DE2461815A1

DE2461815A1 - Schaltungsanordnung mit exponentiell steuerbarer uebertragungsgroesse

Info

Publication number: DE2461815A1
Application number: DE19742461815
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Ing Boehme
Original assignee: RFT MESSELEKTRONIK DRESDEN VEB
Current assignee: RFT MESSELEKTRONIK DRESDEN VEB
Priority date: 1974-04-01
Filing date: 1974-12-30
Publication date: 1975-10-09
Also published as: CS183071B1; GB1475205A; HU172269B; DD110726A1

Description

Dresden, den ZZP-Hi/Dom

Schaltun^sanordnung mit exponentiell steuerbarer Ubertragungsgröße

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit exponentiell steuerbarer Übertragungsgröße unter Verwendung "bipolarer Transistoren.

Von den verschiedenen Verfahren zur elektronischen Steuerung einer Übertragungsgröße, vorzugsweise von Dämpfung bzw. Verstärkung, sind diejenigen wegen ihres einfachen Aufbaues besonders bedeutsam, welche die exponentiell Charakteristik bipolarer Transistoren direkt ausnutzen.

Es sind Schaltungsanordnungen für die exponentiell Steuerung bekannt, mit deren Hilfe die technische Aufgabe in einem großen Dynamikbereich, temperaturunabhängig, frei von Gleichpotentialen und verzerrungsarm gelöst werden kann. Hierbei werden in der Grundanordnung zwei möglichst gleiche Transistoren über zwei nahezu gleiche Kollektorwiderstände mit dem Ausgang eines invertierenden Operationsverstärkers verbunden. Der Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden. Die Signalquelle speist die Basis des ersten Transistors, während die Basis des zweiten Transistors mit dem Bezugsknoten verbunden ist. Die Steuerquelle speist die Emitter beider Transistoren. Das Ausgangssignal wird am Kollektor des ersten Transistors vorzugsweise als Strom zum Bezugsknoten (Masse) entnommen. Die Haupteigenschaft des durch die Kollektorwiderstände und dem Operationsverstärker gebildeten Schaltungsteiles besteht darin, den vom zweiten Transistor gelieferten Kollektorstrom in gleicher Höhe dem ersten Transistor zuzuführen. Diese Eigenschaft der Stromspiegelung ist nicht an die angegebene schaltungstechnische Ausführung gebunden. Im folgenden soll

·" 2

509841/0557

deshalb verallgemeinernd der Begriff Stromspiegel verwendet werden. Kennzeichnende Eigenschaft eines Stromspiegels ist, daß ein an der Eingangsklemme zum Bezugsknoten ein- oder ausfließender Strom den gleichen ein- oder ausfliessenden Strom an der Ausgangsklemme zum Bezugsknoten zur Folge hat. Im Idealfall sind Eingangswiderstand und Ausgangsleitwert null» Ein mehrfacher Stromspiegel besitzt mehrere Ausgänge, alle Ströme sind untereinander gleich. Weiterhin ist ein Spannungsteiler für das Eingangssignal bekannt, welcher die Temperaturabhängigkeit der Anordnung kompensiert und eine Linearisierung der Kennlinie bewirkt. Dieser Spannungsteiler besteht aus zwei Widerständen, wobei der zweite, zwischen Basis des ersten Transistors und Bezugspunkt liegende Widerstand durch einen dritten Transistor ersetzt ist, dessen Basis und Kollektor mit der Basis des ersten Transistors verbunden sind und über einen Kollektorwiderstand an einer Referenzspannungsquelle liegen. Ein vierter, dem dritten nahezu gleicher Transistor liegt mit einem ebensolchen Kollektorwiderstand an der Referenzspannungsquelle und mit seiner Basis am 3ezugsknoten_o Die Emitter des dritten und vierten Transistors sind miteinander verbunden und liegen am Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers, dessen invertierender Eingang mit dem Kollektor des vierten Transistors verbunden ist. Ferner wird eine Anordnung zur Beseitigung des Gleichpotentials und des nichtlinearen Eingangswiderstandes sowie zur Skalierung der Steuerempfindlichkeit für die Steuerspannung angegeben. Diese Anordnung benötigt einen dritten Operationsverstärker.

Bei Anwendung aller dieser vorgeschlagenen Mittel kommt man zu Schaltungen mit mehreren Operationsverstärkern und damit zu einem erheblichen Gesamtaufwand. Dieser Aufwand steigt weiter anj wenn in einem elektronischen System mehrere synchron zu steuernde Übertragungsgrüßen erforderlich sind, wie z.B. in einem aktiven RC-Filter mit η variablen Widerständen. Dies würde demzufolge die η-fache Ausführung der Grundschaltung notwendig machen.

