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"Schaltung zur elektronischen Verstärkungseinstellung't Die Erfindung
bezieht sich auf eine Schaltungsanordn zur elektronischen Einstellung der Übertragung
eines Wechselstromsignals mittels zweier Transistor-Diferenzverstärker, denen das
Wechselstromsignal als Differenz in den Zweigen der verbundenen Emitter des ersten
und zweiten sowie des dritten und vierten Transistors zugeführt wird, wobei die
Einstellspannung zwischen den verbundenen Basiselektroden des ersten und des vierten
Transistors einerseits und des zweiten und des dritten Transistors andererseits
zugeführt und das Ausgangssignal dem Kollektorstromkreis des zweiten Transistors
entnommen wird.
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Eine derartige Schaltung soll einerseits mit großen Signalen angesteuert
werden, die entweder voll oder mehr oder weniger abgeschwächt am Ausgang auftreten.
Es sollen also die Verzerrungen bei maximaler Aussteuerung gering sein; andererseits
muß auch das Rauschen, insbesondere bei minirialer Übertragung zum Ausgang, niedrig
sein, um den Signal-Rausch-Abstand hoch zu halten. Schließlich soll auch die Gleichspamlun
am Ausgang von der Verstärkungseinstellung unabhängig sein.
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Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art werden alle
diese Bedingungen gemeinsam erfüllt, wenn gemäß der Erfindung der Kollektorstrom
des dritten Transistors eine Stromspiegelschaltung steuert, die den von der Speisequelle
dem Kollektor des zweiten Transistors zufließenden Gleichstrom bestimmt derart,
daß er wenigstens annähernd gleich groß ist wie der Kollektorgleichstrom, so daß
die an den Kollektor des zweiten Transistors angeschlossene Ausgangsklemme wenigstens
nahezu gleichstromfrei ist.
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Dabei kann in an sich bekannter Weise das erste Transistorpaar vom
Wechselstromsignal gesteuert werden, während das zweite Transistorpaar nur eine
entsprechende Gleichstromeinstellung erhält Es ist aber auch möglich, beide Transistorpaare
bei etwa gleicher Gleichatromeinstellung gegenphasig mit dem lPiechselstromsignal
zu steuern. Im zweiten Fall wird dann über die Stromspiegelschaltung auch das gegenphasige
Wechselstromsignäl übertragen derart, daß am Ausgang die Gleichstromanteile kompensiert
bleiben, die Wechselsuroman-teile sich jedoch addieren.
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Da eine Schaltung nach der Erfindung einen Ausgang aufweist, der gleichstromfrei
ist und dessen Gleichspannung daher innerhalb gewisser Grenzen von der nachgeschalteten
Anordnung bestimmt werden kann, liegt eine hervorragende Eignung für die Ausführung
in integrierter Technik und die Kombination mit anderen integrierten Schaltungen
vor.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsformen beispielsweise
näher erläutert.
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Fig. 1a zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die verbundenen
Emitter der Differenzverstärker mit Stromquellen angesteuert werden.
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Fig. Ib zeigt eine Abänderung für Fig. la, wobei die Stromquellen
durch gegeilgeRoppeite 'I-arlsristoien gebildet werden, die durch Spannllngen gesteuert
werden.
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Fig. ic zeigt eine andere Abwandlung, bei der die Stromquellen von
gegengekoppelten Operationsverstärkern gebildet werden1 die durch Spannungen gesteuert
werden und deren Ausgang über je einen großen Widerstand den gewünschten Strom liefert,
wobei beide Zweige entgegengesetzt vom Wechselstromsignal gesteuert werden.
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Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der ein zweiter gleichstromfreier
Ausgang gebildet wird, um ein gegensinnig geregeltes Gegenkopplungssignal für die
Stromquellentransistoren zu erhalten, die hier ihrerseits nach Art eines Differenzverstärkers
zusammengeschaltet sind.
