DE2501288A1

DE2501288A1 - Anordnung zum verstaerken elektrischer signale

Info

Publication number: DE2501288A1
Application number: DE19752501288
Authority: DE
Inventors: Michael Peter Albinson; Peter James Walker
Original assignee: Acoustical Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Acoustical Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1974-01-17
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1975-07-24
Also published as: DE2501288B2; JPS50108858A; US3970953A; GB1499980A; JPS5816365B2

Description

Ρσίβηίση-wölie

Dr.-Ing. V/ilheim Reichel ipl-I;!?. Wölbung JReicliel

B Frankiuri a. M. 1
Parkairciße 13

8099

THE ACOUSTICAL MANUFACTURING COMPANY LIMITED, London,

England

Anordnung zum Verstärken elektrischer Signale

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Verstärken elektrischer Signale und befaßt sich insbesondere mit Tonfrequenz- oder Niederfrequenzverstärkern·

Es ist bekannt, für die. Leistungsausgangsstufe
Tonfrequenzverstärker der Klasse B zu verwenden. Für solche B-Schaltungen werden manchmal Transistoren mit einander angepaßten, jedoch komplementären Kennwerten benutzt· Wenn man Transistoren mit angepaßten, gleichen Kennwerten verwendet, kann man für die erforderliche Polaritätsumkehr quasikomplementäre Schaltungen heranziehen. Bei all
diesen Schaltungsanordnungen tritt das Problem der Anpassung der Kennwerte in den beiden Hälften der Ausgangsstufe

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auf. Eine solche Anpassung ist nämlich zum Erzielen einer linearen Übertragungscharakteristik erforderlich, und zwar insbesondere in dem sogenannten Überschneidungsbereich. Zur Anpassung ist nicht nur eine genaue Einstellung der Vorspannungen erforderlich, sondern es werden auch aufwendige Mittel benötigt, um Vorspannungsänderungen infolge von thermischen Wirkungen innerhalb der Transistoren zu kompensieren*

Die vorteilhaften Auswirkungen einer negativen Rückführung zum Herabsetzen von Verzerrungen sind begrenzt, und als Alternative oder zusätzlich zur negativen Rückführung wurden bereits verschiedenartige Vorschläge gemacht. Diese Vorschläge sind in einem Aufsatz mit dem Titel "Reducing Amplifier Distortion", Wireless World, Seiten 367 bis 371, Oktober 1974, zusammengetragen.

Aufgabe der Erfindung ist es, zum Verstärken von elektrischen Signalen eine Verstärkeranordnung zu schaffen, die trotz eines vereinfachten Schaltungsaufbaus eine im wesentlichen vollständig verzerrungsfreie Verstärkung sicherstellt.

Weiterhin soll es bei der zu schaffenden Verstärkeranordnung vermieden werden, daß für eine mit einem hochbelastbaren Transistorpaar ausgerüstete Ausgangsstufe einstellbare Bauelemente erforderlich sind, die man normalerweise benötigt, um mit den bei der Überschneidung und Ausrichtung auftretenden Problemen fertig zu werden.

Ferner sollen Temperaturänderungen in den Übergangszonen der hochbelastbaren Transistoren keine nachteilige Auswirkung auf den verzerrungsfreien Betrieb haben.

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Gemäß einer Lösung ist eine Anordnung zum Verstärken elektrischer Signale über ein vorbestimmtes Frequenzband nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine erste Schaltung, die derart angepaßt ist, daß sie aufgrund eines angelegten Signals und proportional zu diesem angelegten Signal einem Verbraucher direkt Strom zuführt, durch eine zweite Schaltung mit einem Verstärker, die derart ausgelegt ist, daß sie aufgrund des angelegten Signals dem Verstärker über ein Impedanzelement oder Impedanznetzwerk Strom zuführt, durch eine dritte Schaltung, die derart ausgebildet ist, daß sie von der Verstärkerseite des Elementes oder des Netzwerks den Eingängen sowohl der ersten Schaltung als auch der zweiten Schaltung ein Rückführsignal negativ zuführt, und dadurch daß beim Betrieb der Anordnung der dem Verbraucher durch die erste Schaltung zugeführte Strom irgendeine in dem von der zweiten Schaltung dem Verbraucher zugeführten Strom auftretende Verzerrung im wesentlichen aufhebt.

