DE2506318C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsregelschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bereits eine transistorisierte Verstärkerschaltung be­ kannt (J.M. Carroll: Transistor Circuits and Applications, McGraw-Hill Book Company, New York, (1957), Seiten 58, 59), die über eine Verstärkungsstabilisierung verfügt, zu der eine inverse Rückkopplung verwendet ist. Der bekannte Verstärker weist jeweils aus einem Transistorpaar auf­ gebaut einen ersten Differenzverstärker und einen dazu in Reihe geschalteten zweiten Differenzverstärker auf. Das Ausgangssignal des betreffenden bekannten Verstärkers wird dem Kollektorkreis eines Transistors der den er­ wähnten zweiten Differenzverstärker bildenden Transisto­ ren abgenommen; mit diesem Ausgangssignal wird ein Ausgangstransistor angesteuert, dessen Ausgangssignal dem einen Eingang des ersten Differenzverstärkers zurückgekoppelt wird. Es hat sich gezeigt, daß dieser bekannte Verstärker nicht imstande ist, einen von Veränderungen der Temperatur, der Versorgungsspannung und der Betriebseigenschaften der Schaltungselemente unabhängigen steuerbaren ggf. konstanten Ausgleichs­ spannungspegel zu liefern.

Es ist ferner ein Differenzverstärker bekannt (DE-OS 22 16 409), der aus einem ersten Differenzver­ stärker und einem dazu in Reihe geschalteten zweiten Differenzverstärker besteht und jeweils aus Paaren von Transistoren aufgebaut ist. Auch bei diesem bekannten Differenzverstärker treten die Schwierigkeiten auf, die im Zusammenhang mit der eingangs betrachteten bekannten Schaltung aufgezeigt worden sind.

Es ist auch schon eine Verstärkungssteuerschaltung bekannt (DE-OS 23 38 284), die einen Transistor- Differenzverstärker umfaßt, der über eine Konstant­ stromquelle mit Erdpotential verbunden ist. Auch diese bekannte Schaltung vermag nicht die im Zusammenhang mit der eingangs betrachteten bekannten Schaltung aufgezeigten Probleme zu lösen.

Es ist ferner bekannt, auf einem Chip drei verschiedene Technologien zur Herstellung eines Breitbandverstärkers anzuwenden (Electronics 45 (1972), Heft 12, Seiten 103 bis 107), der aus in Reihe miteinander verbundenen Differenzverstärkern besteht, deren jeder aus einem Transistorpaar aufgebaut ist, welches mit einer Konstantstromquelle verbunden ist. Auch durch diesen Schaltungsaufbau lassen sich die im Zusammenhang mit der eingangs betrachteten bekannten Schaltung aufge­ zeigten Probleme nicht beseitigen.

Es ist schließlich auch schon ein als Gilbert-Multi­ plizierer bekannter Breitbandverstärker bekannt (IEEE-Journal of Solid-State Circuits, SC-3 (1968), Seiten 353 bis 365), der einen Differenzverstärker verwendet. Auch dieser Aufbau bringt keine Abhilfe der im Zusammenhang mit der eingangs betrachteten bekannten Schaltung aufgezeigten Probleme.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkungsregelschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art so weiterzubilden, daß auf relativ einfache Weise eine von Veränderungen in der Temperatur, der Versorgungsspannung und der Be­ triebseigenschaften der Schaltungselemente unab­ hängige steuerbare ggf. konstante Ausgangsgleich­ spannung abgegeben wird.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merk­ male.

Die Erfindung zeichnet sich durch den Vorteil aus, daß sie mit besonders geringem schaltungstechnischen Auf­ wand eine steuerbare ggf. konstante Ausgangsgleichspannung liefert, die unabhängig von Veränderungen in der Be­ triebsspannung, der Temperatur und der Betriebseigen­ schaften der verwendeten Schaltungselemente ist. Über­ dies bringt die vorliegende Erfindung den Vorteil mit sich, daß auf relativ einfache Weise die Verstärkungs­ charakteristik linear über einen weiten Bereich steuerbar ist und daß im übrigen eine automatische Verstärkungsregelung möglich ist. Schließlich bringt die vorliegende Erfindung den Vorteil mit sich, daß sie sich leicht in Form einer integrierten Schaltung realisieren läßt.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Schaltbild eine Grundform der Verstärkungsregelschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Ver­ stärkungsregelschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer noch weiteren Aus­ führungsform der Verstärkungsregelschaltung gemäß der Erfindung.