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Vier Transistoren 1 uld 2 bzw. 3 und 4 sind mit ihren Emittern paarweise
verbunden und an Stromquellen angeschlossen; den Transistoren 1 und 2 xird außer
einem (ersten) Gleichstrom 10 ein Signalwechselstrom 1e zugeführt, während die Emitter
der Transistoren 3 und 4 nur von einer der ersten gleichen (zweiten) Gleichstromquelle
7 gespeist werden. Die Basiselektroden der Transistoren 1 und 4 sind mit einer an
Erde liegenden Gleichspannungsquelle Ul verbunden und außerdem mit einer Regel-
oder Stellspannung Ur, deren anderer Pol an die verbundenen Basen der Transistoren
2 und 3 angeschlossen ist.
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Die Kollektoren der Transistoren 1 und 4 sind an die Speisequelle
+Ub (z.B. 24 V), deren Minuspol geerdet ist, angeschlossen. Der Kollektor des Transistors
2 am Punkt A ist mit der Ausgangsklemme 8 verbunden.
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Im Kollektorzweig des Transistors 3 liegt der Eingangskreis einer
Stromspiegelschaltung dadurch, daß der Kollektor des npn-Transistors 3 mit dem Kollektor
eines pnp-Transistors 9 verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand 11 an
die Speisequelle +11b angeschlossen ist. An der Basis des Transistors 9 liegt der
Emitter eines pnp-Transistors 10, dessen
Basis mit dem Kollektor
des Transistors 9 verbunden ist und dessen Kollektor an Erde liegt. Die Basis des
Transistors 9 ist weiter mit der Basis eines gleichartigen pnp-Transistors 12 verbunden,
dessen Emitter über einen Widerstand 13 an den positiven Pol der Speisequelle +Ub
angeschlossen und dessen Kollektor mit dem Kollektor des npn-Transistors 2 und so
mit dem Punkt A und der Ausgangsklemme 8 verbunden ist.
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Die Transistoren 9 und 12 bilden eine Stromspiegelschaltung, die so
ausgelegt ist, daß dem Punkt A von der Speisequelle Ub der gleiche Strom zufließt,
wie er zum Kollektor des Transistors 3 fließt. Da die Basen der Transistoren 2 und
3 verbunden sind und in gleicher Weise von der Stellapannung Ur beeinflußt werden,
kann die Schaltung so dimensioniert werden, daß bei jeder Stromeinstellung der Transistoren
2 und 3 de Punkt A von der Speisequelle unter der Wirkung der Stromspiegelschaltung
der gleiche Strom zufließt, wie er zum Kollektor des Transistors 2 hin abfließt.
Die Ausgangsklenmme 8 ist daher insoweit gleichstromfrei und kann, z.B. von einer
an Erde liegenden Vorspannung U2 über einen Widerstand 14, auf einen Wert gebracht
werden, der in dem Intervall, in dem die Transistoren 2 und 12 noch ausreichende
Kollektorspannung haben, beliebig einstellbar ist.
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Während der Transistor 3 von der Stromquelle 10 nur mit Gleichstrom
gesteuert wird, führt der Transistor 2 von der Stromquelle Ie auch einen Signalwechselstrom.
Der Anteil dieser Ströme wird in bekannter Weise mittels der Stellspannung Ur gegenüber
den Strömen der Transistoren 1 bzw. 4 verändert.
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Wenn sich auch die Gleichströme aufheben, so tritt am Punkt A doch
die Stromdifferenz auf, die infolge der Steuerung des Transistors 2 durch den Signalwechselstrom
1e hervorgerufen wird. Dieser Signalstrom fließt dann durch den angeschlossenen
Widerstand 14 und ruft eine entsprechende Ausgangs-Signalwechselspannung Ua hervor.
Der Widerstand 14 und die Ausgangsspannung U2 können auch Teil einer nachfolgenden
Schaltung, z.B. einer Verstärkerschaltw1g, sein.
