DE2642948B2

DE2642948B2 - Verfahren zur schnellen Einstellung des Arbeitsbereiches eines Transistorverstärkers

Info

Publication number: DE2642948B2
Application number: DE19762642948
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 7900 Ulm 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: 1980-08-21
Also published as: GB1570744A; IT1084219B; ATA564177A; DE2642948A1; AT360587B; DE2642948C3; FR2365912B1; FR2365912A1; NL7709651A; CH619084A5

Description

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

Es ist bekannt bei einem Transistorverstärker, tr> 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 Siebkondensaioren 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 V₀ 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 1 erforderliche Vorspannung abgegriffen und über ein Speicherelement 2 und einem Entkopplungswiderstana 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 Gegenkopplungsfaktor k frequenzabhängig. Ist /V₀ der Gegenkopplungsfaktor für Gleichstrom (T=O), so ist

wobei

fg\ = 1/2π T^und

Xg = Zeitkonstante der Gegenkopplung und damit der Arbeitspunkteinstellung ist.

Die Verstärkung eines gegengekoppelten Verstärkers ist:

V=W(I-JtV_n).

Weit unterhalb der Grenzfrequenz für die Gegenkopplung fg ι ist somit

Ar« jto und V« 1/Jt₀ .

Wenn f=f_g\ so ist k auf k_ülfl gefallen und die Verstärkung Vauf V= j/2/Jt₀ gestiegen.
Bei f>f_g ,ist

und V*

Für Frequenzen, die genügend weit oberhalb der unteren Grenzfrequenz für die Wechselstromverstärkung

für die V= V_o//2 gilt, liegen, ist
V=V₀.

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

Der Verstärker wird normalerweise mit Frequenzen oberhalb f=f_ei betrieben. Beim Einschalten oder bei niederfrequenten Störungen der Speisespannung wirkt sich jedoch die lange Zeitkonstante τ,, der Gegenkopplung für die Arbeitspunkteinstellung nachteilig aus.

Aus der Analogrechentechnik ist es bekannt, die dort verwendeten Rechen verstärker, 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

Ausgangssignals eintritt Zur Einstellung des Anfangswertes, z. B. bei Integratoren, ist eine abschaltbare, als Gleichstromgegenkopplung ausgebildete Anfangswerteinstellung unter Verwendung eines Speicberelements, 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. 1) 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 Anfangsweneinstellung, hat aber den schwerwiegenden Nachteil, daß bei Änderungen der Arbeitsbedingungen während des Betriebes der Verstärker aus seinem vorgesehenen Arbeitsbereich herausgesteuert wird.

Der Erfindung -liegt die Aufgabe zugrund", den Stand der Technik zu verbessern. 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 Ausgangsspannung möglichst innerhalb einer Schwingungsperiode 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 jedem 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 Unregelmäßigkeiten der Speisespannungsversorgung (durch beispielsweise Störungen) innerhalb einer Periodendauer des zu verstärkenden Wechselspannungssignais in einen 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 Einstellgeschwindigkeit korrigiert. Der Verstärker kann mit unterschiedlichen Betriebsspannungen und Betriebsströmen, die auch eingeprägt sein können und sich zeitlich ändern dürfen, betrieben werden. Er 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 des Über- und Unterschreitens des Arbeitsbereiches ist es vorteilhaft, den Indikator mit zwei Schwellenschaltungcn auszubilden, deren eine bei jedem Überschreiten und deren andere bei jedem Unterschreiten des Arbeitsbereiches die den Anfangs-

wert 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 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 dann trotzdem bis zu relativ niedrigen Frequenzen störungsfrei.

Die Erfindung wird nun anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigen:

Fig.3 Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

F i g. 4 Beispiel einer Speicherschaltung, F i g. 5 Ausführungsbeispiel,

Fig.6 Ausgangsspannung und Steuerspannung in Abhängigkeit von der Zeit

F i g. 7 Integrierbares AusführungsbeispieL

In F i g. 3 ist das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung dargestellt Der Transistorverstärker 1 erhält seine zu verstärkende Wechselspannung aus d^r Signalquelle 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 1 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

Der Indikator 18 enthält zweckmäßigerweise zwei Schwellenschaltungen, dessen eine bei jedem Überschreiten und dessen andere bei jedem Unterschreiten des Arbeitsbereiches die den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung einschaltet.

