DE2546844C2

DE2546844C2 - Verstärker mit Signalpegelregelung

Info

Publication number: DE2546844C2
Application number: DE2546844A
Authority: DE
Inventors: Petrie Johan Van Der Hilversum Plaats
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-10-31
Filing date: 1975-10-18
Publication date: 1981-09-24
Also published as: JPS5168156A; AU8594375A; DK484475A; BR7507059A; GB1485092A; AR209120A1; FR2290087A1; SE7512014L; NL7414217A; DE2546844A1; JPS5754002B2; FR2290087B1; IT1047244B; SE416095B; AU500832B2; BE835009A; CA1035018A

Description

Die' Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker mit Signalpegelregelung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches I,

Eine derartige Schaltung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 08 835 bekannt. Die Grundschal tung nach dieser Offenlegungssehrift enthält einen Verstärkertransistor, wobei der Emitter des Transistors geerdet und der Kollektor über eine Belastungsimpedanz mit einer Betriebsspannungsquelle gekoppelt ist. Die Basis des Transistors ist über einen Widerstand mit der Anode einer Diode verbunden, deren Kathode geerdet ist. Parallel zu der Diode ist die Reihenschnltung eines zweiten Widerstandes und einer Signalquelle angeordnet Eine Regelstromquelle mit veränderlichem Strom ist zwischen Erde und der Verbindung des zuerst genannten Widerstandes mit der Basis des Verstärkertransistors angeordnet.

Der veränderliche Strom fließt durch den ersten Widerstand und ändert auf diese Weise die zwischen der Basis und dem Emitter des Verstärkertransistors zugeführte Eingangsspannung, wodurch der Verstärkungsfaktor des Transistors geregelt wird. Der Wert des zweiten Widerstandes ist dabei derart hoch gewählt, daß die Signalquelle mit dem zweiten Widerstand eine Stromquelle bildet, oder aber der Wert des zweiten Widerstandes ist in bezug auf die Eingangsimpedanz der verbleibenden Schaltung verhältnismäßig hoch, um eine nahezu konstante Belastungsimpedanz für die Signalquelle zu erhalten.

Eine derartige Schaltungsweise ist v-^m Gesichtspunkt der Leistung sehr ungünstig. Eine Signalquelle, insbesondere eine Spannungsquelle, liefert ja dann eine Höchstleistung an eine Belastung, wenn die Impedanz einer Belastung der komplex zugesetzte Wert der Innenimpedanz der Signalquelle ist. Reelle Impedanzen oder Widerstände sollen dann einander gleich sein. Signalquellen können verhältnismäßig niederohmig sein, wobei es jedoch erwünscht ist. daß sie der Eingangsimpedan/ der Schaltung angepaßt sind. z. B. wenn die Signalquelle ein elektrodynamisches oder elektromagnetisches Mirkophon ist. Die bekannte Schaltung bewährt sich dabei nicht, ν eil die Eingangsimpedanz dieser bekannten Schaltung .lurch eine vom F.instellsirom durchflossene Diode gebildet wird, deren Impedanz gleichfalls vom Einstellstrom abhängig ist. Außerdem wird bei der bekannten Schaltung davon ausgegangen, daß die Signalquelle auch einen Gleichstrom liefert, was nicht bei allen Quellen möglich ist.

Der Erfindung licgl die Aufgabe zugrunde, bei einem Verstarker mit Signalpegclregclung der eingangs genannlen Art dessen Eingangsimpedanz vom Einstellst rom nahezu unabhängig zu machen, wobei eine Anpassung der Eingangsimpedanz auch für verhältnismäßig nicderohmigc Signalspannungsquellen möglich Sein soll.

Die Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß die crsie Impedanz zwischen Signaleingangsanschlußpui'Ki und gemeinsamen Bezugspunkt angeordnet ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verstärkt rs und Verwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus den I Iriteranspruchen.