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In dieser Schaltung können die Arbeitspunkte und Arbeitsbereiche der
einzelnen Transistoren weitgehend beliebig gewählt werden, so daß die Bedingungen
hinsichtlich der Aussteuerung und etwaiger Verzerrungen (Klirrfaktor), ggf. unter
Anwendung von Gegenkopplung, eingehalten werden können. Da im Signal-Übertragungszweig
zum Ausgangspunkt A sowohl der Wechselstrom wie auch der Gleichstrom gegensinnig
geregelt werden, wird erreicht, daß der vom Gleichstrom bedingte Rauschanteil zusammen
mit dem Signalwechselstrom ebenfalls heruntergesetzt wird. Bei einer starken Signalreduktion
und kleinstem Nutzsignal am Ausgang bleibt dann nur noch der durch die Widerstände
bedingte Rauschanteil übrig, so daß das Signal-Rausch-Verhältnis optimal ist.
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Die unterhalb der gestrichelten waagerechten Linie in Fig. 1a dargestellten
Stromquellen können gemäß Fig. Ib durch zwei npn-Transistoren gebilde-t werden,
deren Emitter Gegenkoplunrs widerstände 15 und 16 enthalten und deren Basen von
einer Gleichspannunp; Uo gesteuert werden, während vor der Basis des Transistors
5 die Wechselspannungsquelle Ue eingeschaltet ist.
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Die Transistoren 5 und 6 wirken dann wie die Stromquellen Io und 1e
in Fig. 1a.
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Die Stromquellen können gemäß Fig. 1c auch dadurch hergestellt werden,
daß in die gemeinsamen Eittrzweige Widerstände 16 bzw. 17 eingeschaltet werden.
Diese werden über Längswiderstände 18 bzw. 19 gesteuert einerseits von einem Operationsverstärker
2C, der bis auf einen Verstärkungsfaktor 1 stark gegengekoppelt ist, derart, daß
er an seinem Ausgang mit niedrigem Innenwiderstand eine Spannung liefert, die seiner
Eingangs-Signalspannung von der Quelle Ue und außerdem der Gleichspannung U1 proportional
ist. Zum Widerstand 19 ist andererseits ein Operationsverstärker eingeschaltet,
der für den Wechselspannungsanteil eine Phasenumkehr bewirkt und im übrigen auf
einen Verstärkungsfaktor -1 stark gegengekoppelt ist derart, daß er neben der Gleichspannung
Un eine phasengedrehte Wechselspannung Ue liefert. Die wiaerstcind 16 u 1½
bzw.
17 und 19 sind vorzugsweise groß gegen den Emitter-Eingangswiderstand der nachgeschalteten
Transistoren 1, 2 bzw. 3,4, sie können z.B. je 20 k)bei Emitterströmen in der Größenordnung
von 0,5 mA betragen.
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Hierbei können die Einstellungen so gewählt werden, daß die an die
Teilschaltung nach Fig. 1c angeschlossenen Emitter der Transistoren 1 und 2 bzw.
3 und 4 etwa auf der halben Speisespannung Ub/2 liegen, so daß am Eingang wie am
Ausgang der gleiche maximale Spannungs-Aussteuerbereich zur Verfügung steht.
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Fig. 2 zeigt eine auf dem Prinzip von Fig. 1a beruhende Schaltung,
die weitere Abwandlungen enthält.
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Die Stromquellen für die Transistorpaare 1,2 und 3,4 werden hierbei
gebildet durch npn-Transistoren 25 und 26, deren Emitter über Widerstände 27 bzw.
28 mit einer Gleichstromquelle 10 verbunden sind. Die Basen der Transistoren 25
und 26 sind über Vorwiderstände 29 bzw. 30 mit dem Abgriff eines an der Speisespannung
Ub liegenden Spannungsteilers aus den Widerständen 31, 32 und 33 verbunden und damit
im Gleichspannungspotential festgelegt. Die Wechselspannung Ue wird der Basis des
Transistors 25 über einen Trennkondensator 34 zugeführt.
