DE2554865C3 - Gleichrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Die Verwendung von Verstärkern mit eines geknickten Verstärkungskennlinie und einem Arbeitspunkt im Knickpunkt der Verstärkungskennlinie als Gleichrichter ist bereits allgemein bekannt. Derartige Verstärker werden häufig auch als B-Verstärker bezeichnet und sind beispielsweise in dem Buch Meinke/Gund-Iach: Taschenbuch für Hochfrequenztechnik, 1956, Seite 817, beschrieben. Bei einem Aufbau des Verstärkers als Transistor-Verstärker wird der Arbeitspunkt des Transistors üblicherweise über einen Spannungsteiler eingestellt, bei dem der Mittelabgriff mit der Basis verbunden ist. Da die Basis-Emitterspannung des Transistors Herstellungstoleranzen unterworfen ist, und außerdem stark von der Temperatur und der Versorgungsspannung abhängt, führt die Einstellung des

Arbeitspunktes über einen festen Spannungsteiler, insbesondere bei einer Gleichrichtung von Wechselspannungssignalen mit kleiner Amplitude zu großen Gleichrichttolerarven.

Eine Gleichrichterschaltung, die als B-Verstärker

W arbeitet, ist aus den US-Patentschriften 33 81 203 und 34 19 787 bekannt. Bei der Schaltung nach der US-PS 33 81 203 wird deren Eingang neben dem gleichzurichtenden Signal eine durch eine Transistorstufe erzeugte Gleichspannung zur Einstellung des Arbeitspunktes

λ zugeführt. Diese Gleichspannung hängt von der Amplitude des gleichzurichtenden Signals und der Umgebungstemperatur ab. Die Gleichspannung ist derart, daß die Gleichrichtcrschaltung möglichst im linearen Bereich arbeitet. Nachteilig an dieser Schaltung

■to ist der große Aufwand, der /ur Erzeugung der Gleichspannung erforderlich ist. Bei der Gleichrichtcrschaltung nach US-PS 34 19 787 wird der Arbeitspunkt mit Hilfe eines Spannungsteilers festgelegt, an dem die Versorgungsspannung anliegt, so daß die oben angegc-

■)■> benen Nachteile vorliegen. Außerdem werden zum Aufbau der Schaltung komplementäre Transistoren verwendet.

Es ist weiterhin bekannt, die Gleichrichtung von Wcchselspannungssignalcn mit kleiner Amplitude mit

V) Hilfe von Operationsverstärkern und Glcichrichter-Brückenschaltungen durchzuführen. Derartige Gleichrichter sind beispielsweise in dem Buch T i e t / c / Schenk: Halblcitcrschaltungstcchnik, 1971. Seiten ^44 bis 250 beschrieben. Die WcchsclspannunKSsignale werden dem nichtinvcrticrendcn Eingang cies Operationsverstärkers zugeführt, während der invertierende Eingang über einen Widerstand mit einem Bezugspotential verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über eine Glcichrichter-Brückenschaltung

w) mit dem invertierenden Eingang verbunden. Im Qucr/.wcig der Brückcnschaltung werden gleichgerichtete Wechsclspannungssignäle abgegeben. Diese Gleichrichter haben jedoch den Nachteil, daß sie einen großen Aufwand erfordern.

··> Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Gleichrichter für Wechselspannungssignale mit kleiner Amplitude anzugeben, der geringe Glcichrichttoleranzen aufweist.

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe bei dem Gleichrichter der eingangs genannten An gemäß den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs I gelöst

Der Gleichrichter gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß er von Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannung weilgehend unabhängig ist und daß er einen geringen Aufwand erfordert.

Eine geringe Abhängigkeit des Gleichrichters von Herstellungstoleranzen wird erreicht, wenn des erste Verstärker und der zweite Verstärker Transistoren mit gleichen elektrischen Werten enthalten.

Eine geringe Abhängigkeit des Gleichrichters von Temperaturschwankungen ergibt sich, wenn der erste Verstärker und der zweite Verstärker Transistoren enthalten, die derart angeordnet sind, daß sie die gleiche Temperatur aufweisen.

