DE2530169C3 - Wechselspannungsverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselspannungsverstärker mit großem Dynamikbereich, insbesondere für einen Spannungsmesser, bei dem ein logarithmischer Zusammenhang zwischen seinem Verstärkungsgrad und einer diesen steuernden Steuerspannung besteht.

Es ist bekannt, hierfür eine sogenannte Stromverteilungs-Steuerschaltung mit zwei Transistoren zu verwenden (IBM Technical Disclosure Bulletin, Oktober 1974, Seiten 1494 und 1495), wie sie z. B. auch als Modulatoren oder Mischer verwendet werden (DE-PS 12 22 128 und 62.372). Dabei werden gemäß F i g. 1 zwei Transistoren 7Ί und T2 verwendet, von denen der eine 7"I nachfolgend als Bezugstransistor und der andere 7"2 nachfolgend als Ausgangstransislor bezeichne) wird. Es handelt sich hierbei um bipolare Transistoren, die einen im wesentlichen exponcntiellen Zusammenhang der Basis-Emitter-Spannung und der Transistorsteilheit besitzen. Die beiden Transistoren Ti und Tl sind mit ihren Emittern zusammcngcschaltet und werden einer

M) seits über eine Stromquelle dargestellt durch einen weiteren Transistor T3 mit dem Strom /3 des zu verstärkenden Eingangssignals U_eund andererseits über ihre Basen mit einer den Verstärkungsgrad der Gesamtschaltung steuernden Steuerspannung U_s, angesteuert Das Ausgangssignal wird als Ausgangsstrom /2 im Kollektorkreis des Ausgangstransistors T2 entnommen.

Für die Schaltung nach F i g. 1 gilt folgende Beziehung:

/1 + /2 = 73

Aus dem obenerwähnten exponentiellen Zusammenhang zwischen der Basis-Emitter-Spannung und der Steilheit eines bipolaren Transistors ergibt sich ferner

mit Ut = der sog. Temperaturspannung, die bei Transistoren 26 mV bei Raumtemperatur beträgt Daraus ergibt sich

/3 = /2(1 + e

Jl TJ

I +

Aus letzterer Formel ergibt sich, daß der für solche Verstärker geforderte logarithmische Zusammenhang zwischen Verstärkungsgrad und Steuerspannung nur für Steuerspannungen U_s, gilt, die wesentlich größer als die Temperaturspannung Ut sind. Ein großer Dynamikbereich solcher Verstärker kann also nur dadurch erreicht werden, daß die Steuerspannung sehr groß gewählt wird. Unter diesen Voraussetzungen wird aber dann der Ausgangsstrom /2 so klein, daß über den Einfluß der Transistorkapazitäten die Grenzfrequenz des Verstärkers stark herabgesetzt wird. Daraus ergibt sich, daß die Forderung einerseits nach hoher -Orenzfrequenz und Einhaltung einer bestimmten Genauigkeit des logarithmischen Zusammenhanges zwischen Verstärkungsgrad und Steuerspannung mit der bekannten Schaltung nur dadurch erfüllt werden kann, daß der Dynamikbereich beispielsweise auf nur 10 oder 20 dB eingeschränkt wird. Ein vorbestimmter großer Dynamikbereich kann mit der bekannten Schaltung nur durch schaltungstechnisch sehr aufwendiges Hintereinanderschalten mehrerer solcher Verstärker realisiert werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen im Aufbau einfachen Wechselspannungsverstärker mit den oben geschilderten Eigenschaften zu schaffen, der trotz hoher Grenzfrequenz von beispielsweise 10 MHz oder mehr und trotz Einhaltung einer vorbestimmten Genauigkeit des logarithmischen Zusammenhanges seines Verstärkungsgrades mit der Steuerspannung von beispielsweise nur 0,1 dB in einem weiten Dynamikbereich von beispielsweise 60 dB und mehr betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Wechselspannungsverstärker laut Oberbegriff des Hauptanspruches erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verstärkers ergehen sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Für die erfindungsgemäße, in Fig. 2 an Hand eines Ausfuhrungsbeispiels näher erläuterte Schaltung gilt folgende Beziehung:

H +12 = 13 + 14, wobei /4 der zusätzlich zum

Eingangsstrnm /3 noch hinzugefügte weitere Stromanteil ist. Die Beziehung

/1 = /2 - _e"'^lU'
eingesetzt in diese Gleichung ergibt:

