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"Einstellbarer Transistor-Verstärker"
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Die Erfindung bezieht sich auf einen einstellbaren Transistor-Verstärker,
bei dem der Bezugswert des zum ersten Pol der Speisequelle eingeschalteten Kollektor-Ausgangswiderstandes
wenigstens eines in seiner Gleichstromeinstellung geregelten (ersten) Transistors
in Abhäq>gkeit vom Kollektorgleichstrom wenigstens eines entgegengesetzt geregelten
(zweiten) Transistors gesteuert wird dadurch, daß der Spannungsabfall an einer im
Kollektorstrom des zweiten Transistors liegenden Impedanz über einen (dritten) Emitter-Folger-Transistor
an den gewünschten Bezugspunkt übertragen wird.
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Bei einem derartigen Verstärker, der insbesondere mit Differenzverstärkern
ausgebildet ist, kann sich der Spannungsabfall an der Impedanz, z.B. einem ohmschen
Widerstand, ausreichend linear mit der Gleichstromeinstellung des ersten Transistors
ändern.
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Über dem Emitterfolger wird diese Spannung aber nicht unverändert
zum Ausgangswiderstand hin übertragen; es ergibt sich
eine Differenz
in Höhe der Basis-Emitter-Spannung. Diese ist außerdem nicht konstant, sondern ein
bestimmter Wert von z.B. 0,7 V ändert sich infolge der Stromänderung um z.B. 150
mV, wobei zusätzlich temperaturabhängige Änderungen von z.B. 2 mV pro OC auftreten.
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Dadurch kann also der Gleichspannungswert am Ausgang um z.B. 200 bis
250 mV verfälscht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Stabilisierung
des Ausgangs-Gleichspannungswertes zu erzielen. Diese Aufgabe wird bei einem Verstärker
der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung der Emitter des
dritten Transistors mit dem zweiten Pol der Speisequelle (Masse) verbunden ist über
ein Gleichstrom leitendes Schaltelement, insbesondere einen ohmschen Widerstand,
der vorzugsweise kleiner ist als der Kollektor-Ausgangswiderstand des ersten Transistors,
und daß in Reihe mit der Impedanz eine Diodenstrecke liegt, die in ihrer Spannungs-Strom-Kennlinie
der Basis-Emitter-Strecke des dritten Transistors wenigstens annähernd gleich ist.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert, das von einer bekannten Schaltung nach Fig.
9 der US-PS 3 512 096 ausgeht.
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Durch zwei Transistoren 1 und 2 wird ein Differenzverstärker gebildet,
dem zwischen den Basen das steuernde Wechselstromsignal U5 von den Klemmen 11 und
12 zugeführt wird. Ein weiterer Differenzverstärker wird durch die Transistoren
5 und 6 gebildet, deren Basen in gleicher Weise an die Klemmen 11 und 12 angeschlossen
sind. Die Emitter der Transistoren 1 und 2 sind verbunden und liegen am Kollektor
eines Transistors 7, während
die Emitter der Transistoren 5 und
6 verbunden am Kollektor eines Transistors 8 liegen. Die Transistoren 7 und 8 sind
ebenfalls emitterseitig zusammengeschaltet und werden über eine vorzugsweise konstante
Stromquelle 9 gespeist. Zwischen den Basen der Transistoren 7 und 8 kann eine Einstellspannung
Ue über die Klemmen 13 und 14 wirksam gemacht werden.
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Der von der Stromquelle 9 zugeführte Strom wird je nach der Einstellspannung
Ue unterschiedlich auf die Transistoren 7 und 8 aufgeteilt, so daß auch die verbundenen
Emitter des Differenzverstärkers 1, 2 und des Differenzverstärkers 5, 6 unterschiedlich
angesteuert werden. In den Emitterzweigen der Transistoren 1 und 5 liegen Ausgangswiderstände
17 bzw. 18 von je 1 kOhm, die auf ihrer anderen Seite gemeinsam mit dem Emitter
eines Transistors 3 verbunden sind; sein Kollektor liegt am positiven Pol der Speisequelle
+B, an deren negativem Pol (Masse) die Stromquelle 9 angeschlossen ist. Alle Transistoren
sind npn-Transistoren.
