DE2734761A1

DE2734761A1 - Verstaerkungssteuerschaltung

Info

Publication number: DE2734761A1
Application number: DE19772734761
Authority: DE
Inventors: Paul Mike Henry; William Joseph Lillis
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1976-08-16
Filing date: 1977-08-02
Publication date: 1978-02-23
Also published as: GB1566149A; JPS5731801B2; US4065725A; JPS5344155A

Description

Dipl.-Phys. O.E. Weber d-b München 71

Patentanwalt HofbrunnstraBe 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber münchen

M 574

MOTOROLA. INC.
East Algonquin Road
fcchaumburg, 111. 60196
USA

VerstärkungSBteuerschaltung

809808/0677

Die Erfindung betrifft allgemein eine Verstärkungssteuerschaltung und bezieht sich insbesondere auf eine elektronische Verstärkungssteuerschaltung, welche zur Veränderung der Verstärkung eines Differenzverstärkers dient.

Das am weitesten verbreitete Verfahren zur Veränderung der Verstärkung eines Differenzverstärkers besteht nach dem Stand der Technik darin, einen Teil des Eingangssignals in Reaktion auf eine Steuerspannung an Masse zu shunten. Obwohl diese Methode gut dazu geeignet ist, auf elektronischem Wege festkörperverstärker zu steuern, haften dieser Methode dennoch verschiedene Nachteile an.

Bei der oben genannten bekannten Methode ist es erforderlich, daß ein großer kontinuierlicher Widerstand auf einen kleinen entsprechenden Widerstand heruntergeteilt wird. Dies ist jedoch bei den gegenwärtig üblichen Herstellungsverfahren sehr aufwendig, oder bei vertretbarem Aufwand kaum mit der erforderlichen Genauigkeit zu erreichen. Wenn das Verhältnis der Widerstände durch Herstellungstoleranzen verändert wird, so ändert sich auch das Maß der Verstärkungsänderung des Differenzverstärkers, welches in Reaktion auf ein Steuersignal auftritt, was jedoch höchst unerwünscht ist. Erwünscht ist hingegen, daß das Maß der Veränderung in der Verstärkung in bezug auf die Steuervorspannung fest und bekannt ist.

Ein weiteres Problem, welches bei dieser Aufteilung von Widerständen auftritt, besteht in einer Veränderung der Betriebetemperaturen. Wenn die effektiven Widerstände sich mit der Temperatur ändern, ändert sich nämlich auch ihr entsprechendes Verhältnis. Somit ändert sich auch das Maß der Verstärkungssteuerung mit der Temperatur. In einem dynamischen Rückführsystem mit einer geschlossenen Schleife würde dies kein Problem darstellen. In einem offenen System jedoch werden

809808/0677

dadurch erhebliche Probleme verursacht.

Ein weiteres Problem, welches der bekannten Methode anhaftet, rührt von der Tatsache her, daß die Verstärkungssteuerung an dem verhältnismäßig kleinen Widerstand des Paares erfolgt. Somit leidet darunter die Linearität der Verstärkung in bezug auf die Steuerspannung. Da weiterhin die Größe der Steuerspannung, welche an dem kleinen Widerstand aufgebaut wird, verhältnismäßig gering ist, ändert sich die Stärke des Stroms, welcher zwischen den Differenztransistorausgangspaaren aufgeteilt wird, als Funktion der Temperatur, was höchst unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkungssteuerschaltung, insbesondere für einen Differenzverstärker, zu schaffen, welche unter Vermeidung der oben genannten Nachteile insbesondere eine lineare Ansprechcharakteristik aufweist und dabei zugleich temperaturunabhängig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß eine Bezugsschaltung vorgesehen ist, welche mit dem ersten gemeinsamen Knoten des Verstärkers verbunden ist, daß weiterhin wenigstens eine elektronische Steuereinrichtung vorhanden ist, so daß eine Bezugsspannung an den ersten gemeinsamen Knoten geliefert wird, die eine vorgegebene Temperaturcharakteristik aufweist, daß weiterhin eine Verstärkungssteuerschaltung mit dem zweiten gemeinsamen Knoten verbunden ist, welche auf ein Verstärkungssteuersignal anspricht, welches dort zugeführt wird, so daß die Verstärkung des Verstärkers in Abhängigkeit von der Größe und der Polarität des Verstärkungssteuersignals verändert