/2(1 +e^UJ"^T)= 13 + 14

Nachdem gemäß der Erfindung der Strom /4 dem Ausgangsstrom /2 proportional ist, also /4 = Ar- /2 gilt, ergibt sich

/2(1 - A- +

Γ2

(I - A- + c^u-'^ur)

Aus letzterer Beziehung ist ersichtlich, daß mathematisch genau ohne zusätzliche Bedingungen eine exakte exponentiell Abhängigkeit des Ausgangsstromes /2 von der Steuerspannung U_s, besteht, wenn unter Voraussetzung idealer Transistoren und ohne Berücksichtigung weiterer nachfolgend noch irläuterter Komponenten der Schaltung Ar= 1 wird, also unmittelbar der Ausgangsstrom /2 dem Eingangsstrom /3 überlagert wird. Aus dieser Beziehung ergibt sich auch, daß durch die erfindungsgemäße Maßnahme der am Emitter wirksame Widerstand des Transistors Tl unabhängig von der Stromverteilung in den beiden Transistorzweigen Tl und T2 konstant gehalten wird.

Weitere vorteilhafte Bemessungsvorschriften und zusätzliche Schaitungsmaßnahmen zur Beseitigung des Einflusses der Bahnwiderstände der beiden Transistoren, von Temperaturschwankungen und dergleichen werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert

F i g. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Wechselspannungsverstärkers, dessen eigentlicher Stromverteilungszweig mit den Transistoren Tl, T2 und T3 mit der bekannten Schaltung nach Fig. 1 übereinstimmt Erfindungsgemäß wird aus dem Kollektorkreis des Ausgangstransistors T2 über eine Stromumkehrstufe mit den Transistoren T4 und T5, den zugehörigen Kompensationsdioden D und den Widerständen R der Ausgangsstrom /2 dem Emitterverbindungspunkt P der beiden Transistoren Tl und T2 zugeführt, und zwar als Strom /4. Unter Außerachtlassung der oben bereits erwähnten zusätzlichen Störeinnüsse, beispielsweise der Bahnwiderstände der Transistoren, des Innenwiderstandes der Steuerspannungsquelle Us, und der Temperatureinflüsse ergibt sich im Idealfall, daß /4 = dem Ausgangsstrom /2 ist. In diesem Fall ist dei Übertragungsfaktor k der Stromumkehrstufe Ar-I.

Wie in Fig.3 im Detail dargestellt ist, besitzen die Transistoren Tl und T2 jeweils Bahnwiderstände, die in der Praxis einen störenden Einfluß auf die obenerwähnten Idealverhältnisse besitzen. So haben beispielsweise die Bahnwiderstände des Transistors Tl zusammen mit dem Innenwiderstand R_s, der Steuerspannungsquelle Us, einen Einfluß auf die Linearität der Gesamtverstärkung. Bei großer Aussteuerung des Transistors Tl und damit geringer Aussteuerung des Transistors T2 rufen die Bahnwiderstände des Transistors Tl zusammen mit dem Innenwiderstand der Steuerspannungsquelle Verzerrungen des Ausgangssignals hervor, die dadurch entstehen, daß das Verhältnis von dynamischem Anteil des Innenwiderstandes zu ohmschem Anteil des Innenwiderstandes beim Transistör T2 wesentlich größer wird als beim Transistor Tl. Dieser störende Einfluß läßt sich einerseits durch einen kleinen Innenwiderstand R_s, für die Steuerspannung verringern. Vollständig eliminieren läßt sich dieser Einfluß jedoch dadurch, daß ein Teil der Eingangsspan-

jo nung Uc so der Basis dieses Trans' ;ors Tl zugeführt wird, daß der an den Bahnwiderständen und R₅, entstehende Spannungsabfall, der durch den diesem Transistor Tl zugeführten Signalstromanteil /1 entsteht kompensiert wird. In dem gezeigten Ausfühiungs-