S09841/0557 " ³ "

Zweck der Erfindung ist es, im Falle der exponentiellen Steuerung den Aufwand an Operationsverstärkern zu senken.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von vereinfachten Schaltungsanordnungen zur exponentiellen Steuerung. Dabei sollen Gleichpotentiale an Ein- und Ausgang zulässig sein, wenn sie durch die Schaltungen von Quelle und Verbraucher bedingt sind oder wenn es nur auf die Übertragung von V/echselgrößen ankommt. Pur die synchrone Steuerung mehrerer Signale soll ein sparsamer Weg gefunden werden«.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Emitter eines ersten und eines dritten Transistors mit einer Steuerspannungsquelle und die Emitter eines zweiten und eines vierten Transistors mit dem Bezugsknoten verbunden sind. Die Basi3 des ersten Transistors ist mit der Basis und dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden und wird vom Signalstrom gespeist» Die Basis des dritten Transistors ist mit der Basis und dem Kollektor des vierten Transistors verbunden. Die Kollektorwiderstände des zweiten und vierten Transistors führen zu einer Referenzspannung. Der Kollektor des dritten Transistors ist mit dem Eingang und der Kollektor des ersten Transistors mit dem Ausgang eines Stromspiegels verbunden. Das Ausgangssignal wird vom Kollektor des ersten Transistors als Strom in eine ' Hilfsspannungsquelle oder in eine spannungsführende Verbraucherschaltung geleitet.

Auf diese Weise, die man als Potentialverschiebung charakterisieren kann, wird gegenüber dem Stand der Technik ein Operationsverstärker zur Speisung der Emitter des zweiten und vierten Transistors eingespart und es vereinfacht sich die Aufbereitung der Steuerspannung» Die Hilfsspannung kann z.Bo die Basis-Emitter-Spannung des Eingangstransistors der nachfolgenden Schaltung sein, womit die Kollektorspannung des ersten Transistors optimal festgelegt ist, Führt der Eingang der nachfolgenden Schaltung jedooh ein ungeeignetes Potential und kommt es nur auf die Übertragung von Wechselgrößen an, so wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,

60*9841/-055.7

daß die HilfsSpannungsquelle duroh eine Kapazität ersetzt ist und die Reihenfolge mit dem Ausgangsklemmenpaar vertauscht ist, so daß der Ausgang einseitig am Bezugsknoten liegt.

Bei einer η-fachen, synchronen Steuerung sind erfindungsgemäß nur der erste und zweite Transistor und der zugehörige Kollektorwiderstand η-fach ausgeführte Die dem ersten Transistor entsprechenden weiteren Transistoren sind kollektorseitig mit den Ausgängen eines η-fachen Stromspiegels verbunden. Der durch den ersten und zweiten Transistor dargestellte, η-fach ausgeführte Schaltungsteil wird durch η Signalströme gespeist und besitzt η Ausgänge. Auf diese Weise wird der Schaltungsteil mit dem dritten und vierten Transistor nur einmal und statt mehreren Stromspiegeln wird nur ein n-facher Stromspiegel benötigt. Der Stromspiegel ist erfindungsgemäß durch einer am Ausgang mit Widerständen beschalteten Operationsverstärker dargestellt. Ein Widerstand führt zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und die übrigen Widerstände zu den Ausgängen des Stromspiegels. Der invertierende Eingang ist mit dem Kollektor des dritten Transistors und der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem Kollektor des vierten Transistors verbundene Zur Aufbereitung der Steuerspannung ist vorgesehen, daß die an den Emittern des/der ersten und zweiten Transistors/ en angelegte Steuerspannung dem Ausgang eines Operationsverstärkers, durch Widerstände zwischen Ausgang und invertierendem Eingang sowie zwischen invertierendem Eingang und einer primären Steuerspannungsquelle beschaltet, entnommen wird, wobei vorzugsweise der ausgangsseitige Widerstand einen Widerstandsverlauf proportional zur absoluten Temperatur besitzt.

Eine weitere Variante zur Aufbereitung der Steuerspannung sieht vor, daß die an den Emittern des/der ersten und zweiten Transistors/en angelegte Steuerspannung dem Ausgang eines Impedanzwandlers, z.B_o einem Operationsverstärker

SÖ9841/0 557 " ⁵ *

in Elektrometerschaltung entnommen wird, wobei eine primäre Steuerspannungsquelle über einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen mit dem Eingang des Impedanzwandlers verbunden ist.

