DE2642948A1

DE2642948A1 - Verfahren zur schnellen einstellung des arbeitsbereiches eines transistorverstaerkers

Info

Publication number: DE2642948A1
Application number: DE19762642948
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Rall
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-09-24
Filing date: 1976-09-24
Publication date: 1978-03-30
Also published as: CH619084A5; IT1084219B; FR2365912A1; GB1570744A; NL7709651A; DE2642948B2; AT360587B; DE2642948C3; ATA564177A; FR2365912B1

Description

j Γ

Licentia
Patent-Verwaltungs-GmbH 6C00 Frankfurt (Main) 70, Theodor-Stern-Kai 1

Ulm (Donau), ^6. September 1976 PT-UL/Sar/lh UL 76/90

"Verfahren zur schnellen Einstellung des Arbeitsbereiches eines Transistorverstärkers"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Einstellung des Arbeitsbereiches eines Transistorverstärkers mit einer an- und abschaltbaren als Gleichstromgegenkopplung ausgebildeten Anfangswerteinstellung unter Verwendung einer Speicherschaltung und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

809813/0191 " ²

Es ist bekannt bei einem Transistorverstärker, insbesondere in dessen Ausgangsstufe, einen für den Betrieb der Endstufe optimalen Arbeitspunkt über eine Gleichstromgegenkopplung einzustellen. Da diese jedoch für die zu verarbeitenden Wechselspannungen unwirksam sein soll, werden Siebkondensatoren im Gleichstromgegenkopplungsweg verwendet. Dadurch ergibt sich der Nachteil, daß sich der Arbeitspunkt erst nach einer von der Größe der Siebkondensatoren und der Widerstände im Gegenkopplungsweg abhängigen Zeit auf den gewünschten Wert einstellt.

In der in Fig. 1 gezeigten bekannten und allgemein üblichen Transistorverstärkerschaltung besteht der Gleichstromgegenkopplungsweg für den Verstärker 1, dessen Verstärkung V ist, aus einem am Ausgang 7 angeschlossenen Spannungsteiler, also einer Reihenschaltung aus den Widerständen 4 und 5» an deren Verbindungspunkt die für einen vorgegebenen Arbeitspunkt des Verstärkers ι erforderliche Vorspannung abgegriffen und über ein Speicherelement 2 und einem Entkopplungswiderstand 3 dem Eingang 6 des Verstärkers zugeführt wird. In den Eingang 6 wird außerdem die zu verstärkende Wechselspannung einer Signalquelle 10 über deren Innenwiderstand 9 eingespeist.

Infolge des Speicherelementes 2, hier eines Kondensators, ist der Gegenkopp lungs faktor k frequertzabhängig. Ist k der Gegen-

809813/0191

UL 76/90

kopplungsfaktor für Gleichstrom (f. « 0), so ist k = k₀ / (1+jf/f^) wobei

und

f - Zeitkonstante der Gegenkopplung und damit der Arbeitspunkt- , einstellung ist.

Die Verstärkung eines gegengekoppelten Verstärkers ist: V = V_o/(i-kV_o).

Weit unterhalb der Grenzfrequenz für die Gegenkopplung f ^ ist somit k« k und V«r1/k .

Wenn f = f . so ist k auf k_Q/V2~ gefallen und die Verstärkung V auf V - V2/k gestiegen.

Bei f>f^ ist k»k f /f und

^ ist k»k f /

·ί—*-- g1 ο

S¹Ur Frequenzen, die genügend weit oberhalb der unteren Grenzfrequenz für die Wechselstromverstärkung ^fg2 ^{s V}oVgi · ^{für die V =} V^ SiIt, liegen, ist V - V_Q.

Diese Zusammenhänge zeigt Fig. 2, in der der normierte Gegenkopplungsfaktor k/k und die normierte Verstärkung V/V_Q in Abhängigkeit der Frequenz f jeweils in logarithmischem Maßstab aufgetragen sind.

Der Verstärker wird normalerweise mit Frequenzen oberhalb f » f 2 betrieben. Beim Einschalten oder bei niederfrequenten Störungen der Speisespannung wirkt sich jedoch die lange Zeitkon-

809813/0191 "⁴"

- Pr- UL 76/90

6 2642348

stante T der Gegenkopplung für die Arbeitspunkteinstellung nachteilig aus.