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Die Kollektoren der Transistoren 2 und 6 sind verbunden und über einen
Arbeitswiderstand 19 an +B angeschlossen.
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Zwischen den Klemmen 11 und 12 wird ein Signal Us zugeführt, das an
den mit den Kollektoren der Transistoren 1 und 5 verbundenen Ausgangsklemmen 21
und 22 als Ausgangsspannung Ua auftritt. Durch eine zwischen den Klemmen 13 und
14 zugeführte Einstellspannung kann die Übertragung zwischen den Klemmen 11, 12
und 21, 22 geändert und somit die Verstärkung eingestellt werden, die dabei auch
Werte kleiner als 1 annehmen kann.
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Infolge der über Kreuz gekoppelten Differenzverstärker 1, 2
und
5, 6 wird erreicht, daß die Einstellspannung sich auf die Spannung zwischen den
Klemmen 11 und 12 nicht auswirkt. Allerdings ändern sich je nach der eingestellten
Verstärkung und den demzufolge eingestellten Kollektorströmen die Spannungsabfälle
an den Ausgangswiderständen 17 und 18 derart, daß bei großer Verstärkung und großen
Strömen durch die Transistoren 1 und 5 ein entsprechend höherer Spannungsabfall
auftritt.
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Um diesen auszugleichen, ist der Widerstand 19 von 500 Ohm eingeschaltet,
der von den Kollektorströmen der Transistoren 2 und 6 durchflossen wird, die durch
die Spannung Ue gegensinnig zu denen der Transistoren 1 und 5 eingestellt werden.
Der am Widerstand 19 auftretende Spannungsabfall wird über den Emitterfolger-Transistor
3 auf die der Speisequelle +B zugewandten Enden der Widerstände 17 und 18 übertragen;
an den Klemmen 21 bzw. 22 tritt somit gegenüber der Speisespannung +B eine Spannungsdifferenz
auf, die sich aus den Spannungsabfällen am Widerstand 19 und am Widerstand 17 bzw.
18 zusammensetzt. Da die Ströme durch diese Widerstände bei der Verstärkungseinstellung
gegensinnig verändert werden, ergibt sich eine Kompensation in Richtung einer Stabilisierung
der Gleichspannungspegel an den Ausgangsklemmen 21 und 22.
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Vorzugsweise ist der Widerstand 19 mit 500 Ohm etwa halb so groß wie
jeder der Ausgangswiderstände 17 und 18: Da der Widerstand 19 die Kollektorströme
der beiden Transistoren 2 und 6 führt, die sich gegensinnig zu den Kollektorströmen
der Transistoren 1 und 5 ändern, ergibt sich dann, daß am Widerstand 19 bei der
doppelten Stromänderung die gleiche Spannungsänderung auftritt wie an jedem der
Widerstände 17 und 18 bei der einfachen Stromänderung.
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Der Spannungsabfall am Widerstand 19 wird an den Verbindungspunkt
der Widerstände 17 und 18 übertragen durch den Emitter-Folger-Transistor 3. Die
übertragene Spannung wird dabei um die Basis-Emitter-Spannung dieses Transistors
geändert. Soweit sie konstant bleibt, wirkt sich das nicht aus; ihr stromabhängiger
Anteil bewirkt jedoch eine Verschiebung des Gleichspannungspegels gegen Erde an
jeder der Ausgangsklemmen 21 und 22.
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Nach einem Merkmal der Erfindung wird daher in Reihe zum Widerstand
19 eine Diode 23 eingeschaltet, die, insbesondere in integrierter Technik, durch
einen Transistor gebildet werden kann, dessen Basis und Kollektor verbunden sind.