Eine besonders geringe Abhängigkeit von Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Herstellungstoleranzen wird erreicht, wenn der erste Verstärker und der zweite Verstärker aus integrierten Transistoren aufgebaut sind, die auf demselben Halbleiterbauelement angeordnet sind.

Der Gleichrichter erfordert einen besonders geringen Aufwand, wenn der erste Verstärker einen ersten Transistor in Emitterschaltung enthält, dessen Basis die Wechselspannungssignale zugeführt werden und der an seinem Kollektor die gleichgerichteten Signale abgibt und wenn der Arbeitspunkt über einen Spannungsteiler eingestellt wird, dessen erstem Anschluß die Gleichspannung zugeführt wird, dessen zweiter Anschluß mit einer Spannungsquelle und dessen Mittelabgriff imit der Basis des ersten Transistors verbunden ist.

Eine besonders geringe Abhängigkeit von Schwankungen der Umgebungstemperatur, der Versorgungsspannungen und der Herstellungstoleranzen wird wegen eines gleichartigen Aufbaus des ersten Verstärkers und des zweiten Verstärkers erreicht, wenn der zweite Verstärker einen /weiten Transistor in Emitterschaltung tnthält, bei dem der Arbeitspunkt über einen Spannungsteiler eingestellt wird, dessen erstem Anschluß die Gleichspannung und dessen zweitem Anschluß die Versorgungsspannung zugeführt wird und dessen Mittelabgriff mit der Basis verbunden ist und daß der Regelverstärker einen dritten Transistor enthält, dessen Basis mit dem Kollektor des /weiten Transistors verbunden ist, an dessen Kollektor ein Be/ugspotential anliegt und an dessen Emitter die Gleichspannung abgegeben wird.

Um auch eine Zwciw jg-Gleichrichtung der Wcchsclspannungssignalc durchführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn dem ersten Transistor ein weiterer Transistor in Emitterschaltung parallel geschaltet ist, wenn die Kollektoren des ersten Transistors und des weiteren Transistors miteinander verbunden sind und wenn den Basen der Transistoren die Wechselspannungssignale als Gegentaktsignalc zugeführt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispicl des Gleichrichters gemäß der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. I ein Schaltbild eines ersten Gleichrichters,

Fig. 2 eine Kennlinie eines Verstärkers im ersten Gleichrichter,

F i g. 3 Kennlinien eines Regelverstärkers,

F i g. 4 ein Schaltbild eines zweiten Gleichrichters,

Fig. 5 eine Glciehrichikennlinic des /weilen Gleichrichters.

Der in F i g. I dargestellte Gleichrichter enthält einen ersten Verstärker Vi, dem Wcchselspunnungssignale 51 übet· einen Kondensator Ci zugeführt werden und der an seinem Ausgang gleichgerichtete Signale 52 abgibt. Weiterhin enthält der Gleichrichter einen Regelverstärker RV, der an den Verstärker Vi eine Spannung UV abgibt, die den Arbeitspunkt des Verstärkers Vl einstellt. Der Verstärker Vi ist a!s Emitterverstärker mit Stromgegenkopplung aufgebaut.

lu Er enthält einen Transistor 7Ί, dessen Kollektor über einen Kollektorwiderstand RK1 mit einem Punkt verbunden ist, an dem ein Bezugspotential von beispielsweise 0 V anliegt. Der Emitter des Transistors Ti ist über einen Emitterwiderstand REi mit einem Punkt verbunden, an dem eine negative Versorgungsspannung Ui anliegt. Über einen aus zwei Widerständen RVi und RBi bestehenden Spannungsteiler wird der Arbeitspunkt des Verstärkers Vi derart eingestellt, daß dieser im B-Betrieb arbeitet und die Signale 51 als gleichgerichtete Signale 52 an seinem Ausgang abgibt.