Aus der Analogrechentechnik ist es bekannt, die dort verwendeten Rechenverstärker, wie z. B. Integratoren, vor Beginn der eigentlichen Rechnung auf einen Anfangswert einzustellen. Diese Verstärker haben keinen festen Arbeitspunkt, sondern einen Arbeitsbereich, innerhalb dessen keine Übersteuerung des Axp.-gangssignals eintritt. Zur Einstellung des Anfangswertes^z. B. bei Integratoren ist eine abschaltbare, als Gleichstromgegenkopplung ausgebildete Anfangswerteinstellung unter Verwendung eines Speicherelements, beispielsweise eines Kondensators, vorgesehen. Aus dem Buch A.Korn et al, "Electronic Analog and Hybrid Computers" McGraw-Hill Book Company (1972), S. 6 ist es z. B. aus Fig. 1-3b bekannt, hierzu den Verbindungspunkt der Widerstände 4- und 5 (Fig· Ό über einen Verstärker, der zur _/ Durchführung der später erfolgenden mathematischen Operation benutzt wird, zunächst auf den gewünschten Anfangswert einzustellen. Diese Schaltung erfüllt zwar die Forderung nach schneller Anfangswerteinstellung, hat aber den schwerwiegenden ITachteil, daß bei Änderungen der Arbeitsbedingungen während des Betriebes der Verstärker aus seinem vorgesehenen Arbeitebereich herausgesteuert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Tochriik

809813/0191 "* ⁵ "

- -5· - Uli 76/90

zu verbesssern. Insbesondere soll ein Verfahren zur schnellen Einstellung des Arbeitsbereiches eines Transistorverstärkers der eingangs genannten Art angegeben werden, mit dem es möglich ist, beim Einschalten des Verstärkers und bei Unregelmäßigkeiten in der Speisespannungsversorgung den Arbeitspunkt des Transistorverstärkers in einem Arbeitsbereich einzustellen, in welchem die Aus gangs spannung möglichst innerhalb einer Schwingirngsperiode des zu verstärkenden Signals nahezu verzerrungsfrei abgreifbar ist. Ferner soll eine möglichst unaufwendige Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß lediglich bei federn Über- und Unterschreiten des Arbeitsbereiches eine den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung eingeschaltet wird.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein das Über- und Unterschreiten des Arbeitsbereichs feststellender, am Ausgang des Transistorverstärkers angeschlossener Indikator vorgesehen ist, der die den Anfangswert einstellende Gegenkopplung schaltet.

Durch die Erfindung ist es nunmehr möglich, den Arbeitspunkt eines Transistorverstärkers nach seinem Einschalten und auch bei

8Ό9813/0191 " ⁶ "

UL 76/90

Unregelmäßigkeiten der Speisespannungsversorgung (durch beispielsweise Störungen) innerhalb einer Periodendauer des zu verstärkenden ^T,vechselspannungs signals in ei^^n praktisch verzerrungsfreien Arbeitsbereich des Transistorverstärkers zu bringen. Sowohl beim Über- als auch beim Unterschreiten des Arbeitsbereiches wird die Lage des Arbeitspunktes im Augenblick des Übersteuerns und somit mit maximaler Einrtellgeschwindigkeit korrigiert. Der Verstärker kann mit unterschiedlichen Betriebsspannungen und Betriebs ε tröiuen, die auch eingeprägt sein können und sich zeitlich ändern dürfen, betrieben werden. Sr ist somit mit besonderem Vorteil in durch Teilnehmeranschlußleitungen gespeisten Endstellen von Fernmeldeanlagen verwendbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zur Feststellung der über- und Unterschreitens des Arbeitsbereiches ist es vorteilhaft, den Indikator mit zwei Schwellenschaltungen auszubilden, deren eine bei jedem Überschreiten und deren andere bei jedem Unterschreiten des Arbeitsbereiches die den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung einschaltet.

Eine einfache und betriebssichere Schaltungsanordnung für einen Indikator gibt Anspruch 4. Sie besteht in vorteilhafter Weise aus einem als Darlingtonschaltung ausgebildeten Transistorverstärker, an dessen Ausgang der Indikator angeschlossen

809813/0191 " ⁷ "

UL 76/90

ist. Der Ausgang des Indikators ist hierbei mit der Speicherschaltung und der Ausgang der Speicherschaltung direkt oder über einen
/Entkopplungswiderstand mit dem Eingang des Transistorverstärkers

verbunden.

Wird die Speicherschaltung als Kondensator mit Hilfsverstärker ausgebildet, so kann als Speicherelement ein Kondensator kleiner Kapazität verwendet werden. Der Transistorverstärker arbeitet

bis
dann trotzdem/zu relativ niedrigen Frequenzen störungsfrei.