In den Zeichnungen, in welchen gleiche Be­ zugsziffern verwendet sind, zeigt Fig. 1 ein Schaltbild einer Verstärkungsregelschaltung, die über einen weiten Bereich linear gesteuert wird und bei der der Gleich­ spannungspegel am Schaltungsausgang unabhängig von Ver­ änderungen der die Verstärkung regelnden Ströme konstant gehalten wird. Die dargestellte Verstärkungsregelschal­ tung besitzt einen ersten Differenzverstärker mit in Differenzschaltung geschalteten Transistoren Q ₁ und Q ₂, deren Emitter über Emitterwiderstände 2 A und 2 B mit einer ersten Konstantstromquelle 1 verbunden sind. Eine Ein­ gangssignalquelle, die in der Zeichnung mit v _i bezeichnet ist, befindet sich zwischen den Basen der Tran­ sistoren Q ₁ und Q ₂ in Differenzschaltung.

Die Verstärkungsregelschaltung besitzt zusätzlich einen zweiten Differenzverstärker aus in Differenzschaltung geschalteten Transistoren Q ₃ und Q ₄, deren Basen mit den Kollektoren der Transistoren Q ₁ und Q ₂ ver­ bunden sind und deren Emitter miteinander verbunden sind, welche mit einer zweiten Konstantstromquelle 5 verbunden sind. Die Kollektoren des ersten Paares von in Differenz­ schaltung geschalteten Transistoren Q ₁ und Q ₂ sind zusätz­ lich über in der Durchlaßrichtung vorgespannte Richtleiter, beispielsweise über Dioden 3 A und 3 B, mit einer Versorgungs­ spannungsquelle V _{cc 1} verbunden. Ferner sind mit den Kollek­ toren der Transistoren Q ₁ und Q ₂ (und damit mit den Basen der Transistoren Q ₃ und Q ₄) steuerbare Stromquel­ len 4 A bzw. 4 B verbunden. Diese steuerbaren Stromquellen sind herkömmlich und können Ausgangsströme erzeugen, die in Abhängigkeit von einem nicht gezeigten Steuersignal ver­ ändert werden können. Die durch die steuerbaren Stromquellen 4 A und 4 B erzeugten Ströme I _c sind gleich und sprechen auf ein die Verstärkung regelndes Signal so an, daß sie um den gleichen Betrag und in der gleichen Richtung verändert werden.

Der Kollektor des Transistors Q ₃ im zweiten Differenz­ verstärker ist direkt mit einer Speisespannungsquelle V _{cc 2} verbunden, und der Kollektor des Transistors Q ₄ ist mit dieser Speisespannungsquelle über einen Lastwiderstand 6 verbunden. An der Ausgangsklemme 7 der Schaltung wird das Augangssignal vom Kollektor des Tran­ sistors Q ₄ abgenommen.

Bei der dargestellten Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn angenommen wird, daß der Konstantstrom, der durch die erste Konstantstromquelle 1 fließt, mit I ₁ bezeichnet wird, daß der durch jeden der Transistoren Q ₁ und Q ₂ flie­ ßende Strom im wesentlichen gleich der Hälfte dieses Kon­ stantstroms ist, d. h. I _1/2 ist. Dieser durch jeden der Transistoren Q ₁ und Q ₂ fließende Strom wird als konstant ermittelt; er ist gleich der Summe der zur Kollektorelek­ trode des Transistors fließenden Ströme. Mit anderen Worten, der Strom I _1/2 ist gleich I _c (der durch die Stromquelle 4 A oder 4 B erzeugte Strom) und dem Strom I _D (der durch die Diode 3 A bzw. 3 B fließt). Wenn nun das die Verstärkung regelnde Signal so ein­ gestellt wird, daß der regelnde Strom I _c abnimmt, muß der durch die jeweilige Diode fließende Strom I _D zunehmen, um das konstante Stromverhältnis aufrechtzuerhalten. Die wirksamen Impedanzen der Dioden 3 A und 3 B nehmen daher ab, wodurch die Lastimpedanz des ersten Differenzver­ stärkers herabgesetzt wird, was zu einer Minderung des Ver­ stärkungsfaktors der dargestellten Schaltungsanordnung führt.