Der Regelverstärker RV en'Sält einen zweiten Verstärker V2 mit einem ebenfalls- als Emitterverstärker geschalteten Transistor TI mit einem Emitterwiderstand RE2 und einem Kollektorwiderstand RK 2,

2^r> dessen Widerstandswert wesentlich größer, beispielsweise um eine Zehnerpotenz, größer ist als der Widerstand RK i. Die Verstärkung des Verstärkers V2 ist damit ebenfalls wesentlich größer als diejenige des Verstärkers Vi. Der Kollektor des Transistors T2 ist

ίο mit der Basis eines weiteren Transisiors Γ3 verbunden, an dessen Kollektor das Bezugspotential anliegt und an dessen Emitter über einen aus zwei Widerständen RV2 und RB 2 gebildeten Spannungsteiler die Versorgungsspannung U1 anliegt. Der Mittelabgriff des Spannungs-

r. teilers ist mit der Basis des Transistors T2 verbunden. Außerdem wird am Emitter des Transistors Ti die Spannung UV an den Verstärker Vi abgegeben. Weitere Einzelheiten des Verstärkers Kl und des Regelverstärkers RV werden im folgenden zusammen

hi mit den F i g. 2 und 3 beschrieben.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Verstärker Vi und V2 in einer anderen Grundschaltung, beispielsweise durch eine Basisschaltung der Transistoren Ti und Γ2 aufzubauen.

r. Die in Fig. 2 dargestellie Kennlinie des Verstärkers Vl ist für ein Widerstandsverhältnis RK 1 :/?£"! = 10 dargestellt. In Abszissenrichtiing ist die Spannung UB i an der Basis des Transistors Ti und in Ordinatcnrichtung ist der Strom /K I durch den Widerstand RK i

'><> aufgetragen. Im Punkt A arbeitet der Verstärker Vl als I.incarverstärker, im Punkt B als Gleichrichter Die Einstellung des Arbeitspunktes wird üblicherweise über den Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen WVl und RBi vorgenommen. Da die Basis-Emitter-

>"i spannung des Transistors 71 Hcrstellungstoleranzcn unterworfen ist und außerdem stark vor der Temperatur und der Versorgungsspannung abhängt, führt die Einstellung des Punktes B als Arbeitspunkt über einen festen Spannungsteiler zu großen Glcichrichtlolcnw-

i'ii /en. Bei einer Gleichrichtung von kleinen Wechsclspannungssignalen, die beispielsweise kleiner als 1 V sind, ist es daher vorteilhaft, die Arbcitspunktcinstellung über den Regclverstärker R V vorzunehmen, der die Temperatureinflüsse und die Schwankungen der Versorgungs-

>■ · spannung U I ausgleicht. Der Einfluß der Herslellungsloleranzcn kann csitwcdor durch die Verwendung von integrierten Transislorbausteincn oder durch einen Abgleich ausgeschaltet werden.

Die F i g. J zeigt die Kennlinien des am Anschluß der Basis des Transistors T2 aufgetrennten Regelverstärkers RV. (η Abszissenrichtung sind die Spannung LJB2 an der Basis des Transistors T2 und die Spannung UR am Mittelabgriff des Spannungsteilers RV2, RB2 in bezug auf die Versorgungsspannung Ui und in Ordinatenrichtung ist der Strom JK 2 durch den Widerstand RK 2 aufgetragen. Die durchgezogen dargestellte Kennlinie zeigt die Kennlinie für den Kollektorstrom JK 2 in Abhängigkeit von der Spannung UB 2 und die gestrichelt dargestellte Kennlinie zeigt die Kennlinie für die Spannung UR in Abhängigkeit vom Strom JK 2. Der Schnittpunkt der beiden Kennlinien ist der Arbeitspunkt B. Mit Hilfe der Spannung UV am Ausgang des Regelverstärkers RV wird der Arbeitspunkt von einem oder mehreren Verstärkern Vl stabilisiert. Da der Verstärker V2 eine im Vergleich /um Verstärker Vl große Verstärkung hat. werden diirch ihn bereits sehr kleine Schwankungen des Stromes JK 2 ausgeregclt. Da der Verstärker V2 in der gleichen Grundschaltung aufgebaut ist wie der Verstärker VI und die Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors T1 im Verstärker V 1 durch die Gleichspannung UVerfolgt, wird damit sichergestellt, daß auch die Schwankungen des Stromes JK I entsprechend der Verstärkung des Verstärkers V2 verkleinert werden und der Arbeitspunkt des Verstärkers Vl stabilisiert wird.