Wie F i g. 4 zeigt, kann die Speicherschaltung 2 aus F i g. 3 in einfacher Weise aus einem Kondensator 17 als Speicherelement und einem Hilfsverstärker 16, beispielsweise einem Stromverstärker (Spannungsfolger), bestehen, an dessen Ausgang über den Entkopplungswiderstand 3 der Eingang des Transistorverstärkers 1 angeschlossen wird. Selbstverständlich kann statt des Entkopplungswiderstandes 3 auch eine Impedanz mit hohem Wechselstromwiderstana verwendet werden. Bei genügendem großen Innenwiderstand des Hilfsverstärkers 16 kann der Entkopplungswiderstand auch entfallen.

Fig.5 zeigt ein detailliertes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Hier ist der Transistorverstärker 1 als Darlingtonschaltung mit Vortransistor 32 und Lasttransistor 31 ausgebildet. Die aus Fig.3 bekannten Einheiten wurden in Fig. 5 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ferner wurde der Lastwiderstand 30 des

Transistorverstärkers ergänzt, der an eine Betriebsspannungsquelle 28 mit Störspannungsquelle 27 über einen Schalter 29 angeschlossen ist. Die Darlingtonschaltung ist mittels eines Emitterwiderstandes 33 gegengekoppelt ~>

Am Ausgang 7 des Transistorverstärkers ist ferner der Indikator 18 angeschlossen. Der Ausgang des Indikators 18 ist mit der Speicherschaltung 2 und der Ausgang der Speicherschaltung 2 über den Entkopplungswiderstand 3 mit dem Eingang 6 des Transistorver- ι ο stärkers 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 26. Der Verbindungspunkt des ersten Widerstandes 23 mit der Zenerdiode 24 ist an den BasisanschluB eines ersten Transistors 21 und der Verbindungspunkt der Diode 25 mit 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 Kondensa- jo tor 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 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 F i g. 6 mit U₁ \ bezeichnet ist. Oberschreitet die Ausgangsspannung U₁ am Ausgang 7 die obere Schwellenspannung Lh\, 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 U₁ unter Lh\. In diesem Fall schaltet also der Transistor 21 die Gegenkopplung zwischen Ausgang 7 des Transistorverstärkers und Speicherschaltung 2.

Für die Feststellung des Unterschreitens einer unteren Schwellenspannung t/72 sind eine Diode 25 mit Widerstand 26 und der Transistor 22 vorgesehen. Der Transistor ist normalerweise durch die leitend betriebene Diode 25 gesperrt (vergl. F i g. 5). Beim Unterschreiten der unteren Schwellenspannung Lh₂ wird jedoch die Diode 25 gesperrt und der Transistor 22 über den Widerstand 26 leitend geschaltet, so daß der Kondensator 17 soweit entladen wird, bis die Ausgangsspannung Lh durch den infolge der absinkenden Kondensatorspannung des Kondensators 17 und des damit sinkenden Stroms durch den Verstärker 1 und den Lastwiderstand 30 wieder höher als die untere Schwellenspannung U₁₂ wird und damit der Transistor 22 über die Diode 25 wieder gesperrt wird.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht der in F i g. 3 dargestellten. Sie sei am Beispiel einer zeitweise durch eine Wechselspannung U₂₁ gestörten Betriebsspannung Lh» anhand der F i g. 6 näher erläutert.

Zum Zeitpunkt t = to wird die Betriebsspannung Lh» durch den Schalter 29 eingeschaltet. Die Spannung U₂₁ sei, wie der Verlauf der resultierenden Betriebsspannung (t/27+ Lh») in Abhängigkeit von der Zeit in Zeile 3 der F i g. 6 zeigt, bis zum Zeitpunkt t₂ nicht vorhanden. Über den Lastwiderstand 30 und den Transistor 21 wird der Kondensator 17 solange aufgeladen, bis die Ausgangsspannung Lh des Verstärkers 16 (vergl. F i g. 6, Zeile 2) eine ausreichende Spannung hat, um den Verstärker 1 aufzusteuern.