Gemäß einer weiteren Lösung ist eine Anordnung zum Verstärken elektrischer Signale über ein vorbestimmtes Frequenzband nach der Erfindung gekennzeichnet durch ein erstes Verstärkerteil und ein damit in Kaskade geschaltetes zweites Verstärkerteil, das über ein Impedanzelement oder ein Impedanznetzwerk mit einem Verbraucher verbunden ist, durch eine Schaltung, die von der Verstärkerseite des Elementes oder des Netzwerks dem Eingang des ersten Verstärkerteils ein Rückführsignal negativ zuführt, und durch eine vom Ausgang des ersten Verstärkerteils direkt zum Verbraucher führende Parallelschaltung, die ein Ausgangssignal vom ersten Verstärkerteil dem Verbraucher in einer solchen Weise zuführt, daß irgendeine durch das zweite Verstärkerteil in dem Verbraucher erzeugte Verzerrung im wesentlichen vollständig aufgehoben wird.

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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausfüh*- rungsbeispiels,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels und

Fig. 3 ein Schaltbild einer praktischen Ausführungsform 'eines hochwertigen Verstärkers.

Nach der Fig. 1 enthält eine Anordnung zum Verstärken eines Eingangsanschlüssen 10 und 11 zugeführten Eingangssignals einen ersten Verstärker 12 und einen zweiten Verstärker 13. Der Ausgang des zweiten Verstärkers 13 ist über einen Widerstand 14 an einen Verbraucher 15 angeschlossen. Der Ausgang des ersten Verstärkers 12 ist direkt mit dem Verbraucher 15 verbunden. Die Eingänge der beiden Verstärker sind in der gezeigten Weise parallelgeschaltet. Der Eingangsanschluß 10 ist direkt an die Verstärker 12 und 13 angeschlossen. Der Eingangsanschluß 11 ist mit der Verstärkerseite des Verbrauchers 15 verbunden. Ferner wird den parallelgeschalteten Eingängen der Verstärker ein Rückführsignal vom Ausgang auf der Verstärkerseite des Widerstands 14 zugeführt.

Bei dem ersten Verstärker 12 handelt es sich um einen hochwertigen Operationsverstärker, der von sich aus derart ausgelegt ist, daß er aufgrund eines zwischen den Eingangsklemmen 10 und 11 auftretenden Eingangssignals einen proportionalen Strom an den Verbraucher 15 liefert, also im wesentlichen verzerrungsfrei arbeitet. Der Verstärker 12 ist von geringer Leistung, jedoch in der Lage, ohne beachtliche Verzerrung über den in Frage kommenden, gesamten Spannungsbereich zu arbeiten.

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Der zweite Verstärker 13 ist derart ausgelegt, daß er eine wesentlich höhere Leistung als der erste Verstärker hat. Der zweite Verstärker 13 liefert von sich aus an den Verbraucher 15 aufgrund des angelegten Eingangssignals einen Strom, der einen Verzerrungsanteil des angelegten Eingangssignals enthält. Dieser Verzerrungsanteil wird im folgenden der erste Anteil an Verzerrung genannt.

Der durch den Widerstand 14 fließende Ausgangsstrom des zweiten Verstärkers erzeugt am Widerstand 14 ein Signal, das durch eine Schaltung in der gezeigten Weise negativ zu den Eingängen der beiden Verstärker 12 und 13 zurückgeführt wird.

Die Wirkung der Rückführung auf den Strom, der vom Verstärker 12 direkt dem Verbraucher 15 zugeführt wird, besteht darin, in den Strom eine Verzerrung einzuführen, die von der Verzerrung in dem Rückführsignal abhängt, d.h., die von dem ersten Anteil an Verzerrung abhängt.

Zur Erläuterung wird angenommen, daß der vom Verstärker 13 eingeführte erste Anteil an Verzerrung 1O# beträgt und daß die negative Rückführung diese Verzerrung in dem von dem Verstärker 13 an den Verbraucher 15 gelieferten Strom auf 0,1% herabsetzt. Der Strom, der vom Verstärker 12 direkt an den Verbraucher 15 geliefert wird, enthält einen Verzerrungsanteil, der etwa 1Q#.(in Wirklichkeit 9,990 beträgt und im folgenden als zweiter Anteil an Verzerrung bezeichnet wird.

Die Verzerrung in dem Strom, der vom ersten Verstärker 12 dem Verbraucher 15 zugeführt wird, ist derart eingestellt, daß sie der Verzerrung in dem Strom, der vom zweiten Verstärker 13 geliefert wird, gleich und entgegengesetzt ist, so daß der durch den Verbraucher 15 fließende, zusammengesetzte Strom verzerrungsfrei ist.