Um Temperatureinflüsse ausregeln zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Rcgelverstärker RV und der Verstärker Vl derart angeordnet sind, daß sie gleiche Temperatur aufweisen. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß anstelle von Einzeltransistoren ein integrierter Transistorbaustein verwendet wird, bei dem mehrere Transistoren nebeneinander auf einem Siliziumsubstrat hergestellt werden, oder daß die Transistoren räumlich sehr nahe beieinander angeordnet werden und/oder wärmeleitend miteinander verbunden sind. Diese Transistoren haben im Betrieb die gleiche Temperatur. Außerdem haben sie annähernd gleiche elektrische Daten. Aufgrund der geringen Unterschiede in den elektrischen Daten können mehrere Verstärker Vl mit Vorwiderständen RVi angesteuert werden, die den gleichen Widerstandswert haben, und ein individueller Abgleich der einzelnen Verstärker RV1 ist nicht erforderlich.

Der in F i g. 4 dargestellte Gleichrichter ist für eine Zweiweg-Gleichrichtung von gegenphasigen Wechselspannungssignalen vorgesehen. Dieser Gleichrichter enthält ebenfalls einen Regelverstärker RV der ähnlich aufgebaut ist wie der Regelverstärker RVin Fig. I. Er unterscheidet sich von diesem nur dadurch, daß der Kollektor des Transistors Γ3 mit einem Punkt verbunden ist, an dem eine positive Versorgungsspannung U2 anliegt. Der Regelverstärker RV gibt an seinem Ausgang die Spannung ί/Van einen Verstärker V3 ab. Dem Verstärker V3 werden die gegenphasigen Wechselspannungssignale als Signale S3 und 54 zugeführt und er gibt an seinem Ausgang ein gleichgerichtetes Signal 55 ab. dessen Amplitude von

ί der Amplitude der Signale 53 und 54 abhängt.

Der Verstärker V3 enthält zwei Transistoren T4 und TS. deren Kollektoren miteinander verbunden sind und an deren Emitter über jeweils einen Widerstand RE3 bzw. REA die negative Versorgungsspannung Ui

ίο anliegt. An den Kollektoren der Transistoren Γ4 und TS liegt über einen Widerstand RK 3 die Versorgungs Spannung i/2 an. Außerdem wird dort das Ausgangssignal 55 abgegeben. Der liasis des Transistors 7 4 wird das Signal 53 über einen Kondensator TA zugeführt.

ii Die Einstellung des Arbeitspunktcs des Transistors 7 4 erfolgt in ähnlicher Weise wie beim Verstärker Vl mit Hilfe eines aus zwei Widerstanden RV3 und RB3 gebildeten Spannungsteilers, an dem die Spannung ''V

uiiii\.f t. ivti uu.ji.» UV..1 ι iuii.ti.iii'1.) ι / niiuua3.jignaiu-i

<"» über einen Kondensator ("3 zugeführt. Auch hier erfolgt die Einstellung des Arbeitspunktes über einen aus zwei Widerständen WV4 und RBA gebildeten Spjinnungsteiler, an dem ebenfalls die Spannung UV anliegt. Wenn das Signal S i einen positiven Momcntan-

-"' wort annimmt, wird der Transistor 7"4 leitend gesteuert, und an seinem Kollektor wird ein Signal 55 abgegeben.

Da das Signal 54 gegenphasig zu dem Signal 5 3 ist, ist der Ti jnsistor 7~5 gleichzeitig gesperrt. Wenn das Signal 53 einen negativen Momentanwert annimmt,

»<> wird der Transistor 74 gesperrt und gleichzeitig der Transistor TS leitend gesteuert D;imit wird am Kollektor des Transistors 7"5ein Signal 55 abgegeben.

Zur Glättung der Signale 55 kann /wischen den

Kollektoren der Transistoren 7" 4 und TS und einem

i"> Punkt, an dem ein Bezugspotcntial von beispielsweise OV oder die Versorgungsspannung //1 oder i/2 anliegt, ein Kondensator CA angeordnet werden.