Umgekehrt muß, wenn die Steuerströme I _C zunehmen, der durch die Diode 3 A und 3 B fließende Strom I _D herabgesetzt werden, um dadurch die wirksamen Diodenimpedanzen zu erhöhen und damit die Verstärkung der Schaltung.

Da die in Differenzschaltung geschalteten Transistoren durch die Konstantstromquellen 1 und 5 gesteuert werden, werden natürlich die Eingangsimpedanzen der Transistoren Q ₁ und Q ₂ konstant gehalten, so daß die Verstärkungscharak­ teristik der dargestellten Schaltungsanordnung durch ein die Verstärkung regelndes Signal über einen weiten Bereich linear steuerbar ist. Ferner wird der Gleichspannungspegel an der Ausgangsklemme 7 konstant gehalten, so daß die Schal­ tungsanordnung einen großen Dynamikumfang aufweist.

In Fig. 2 sind die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung der gleichen vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrie­ benen Schaltungselemente verwendet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die steuerbaren Stromquellen 4 A und 4 B als Stromerzeuger mit einem Transistor Q ₅ dargestellt, dessen Basis mit einer Steuerspannungs-Eingangsklemme 10 verbunden ist, dessen Kollektor mit einer Speisespannungsquelle V _{cc 3} verbunden ist und dessen Emitter über gleiche Widerstände 8 A und 8 B mit den Basiselektroden der in Differenzschaltung geschal­ teten Transistoren Q ₃ und Q ₄ verbunden ist. Der durch die Widerstände 8 A und 8 B zugeführte Strom wird natürlich durch die die Verstärkung regelnde Spannung bestimmt, die dem Transistor Q ₅ an der Eingangsklemme 10 zugeführt wird. Wider­ stände 9 A und 9 B sind zwischen den Basen der Tran­ sistoren Q ₃ und Q ₄ und einer Bezugspotentialquelle, wie Masse, geschaltet.

Die durch die Ausführungsform nach Fig. 2 erhaltene Verstär­ kungsregelfunktion ist im wesentlichen ähnlich der durch die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erzielbaren. Wenn die die Verstärkung regelnde Spannung, die der Eingangsklemme 10 zugeführt wird, sich ändert, bewirken die zu den Basen der Transistoren Q ₃ und Q ₄ (und damit zu den Kollektoren der Transistoren Q ₁ und Q ₂) hinfließenden Ströme, daß die Ströme I _D , die durch die Dioden 3 A und 3 B fließen, in der vorangehend beschriebenen Weise sich ver­ ändern. Vorzugsweise haben die Widerstände 9 A und 9 B ver­ hältnismäßig geringe Widerstandwerte, um Schwankungen in den Betriebseigenschaften dieser Dioden auszugleichen. Dieser Ausgleich ist besonders für den Fall wirksam, bei welchem die durch die Dioden 3 A und 3 B fließenden Ströme gering sind. Bei der Verstärkungsregelfunktion, bei welcher die durch die Widerstände 8 A und 8 B fließenden Steuerströme auf einen hohen Wert erhöht werden, um dadurch die wirksame Lastimpe­ danz, welche durch die Dioden 3 A und 3 B gebildet ist, fließt daher immer noch der gleiche Strombetrag durch die Dioden wegen der Kompensationswiderstände.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 sche­ matisch dargestellt, in welcher diejenigen Schaltungselemente, die den zuvor in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen ent­ sprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird der Gleichspannungs­ pegel am Ausgang unabhängig von Schwankungen in den Betriebs­ eigenschaften der Dioden 3 A und 3 B, in der Umgebungstemperatur und in der Speise­ spannung konstant gehalten. Diese vorteilhafte Arbeitsweise ist einer Gleichstromrückkopplungsschleife zwischen dem Aus­ gang des zweiten Differentialverstärkers und dem Eingang des ersten Differentialverstärkers zuzuschreiben. Die Kollektoren der Transistoren Q ₃ und Q ₄ entsprechen dem Aus­ gang des zweiten Differenzverstärkers und sind, wie ge­ zeigt, über die Belastungswider­ stände 6 A und 6 B mit der Speisespannungsquelle V _{cc 2} verbun­ den. Der Kollektor des Transistors Q ₃ ist durch einen Transistor Q ₆ mit der Basis des Transistors Q ₂ gekoppelt. In ähnlicher Weise ist der Kollektor des Transistors Q ₄ über einen Transistor Q ₇ mit der Basis des Transistors Q ₁ gekoppelt. Die Transistoren Q ₆ und Q ₇ sind in Emitterfolgerschaltung angeordnet, so daß die Widerstände 8 A und 9 A im Emitterkreis des Transistors Q ₇ an Masse liegen. In ähnlicher Weise liegen die Widerstände 8 B und 9 B im Emitterkreis des Transistors Q ₆ an Masse. Die Emitter der Transistoren Q ₇ und Q ₆ sind mit einer Ausgangsklemme 7 A bzw. 7 B verbunden.