2ί beispie! wird die Eingangsspannung U_c über den Emitter des Transistors 7'3 und einen Widerstand Rb der Basis des Transistors Tl zugeführt Dieser Widerstand Rg bildet zusammen mit dem Innenwiderstand R₁₁ der Steuerspannungsquelle einen Spannungsteiler, der so

jo bemessen wird, daß der Basis dieses Transistors Tl eine Kompensationsspannung in einer Größe zugeführt wird, die dem Spannungsabfall entspricht, der durch den Signalstrom /1 an der Serienschaltung

entsteht wobei r_eb ι und rtj>1 jeweils die Bahnwiderstände und JJi die Stromverstärkung des Transistors Tl sind. Auch die Bahnwiderstände des Transistors T2 haben einen störenden Einfluß auf die geforderten Linearitätsbedingungen. Der Ausgangsstrom /2 erzeugt an den Ba^.nwiderständen des Transistors T2 ebenfalls einen störenden Spannungsabfall, der gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch ausgeglichen werden kann, daß der Ausgangsstrom /2 nicht, wie im Zusammen-

4-, hang mit dem Idealbeispiel nach F i g. 2 beschrieben, mit dem Faktor Ar= 1 dem Punkt P zugeführt wird, sondern mit einem Faktor Ar= 1 bis 2. Der zusätzliche Strom /4 ist also bis zweimal größer gewählt als der Ausgangsstrom 12. Dies kann beispielsweise einfach dadurch

™ eingestellt werden, daß der eine Widerstand A: R der Stromumkehrstufe größer als die übrigen Widerstände R gewählt wird. Eine vollständige Kompensation fur diese störenden Bahnwiderstände des Transistors T2 wird erreicht, wenn k folgender Beziehung genügt:

¹ ■ PVm

''(■Μ + "„

/Ί

wobei /ν* ι und r^i sowie j3i jeweils den Bahnwiderständen bzw. der Stromverstärkung des ersten Transistors und r_Cbi, /"«,2 i'nd ß₂ wiederum den Bahnwiderständen wi und der Stromverstärkung des zweiten Transistors T2 entsprechen. Aus dieser Beziehung ergibt sich, daß für den Innenwiderstand /?„ = 0 sich der Wert Ar=2 ergibt. Nachdem dieser Innenwiderstandswert aber immer einen endlichen Wert besitzt, ergibt sich in der Praxis h> ein Wert Ar zwischen 1 und 2.

Wegen dieser von !■;-1 abweichenden größeren Dimensionierung des zurückgeführten Stromes /4 tritt eine Überkompensation der im Zusammenhang mit F i g. 2 beschriebenen Schaltung auf. Um diesen störenden Einfluß zu beseitigen, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zusätzlich auch noch der im Strom /I enthaltene Ruhestrom /10 des Transistors Tl über einen diesem Transistor zugeordneten Regelkreis konstant gehalten. In dem gezeigten Ausführungsbeispiti nach F i g. 3 wird über ein Infegrationsglied der am Widerstand R₁- abfallende Spannungswert des Kollektorkreises dem einen Eingang eines Differenzverstärkers K zugeführt, dessen anderem

Eingang ein Referenzspannungssignal zugeführt ist. Dieser Differenzverstärker K steuert einen weiteren parallel zum Transistor Π geschalteten Transistor Γ6 derart, daß über diesen Transistor 7Ί> jeweils so viel Strom vom Verbindungspunkt P abgezogen bzw. zugeführt wird, daß die Spannung am Widerstand R, und damit auch der Ruhestrom /10 konstant bleibt.

Ein weiterer störender Einfluß ist die Temperaturubhängigkeit der Temperaturspannung LV- Diese Abhängigkeit kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch beseitigt werden, daß die beiden Transistoren Tl und Γ2 im Sinne des Ausführungsbeispieles nach Fig.3 auf einem gemeinsamen gut wärmeleitenden Träger S aufgebaut werden, z. B. auf demselben Kristall. Über einen diesem Träger S zugeordneten Temperaturfühler F, der unmittelbar auf Temperaturänderungen des Trägers und damit auch der Transistoren Π und T2

