem Gleichspannungspegel des Eingangssignals fest ist, ist das am Emitter des Transistors 12 auftretende pulsierende Signal nichtsdestoweniger der Amplitude des Eingangssignals proportional. Also sind die Ströme h bzw. A durch die in Transistoren 15 bzw. 16 proportional zum Emitterpotential der Transistoren 11 und 12, das dann wiederum zur Eingangssignalamplitude proportional ist.
Das als Beispiel angeführte positive Eingangssignal kleiner Amplitude von der .Quelle 1 liegt auch an der ι -> Basis des Transistors 42 des Differentialverstärkers an, erhöht den Kollektor-Emitterstrom h dieses Transistors und vermindert proportional dazu den Kollektor-Emitterstrom k ties Transistors 42 des Differentialverstärkers. Der f '.olIektor-Emitterstrom h des Transistors :o 42 ist die Summe der Zweigströme /5 und /10, während der Kollektor-Emitterstrom h des Transistors 40 die Summe der Zweigströme /4 und /9 ist Weil der Strom /g vom Transistor 44 konstant gehalten wird, ist die Summe der Ströme h und /7 gleich dem Strom h. Es :> bringt nun verschiedene Vorteile mit sich, den in das Gewichtungs- und Codierungsnetzwerk fließenden Strömen /9 und /10 bei Signalen kleiner Amplitude die Ströme /4 und /5 zuzuführen. Zunächst müssen die Ströme /9 und /10 durch die Widerstände 22 und 25 jedes w Stromzweiges des Gewichtungs- und Codierungsnetzwerkes zusammen nicht gleich dem konstanten Strom /8 zu sein, der für Signale maximaler Amplitude gewählt werden muß. Statt dessen sind die Ströme /9 und /10 nur zum Augenblickswert des Eingangssignals und zu den r> Bezugssignalen des Gewichtungsnetzwerkes proportional. Deshalb steht der auf die Widerstände 22 und 25 zurückzuführende Fehler IAR im selben relativen Verhältnis zu einer kleinen Eingangssignalamplitude wie zu einer großen. Weil das Verhältnis der Fehler relativ zu den Eingangssignalamplituden immer dasselbe bleibt, sind die Fehler für sämtliche Eingangssignalamplituden tragbar, und zwar im Gegensatz zu einer Umklapp- und Codierungsschaltung ohne dynamisch vorgespannten Differentialverstärker, bei der die Fehler 4 -, nur tragbar sind, wenn die Amplitude des anliegenden Eingangssignals groß ist Die Widerstände 22 und 25 der Umklapp- und Codierungsschaltung brauchen deshalb nur Toleranzen handelsüblicher Bauelemente aufzuweisen und können unter Verwendung von Dünnschicht- >o verfahren hergestellt werden. Ein zweiter Vorzug der vorgeschlagenen Anordnung mit dynamischer Vorspannung besteht darin, da3, weil die Ströme /9 und /10 proportional zum Eingangssignal sind, die Basisströme der Differentialschaltertransistoren proportional klei- 5> ner werden, wodurch gleichfalls dazu beigetrager wird, daß dieser Fehler auf akzeptable Werte sinkt Ein dritter und vielleicht der wichtigste Vorzug der dynamisch vorgespannten Anordnung ist darin zu sehen, daß es möglich ist, durch Zuführen der Ströme zu den bo Kollektoren der Differentialverstärkertransistoren die Verstärkung derselben relativ konstant zu halten.
Ein negatives Eingangssignal mit einer Amplitude, die kleiner als die maximale Amplitude ist, wird in derselben Weise wie in positives Eingangssignal, umgeklappt und bs codiert Für ein negatives Eingangssignal nimmt der Strom I\ ab, und der Strom /2 steigt proportial dazu an. Der Transistor 11 wird dabei so vorgespannt, daß er leitet und den Transistor 12 sperrt Die Kollektor-Emitterströme /4 und /5 der Transistoren 15 und 16 sind dann proportional zur Eingangssignalamplitude. Der Kollektor-Emitterstrom /7 des Transistors 42 des Differentialverstärkers wird kleiner, und der kollektor-Emitterstrom k des Transistors 40 steigt an. Der Strom k ist der Summenstrom der beiden Zweigströme /4 und /9. Die Ströme /4, /5, /& /7, b und /10 sind alle proportional zur Eingangssignalamplitude. Jeder der bereits für positive Eingangssignale beschriebenen Vorteile läßt sich also auch erzielen, wenn ein negatives Eingangssignal anliegt.
