DE2501288B2

DE2501288B2 - Anordnung zum verstaerken elektrischer signale

Info

Publication number: DE2501288B2
Application number: DE19752501288
Authority: DE
Inventors: Peter James Hemingford Abbots Huntingdon Albinson Michael Peter Over Cambridgeshire Walker, (Großbri tannien)
Original assignee: The Acoustical Manufacturing Co Ltd, London
Priority date: 1974-01-17
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1977-10-13
Also published as: JPS50108858A; US3970953A; JPS5816365B2; DE2501288A1; GB1499980A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Verstärken elektrischer Signale über ein vorbestimmtes Frequenzband mit einem im wesentlichen verzerrungsfreien ersten Verstärker und einem leistungsstarken zweiten Verstärker, die mit einem Verbraucher in Reihe geschaltet sind.

Eine derartige Verstärkeranordnung ist ihrer grundsätzlichen Art nach aus der US-PS 27 51 442 bekannt. In dieser Druckschrift ist eine Rückkopplungsverstärkeranordnung beschrieben, die die Verzerrung in einem ⁶S von den Verstärkern gespeisten Verbraucher herabsetzen soll. Um die Verzerrung in einem höheren als den mit üblichen Gegenkopplungsverstärkern erzielbaren Maß zu vermindern, ist der Verstärkerausgangsstufe eine zusätzliche Verstärkerstufe parallel geschaltet, die derart ausgelegt und eingestellt wird, daß sie für eine Kompensation der sonst im Verbraucher auftretenden Verzerrungen sorgt. Die Ausgangssignale dieser beiden Verstärkerstufen werden mit Hilfe einer Ausgangstransformatoranordnung miteinander vereint, die auch zur Impedanzanpassung erforderlich ist. Um Beeinflussungen zwischen den beiden Verstärkerstufen zu vermeiden, können als Alternative auch hochohmige Pentoden verwendet werden. Um einen Verbraucher mit niedriger Eingangsimpedanz zu speisen, wäre allerdings auch in diesem Fall ein Impedanzanpaxsungstransformator erforderlich. Obwohl die aus der US-PS 27 51 442 bekannte Verstärkeranordnung derart eingestellt werden kann, daß der Verbraucher im wesentlichen verzerrungsfrei gespeist wird, kommt es durch Temperaturschwankungen und durch alterungsbedingte Änderungen in der Übertragungscharakieristik der beiden Verstärkerstufen zu einer Störung des erwünschten Zustands. Bei der bekannten Verstärkeranordnung sind somit noch die folgenden Schwierigkeiten zu lösen:

1) Schaffung eines verzerrungsfreien Verstärkers ohne anfängliche Einstellungen oder Abgleichungen,

2) Vermeidung von Nacheinsiellungen oder Nachabgieichungen aufgrund thermischer oder alterungsbedingter Einflüsse, 3) kein Erfordernis nach, einer zusätzlichen Verstärkerstufe zur Kompensation des Verstärkungsgrades und 4) keine Verwendung von Transformatoren, um entweder die Beinflussung zwischen zwei Verstärkerstufen zu verhindern oder eine Impedanzanpassung zur Speisung eines Verbrauchers niedriger Eingangsimpedanz vorzusehen.

Aus der Druckschrift »Wireless World«, Februar 1973, Seite 54 — 57, ist ein Gegenkopplungsverstärker bekannt, der die Verzerrungen nur in einem solchen Maße herabsetzen kann, wie es bei Schaltungen dieser Art üblich ist. Allerdings weist dieser bekannte Verstärker den zusätzlichen Nutzen auf, daß ein Verstärkungsverlust nicht auftritt. Dies wird dadurch erreicht, daß dem Rückkopplungszweig ein zusätzlicher Anteil des Eingangssignales zugeführt wird.

Weiterhin ist es bekannt, in der Tonfrequenz- oder Niederfrequenztechnik für die Leistungsausgangsstufe Verstärker 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 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 Vorspannung 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«.

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Wireless World, Seiten 367-371, Oktober 1974,

Aiiseehena von u_t... Stand der Technik nach der ιIQPS 27 51442 liegt der Erfindung die Aufgabe inde unter Beibehaltung einer im wesentlichen Ständig verzerrungsfreien Verstärkung die Ver-^V _t?keranordnung so auszubilden, daß trotz eines nfach'en Schaltungsaufbaus ohne zusätzliche Eioensationsverstärkerstufe und ohne lmpedanzan- «,inKStransformator eine niedrige Ausgangsimpe· Π7 sichergestellt ist und weder anfangs noch nach er i?ewissen Betriebsdauer besondere Einstellungen "Lr Abweichungen vorgenommen werden müssen.