Die F i g. 5 zeigt die Gleichrichtkennlinie des in F i g. 4

dargestellten Gleichrichters. In Abszissenrichtung ist

·»" die Amplitude der Signale S3 und 54 und in Ordinatenrichlung ist das Gleichspannungssignal 55 dargestellt. Mit zunehmender Amplitude der Signale 53 und 54 nimmt die Amplitude des Glcichspannungssignals 55 ab. Bei sehr kleinen Signalen 53 und S4

■»"> bleiben die Transistoren TA und TS gesperrt und die Amplitude des Signals 55 ist ungefähr gleich der positiven Versorgungsspannung U2. Mit zunehmender Amplitude der Signale 53 und 54 werden die Transistoren 7"4 und TS immer mehr leitend gesteuert,

>·· und der Momentanwert des Signals 55 nimmt damit ab.

Bei sehr großen Amplituden der Signale 53 und 54 können die Transistoren 7" 4 und TS so weit leitend gesteuert werden, daß die Amplitude des Signals 55 negativ und ungefähr gleich der negativen Versorgungs-

'·*■ spannung Ui wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   |. Gleichrichter zum Gleichrichten von Wechselspannungssignalen mit kleiner Amplitude, bei dem die Wechselspannungssignale einem ersten Verstärker zugeführt werden, der eine geknickte Verstärkungskennlinie aufweist, dessen Arbeitspunkt im Knickpunkt der Verstärkungskennlinie liegt, der an seinem Ausgang gleichgerichtete Signale abgibt, und dem eine Gleichspannung zur Festlegung des Arbeitspunktes durch eine vorgeschaltete Transistorstufe zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorstufe ein Regelverstärker (RV)Kl, dem dieselbe Versorgungsspannung (U X) zugeführt wird wie dem ersten Verstärker (VX) und der einen zweiten Verstärker (V2) enthält, der in dergleichen Grundschaltung aufgebaut ist wie der erste Verstärker (VX), jedoch eine Verstärkung besitzt, die groß ist im Vergleich zur Verstärkung des ersten Verstärkers (V X).
2. 2. Gleichrichter nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (VX) und der zweite Verstärker (V2) Transistoren (TX bzw. T2) mit gleichen elektrischen Werten enthalten.
3. 3. Gleichrichter nach Anspruch I oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (VX) und der zweite Verstärker (V2) T-ansistoren (TX, T2) enthalten, die derart angeordnet sind, daß sie die gleiche Temperatur aufweisen.
4. 4. Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (VX) und der zweite Verstärker (V2) aus integrierten Transistoren (Ti, T2) ; jfgcbaut sind, die auf demselben Halbleitersubstrat angeordnet sind.
5. 5. Gleichrichter nach einen.¹ der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (VX) einen ersten Transistor (TX) in Emitterschaltung enthält, dessen Basis die Wechsclspannungssignale (S \) zugeführt werden und an dessen Kollektor die gleichgerichteten Signale (S 2) abgegeben werden und daß der Arbeitspunkt des ersten Transistors (Tl) über einen Spannungsteiler (RVX, RBX) eingestellt wird, dessen erstem Anschluß die Gleichspannung (UV) und dessen zweitem Anschluß die Versorgungsspannung (Ui) zugeführt wird und dessen Miltelabgriff mit der Basis verbunden ist.
6. 6. Gleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verstärker (V2) einen zweiten Transistor (T2) in Emitterschaltung enthält, bei dem der Arbeitspunkt über einen Spannungsteiler (RV2, RB2) eingestellt wird, dessen erstem Anschluß die Gleichspannung (UV) und dessen zweitem Anschluß die Versorgungsspannung (UX) zugeführt wird und dessen Mittelabgriff mit der Basis verbunden ist und daß der Regelverstärker (RV) einen dritten Transistor (T3) enthält, dessen Basis mit dem Kollektor des /weiten Transistors (T2) verbunden ist, an dessen Kollektor ein Bezugspotential (0 V) anliegt und an dessen Emitter die Gleichspannung (UV) abgegeben wird.
7. 7. Gleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Transistor (T4) ein weiterer Transistor (T5) in Emitterschaltung parallel geschaltet ist, daß die Kollektoren des ersten Transistors (T4) und des weiteren Transistors (T5) miccinander verbunden sind und daß den Basen der Transistoren (T4, T5)die Wechselspannungssignale als Gegentaktsignale (S3, 54) zugeführt werden (F ig. 4).