In der einfachsten form besteht der Verstärker mit Signalpegclregelung aus einem Verstärkertransistor, clcsjcn KollGkiur mit dem genannten Ausgängen Schlußpunkt, dessen Emitter über einen Enliilcrwidcr· stand mil dc'ifl genannten gemeinsamen Bezugspunkt, der z. B. die Erde der Schallung isl, und dessen Basis mit deni genannlen Regelslromeingangsanschlußpurikl verbunden ist. Dieser Regelstrorheingarigsafischlüßpunkt ist über eine in der Durchlaßrichtung geschaltete Diode mit dem Signaleingangsahschlußpünkt verbunden, der

über einen Widerstand mit dem gemeinsamen Anschiußpunkt verbunden ist.

Der die Diode und den zuletzt genannten Widerstand durchfließende Regelstrom bestimmt den Einstellpunkt und somit den Verstärkungsfaktor des Verstärkertransistors. Wenn der Wert des letzteren Widerstandes in bezug auf die Parallelschaltung der Impedanz der Regelstromquellenschaltung und der Basiseingangsimpedanz des Transistors verhältnismäßig niedrig ist, ist die Eingangsimp^danz des Verstärkers nahezu gleich dem letzteren Widerstand, wobei die Impedanz der Diode die Eingangsimpedanz nicht beeinflußt, wodurch das Ziel einer Unabhägnigkeit der Eingangsimpedanz vom Einstellstrom erreicht ist. Die Signalspannung der Signalquelle wird dadurch um einen regelbaren Faktor verstärkt, während der Verstärker stets der Signalquelle optimal angepaßt sein kann.

Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Basispnnzip des Verstärkers.

F i g. 2 eine erste Ausführungsform eines Verstärkers, und

F i g. 3 eine bevorzugte Ausführungsforn, eines Verstärkers.

Die Schallung nach Fig. 1 enthält einen niederohmigen Fingangsstromregelkreis, der einen Regelstromeingangsanschlußpunkt 1 mit einem gemeinsamen Bezugspunkt 3 verbindet. Dieser Kreis enthält die Reihenschaltung eines als Diode geschalteten Transistors Γ, als Halbleilerübergang und eines Widerstandes P\. Der Verbindung:.punkl des Widerstandes /?< und des als Diode geschalteten transistors Γι ist mit einem Eingangsanschlußpunkt 4 verbunden. Der Widerstand Ri liegt parallel zur Signalquelle, die eine Signalspan nung V, über dem Widerstand R\ liefen. Die Basis des als Diode geschalteten Transistors Γι ist mit der Basis eines Verstärkertransisiors Tj verbunden, dessen Emitter über einen Emittcrwiderstand R> mit dem gemeinsamen Bezugspunkt 3 und dessen Kollektor mit einem Ausgangsanschlußpunkl 2 verbunden ist. In dem Ausgangskrei;. ist ein Belastungswidersland Ri angeordnet, über dem von dem Ausgangsstrom /„ eine Ausgangsspannung V₁, erzeugt wird. Der Pcgelsirom cingangsanschlußpunkt I ist mil einer Stromquelle und einer einer Stromquelle aquivalenien Schaltung verbun den.die einen einstellbaren Steuerstrom /„liefert.

Die Fingangsimpedanz des Verstärkers nach Fig. I. an dem f-ingangsansehlußpunkl 4 unier Forllassung des Widerstandes Ri und unier Vernachlässigung des diffcrcniicllen Widerstandes der Diode Γ. gemessen, ist nahezu gleich:

,t [R,+ P₁)

wobei β den Slmniverstärkungsfaktor des Fransisiors T; darstellt und Kj gleich k T/ql„ ist. wobei k die ßoli/mann Konstante. T die Absoluiieinperaiur in K und /j die ladung des I lcklrons ist Wenn /. B. β gleich 50 isl und Ht und //, je 250 ü betragen, ist diese Impedanz nahezu g'eich 25 000 52. se. daß diese Kingang-jmpedan/ vc'hiilinismaUig groß in bezug auf den Widerstand R₁ scm kann, der ζ B. 300 Ω beträgt. Die Eingangsinipcdan>". des Verstärkers, am Eingangsafischlußpürikl 4 gemeiscil, ist dann nahezu gleich R\.