7ur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs hpthriebene Anordnung zum Verstärken elektrischer ,ale nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, ein rückführsignalerzeugendes erstes Impedanzele- oder Impedanznetzwerk in Reihe zwischen den des zweiten Verstärkers und den Verbraucher ist, daß ein Nebenschlußstromkreis vom A.i^ane des' ersten Verstärkers ausgeht, um dem Verbraucher vom ersten Verstärker unmittelbar Strom ,„,„führen, und daß ein negativer Rückführungsstromkreis zur Zufuhr von negativen Rückführsignalen von _Apm rückführsignalerzeugenden ersten Impedanzelement oder Impedanznetzwerk zu den Eingängen des Uten und des zweiten Verstärkers vorgesehen ist.

Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben ,ich unmittelbar aus der gelösten Aufgabe. Es soll aber nochmals besonders betont werden, daß beispielsweise meine mit einem hochbelastbaren Transictorpaar ausgerüstete Endstufe der Verstärkeranordnung keine einstellbaren Bauelemente erforderlich sind, die man sonst normalerweise benötigt, um mit den oben beschriebenen Problemen fertig, zu werden. Auch Temperaturänderungen in den Ubergangszonen der hochbelastbaren Transistoren haben keine nachteilige Auswirkung auf den verzerrungsfreien Betrieb. Bevorzugte Weiterbildungen sind in Unteranspru- ^e5oizugteAusführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Zeichnungen beschrieben Es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausfuhrungs-

F?g2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführunesbeispiels und

Fig 3 ein Schaltbild einer praktischen Ausfuhrungsform eines hochwertigen Verstärkers.

Nach der Fig.l enthält eine Anordnung zum Verstärken eines Eingangsanschlüssen 10 und zugeführten Eingangssignals einen ersten Verstarker und einen zweiten Verstärker 13. Der Ausgang des zweiten Verstärkers 13 ist über einen Widerstand 14 an einen Verbraucher angeschlossen Der Ausgang des ersten Verstärkers 12 ist direkt mit dem Verbraucher verbunden. Die Eingänge der beiden Verstärker s.ndin der gezeigten Weise parallel geschaltet Der Eingangsanschluß 10 ist direkt an die Verstärker 12 und angeschlossen. Der Eingangsanschluß Π »t nut der Verstärkerseite des Verbrauchers 15 verbunden. Ferner wird den parallelgeschalteten Eingangen der Verstärker ein Rückführsignal vom Ausgang des Verstärkers Teilern ersten Verstärker 12 handelt es sich um einen hochwertigen Operationsverstärker, der von sich aus derart ausgelegt ist, daß er aufgrund eines /wis^n d.n Eingangsklemmen 10 und 11 auftretenden Eingangssignals einen proportionalen Strom an den Verbraucher

15 liefert, also im wesentlichen verzerrungsfrei arbeitet. Der Verstarker 12 ist von geringer Leistung, jedoi-h in der Lage, ohne beachtliche Verzerrung über den in !•rage kommenden gesamten Spannungsbereich zu arbeiten.

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 Eingarigssi-ίο gnals 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 10% 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 10% (in Wirklichkeit 9,9%) beträgt und im folgenden als zweiter Anteil der Verzerrung bezeichnet wird.

35 Die Verzerrung in dem Strom, der vom ersten Verstärker 12 dem Verbraucher 15 zugeführt wird, hat eine solche Größe, daß sie der Verzerrung in dem Strom, der vom zweiten Verstärker 13 geliefert wird, gleich und entgegengesetzt ist, so daß der durch den 40 Verbraucher 15 fließende, zusammengesetzte Strom verzerrungsfrei ist.

Da der zweiie Anteil an Verzerrung wesentlich größer als der erste Anteil an Verzerrung ist, kann der Ausgangsstrom des ersten Verstärkers 12 im Vergleich 45 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 Gegenleit-50 werts oder 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 55 Nullruhestrom, 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. 60 Darüber hinaus 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 65 feste Werte haben können und daß anfängliche Einsteüungsvorgänge vermieden werden. Falls sich die Transistorkennwerte infolge von Temperaturänderungen an den Übergangszonen ändern sollten, treten im

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Verbraucherstrom ebenfalls keine Verzerrungen auf.