Wie gezeigt, sind die Widerstände 8 A und 9 A in Reihe geschal­ tet und ihr Verbindungspunkt ist mit der Basis des Transistors Q ₁ über einen Widerstand 10 A verbunden. Der Ver­ bindungspunkt zwischen den Widerständen 8 A, 9 A und 10 A ist über einen Kondensator 11 A an Masse gelegt.

In ähnlicher Weise sind, wie ersichtlich, die Widerstände 8 B und 9 B in Reihe geschaltet, und der Verbindungspunkt zwischen beiden ist mit der Basis des Transistors Q ₂ über einen Widerstand 10 B verbunden. Die Basis des Transistors Q ₂ liegt über einen Kondensator 11 B an Masse.

Die Arbeitsweise der in Fig. 3 schematisch dargestellten Schaltungsanordnung ist der Arbeitsweise der vorangehend be­ schriebenen Verstärkungsregelschaltung im wesentlichen ähnlich, hat jedoch einen zusätzlichen Vorteil. Es sei angenommen, daß der an der Basis des Transistors Q ₃ erhaltene Gleichspannungs­ pegel etwas höher geworden ist als der Gleichspannungspegel an der Basis des Transistors Q ₄. Daher nimmt natürlich der an der Basis des Transistors Q ₇ erhaltene Gleichspannungs­ pegel zu, während der Gleichspannungspegel an der Basis des Transistors Q ₆ abnimmt, was zur Folge hat, daß der Gleich­ spannungspegel am Ausgang 7 A erhöht und der Gleichspannungs­ pegel am Ausgang 7 B verringert ist. Diese Erhöhung des Gleich­ spannungspegels am Emitter des Transistors Q ₇ wird nun über die Widerstände 8 A und 10 A auf die Basis des Transistors Q ₁ übertragen. Bei einer entsprechenden Erhöhung des Gleichstrom­ potentials an der Basis wird die Spannung am Kollek­ tor des Transistors Q ₁ herabgesetzt. Daher wird der als erhöht angenommene Gleich­ spannungspegel an der Basis des Transistors Q ₃ nun auf seinen richtigen Gleichspannungs­ pegel zurückgeführt. In analoger Weise wird die Herabsetzung des Gleichspannungspegels an der Ausgangsklemme 7 B über die Widerstände 8 B und 10 B auf die Basis des Transistors Q ₂ über­ tragen, was zur Folge hat, daß das Gleichspannungspotential am Kollektor des Transistors Q ₂ (und damit an der Basis des Transistors Q ₄) zunimmt. Hieraus ergibt sich, daß der als verringert angenommene Gleich­ spannungspegel an der Basis des Transistors Q ₄ auf seinen richtigen Wert zurück­ geführt wird. Die Gleichspannungspegel an den Ausgängen 7 A und 7 B werden daher konstant und auf gleiche Werte in Über­ einstimmung mit der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform gehalten.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzug­ ten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie natürlich nicht auf diese beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren. Beispielsweise können, obwohl die jeweiligen Differenzverstärker als durch Transistorenpaare in Differenzschaltung gebildet dar­ gestellt sind, äquivalente Transistoranordnungen, wie Darlington-Schaltungen, anstelle jedes Transistors ver­ wendet werden. Ferner können die dargestellten Dioden durch äquivalente, als Diode geschaltete Transistoren ersetzt werden. Desgleichen kann, obwohl das dargestellte Bezugspotential als Massepotential beschrieben wurde, wenn gewünscht, auch irgendein anderes Bezugspotential gewählt werden.