Die Erfindung wird nun anhand von in Figuren dargestellten Ausführ ungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 Prinzipsohaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung

Fig. 4 Beispiel einer Speicherschaltung Fig. 5 Ausführungsbeispiel

Fig. 6 Ausgangsspannung und Steuerspannung in Abhängigkeit von der Zeit

Fig. 7 Integrierbares Ausführungsbeispiel

809813/0191 " ⁸ "

UL 76/90

Ir. Jig. 3 ist das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung genäß der Erfindung dargestellt. Der Transistorverstärker 1 erhält seine zu verstärkende Wechselspannung aus der Signelquelle 10 über deren Innenwiderstand 9· Die Ausgangsspannung liegt am Ausgang 7 des Verstärkers, von dem auch die den Arbeitspunkt korrigierende Gegenkopplungsspannung mittels der Spannungsteilerwiderstände 4 und 5 abgeleitet wird. Der Verbindungspunkt der Widerstände 4- und 5 ist über einen von einer Einheit 14 steuerbaren Schalter mit einer Speicherschaltung 2 verbunden, deren gespeicherter Spannungswert über einen Entkopplungswiderstand 3 mit dem Eingang des Transistorverstärkers 1 galvanisch verbunden ist.

Am Ausgang des Transistorverstärkers Λ ist ferner ein Indikator 18 vorgesehen, der das über- oder Unterschreiten des Arbeitsbereiches feststellt und der, im Prinzipschaltbild über die mit "Relais" bezeichnete Einheit 14· den Schalter 13 und damit die einen Anfangswert einstellende Gegenkopplung schaltet.

809813/0191 " ⁹ "

-JiT- UL 76/90

Der Indikator 18 enthält zweckmäßigerweise zwei Schwellenschaltur.gen, dessen eine "bei federn Überschreiten und dessen andere "bei jedem Unterschreiten des Arbeitsbereiches die den Anfangswort korrigierende Gegenkopplung einschaltet.

Wie Fig. 4- zeigt, kann die Speicherschaltung 2 aus Fig. 3 in einfacher Weise aus einem Kondensator 17 als Speicherelement und einem Hilf^verstärker i6, beispielsweise einem Stromverstärker (Spannungsfolger), bestehen, an dessen Ausgang über den Entkopplungswiderstand 3 der Eingang des Transistorverstärkers angeschlossen wird_f Selbtsverständlich kann statt des Entkopplungswiders t-andes 3 auch eine Impedanz mit hohem Wechselstromwiderstand verwendet werden. Bei genügendem großen Innenwiderstand des Hilfsverstärkers 16 kann der Entkopplungswiderstand auch entfallen.

C. Fig. 5 zeigt ein detailliertes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Hier ist der Transistorverstärker 1 als Darlingtonschaltung mit Vortransistor 32 und Lasttransistor 3"¹. ausgebildet. Die aus Fig. 3 bekannten Einheiten wurden in Fig. 5 ¹^it gleichen Bezugszeichen versehen. Ferner wurde der Lastwiderstand 3C des Trancistorverstärkers ergänzt, der an eine Betriebsspannungsquelle 28 mit Störspannungsquelle 27 über einen Schalter 29 ahgecchlossen ist. Die Darlingtonschaltung ist mittels eines Emitterv/iderStandes 33 gegengekoppolto

09813/0191

BAD

IJL 76/90

Am Ausgang 7 des Transistorverstärker ist ferner der Indikator 18 angeschlossen. Der Ausgang des Indikators 18 ist mit der Speicherschaltung 2 und der Ausgang der Speicherschaltung 2 über den EntkopplungFwiderrtaifl 3 mit dem Eingang 6 des Transistorverstärker ε verbunden.

Der Indikator 18 enthält eine Serienschaltung eines ersten Widerstandes 23 mit einer Zenerdiode 24 und eine Serienschaltung einer Diode 25 und eines zweiten Widerstandes 2*6. Der Terbindungcpunkt des ersten Widerstandes 23 mit der Zenerdiode 24· ist an den Basisanschluß eines ersten Transistors 21 und der V°rbindungspunkt der Diode 25 niit dem zweiten Widerstand 26 ist an den Basisanschluß eines zweiten Transistors angeschlossen. Der Kollektor des ersten Transistors 21 ist mit dem Emitter des zweiten Transistors 23 und dem Ausgang des Indikators verbunden. Ferner sind die Emitter des ersten Transistors 21 und die jeweiligen freien Enden des Widerstandes 23 und der Diode 25 mit dem einen Eingang und der Kollektor des zweiten Transistors 22 und die jeweiligen freien Enden der Zenerdiode 24 und des Widerstandes 26 mit dem anderen Eingang des Indikators verbunden.