Die Erfindung soll nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Pig. 1: die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit exponentiell steuerbarer ÜbertragungsgröiSe,

Pig. 21 die Schaltung mit potentialunabhängiger Stromauskopplung,

Pig. 3: die Schaltung zur n-fach-Steuerung, Fig. 4: drei Ausführungsformen des Stromspiegels, Fig. 5s zwei Formen der Aufbereitung der Steuerspannung U

Die Referenzspannung U in Pig· 1 erzeugt über nahezu gleiche Kollektorwiderstände R- u^^ ^_qa gleiche Ströme durch die als Diode geschalteten zweiten und vierten Transistoren Tr 2 und Tr 4» die somit Flußspannungen entsprechend ihrer Kennlinie annehmen_o Bei Steuerspannung U gleich ITuIl ist somit die Basisspannung des ersten Transistors Tr 1 gleich der· Flußspannung des zweiten Transistors Tr 2 und die Basisapannung des dritten Transistors Tr 3 gleich der Flußspannung des vierten Transistors Tr 4ο Sind der erste und zweite Transistor Tr 1 und Tr 2 sowie der dritte und vierte Transistor Tr 3 und Tr. 4 kennliniengleich, so sind auch die Kollektorströme des ersten und dritten Transistors Tr 1 und Tr 3 gleich denen ihrer Diodenpartner· Dabei wird zunächst vorausgesetzt, daß der Signalstrom Ix gleich liull ist. Der vom dritten Transistor Tr 3 entwickelte Strom löst im Ausgang des Stromspiegels (Stropie) den gleichen Strom zum ersten Transistor Tr 1 aus, so daß kein Ausgangsstrom Iz zustande kommt. Läßt man jetzt eine positive Steuerspannung U zu, so vermindert sich die Basis-Emitter-Spannung des ersten und dritten Transistors Tr 1 und Tr entsprechend. Infolge der exponentiellen Abhängigkeit ist der Verlauf der Kollektorströme exponentiell absinkende

S09841/0557

Ebenso sinken die Steilheiten« Durch den Brückencharakter der Anordnung bleibt weiterhin der Ausgangsstrom Iz gleich Null. Der Signalstrom Ix wirkt im wesentlichen auf den zweiten Transistor Tr 2. Die Variation der Plußspannung folgt einer logarithmischen Abhängigkeit. Entsprechend der eingestellten Steilheit des ersten Transistors Tr 1 variiert der Kollektorstrom und zwar linear zum Signalstrom Ix, da sich logarithmische Kennlinien der Diode und exponentiell des Transistors aufheben. Die Differenz des Kollektorstromes des ersten Transistors Tr 1 mit dem Ausgangsstrom des Stromspiegels (Stropie) ergibt den Ausgangsstrom Iz. Zur Vermeidung parasitärer Effekte, wie Restströme der /Basis-Kollektor-Diode, Beeinflussung der Transistorsteilheiten und zur Begrenzung von Srwärmungseffekten, muß die Hilfsspannung Up gleich der Plußspannung der Transistor-Dioden sein. Die in Fig. 2 dargestellte Variante der Weiterleitung des Ausgangs signale s bei reinen Wechselgrö'ßen, die darin besteht, daß anstelle der HilfsSpannungsquelle Up eine Kapazität Ca vorgesehen ist und die Reihenfolge mit dem Ausgangsklemmenpaar vertauscht ist, so daß der Ausgang einseitig am Bezugsknoten liegt, läßt beliebige Verbraucherpotentiale zu. Sie kann durch einen eingangsseitigen Trennkondensator ergänzt werden.

Fig. 3 zeigt die Ausführung der Schaltung bei n-fach-Steuerung.

Figo 3a stellt die η-fach bereitzustellende Funktionseinheit und Fig. 3b die nur einmalig erforderliche Funktionseinheit dar. Ai, Bi und Gi kennzeichnen herzustellende Verbindungen, Der Mehraufwand pro Steuereinheit beschränkt sich im wesentlichen auf einen Doppeltransistor und den einem Ausgang des Stromspiegels (Stropie) zugeordneten Aufwand ·

Verschiedene Ausführungsformen des Stromspiegels (Stropie) sind in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4a verwendet einen Operationsverstärker OV 1 in einer bekannten Anordnung Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers OV 1 ist mit dem Kollektor des vierten Transistors Tr 4 zu verbinden.

509841/0557 -7-

Bi!""' "■/■'. ■■■■■·■ '

In schaltungstechnischer Hinsicht erweisen sich Widerstände mitunter als störend und es· ist vorteilhafter, zu den in Fig. 4b und 4c dargestellten Schaltungen mit Transistorstromquellen überzugehen. Die Emitterwiderstände Rg in Pig· 4b dienen der Kennlinienscherung und vermögen auf Kennlinienunterschiede ausgleichend einzuwirken. Das gleiche Prinzip kann auch in der Schaltung nach Pig. 4c, die sich insbesondere für umfangreiche Mehrfachsteuerungen eignet, angewandt werden.