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Die Ströme der Transistoren 25 und 26 steuern - wie in Fig. 1a -die
Transistorpaare 1, 2 bzw. 3, 4, die im übrigen hinsichtlich der Gleichspannungseinstellung
von der Quelle U1 und der Stromverteilungseinstellung mittels der Stell spannung
Ur und des Anschlusses zur Ausgangsklemme 38 in gleicher Weise wirken wie in Fig.
1a. Jedoch fließt der Kollektorstrom des Transistors 1 nicht direkt aus der Speisequelle
+Ub, sondern er steuert zunächst den Eingangskreis einer weiteren (zweiten) Stromspiegelschaltung
mit den pnp-Transistqren 9', 10' und 12' und den zugehörigen Emitterwiderständen
11' und 13'. Der Ausgangskreis dieser Stromspiegelschaltung vom Kollektor des Transistors
12' ist am Pirnkt B mit dem Kollektor des Transistors Z verbunden. Dadurch wird
erreic1W, daß der delli
Punkt B zufließende, das Wechselstromsignal
(über Transistor 25 und 1) enthaltende Strom abzüglich des dem Transistor 4 zufließenden
ungesteuerten Gleichstromes dem an der Speisespannung liegenden Spannungsteiler
31, 32, 33 zwischen den Widerständen 31 und 32 zufließt und dann an den Basen der
Transistoren 25 und 26 im Sinne einer Gegenkopplung gegenüber dem Eingangssignal
Ue wirksam wird. Da der den Punkt B ansteuernde Transistor 1 von der Stellspannung
Ur gegensinnig gesteuert wird gegenüber dem an die Ausgangsklemme 38 angeschlossenen
Transistor 2, bedeutet das, daß das gegenkoppelnde Signal vom Punkt B am größten
ist dann, wenn mittels der Spamlung Ur die Übertragung zur Ausg?ngsklemme 38 auf
einen niedrigen Wert eingestellt ist.
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Für eine unverzerrte Ansteuerung durch große Eingangs signale kann
es zweckmäßig sein, daß den verbundenen Emittern der Transistoren 1, 2 und 3, 4
stärkere Ströme zugeführt werden, als sie für die gewünschte Übertragung und Regelung
in diesen Transistoren erw*~nscht sind. Den überschüssigen Strom kann man durch
gestrichelt eingezeichnete Widerstände 37 bzw. 39, die zwischen den verbundenen
Emittern der Transistoren 1, 2 bzw. 3, und dem positiven Pol der Speisequelle +Ub
eingeschaltet sind, ableiten.
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Da am Punkt B - ebenso wie am Punkt A - die Gleichströme im ganzen
Regelbereich weitgehend kompensiert sind, wird der Spannungsteiler 31, 32, 33 nicht
zusätzlich durch Gleichstrom belastet. Soweit durch andere Einflüsse dennoch Gleichstromverschiebungen
auftreten, wirken diese sich auf die Steuerung der Transistoren 25 und 26 nicht
nachteilig aus, da deren Kollektorspannuntn wie üblich einen gewissen Verschiebungsbereich
zulassen und die Emitter infolge der Ansteuerung durch eine Stromquelle 10 spannungsmäßig
ebenfalls nicht festgelegt sind.
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Die vorstehend beschriebene StromspiegeRsch33tlmg 9, 10, 11, 12, 13
ist nur ein Ausführungsbeispiel. Grundsätzlich können
auch andere
äquivalente Ausführungsarten benutzt werden.
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Weiterhin läßt sich der Anmeldungsgegenstand mit Vorteil auch in einer
sog. linearen elektronischen Potentiometerschaltwlg, z.B. entsprechend der DT-OS
1 902 064, verwenden. Patentansprüche