809808/0677

wird, daß die Verstärkungssteuerschaltung wenigstens eine elektronische Einrichtung aufweist, so daß die Spannung, welche an dem zw.iten gemeinsamen Knoten auftritt, dazu gebracht wird, daß sie in ihrer Temperaturcharakteristik mit der Bezugsspannung identisch ist und weiterhin dazu gebracht wird, daß sie sich linear ändert, so daß die Verstärkung des Verstärkers in Übereinstimmung mit dem angelegten Verstärkungssteuersignal in linearer Weise veränderbar ist, so daß die Verstärkungssteuercharakteristik des Verstärkers von Veränderungen der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannungen unabhängig ist.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, daß sie zur Fertigung einer monolithischen integrierten Schaltung besonders gut geeignet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema eines Differenzverstärkers, welcher eine Verstärkungssteuerschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes aufweist, und

Fig. 2 eine Kurve, welche eine normalisierte Verstärkung über der Steuerspannung des Verstärkers gemäß der Erfindung darstellt.

In der Fig. 1 ist eine Differenzverstärkerschaltung dargestellt, welche derart ausgebildet ist, daß sie an einer Klemme eine Verstärkungssteuerspannung V_EGC aufnimmt. Die Differenzverstärkerschaltung 10 weist ein erstes und ein zweites Paar von Transistoren 14 bzw. 16 auf, welche in einer

809808/0677

Differentialanordnung geschaltet sind und mit der Differentialeingangsstufe bzw. Differenzeingangsstufe 18 verbunden sind. Die Eingangsstufe 18 weist Eingangstransistoren 20 und 22 auf, welche in einer Emitterkopplung über eine Stromquelle 24 an Masse geführt sind. Die Stromquelle 24 kann beliebiger bekannter Art sein und kann beispielsweise ein T-Viderstandsnetzwerk zwischen den Emittern der Transistoren 20 und 22 in Reihe mit einem Quellentransistor aufweisen. Die Baeis des Transistors 20 und des Transistors 22 ist jeweils derart geschaltet, daß dazwischen ein Differentialeingangssignal bzw. Differenzeingangssignal angelegt werden kann.

Das erste Transistorpaar 14 weist die Transistoren 26 und 28 auf, deren Emitter jeweils gemeinsam mit dem Kollektor des Transistor 20 verbunden sind. In entsprechender Weise weist das Transistorpaar 16 die Transistoren 30 und 32 auf, die gemeinsam mit dem Kollektor des Transistors 22 verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren 26 und 32 sind direkt mit einer Energieversorgungsleitung 34 verbunden, welche eine Versorgungsspannung Y„„ führt, die an der Klemme 36 zugeführt wird. Die Kollektoren der Transistoren 28 und 30 sind mit einer Energieversorgungsleitung 34 verbunden, und zwar über entsprechende Lastwiderstände 38 und 40. Differenzausgangesignale werden an den Ausgangsklemmen 42 und 44 abgeleitet, die mit den entsprechenden Kollektoren der Transistoren 28 und 30 verbunden sind. Die Basen der Transistoren 32 und 26 sind direkt miteinander verbunden, und zwar an einem Verbindungspunkt 46, an welchen auch eine konstante Bezugsspannung angelegt wird. Diese Bezugsspannung wird von der Bezugsschaltung 48 geliefert, welche die Dioden 50, 52 und 5^ aufweist, die in Serie zwischen der Energieversorgungsleitung 34 und dem Verbindungspunkt 46 angeordnet sind. Eine Konstantstromquelle 56 ist zwischen dem Verbindungspunkt 46 und einem zweiten Potential angeordnet, welches gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Masse entspricht.

809808/0677

Die Basen der Transistoren 28 und 30 sind mit dem Verbindungspunkt 58 verbunden. Die Diodenbezugskette 60, welche die in Serie geschalteten Dioden 62, 64 und 66 aufweist, ist zwischen V~_c und dem Verbindungspunkt 58 angeordnet. Wie nachfolgend näher erläutert wird, ist der Strom, welcher zu dem Knoten 58 bzw. von dem Knoten 58 fließt, in Reaktion auf die zugeführte Verstärkungssteuerspannung V_EGC in der Weise veränderlich, daß die Verstärkung des Differenzverstärkers 10 geändert wird.

Wenn entsprechende Eingangssignale den Basen der Transistoren 20 und 22 zugeführt werden, ist der Strom in den Transistorpaaren 14 und 16 unterschiedlich, da er in unterschiedlicher Weise gesteuert wird, so daß ein Differenzausgangssignal an den Ausgangsklemmen 42 und 44 hervorgerufen wird. Indem die relative Leitfähigkeit zwischen dem Transistor 28 und dem Transistor 26 verändert wird und weiterhin auch zwischen dem Transistor 30 und dem Transistor 32, kann die Verstärkung des Verstärkers gesteuert werden. Dabei ergibt sich, daß wegen der Differenzschaltung die Knoten 46 und 58 als virtuelle Masse dienen und somit keine Bypass-Kondensatoren erfordern.