Beim Fehlclri eine!" Sighalspanriung V) wird der Ausgangsstrom /„ infolge der Slfomspiegclwirkung der Schaltung völlig durch den Steuerstrom /„ bestimmt. Liegen die Gleichströme /„ und I₁₁ in der gleichen Größenordnung, infolge uV Tatsache, daß die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 7Ί und Ti in der gleichen Größenordnung liegen, so wird das Verhältnis zwischen /„und /_oim wesentlichen durch das Verhältnis zwischen R\ und Ri bestimmt, oder aber

Wenn die Widerstände Rf und Ri einander gleich und ίο die Transistoren Γι und Ti miteinander identisch sind und die gleiche Temperatur aufweisen, gilt, daß der Ausgangsgleichstrom gleich dem Steuerstrom ist. Ein solcher Fall wird für die folgende Berechnung vorausgesetzt.

Dadurch, daß die Eingangsimpedanz an der Basis des Transistors Ti in bezug auf den differentiellen Widerstand des als Diode geschalteten Transistors Γι verhältnismäßig hoch ist (mindestens ur.i einen Faktor β höher), läßt sich sagen, daß die Signalspannung V₁ .'(ι nahezu völlig an der Basis des Transistors Ti vorhanden ist. Für die Verstärkung gilt danr der bekannte Ausdruck:

ϊ? + R₁

wobei Rj=kT/ql„ ist. wobei L in erster Annäherung gleich /„ist.

Aus dem letzteren Ausdruck geht hervor, daß die Verstärkung mittels d^s Steuerstromes /. veränderbar ist. Der Regelbereich wird dabei u. a. dur^h den Wert des Widerstandes R₁ bestimmt. Der größte Regelbereich wird erhalten, wenn der Wert des Widerstandes /?» gleich Null ist. Dann gilt jedoch die Beziehung zwischen /„ und /,, nach dem Ausdruck (1) nicht mehr, sondern /„ wird nach wie vcr durch /., nach einer mathematisch verwickeiteren Beziehung bestimmt.

F'in Vorteil des o. g. Falles, bei dem Rt = Ri, Ti und Ti identisch unc¹ dementsprechend /„=/„ sin'l. ist die geringe Temperaturabhängigkeit. Dann wird je die Änderung der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Tf π : der Temperatur völlig von einer gleichen Änderung der Basis-Fmilter-Spannung des Transistors Γ; ausgeglichen.

Das anhand der Fig. I beschrieben!; Prinzip der Erfindung gilt auch für die Ausführungsfonnen naclr den F ι g. 2 und 3.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Halbleilerübergang der Basis-Emitter-Übergang des Transistors Γι. der für den Steuerstrom in Reihe mit dem Widerstand Ri geschaltet isl und dessen Kollektor mn dem Sieuerstromeingangsanschlußpunkt 1 und mit der Basis des Vcrsiärkertransisiors Ti verbunden ist. der dabei am Emitter dadurch angesteuert wird, daß die Basis des Transistors T] mn dem Emitter des Transistors Γ» verbunden ist. Der f miller des Transistors Γ; ist über die Reihenschaltung eines als Diode geschalteten Transisiors T\ und den Widerstand Ri mit dem gemeinsamen Ansi hlußpunkt 3 verbunden. Die Funktion des als Diode g-schalteten Transistors T\ besteht darin, eine bessere Slromspiegelwirkung in bezug auf den Steuerstrom I_n Und den Ausgangsström /« zu erhalten, was ebenfalls eine geringere Ten;pefa^abhängigkeit mit sich bringt,