Wenn der Verstärker 13 eine Gegentaktausgangsstufe aufweist, kann der Verstärker 12 auch eine verzerrungsfreie Treiberstufe verkörpern. Der Ausgang der Treiberstufe kann somit identisch mit dem Ausgang des Verstärkers 12 sein. Auf einen besonderen Verstärker 12 kann man daher verzichten, wobei die Schaltung nach der F i g. 1 in die Schaltung nach der F i g. 2 übergeht.

Nach der Fig.2 sind die Verstärker 12 und 13 in Kaskade geschaltet, wobei der Verstärker 13 wieder über den Widerstand 14 an den Verbraucher 15 angeschlossen ist. Die am Widerstand 14 auftretende Spannung 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 16 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 Widerstandes 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 verzerrungs-

^frei·

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 Gesamispannungsrückführung, ohne daß dadurch irgendwie die Arbeitsweise der Erfindung geändert wird.

Bei dem durch den Widerstand 14 in den F i g. 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 Z_t, Z₂, Z₃ 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 Zi ■ Z₂ = Zi · Za, macht. Bei der Schaltungsanordnung nach der F i g. 3 ist Z_x induktiv und Z₂ kapazitiv, während Z₃ und Z, resistiv sind. Die Impedanzen Z\ bis Z₄ können auch andere Formen annehmen, beispielsweise einfache Elemente oder komplexe Netzwerke. Für das zu betrachtende Frequenzband muß allerdings die Bedingung Zi Z₂=Zi- 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 Stromliefcranten, die den Hauptanteil des Ausgangsstromes liefern. Dieser »Sturzstrom« (»dumping« current) wird durch das Element oder Netzwerk 14 getrennt überwacht, und ein Rückführsignal wird erzeugt. Dieses Rückführsignal wird dem gemeinsamen Eingang mit einer solchen Größe zugeführt, daß die Übertragungsfunktion der Schaltungsanordnung unabhängig von der Arbeitsweise des Verstärkers 13 ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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i. Anordnung zum Verstärken elektrischer Signale über ein vorbestimmtes Frequenzband mit einem im wesentlichen verzerrungsfreien ersten Verstärker und einem leitungsstarken zweiten Verstärker, die mit einem Verbraucher in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein rückführsignalerzeugendes erstes Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (14) in Reihe zwischen den Ausgang des zweiten Verstärkers (13) und den Verbraucher (15) geschaltet ist, daß ein Nebenschlußstromkreis (16) vom Ausgang des ersten Verstärkers (12) ausgeht, um dem Verbraucher (15) vom ersten Verstärke¹· (12) unmittelbar Strom '5 zuzuführen, und daß ein negativer Rückführungsstromkreis (die Verbindung von 14 zu den Eingängen von 12 und 13 in Fig. 2; 17, 18, 19 in Fig.3) zur Zufuhr von negativen Rückführsignalen von dem rückführsignalerzeugenden ersten Impedanzelement oder Impedanznetzwerk zu den Eingängen des ersten und des zweiten Verstärkers vorgesehen ist (F i g. 2 und 3).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangsanschluß (10) mit einem Eingangsanschluß des ersten Verstärkers (12) und der andere Eingangsanschluß (11) der Anordnung mit dem anderen Eingangsanschluß des ersten Verstärkers (über 18) und mit dem nicht an den zweiten Verstärker angeschlossenen Ende (Masse) des Verbrauchers (15) verbunden ist, daß der negative Rückführungsstromkreis ein viertes Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (17) zur Zufuhr des negativen Rückführsignals zum ersten Verstärker (12) enthält, daß zur Zufuhr des negativen Rückführsignals zum zweiten Verstärker (13) ein zweites Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (19) mit dem vierten Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (17) in Reihe geschaltet ist, daß ein drittes Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (16) in Reihe in dem Nebenschlußstromkreis liegt und daß die Anordnung derart getroffen ist, daß Zi ■ Z₂-Zi ■ Z₄, wobei Zi, Z₂, Z₃ und Zt die Impedanzen des ersten (14), zweiten (19), dritten (16) und vierten (17) Impedanzelements oder Impedanzwerks in dem genannten Frequenzband sind (F i g. 3).
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (14) induktiv ist und daß das zweite Impedanzelement oder Impedanznetzwerk (19) kapazitiv ist.