Um eine Steuerung der Verstärkung des Verstärkers 10 zu gewährleisten, ist eine Verstärkungssteuerschaltung 68 vorgesehen. Die Steuerschaltung 68 weist einen Widerstand 70 und eine Diode 72 auf, die in Serie zwischen der Klemme 12 und der Masse angeordnet sind, sowie weiterhin einen Transistor 74 und einen Pinch-Widerstand 76. Die Basis des Transistors 7^ ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 70 und der Diode 72 verbunden, wobei dessen Emitter an Masse gelegt ist. Der Pinch-Widerstand 76 liegt parallel zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 7^, wobei die

809808/0677

zwischen dem Kollektor und dem Widerstand gemeinsame Anode mit dem Knoten 58 des Differenzverstärkers 10 verbunden ist.

Gemäß den obigen Ausführungen erzeugt die Bezugsschaltung 48 eine feste Spannung ν_Β1Γΐ, an der Basis der Transistoren 26 und 32. Wenn im Betrieb eine volle Verstärkung erwünscht ist, ist V-VQQ normalerweise gleich Null, und die Spannung an der Verbindung 58 ist positiv. Der Strom I_&c ist sehr viel geringer als der Strom Igxyp» und die Transistoren 28 und 30 sind voll eingeschaltet, und zwar in bezug auf die Transistoren 26 und 32. Somit wird eine volle Verstärkung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 10 geliefert.

Wenn V,™« zunimmt, nimmt auch I^q zu, wenn der Transistor 74 durchlässig wird. In Reaktion darauf, daß der Transistor 74 durchlässig wird, beginnt die Spannung an der Verbindung 58 abzunehmen oder wird weniger positiv. Die Transistoren 28 und 30 werden dann in abnehmendem Maß durchlässig und werden schließlich gesperrt. Somit nimmt die Verstärkung des Differenzverstärkers 10 allmählich ab. Bei einem Wert, bei welchem I^ gleich Ipryp wird, ist der zwischen den Transistorpaaren 28, 26 und 30, 32 aufgeteilte Strom etwa gleich. Die Verstärkung nimmt weiter linear ab, und zwar mit zunehmender Verstärkungssteuerspannung, bis die Transistoren 28 und 30 vollständig gesperrt sind (minimale Verstärkung).

Es sei bemerkt, daß das Verhältnis des Stromes, welcher zwischen jedem Transistor des Differenztransistorpaares aufgeteilt ist, dadurch verändert werden kann, daß mehr oder weniger Dioden in der Diodenkette 60 und der Bezugsschaltung 48 verwendet werden. Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird unter Verwendung von drei Dioden ein Stromverhältnis von 100:1 erreicht, wenn die Ausgangstransistoren 28

809808/0677

-JT-/14

und 30 voll ein- und voll ausgeschaltet sind.

Die nennenswerte Verbesserung der Verstärkungssteuerschaltung gemäß der Erfindung gegenüber bekannten Schaltungen liegt hauptsächlich in der Linearisierung und in der Ausdehnung des Bereiches der Verstärkungssteuerung. Die Erzeugung von Spannungen, indem Strom durch Dioden fließt, um die Verstärkung zu verändern, liefert die Linearität der Verstärkungssteuerfunktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Da weiterhin die Temperaturveränderung des Verstärkungssteuerstromes Iqq dem Strom Ip^y angepaßt werden kann, kann die Verstärkung des Differenzverstärkers 10 im wesentlichen unabhängig von der Temperatur werden, zumindest für einen vorgegebenen Bereich von Vjtqq. Weiterhin hat wegen der Symmetrie eine Veränderung in der Energieversorgungsspannung nur eine vernachlässigbare Auswirkung auf die Verstärkung des Verstärkers.

Die Kurve 80 der Fig. 2 zeigt eine typische Charakteristik des Verstärkers 10 im Hinblick auf ein Verstärkungssteuer-Eingangssignal. Die Kurve ist normalisiert und veranschaulicht die Verstärkung des Verstärkers in Prozent gegenüber der Verstärkungssteuerspannung Vjjqc« Vorteilhafterweise kann die Verstärkung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltung über einen Bereich von mehr als 60 dB verändert werden.