Da der Strom durch den Widerstand 19 sich entgegengesetzt ändert, wie die Ströme
durch die Ausgangswiderstände 17 und 18 und damit den Emitter des Transistors 3,
ergibt sich, daß der stromabhängige Anteil des Spannungsabfalles an der in Durchlaßrichtung
betriebenen Diode 23 sich in entgegengesetztem Sinne ändert wie die Basis-Emitter-Spannung
am Transistor 3, so daß bezüglich des Einflusses auf den Gleichspannungspegel am
Ausgang 21, 22 zumindest weitgehend eine Kompensation eintritt. Die Halbleiterelemente
3 und 23 sind zweckmäßig von gleicher Art, so daß ihre Kennlinien weitgehend übereinstimmen.
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Da die Stromänderungen durch den Transistor 3 und die Diode 23 in
entgegengesetztem Sinne verlaufen, sind infolge der starken Nichtlinearität der
Spannungs-Strom-Kennlinien die auftretenden Spannungsänderungen nicht genau gleich,
so daß nicht bei jeder Stromeinstellung eine exakte Kompensation möglich ist.
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Nach der Erfindung ist daher an den Emitter des Transistors 3 weiter
ein stromleitendes Element 24, insbesondere ein
ohmscher Widerstand,
angeschlossen. Dieser Widerstand ist vorzugsweise so bemessen, daß durch ihn ein
zusätzlicher Strom fließt, der dem maximalen Strom durch einen der Ausgangswiderstände
17 und 18 etwa gleich ist. Dadurch ergibt sich, daß infolge des zusätzlichen Stromes
die durch die Verstärkungseinstellung der Transistoren 1 und 5 bedingte Stromänderung
des Transistors 3 in einem anderen Bereich der Transistorkennlinie erfolgt. So läßt
sich erreichen, daß über den ganzen Stromänderungs-Bereich die Fehler im Pegel der
Klemmen 21 und 22 im Mittel kleiner werden als ohne diesen Widerstand. Vorzugsweise
liefert das Schaltelement einen von der anliegenden Spannung nahezu unabhängigen
Strom.
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Der Spannungsabfall an der Diode 23 und auch an der Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 3 ist auch noch von der Temperatur abhängig.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird daher der Diode 23 ein
zur Speisequelle +B fließender Zusatzstrom zugeleitet mittels eines Hilfstransistors
26 von gleicher Art, dessen Basis am Abgriff eines an die Speisequelle angeschlossenen
Spannungsteilers aus den Widerständen 27 von 11 kOhm und 28 von 1 kOhm angeschlossen
ist, und dessen Emitter über einen Widerstand 29 von 250 Ohm an Masse liegt. Über
den Transistor 26 wird somit ein im Grunde konstanter Hilfsstrom über die Diode
23 geführt. Die Transistoren 3, 23 und 26 befinden sich, insbesondere in integrierter
Halbleitertechnik, in engem thermischen Kontakt und somit auf gleicher Temperatur.
Bei einer Temperaturänderung ändert sich die Basis-Emitter-Spannung des Transistors
26 und demzufolge der Strom durch den Emitterwiderstand 29 und der Kollektorstrom,
der dann durch den Widerstand 19 fließt. Da der Widerstand 19 etwa doppelt so groß
ist wie der Widerstand 29, ergibt sich, daß bei zunehmender Temperatur und zunehmender
Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors
26 die Spannung am
Widerstand 29 und damit der Hilfsstrom durch den Widerstand 19 abnimmt. Da der Widerstand
19 vorzugsweise etwa doppelt so groß ist wie der Widerstand 29, ist die Spannungsänderung,
im erwähnten Falle also die Spannungsverminderung, am Widerstand 19 ebenfalls doppelt
so groß.
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Durch die Temperatur nehmen auch die Spannungsabfälle an der Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 3 und an der Diode 23 zu. Da gleichzeitig der temperaturabhängig
gesteuerte Spannungsabfall am Widerstandl9 etwa um den doppelten Wert eines Halbleiterüberganges
abnimmt, erfolgt hinsichtlich der Übertragung des stromabhängigen Spannungsabfalles
vom Widerstand 19 auf den Emitter des Transistors 3 eine Temperaturkompensation,
so daß die Stabilisierung der Ausgangspegel an den Klemmen 21 und 22 noch verbessert
wird.
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Patentansprüche