Die Speicherschaltung 2 besteht aus dem Kondensators 17, der parallel zum Ausgang des Indikators 18 liegt und einem als Emitterfolger ausgebildeten Verstärker 16 mit Transistor 19 und Emitterwiderstand 20. In an sich bekannter Weise ist die Basis des

809813/0191

264¹W

Transistors 19 der Eingang des Emitterfolgers und der Emitter der Ausgang. Die Spannungsverstärkung des Emitterfolgers ist nahezu 1 und die Stromverstärkung etwa gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors 19·

Die Zenerdiode 24 des Indikators 18 bildet eine obere Schwellenspannung, die in Fig. 6 mit U₉^ bezeichnet ist. überschreitet die Ausgangsspannung Ur₇ am Ausgang 7 die obere Schwellenspannung TJr₇>], so fließt ein Strom durch den Widerstand 23· Die am Widerstand 23 auftretende Spannung steuert den Transistor 21 auf und der Kondensator 17 wird über den Lastwiderstand 30 und die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 21 geladen. Dadurch wird die Spannung am Ausgang des Verstärkers 16 und am Eingang 6 des Transistorverstärkers ,1 erhöht und damit auch der Strom im Transistorverstärker 1. Als Folge davon sinkt die Spannung Ur₇ unter Ur₇^. In diesem Fall schaltet also der Transistor 21 die Gegenkopplung zwischen Ausgang 7 des Transistorverstärkers und Speicherschaltung 2.

Für die Feststellung des Unterschre itens einer unteren Schwellenspannung Ur₇P sind eine Diode 25 mit Widerstand 26 und der Transistor 22 vorgesehen. Der Transistor ist normalerweise durch die leitend betriebene Diode 25 gesperrt (vergl. Fig. 5)· Beim Unterschreiten der unteren Schwellenspannung Ur₇₂ wird jedoch die Diode 25 gesperrt und der Transistor 22 über den Widerstand 26 leitend

809813/0191 -12-

geschaltet, so daß der Kondensator 17 soweit entladen wird, bis die Ausgangs spannung Ur₇ durch den infolge der absinkenden Kondensatorspannung des Kondensators 17 '^d des damit sinkenden Stroms durch den Verstärker ^Λ und den Lastwiderstand 30 wieder höher als die untere Schwellenspannung Uno wird und danit der Transistor 22 über die Diode 25 wieder gesperrt wird.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht der in Pig- 3 dargestellten. Sie sei am Beispiel einer zeitweise durch eine Wechselspannung U^r₇ gestörten Betriebsspannung Upg anhand der IPig. 'näher erläutert.

Zum Zeitpunkt t = 0 wird die Betriebsspannung U^o durch den Schalter 29 eingeschaltet. Die Spannung U^r₇ sei, wie die resultierende Betriebsspannung (^7+U₂₈) ^{in Zeile} 5 der Fig. 6 zeigt, bis zum Zeitpunkt t, nicht vorhanden. Über den Lastwiderstand und den Transistor 21 wird der Kondensator 17 solange aufgeladen, bis die Ausgangsspannung Ug des Verstärkers 16 (vergl. Fig. 6, Zeile 2) eine ausreichende Spannung hat, um den Verstärker 1 aufzusteuern.

Bein Zeitpunkt t* ist der Verstärker 1 aufgesteuert. Zusammen mit der jetzt verstärkten Wechselspannung übersteigt aber die Ausgangsspannung U„ des Transistorverstärkers wieder die obere Schwellenspannung U₇^ und bewirkt jeweils zur Zeit der Spannungs-

809813/0191 - 13 -

26429A8

UL 76/90

kuppen eine weitere Erhöhung der Spannung Ug, so daß der Arbeitspunkt des "Verstärkers ^Λ weiter verschoben wird in Richtung zur unteren Schwelle U^p.

Zum. Zeitpunkt t, setzt nun die Störspannung U₇₀ (vergl. (Uo₇p in S?ile 3) ein, die die Spannung Un solange nicht beeinflußt, solange die Ausgangsspannung Ur₇ nicht an der oberen oder an der unteren Schwellenspannung anstößt und somit durch den Indikator mit Schalter eine Korrektur bewirkt. Bei Erreichen der unteren Scirwellenspannung U₇p wird der Transistor 22 des Indikators lei tend und korrigiert den Anfangswert (Spannung Ug).