Schließlich sind in Pig. 5 die Prinzipien der Aufbereitung der Steuerspannung U dargestellt. In Pig. 5a liegt der Variationsbereich der ursächlichen Steuerspannung UJ unter Null, in Pig«, 5b darüber. Eine nahezu vollkommene Temperaturkompensation der Gesamtschaltung ist erreicht, wenn der V/iderstand R₂ proportional zur absoluten Temperatur ist. Das wird von den meisten nichtferromagnetischen Metallen eingehalten. Bei der Schaltung nach Pig. 5b muß außerdem R^>>R₂ erfüllt sein» Diese Schaltungen zeigen, daß auch die Aufbereitung der Steuerspannung gegenüber dem aufgeführten Stand der Technik vereinfacht ist₀

- 8 S09Ö41/0557

Claims

- ■ 8 -

Patentansprüche;

Schaltungsanordnung mit exponentiell steuerbarer Übertragungsgröße unter Verwendung bipolarer Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter eines ersten und eines dritten Transistors (Tr 1; Tr 3) mit einer Steuerspannungsquelle (U ) und die Emitter eines zweiten und eines vierten Transistors (Tr 2; Tr 4) mit dem Bezugsknoten verbunden sind, daß die 3asis des ersten Transistors (Tr 1) mit der Basis und dem Kollektor des zweiten Transistors (Tr 2) verbunden ist und vom Signalstrom (Ix) gespeist wird, daß die Basis des dritten Transistors (Tr 3) mit Basis und Kollektor des vierten Transistors (Tr 4) verbunden ist, daß Kollektorwiderstände (FL₂? ^Rc4.) ^{des zwei-ten} ^a vierten Transistors (Tr 2; Tr 4) zu einer Referenzspannung (Ur) führen, daß der Kollektor des dritten Transistors (Tr 3) mit dem Eingang und der Kollektor des ersten Transistors (Tr 1) mit dem Ausgang eines Stromspiegels (Stropie) verbunden sind und daß das Ausgangssignal vom Kollektor des ersten Transistors (Tr 1) als Strom (Iz) in eine Hilfsspannungsquelle (Up) oder einer spannungsführenden Verbraucherschaltung geleitet wird»

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Hilfsspannungsquelle (Up) eine Kapazität (Ca) vorgesehen ist und die Reihenfolge mit dem Ausgangsklemmenpaar vertauscht ist, so daß der Ausgang einseitig am Bezugsknoten liegt.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei n-facher Steuerung der erste und zweite Transistor (Tr 1; Tr 2) und der zum zweiten Transistor (Tr 2) gehörige Kollektorwiderstand (R «) mehrfach ausgeführt ist, daß ein n-facher Stromspiegel (nfach-Stropie) angeordnet ist und die dem ersten Transistor (?r1) entsprechenden weiteren Transistoren (Tr 1i) kollektorseitig mit den Ausgängen des n-fachen Stromspiegels (n-fach-Stropie) verbunden Bind und der durch den ersten und zweiten Transistor (Tr 1; Tr 2) dargestellte, n-fach ausgeführte Schaltungsteil durch einen eigenen Signalstrom (Ixi) gespeist und mit einem eigenen

S09841/0557 "

Ausgang versehen ist.

4» Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegel (Stropie)durch einen am Ausgang mit widerständen beschälteten Operationsverstärker (OV 1) dargestellt ist, wobei ein Widerstand zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OV 1) und die übrigen Widerstände zu den Ausgängen des Stromspiegels (Stropie) führen, der Kollektor des dritten Transistors (Tr 3)mit dem invertierenden Eingang und der Kollektor des vierten Transistors (Tr 4) niit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OV 1) verbunden ist_e

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Emittern des/der ersten und zweiten Transistors/en (Tr 1/Tr 1i; Tr 2/Tr 2i) angelegte 3teuerspannung (U ) dem Ausgang eines Operationsverstärkers (OV 2), durch Widerstände (R 1; R 2) zwischen Ausgang und invertierendem Eingang sowie zwischen invertierendem Eingang und einer primären Steuerspannungsquelle (U') beschaltet, entnommen wird, wobei Vorzugsweise der ausgangsseitige Widerstand (R 2) einen Widerstandsverlauf proportional zur absoluten Temperatur besitzt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Emittern des/der ersten und zweiten Transistors/en (Tr 1/Tr 1i; Tr 2/Tr 2i) angelegte Steuerspannung (U) dem Ausgang eines Impedanzwandlers, z.B. einem Operationsverstärker (OV 3) in Elektrometerschaltung, entnommen wird, wobei eine primäre Steuerapannungsquelle (U') über einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen (R 1; R 2) mit dem Eingang des Impedanzwandlers verbunden ist.

509841/0557