Wenn wieder angenommen wird, daß die Transistoren Γι und t\ und die Widerstände R\ und R^ einander gleich sind, weisen diese Schaltungselemente eine Slromspiegelwirkung auf, wobei in der Ruhelage /_u= I_n

ist. Auch das Signal der Signalquelle 5 wird nun um einen mittels des Steuerstroms /„ einstellbaren Faktor verstärkt. Dabei ist die Eingangsimpedanz des Verstärkers nach Fig.2, an dem Eingangsanschlußpunkt 4 unter Fortlassung des Widerstandes /?i und unter Vernachlässigung des differentiellen Widerstandes des Basis-Emitler-Übergangs des Transistors Ti gemessen, wieder nahezu gleich β (R₂ + Rd) mit R_d=kT/ql_u, so daß für verhältnismäßig niedrige Werte des Widerstandes Rf die Eingangsimpedanz des Verstärkers am EingangsartSchlußpunkt 4 nahezu gleich /?i ist. Es sei hier bemerkt, daß die unterschiedliche Gestaltung der Schaltung nach Fig.2 in den Grundzügen bekannt ist aus der Zeitschrift IEEE, journal of Solid-State Circuits, June 1969,Seite 114, Fig. 6.

Die Ausführungsform nach Fig.3 zeigt einen Verstärker für eine Anwendung als Mikrophonverstärker in Fernsprechgeräten. Beim Fernsprechen ist die Leiiiingslänge zwischen zwei miteinander in Verbindung stehenden Fernsprechgeräten und somit die Dämpfung dieser Leitung unterschiedlich. Da Fcrnsprechgeräie von einer zentralen Stelle im Fernsprechnetz aus gespeist werden, ist der Speisestrom ein Maß für die Leilungsdämpfung. Indem die Verstärkung des Mikrophonverstärkers umgekehrt proportional zu diesem Speisestrom geändert wird, wird ein konstanter Signalpegel an der genannten zentralen Stelle erhalten. Bei dem hörenden Teilnehmer erfolgt dasselbe beim Telefonverslärker, so daß ein konstanter Signalpegcl im Telefon unabhängig von der Leitungslänge aufrechterhalten wird.

Dazu muß die Steuerstromquelle einen Steuerstrom in der genannten Abhängigkeit vom Speisestrom erzeugen. Solche Sieuerstromquellen sind bekannt (DE-AS 22 54 148) und enthalten z. B. eine Vergleichseinrichtung, die einen Strom erzeugt, der gleich dem Unterschied zwischen dem von einer Bezugssiromquel-Ic abgeleiteten konstanten Strom und einem linear vom Speisestrom abhängigen Strom ist. Es wird angenommen, daß die Steuerstromquelle /„ in Fig. 3 eine derartige Stcucrstromschaltung ist. Der Verstärker nach Fi g. 3 besteht wieder aus einem Steuerströmkreis, der die Kol'ektor-Emitler-Strecke des Transistors Ti in Reihe mit dem Widerstand Wi, über dem die Eingangssignalqucllc 5, z. B. ein Mikrophon angeordnet ist. enthält. Der Verstärkertransistor Tj wird an der Basis dadurch angesteuert, daß diese Basis mit der Basis des Transistors Ti verbunden ist. Der Steuerstromkreis ist dabei nicderohmig, da der Kollektor-Basis-Übergang des Transistors Ti von dem Basis-Emitter-Übergang eines Transistors Ti überbrückt wird, der dadurch die Basisslröme für die Transistoren Ti und T₂ liefert. Das verstärkte Signal am Ausgangsanschlußpunkt 4, das über dem Widerstand Ri. erzeugt wird, wird nochmals von einem Darlingtonverstärker verstärkt, der aus Transistoren T? und Th besteht. Die Kollektoren der Transistoren 7*, Ά und Ti, und der Kollektor des Transistors Tj über den Widerstand Ri sind mit einem Leiter 6 einer Fernsprechlcitung verbunden, während der gemeinsame Bezugspunkt 3 mit einem zweiten Leiter 7 verbunden ist. Auf diese Weise fließt durch das Leilcrpaar 6.7 ein verstärkter Signalslrom in Proportionalität mit der Lcitungsdämpfung.