Zwar verursacht jede Amplitudenbegrenzung nichtlineare Verzerrungen. Diese treten jedoch praktisch nur im Störungsfall und kurz nach Schaltstoßen auf. Sie sind folglich nur von vernachlässigbar kurzer Dauer. Im Ausführungsbeispiel mit Widerstand 30=1 k/l , Kondensator 17 - 2,2 uF und Betriebsspannung 23 * 24- V wurde eine Einstellzeit t^ < Λ ms ermittelt. Die Signalfrequenz war dabei 580 Hz.

De die Schaltung keinen festen Arbeitspunkt hat, sondern lediglich einen durch die beiden durch die Spannungen Ur₇^ und U«p festgelegten Arbeitsbereich, der durch die Verwendung des Indiketors optimal ausgenutzt wird, kann der Transistorverstärker Λ

13/0191

ül 76/90

in vorteilhafter Weise mit unterschiedlichem oder zeitlich sich ändernden Betriebsspannungen und auch veränderlichen Einströmungen betrieben werden. Dieser Betrieb tritt z. B. dann auf, wenn der Transistorverstärker in einem von einer Teilnehmeranschlußleitung: gnrpcisten Endgerät einer Fernmeldeanlage Verwender wird.

In Fig. 7 ist ein leicht integrierbares Ausführungsbeispiel eines Indikators 18 und einer Speicherschaltung 2 dargestellt. Da sich PHP-Transistoren mit hoher Stromverstärkung schlecht im integrierten Schaltkreis realisieren lassen, ist es zweckmäßig, an ihrer Stelle Verbundtransistoren aus kleinflächigen PIiP- und HPN-Transistoren zu verwenden. Aus diesem Grunde wurden die Transistoren 2" und 22 durch Verbundtransistoren ersetzt. Ferner sind rtatt einer Zenerdiode 24- mehrere in Flußrichtung betriebene Dioden 24·"'...24η vorgesehen. Der Widerstand 26 ist durch eine von einem durch einen Transistor 201 gesteuerte Einströmung mittels eines Transistors 261 ersetzt und die Diode 25 wird durch einen als Diode geschalteten Transistor 251 gebildet.

Die Funktionsweise dieses integrierbaren'Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie die des in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels.

- 15 809813/0191

BAD QRiSWAL

Claims

Patent a.η sprüciie

^. Verfahren zur schnellen Einstellung des Arbeitsbereiches eines Trrincistorverstarkers mit einer an- und abschaltbaren als Gleichrtromgegenkopplung ausgebildeten Anfangswerteinstellung unter Verwendung einer Speicherschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich bei jedes Über- und Unterschreiten das Arbeitsbereiches eine den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung eingeschaltet wird.
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein das über- und Unterschreiten des Arbeitsbereiches feststellender, am Ausgang des Transistorverstärkers angeschlossener Indikator (18) vorgesehen ist, der die den Anfangswert einstellende Gegenkopplung schaltet.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator zwei Schwellenschaltungen enthält, dessen eine bei jedes. Überschreiten und dessen andere bei jedem Unterschreiten des Arbeitsbereiches die den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung einschaltet.

- 16 109813/0191

OBlGlNAL WSPECTED
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator (18) eine Serienschaltung eines ersten Widerstandes (23) mit einer Zenerdiode (24) und eine Serienschaltung einer Diode (25) und eines zweiten Widerstandes (26) enthält, daß der Verbindungspunlct des ersten Widerstandes (23) mit der Zenerdiode (24) an den 3asisanschluß eines ersten Transistors (21) und der "Verbindungspunkt der Diode (25) mit dem zweiten Widerstand (26) an den Basisanschluß eines zweiten Transistors (22) angeschlossen ist, daß der Kollektor des ersten Transistors (21) mit dem Emitter des zweiten Transistors (22) und dem Aufgang

(13)

des Schalters/ verbunden ist und daß der Emitter des ersten Tranaistors (21) und die jeweiligen freien Enden des Widerstandes (23) und der Diode (25) mit dem einen Eingang und der Kollektor des zweiten Transistors (22) und die jeweiligen freien Enden der Zonerdiode (24) und des Widerstandes (26) mit dem anderen Eingang des Indikators verbunden sind.
5· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorverstärker eine Darlingtonschaltung ist, an dessen Ausgang der Indikator (18) angeschlossen ist, daß der Aufgang des Indikators mit der Speicherschaltung und dor Aurrang; 5er Speicherschaltung direkt oder über eineji Entkopplungswiderftand mit dem Eingang des Transistorverstärker verbunden iet.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherr-chaltung ein Kondensator mit Hilfeverstärker ist.

809813/0191