Claims (8)

1. Verstärkungsregelschaltung
mit einem ersten an einer Konstantstromquelle angeschlossenen Differenzverstär­ ker, der an Eingangsanschlüssen ein differenzmäßig zu­ geführtes Eingangssignal aufnimmt,
und mit einem mit dem ersten Differenzverstärker in Reihe geschalteten zweiten Differenzverstärker, der mit einer zweiten Konstantstromquelle verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß an Ausgängen des ersten Differenzverstärkers (Q ₁, Q ₂) zwei einen Strom in lediglich einer Richtung leitende Elemente (3 A, 3 B) veränderbarer Impedanz als veränder­ bare Lastimpedanzen des ersten Differenzverstärkers (Q ₁, Q ₂) angeschlossen sind
und daß ein steuerbarer Stromgenerator (4 A, 4 B) vorgesehen ist, der parallel zu den Strömen, welche durch die einen Strom in lediglich einer Richtung leitenden Elemente (3 A, 3 B) fließen, an die Ausgänge des ersten Differenzverstär­ kers (Q ₁, Q ₂) veränderbare Ströme (I _c ) abgibt und auf ein ihm zugeführtes Steuersignal hin die einen Strom in lediglich einer Richtung leitenden Elemen­ te (3 A, 3 B) steuert und dadurch die durch diese Elemente (3 A, 3 B) gebildeten Lastimpedanzen verändert.

2. Verstärkungsregelschaltung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Impedanzelemente (6 A, 6 B) vorgesehen sind, die eine niedrige Impedanz in bezug auf die effektiven Lastimpedanzen der eine veränderbare Impedanz aufweisenden, an den Ausgängen des ersten Differenzverstärkers (Q ₁, Q ₂) angeschlossenen, einen Strom in lediglich einer Richtung leitenden Elemen­ te (3 A, 3 B) aufweisen, derart, daß Schwankungen in den Betriebscharakteristiken der eine veränderbare Impedanz aufweisenden, einen Strom in lediglich einer Richtung leitenden Elemente (3 A , 3 B) kompensiert sind.

3. Verstärkungsregelschaltung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die eine niedrige Impedanz aufweisenden Impedanzelemente Widerstände (6 A, 6 B) umfassen, die zwischen den Aus­ gängen des ersten Differenzverstärkers (Q ₁, Q ₂) und einer Bezugspotentialquelle (+V _{CC 2}) angeschlossen sind.

4. Verstärkungsregelschaltung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen des zweiten Differenzverstär­ kers (Q ₃, Q ₄) und den Eingängen des ersten Differenz­ verstärkers (Q ₁, Q ₂) eine Rückkopplungsschaltung (Q ₇, Q ₆) eingefügt ist.

5. Verstärkungsregelschaltung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet,
daß die Rückkopplungsschaltung als Emitterfolger geschaltete Transistoren (Q ₆, Q ₇) umfaßt
und daß das verstärkte Ausgangssignal vom Ausgang zu­ mindest eines der als Emitterfolger geschalteten Transistoren (Q ₆, Q ₇ ) abgenommen wird.

6. Verstärkungsregelschaltung nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die als Emitterfolger geschalteten Transistoren (Q ₆, Q ₇) derart geschaltet sind, daß unabhängig von Gleich­ spannungsschwankungen an den Eingängen der ersten und zweiten Differenzverstärker (Q ₁, Q ₂; Q ₃, Q ₄) ein weitgehend konstanter Ausgangsgleichspannungspegel aufrechterhalten ist.

7. Verstärkungsregelschaltung nach Anspruch 1, bei der die ersten und zweiten Differenzverstärker aus ersten und zweiten Paaren von in einer Differenzschal­ tung miteinander verbundenen Transistoren gebildet sind, wobei die Kollektoren der Transistoren des ersten Transistorpaares mit den Basen der Transistoren des zweiten Transistorpaares verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die eine veränderbare Impedanz aufweisenden, einen Strom lediglich in einer Richtung leitenden Elemente erste bzw. zweite in Durchlaßrichtung beanspruchte Dioden (3 A, 3 B) umfassen, die mit den Kollektoren der Transistoren (Q ₁, Q ₂) des ersten Transistor­ paares verbunden sind.

8. Verstärkungsregelschaltung nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stromgenerator (4 A, 4 B) Stromquellen (4 A, 4 B) umfaßt, die an die Kollektoren der Transistoren (Q ₁, Q ₂) des ersten Transistorpaares gesteuerte Ströme abgeben, welche die gleiche Größe aufweisen und welche so ge­ steuert sind, daß sie sich um denselben Betrag in derselben Richtung ändern.