Die Eingangsimpedanz der Schallung nach F i g. 3, am Eingangsanschlußpunkt 4 unter Fortlassung des Widerstandes Fi, gemessen, ist nahezu gleich ß²(R2+R,i) mit R₁I^kTZqI₁, Diese Eingangsimpedanz ist also um einen Faktor β höher als die entsprechenden Eingangsimpedaii7.cn der Schaltungen nach den Fig. I und 2. so daß bei der Schaltung nach F i g. 3 die Bedingung besser erfüllt werden kann, daß der Wert des Widerstandes R\ in bezug auf die Eingangsimpedanz des Verstärkers, am Eingangsanschlußpunkt 4 unter Fortlassiing des Widcr-Standes R\ gemessen, klein sein soll.

Der Verstärker nach F i g. 3 kann auch als Telefonverstärker verwendet werden. Der Übertragungsleitung wird dann das Eingangssignal entnommen und der Verstärker liefert das verstärkte Signal an ein Telefon.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verstärker mit Signalpegelregelung mit einem Signaleingangsanschlußpunkt, einem Regelstrom- ϊ eingangsanschlußpunkt, einem gemeinsamen Bezugspunkt, einem Ausgangsanschlußpunkt, einem Regelstromkreis, der zwischen dem Regelstromeingangsanschlußpunkt und dem gemeinsamen Bezugspunkt liegt, einem Verstärkerstromkreis, der zwi- in sehen dem Ausgangsanschlußpunkt und dem gemeinsamen Bezugspunkt liegt, einem Verstärkertransistor, dessen Emitter-Kollektor-Strecke im Ausgangsstromkreis liegt, wobei der Kollektor mit dem Ausgangsanschlußpunkt verbunden ist, und π einer Reihenschaltung eines Halbleiterüberganges und einer ersten Impedanz im Regelstromkreis, deren Verbindungspunkt mit dem Signaleingangsanschlußpunkt verbunden ist. weiche Reihenschaltung derart mit Her Basis-Emitter-Strecke des Ver- >u stärkertransiitors gekoppelt ist, daß sie zusammen mit dem Verslärkertransistor eine Stromverstärkerschaltung zur Einstellung des im Ausgangsstromkreis fließenden Ruhestromes in Abhängigkeit von dem im Regelstromkreis fließenden Regelsirom 2Ί bildet, wobei die vom Regelstrom über dieser Reihenschaltung erzeugte Spannung den Arbeitspunkt des Verstärkertransistors bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impedanz (/?,) zwischen Signaleingangsanschlußpunkt (4) in und gemeinsamen Bezugspunkt (3) angeordnet ist.

2. Verstärkt! nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitend ?rgang der Basis-Emitter-Übergang eines e^rsten Transistors (Γι) ist. dessen Basis mn der Basis dt-> Ve'-.tärkertransisiars s'i (T₁) und dessen Kollektor mit dem Regelstromeingangsanschlußpunkt (1) verbunden ist. wobei der Kollektor-Basis Übergang des ersten Transistors (Γι) von dem Basis-F.mitter-Übergang eines /weiten Transistors (T₄) überbrückt wird, dessen Kollektor w mit einem Speisepunkt (6) verbunden ist. und daß der Emitter des Verstärkertransistors [Ti) über eine zweite Impedanz (Ri) mit dem gemeinsamen Bezugspunkt (3) verbunden ist.

3. Verstärker nach Anspruch 2. dadurch gekenn- r· zeichnet, daß die erste Impedanz (R\) und die zweite Impedanz (/?;) identische Widerstände sind.

4 Verwendung eines Verstärkers nach cncm der Ansprüche I bis 3 für ein I ernsprcchgerät. wobei die Eingangsimpedanz des Verstärkers an die Innenini "> <> pcdanz eines in dieses Gerät aufgenommenen Mikrofons oder gegebenenfalls Telefons angepaßt isl.

5. Verwendung eines Verstärkers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für ein I ernsprechgerät. wobei der v> Verstärker zum Empfang eines Spciseslromcs von einer Übertragungsleiiiing eingerichtet ist. und wobei der Verstärker eine Regelslromquellenschal-(nri(? /um /tifühien eines mit zunehmendem Speisestrom abnehmenden Regclstmmes zu dem m> Regelstromcingangiitinschlußpunkt (I) des VcrsUir kerscnihäll.