:_l. ...:_j .-.U_n. ~:_ D„„„iu_„;,. D „:„ A.„_r„~,

dliapt IUIIl, TTiiu uisui utiiuii ΐΛνςνιηι^η #» um uii.ji.iii Träger 5 zugeordnetes Heizelement H derart beeinflußt, daß sowohl Temperaturänderungen hervorgerufen durch Umwelteinflüsse als auch Temperaturänderungen in den Transistoren Ti und T2 hervorgerufen durch unterschiedliche Signalleistungeri sofort ausgeregelt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Temperaturfühler F vorzugsweise ein weiterer auf dem gleichen Träger S aufgebrachter Transistor Tl verwendet, als Heizelement können ebenfalls auf dem Träger aufgebrachte weitere Transistoren TS und Γ9 verwendet werden. Damit kann eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung mit zugeordnetem Temperaturregelkreis sehr einfach und billig aus einem üblichen monolithischen Fünf-Transistor-Bausiiein aufgebaut werden.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann wegen der allein verwendeten Standardbauteile und der Gleichspannungskopplung im Signalweg sehr einfach und billig auch in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut werden. Ein solcher integrierter Aufbau könnte durch Konstanthalten der Temperatur der gesamten Schaltung neben der Verbesserung der Stabilität auch zur Verringerung von Eigenfehlern führen. Die geringen Kapazitäten und Induktivitäten bei einem solchen integrierten Aufbau würden zusätzlich noch den Frequenzbereich erweitern.

Durch jede der oben aufgezeigten zusätzlichen erfindungsgemäßen Einzelmaßnahmen kann bei einem Verstärker der bezeichn ien Art eine wesentliche Verbesserung des Frequenzbereiches, der Dynamik und der Genauigkeit erzielt werden. Insbesondere durch das funktionell Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Maßnahme, dem Eingangsstrom einen dem Ausgangsstrom proportionalen Zusatzstrom hinzuzuaddieren. und einer oder mehreren der weiteren erfindungsgemä-

LfCn £*ϋ5αιΖΡΠαυΠαιιΐηΟΓί 7.ΌΓ ύιΐϊΓΐΐΐΓίΐΰΓαΠβ uCT lsuiim-

widerstände bzw. des Innenwidersdndes der Transistoren und des Temperatureinflusses kann ein Wechselspannungsverstärker realisiert werden, der in einem breiten Frequenzbereich bis 10 MHz und mehr und einem Dynamikbereich von 7OdB oder mehr eine Genauigkeit von 0,1 dB und darunter besitzt. Ein Wechselspannungsverstärker mit solch guten Gesamteigenschaften eignet sich beispielsweise zum Aufbau eines '.:itomatisch arbeitenden Spannungsmessers mit direkter logarithmischer Anzeige eines auf einen festen oder variablen Wert bezogenen Eingangssignals, bei dem der Wechselspannungsverstärker über seine Steuerspannung derart in einem Regelkreis betrieben wird, daß der von der Ausgangsgröße des Verstärkers abgeleitete Spitzenwert, Mittelwert oder Effektivwert gleich einem vorgegebenen Sollwert ist und die Größe der Steuerspannung unmittelbar als Meßwert angezeigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Wechselspannungsverstärker mit großem Dynamikbereich, insbesondere für einen Spannungs- messer, bei dein ein logarithmischer Zusammenhang zwischen seinem Verstärkungsgrad und einer diesen steuernden Steuerspannung besteht, mit zwei Transistoren, deren Basis-Emitter-Strecken mit dem Strom des zu verstärkenden Eingangssignals und ι ο deren Basen mit der Steuerspannung angesteuert sind und bei dem der Ausgangsstrom in einem der Kollektorkreise entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingangsstrom (/3) ein dem Ausgangsstrom (12) proportionaler Strom (/4) hinzuaddiert wird.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Ausgangsstrom (/2) proportionale Strom (/4) über eine Stromumkehrstufe (Γ4, TS) zugeführt wird.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein der zu verstärkenden Eingangsspannung (i/_e) proportionaler Anteil zur Steuerspannung (U_st) hinzuaddiert wird.

4. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Eingangsstrom (/3) hinzuaddierte Strom dem ein- bis zweifachen Wert des Ausgangsstromes (12) entspricht (/4 = k/2).

5. Verstärker nach einem der vorhergehenden to Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert des Stromes (/1) des Bezugstransistors (7*1) über einen ihm zugeordneten Regelkreis (K, 7*6) konstant gehalten ist.

6. Verstärker nach einem u^r vorhergehenden η Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren (Ti und T2) auf einem gemeinsamen Träger (S) ausgebildet sind, dessen Temperatur über einen zugeordneten Temperaturfühler (F), insbesondere einem weiteren gleicharti- to gen auf dem Träger ausgebildeten Transistor (7"7), und mindestens einem damit geregelten Heizelement (H), insbesondere ebenfalls einem oder mehreren auf dem Träger ausgebildeten Transistoren (Γ8, T9\ konstant gehalten ist 4->