Die Längskompensationsschaltung gleicht den Einfloß großer Spannungsänderungen aus, die zu einer Umwandlung von Gleichtakt- in Gegentakt-Spannungen führen und dadurch einen Fehler am Eingang des Komparators 23 bewirken können. V/enn man z. B.
annimmt, daß die Quelle 1 ein großes positives oder negatives Eingangssignal abgibt, dann wächst, wie bereits erläutert wurde, entweder der Strom /9 oder /10 durch das Codierungs- und Gewichtungsnetzwerk schnell und stark an. Dieser stark anwachsende und der Quelle mit positivem Potential entnommene Strom durchfließt den Kollektor-Emitterweg des Transistors 20 der Längskompensationsschaltung. Wie bereits erläutert, sinken die Ströme /4 und /5 durch die Transistoren 15 und 16 der dynamischen Stromsteuerschaltung im Falle eines Eingangssignals mit maximaler Amplitide auf einen geringfügigen Wert ab. Folglich nimint luch der Strom durch den Widerstand 19 der Längskompensationsschaltung so weit ab, daß er vernachlässigbar ist, und macht das Basispotential des Transistors 20 positiver. Das positivere Basispotential des Transistors 20 erzwingt eine Erhöhung des Emitterpotentials des bezeichneten Transistors und will die Längsspannung aufheben, die durch das Anwachsen der über den Widerständen 22 und 25 abfallenden Spannung zustande kam, und zwar verursacht durch eine Zunahme der Ströme /9 oder /10. Folglich steigt die Spannung in dem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen dem Emitter des Transistors 20, dem Gewichtungsnetzwerk 21 und dem Widerstand 22 betragsmäßig so weit an, daß sie jetzt dichter am Potential der Queii>j mit positivem Potenf ial liegt als das vor Anlegen des großen Eingangssignals der Fall war. Die abrupte Änderung des Spannungsabfalles entweder über dem Widerstand 22 oder dem Widerstand 25, die auf den durch den angewachsenen Strom ausgelösten Stromstoß zurückzuführen ist, welch letzterer wieder dadurch bewirkt wird, daß ein Eingangssignal mit großer Amplitude anliegt, wird also durch den Potentialanstieg in dem zuvor erwähnten Knotenpunkt ausgeglichen. Die mittlere Spannung in diesem Knotenpunkt bleibt also relativ konstant und der im Komparator 23 vorgenommene Vergleich der Spannungen bzw. Ströme über dem bzw. durch das Gewichtungsnetzwerk 21, dem Widerstand 22 und den Widerstand 25 ist allein in Bezug darauf erforderlich, wie sich der Strom in dem einen oder dem anderen der beiden Stromzweige des Hauptcodierungspfades ändert
Eine Gleichtakt-Gegentaktspannungsumwandlung und der damit verbundene Fehler wird dadurch im wesentlichen vermieden.
Obwohl die dynamische Stromsteuerschaltung mit einem unsymmetrischen Differentiaiverstärker arbeitet, könnte auch ein symmetrischer Differentialverstärker verwendet werden, indem die Basis des Transistors 9 an die zweite Signalquelle angekoppelt wird, deren Signal
als Eingangssigna) an der Basis des Transistors 40 des Differentialverstärkers anliegt Obwohl ferner der Differentialverstärker und die dynamische Stromsteuerschaltung im Rahmen einer Umklapp- und Codierungsschaltung dargestellt sind, könnte sie ebenso gut überall 3 dort verwendet werden, wo dynamisch vorgespannt werden solL
Hierzu 1 Blati Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Dynamisch vorgespannte Differentialverstärkeranordnung mit einem Differentialverstärker, der ein Transistorpaar und einen Eingangssignal; inschluB aufweist, der mit einem der beiden Transistoren des Differentialverstärkers verbunden ist, und mit einer Stromquelle für einen eingeprägten Strom, gekennzeichnet durch eine Schaltung(5„4, 7—13, 15—18) zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms, deren Eingang mit dem Eingangssignalanschluß der Differentialverstärkeranordnung und deren Ausgang mit der Kollektor-Emitterstrecke der Transistoren (40, 42) des Differentialverstärkers verbunden ist, um dem Differentialverstärker abhängig von Amplitudeniinderungen des Eingangssignals einen zusätzlichen, veränderlichen StTOm(U,/5) zuzuführen.
2. Differe*tia!verstärkeranordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zum dynamischen Steuern des Differentialverstärkerstroms (4,5,7 -13,15 -18) den zusätzlichen Strom gegensinnig zur Eingangssignalamplitude der Kollektor-Emitterstrecke der beiden Transistoren (40,42) des Differentialverstärkers zuführt
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