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Da der zweite Anteil an Verzerrung wesentlich größer als der erste Anteil an Verzerrung ist, kann der Ausgangsstrom des ersten Verstärkers 12 im Vergleich mit demjenigen des Verstärkers 13 klein sein, beispielsweise einhundertmal kleiner.

Man kann zeigen, daß für einen verzerrungsfreien Strom durch den Verbraucher 15 der Widerstandswert des Widerstands 14 gleich dem Kehrwert des Gegenleitwerts oder der Steilheit (mutual conductance) des Verstärkers 12 sein sollte.

Der Verstärker 13 kann daher, sofern es erwünscht ist, eine Ausgangsstufe mit einem Paar von hochbelastbaren NPN-Transistoren im Gegentakt und mit einem Nullruhe strom, d.h. mit einer Vorspannung von Null, enthalten. Eine derartige Anordnung würde normalerweise ein beträchtliches Maß an Überschneidungsverzerrung verursachen. Eine derartige Verzerrung kann durch die Erfindung vollkommen beseitigt werden. Darüberhinaus ist es nicht erforderlich, daß die beiden Transistoren des Transistorpaares einander angepaßt sein müssen. Eine durch eine falsche Anpassung hervorgerufene Verzerrung wird nämlich ebenfalls beseitigt. Ferner sei bemerkt, daß alle Bauelemente feste Werte haben können und daß anfängliche Einstellungsvorgänge vermieden werden. Falls sich die Transistorkennwerte infolge von Temperaturänderungen an den Übergangszonen ändern sollten, treten im Verbraucherstrom ebenfalls keine Verzerrungen auf.

Wenn der Verstärker 13 eine Gegentaktausgangsstufe aufweist, kann er auch eine verzerrungsfreie Treiberstufe verkörpern. Der Ausgang der Treiberstufe kann somit identisch mit dem Ausgang des Verstärkers 12 sein. Auf den Verstärker 12 kann man daher verzichten, wobei die Schal-

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tung nach der Fig. 1 in die Schaltung nach der Fig. 2 übergeht.

Nach der Fig. 2 sind die Verstärker 12 und 13 in Kaskade geschaltet, wobei der Verstärker 13 über den Widerstand 14 an den Verbraucher 15 angeschlossen ist. Das am Widerstand 14 auftretende Rückführsignal wird zu den Eingängen von beiden Verstärkern 12 und 13 zurückgeführt. Der Ausgang des Verstärkers 12 wird dem Verstärker 13 zugeführt und gelangt über eine Parallelschaltung mit einem Widerstand direkt zum Verbraucher 15.

Die Parallelschaltung mit dem Widerstand 16 ist durch sich selbst geeignet, aufgrund des angelegten Signals und proportional zu dem angelegten Signal dem Verbraucher direkt Strom zuzuführen. Eine zweite Schaltung mit dem Verstärker 13 ist derart ausgelegt, daß sie über den Widerstand 14 dem Verbraucher Strom zuführt. Eine dritte Schaltung, die Rückführschaltung, ist derart ausgelegt, daß sie von der Verstärkerseite des Widerstands 14 ein Rückführsignal zu den Eingängen beider Verstärker zurückführt.

Falls das Verhältnis der Ohm-Werte der Widerstände 16 und 14 gleich der Spannungsverstärkung des Verstärkers 12 gemacht ist, sind die verzerrten Anteile der Ströme in den Widerständen 16 und 14 einander gleich und entgegengesetzt. Der durch den Verbraucher fließende Strom ist daher im wesentlichen verzerrungsfrei.

Den Eingangsanschluß 11 kann man anstatt an den Verbraucher an Masse anschließen. Dies hat die Wirkung, daß der Verstärker von der Konstantstromform in die Konstantspannungsform umgewandelt wird, die im allgemeinen erforderlich ist, und zwar durch Zusatz einer Gesamtspannungsrückführung, ohne daß dadurch irgendwie die Arbeitsweise der Erfindung geändert wird.

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Bei dem durch den Widerstand 14 in den Figuren 1 und 2 verkörperten Bauelement handelt es sich im allgemeinen nicht um einen einfachen Widerstand, sondern um ein reaktives Element oder Netzwerk. Dieses Erfordernis stimmt mit der normalen Rückführungspraxis überein, die Arbeitsweise zu stabilisieren, wobei die Gesamtrückführung in der Konstantspannungsform vorgesehen ist.