Bei Zeitpunkt t\ ist der Verstärker 1 aufgesteuert. Zusammen mit der jetzt verstärkten Wechselspannung übersteigt aber die Ausgangsspannung Ui des Transistorverstärkers wieder die obere Schwellenspannung Lh\ und bewirkt jeweils zur Zeit der Spannungskuppen eine weitere Erhöhung der Spannung Us, so daß der Arbeitspunkt des Verstärkers 1 weiter verschoben wird in Richtung zur unteren Schwelle U₁₂.

Zum Zeitpunkt t₂ setzt nun die Störspannung U₂i (vergl. (Un+Lh») in Zeile 3) ein, die die Spannung Lk solange nicht beeinflußt, solange die Ausgangsspannung U₁ nicht an der oberen oder an der unteren Schwellenspannung anstößt und somit durch den Indikator mit Schalter eine Korrektur bewirkt. Bei Erreichen der unteren Schwellenspannung U₁₂ wird der Transistor 22 des Indikators leitend und korrigiert den Anfangswert (Spannung Lk)-

Zwar verursacht jede Amplitudenbegrenzung nichtlineare Verzerrungen. Diese treten jedoch praktisch nur im Störungsfall und kurz nach Schaltstößen auf. Sie sind folglich nur von vernachlässigbar kurzer Dauer. Im Ausführungsbeispiel mit Widerstand 3O=IkQ, Kondensator 17=2^ μΡ und Betriebsspannung 28 = 24 V wurde eine Einstellzeit ii < 1 ms ermittelt. Die Signalfrequenz war dabei 580 Hz.

Da die Schaltung keinen festen Arbeitspunkt hat, sondern lediglich einen durch die beiden durch die Spannungen Ujt und U₁₂ festgelegten Arbeitsbereich, der durch die Verwendung des Indikators optimal ausgenutzt wird, kann der Transistorverstärker 1 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 gespeisten Endgerät einer Fernmeldeanlage verwendet wird.

In F i g. 7 ist ein leicht integrierbares Ausführungsbeispiel eines Indikators 18 und einer Speicherschaltung 2 dargestellt. Da sich PNP-Transistoren mit hoher Stromverstärkung schlecht im integrierten Schaltkreis realisieren lassen, ist es zweckmäßig, an ihrer Stelle Verbundtransistoren aus kleinflächigen PNP- und NPN-Transistoren zu verwenden. Aus diesem Grunde wurden die Transistoren 21 und 22 durch Verbundtransistoren ersetzt Femer sind statt einer Zenerdiode 24 mehrere in Flußrichtung betriebene Dioden 241... 24n 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur schnellen Einstellung des Arbeitsbereiches eines Transistorverstärkers mit einer an- und abschaltbaren als Gleichstromgegenkopplung ausgebildeten Anfangswerteinstellung unter Verwendung einer Speicherschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich bei jedem Über- und Unterschreiten des Arbeitsbereiches eine den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung eingeschaltet wird.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 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 jedem Überschreiten und dessen andere bei jedem Unterschreiten des Arbeitsbereiches die den Anfangswert korrigierende Gegenkopplung einschaltet

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 Verbindungspunkt des ersten Widerstandes (23) mi ι der Zenerdiode (24) an den Basisanschluß eines ersten Transistors (21) und der Verbindungspunkt der Diod* (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 Ausgang des Schalters (13) verbunden ist und daß der 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 sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorverstärker e^;ne Darlingtonschaltung ist, an dessen Ausgang der Indikator (18) angeschlossen ist, daß der Ausgang des Indikators mit der Speicherschaltung und der Ausgang der Speicherschaltung direkt oder über einen Entkopplungswiderstand mit dem Eingang des Transistorverstärkers verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschaltung ein Kondensator mit Hilfsverstärker ist.

1)