809808/0677

L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

, 1. Verstärker mit veränderbarer Verstärkung, welcher eine Differenzeingangsstufe aufweist, die ein Paar von Eingangski emmen und ein Paar von Ausgangsklemmen hat, wobei weiterhin eine erste und eine zweite Differenzausgangsstufe vorhanden sind, die jeweils ein Paar von Eingangsklemmen, ein Paar von Ausgangsklemmen und eine gemeinsame Klemme haben, wobei die gemeinsame Klemme von jeder der ersten und zweiten Differenzausgangestufe mit einer entsprechenden Klemme eines Paares von Ausgangsklemmen der Differenzeingangsstufe verbunden ist, wobei die erste und die zweite Differenzausgangsstufe jeweils ausgewählte erste Eingangsklemmen hat, die mit einem ersten gemeinsamen Knoten verbunden ist, und weiterhin eine ausgewählte zweite Eingangsklemme aufweist, welche mit einem zweiten gemeinsamen Knoten verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bezugεschaltung (48) vorgesehen ist, welche mit dem ersten gemeinsamen Knoten des Verstärkers verbunden ist, daß weiterhin wenigstens eine elektronische Steuereinrichtung (50, 52 oder 54) vorhanden ist, so daß eine Bezugsspannung an den ersten gemeinsamen Knoten geliefert wird, die eine vorgegebene Temperaturcharakteristik aufweist, daß weiterhin eine Verstärkungssteuerschaltung (60, 68) mit dem zweiten gemeinsamen Knoten verbunden ist, welche auf ein Verstärkungssteuersignal anspricht, welches dort zugeführt wird, so daß die Verstärkung des Verstärkers in Abhängigkeit von der Größe und der Polarität des Verstärkungssteuersignals verändert wird, daß die Verstärkungssteuerschaltung wenigstens eine elektronische Einrichtung (62, 64 oder 66) aufweist, so daß die Spannung, welche an dem zweiten gemeinsamen Knoten auftritt, dazu gebracht wird, daß sie in ihrer Temperaturcharakteristik mit der Bezugsspannung identisch ist und weiterhin

809808/0677

ORlQIMAL IN8PECTCD

dazu gebracht wird, daß sie sich linear ändert, so daß die Verstärkung des Verstärkers in Übereinstimmung mit dem angelegten Verstärkungssteuersignal in linearer Weise veränderbar ist, so daß die Verstärkungssteuercharakteristik des Verstärkers von Veränderungen der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannungen unabhängig ist.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsschaltung eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten elektronischen Steuereinrichtungen (50, 52 und 54-) aufweist, daß die erste der Mehrzahl der elektronischen Steuereinrichtungen mit einem ersten Energieversorgungspotential verbunden ist und die letzte der in Reihe geschalteten Anzahl von elektronischen Steuereinrichtungen mit dem ersten gemeinsamen Knoten verbunden ist und daß eine Stromversorgungsschaltung (56) zwischen dem ersten gemeinsamen Knoten und einem zweiten Energieversorgungspotential angeordnet ist.
3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungssteuerschaltung eine Vielzahl von in Reihe geschalteten elektronischen Steuereinrichtungen (62, 64 und 66) aufweist, welche zwischen dem ersten Energieversorgungspotential und dem zweiten gemeinsamen Knoten angeordnet sind, daß weiterhin eine Stromsteuerschaltung (68) vorgesehen ist, um den Strom zu verändern, welcher durch die in Reihe geschalteten Steuereinrichtungen der Verstärkungssteuerschaltung fließt, und zwar in Reaktion auf ein dort angelegtes Verstärkungssteuersignal, und daß die Stromveränderungsschaltung zwischen dem zweiten gemeinsamen Knoten und dem zweiten Energieversorgungspotential angeordnet ist.

809808/0677
4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromveränderungsschaltung eine elektronische Steuereinrichtung (7*0 aufweist, welche eine erste, eine zweite und eine Steuerelektrode hat, daß die erste Elektrode der elektronischen Steuereinrichtung mit dem zweiten Energieversorgungspotential verbunden ist, daß die zweite Elektrode mit dem zweiten gemeinsamen Knoten verbunden ist, daß weiterhin ein Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode der elektronischen Steuereinrichtung angeordnet ist und daß eine Vorspannungsschaltung (70, 72) vorgesehen ist, welche das Verstärkungssteuersignal aufnimmt und welche eine Ausgangsklemme hat, die mit der Steuerelektrode der elektronischen Steuereinrichtung verbunden ist.

809808/0677