In der Fig. 3 ist ein vollständiges praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das auf der Fig. 2 beruht und die Modifikation in die Konstantspannungsform betrifft. Die Rückführungsschaltung enthält Widerstände 17 und 18 und einen Kondensator 19 sowie das Bauelement 14 in Form einer Spule. Wenn Z₁, Z₂, Z, und Z^ die Impedanzen der Elemente 14, 19, 16 und 17 darstellen, kann man zeigen, daß am Verbraucher eine durch den Verstärker 13 erzeugte Verzerrung nicht auftritt,' wenn man Z₁ · Zo ^a Z, · Z^ macht. Bei der Schaltungsanordnung nach der Fig. 3 ist Z₁ induktiv und Z₂ kapazitiv, während Z-, und Z^ resistiv sind. Die Impedanzen Z₁ bis Z^ können auch andere Formen annehmen, beispielsweise einfache Elemente oder komplexe Netzwerke. Für das zu betrachtende Frequenzband muß allerdings die Bedingung Z₁ · Z₂ = Z, · Z^ gewahrt bleiben.

Eine andere Betrachtungsart der Arbeitsweise der Schaltung ist die folgende:

Der vom Verbraucher vom Verstärker 12 gezogene Strom schaltet die hochbelastbaren Transistoren im Verstärker 13 ein. Diese Transistoren wirken dann wie hochbelastbare Stromlieferanten, die den Hauptanteil des Ausgangsstroms liefern. Dieser "Sturzstrom" ("dumping" current) wird durch das Element oder Netzwerk 14 getrennt überwacht, und ein Rückfuhrsignal wird erzeugt. Dieses Rückführsignal

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wird dem geraeinsamen Eingang mit einer solchen Größe zugeführt, daß die übertragungsfunktion der Schaltungsanordnung unabhängig von der Arbeitsweise des Verstärkers 13 ist.

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Claims

Patentansprüche

Anordnung zum Verstärken elektrischer Signale über ein vorbestimmtes Frequenzband mit einer einen Verstärker aufweisenden ersten Schaltung, die aufgrund eines angelegten Signals einen ersten Strom an einen Verbraucher liefert, und mit einer zweiten Schaltung, die aufgrund des angelegten Signals einen zweiten Strom an den Verbraucher liefert,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (14) derart angeordnet und ausgelegt ist, daß es von dem von der ersten Schaltung (13) an den Verbraucher (15) gelieferten Strom durchflossen ist, um unabhängig von dem von der zweiten Schaltung (12 in Fig. 1; 16 in Fig. 2 und 3) gelieferten Strom ein Rückführsignal zu erzeugen, und daß eine weitere Schaltung vorgesehen ist, die das Rückführsignal den Eingängen sowohl der ersten als auch der zweiten Schaltung mit einer solchen Größe negativ zuführt, daß irgendwelche Verzerrungen in dem ersten Strom durch komplementäre Verzerrungen in dem zweiten Strom im Verbraucher aufgehoben werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Schaltung (13) ein zweiter Verstärker· (12) in Kaskade vorgeschaltet ist und daß die zweite Schaltung

(16) der ersten Schaltung parallelgeschaltet ist und sich vom Ausgang des zweiten Verstärkers zum Verbraucher (15) erstreckt (Fig. 2 und 3).

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3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Konstantspannungsschaltung ein Eingangsanschluß (10) an einen Eingangsanschluß des zweiten Verstärkers (12) angeschlossen ist und der zweite Eingangsanschluß (11) mit dem anderen Eingangsanschluß des zweiten Verstärkers und mit dem der Verstärkeranschlußseite gegenüberliegenden Ende des Verbrauchers (15) verbunden ist (Fig. 3).
4. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (19) zwischen den Ausgang der Rückführschaltung und die gemeinsamen Eingänge des zweiten Verstärkers (13) und der Parallelschaltung (16) geschaltet ist, daß ein drittes Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (16) in Reihe mit der Parallelschaltung liegt, daß ein viertes Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (17) in Reihe mit der Rückführschaltung liegt und daß die gesamte Anordnung derart getroffen ist, daß Z^ · Z₂ = Z, · Z^, wobei Z^₉ Zp, Z, und Z^ die Impedanzen des ersten (14), zweiten (19), dritten (16) und vierten (17) Impedanzelements oder Impedanznetzwerks in dem genannten Frequenzband sind (Fig. 3).
5. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Impedanzelement oder Impedanznetzwerk induktiv (14) ist und daß das zweite Impedanzelement oder Impedanznetzwerk kapazitiv (19) ist (Fig. 3).

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