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Schaltungsanordnung mit steuerbaren Impedanzen
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer mittels
einer Steuergröße veränderbaren ersten und zweiten Impedanz mit gleicher oder nahezu
gleicher Steuerkennlinie.
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Bei Verwendung von elektronisch steuerbaren Impedanzen ist in der
Regel eine genaue Kenntnis der Abhängigkeit der Impedanzwerte von der Steuergröße
erforderlich. übliche als steuerbare Impedanzen geeignete Bauelemente, wie z.B.
Feldeffekttransistoren, Dioden oder Transistoren besitzen eine Steuerkennlinie,
die zum einen nichtlinear ist und zum anderen nur mittels mathematischer Näherungsformeln
beschrieben werden kann. Es ist jedoch möglich, eine lineare Abhängigkeit zwischen
der Impedanz und der Steuergröße zu erhalten, wenn zwei Impedanzen mit gleicher
Steuerkennlinie verwendet werden.
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Eine der Impedanzen dient in einer Hilfsschaltung zur Erzeugung einer
nach Maßgabe einer Eingangsgröße gesteuerten Hilfsgröße. An der anderen Impedanz,
derem Steuereingang diese Hilfsgröße zugeführt wird , ist dann ein Impedanzwert
abgreifbar, der vorzugsweise proportionale oder umgekehrt proportionale Abhängigkeit
von der Eingangsgröße besitzt. Eine solche Schaltung ist durch die DE-AS 25 31 475
sowie durch einen Aufsatz in ;'Instruments and Control Systems" September 1970,
Seiten
117/118 bekannt.
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Bei den bekannten Schaltungen ist ein Gleichlauf zwischen den steuerbaren
Impedanzen nur möglich, wenn ihre Anschlüsse an etwa dem gleichen Bezugspotential
liegen.
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Der Erfindung liegt die Auf gabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen,
bei der der Wert einer der steuerbaren Impedanzen unabhängig von dem an ihren Anschlüssen
liegenden Bezugspotential ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
wiedergegeben.
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Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels, das in
der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt die Schaltung einer steuerbaren Impedanz 21, an
deren Anschlüssen 25 und 26 ein Impedanzwert Z abgreifbar ist, der in Abhängigkeit
einer Eingangsgröße (Spannung Ue an Eingangsklemme 1 oder Strom 1e an Eingangsklemme
3) steuerbar ist.
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Im folgenden wird zuerst erläutert, wie die lineare Abhängigkeit des
Impedanzwertes Z von der Eingangsgröße erzeugt wird und dann erklärt, wie die Steuerung
der einen Impedanz ohne Bindung an ein Bezugspotential erfolgt.
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Als Eingangsgröße kommen ein Strom Ie, der in die Eingangsklemme 3
eingespeist wird, oder eine Spannung Ue die an die Eingangsklemme 1 angelegt wird,
in Betracht. Bei einer an die Eingangsklemme 1 angelegten Spannung fließt durch
den Widerstand 2 ein zu dieser Spannung proportionaler Strom, so daß als eigentliche
Eingangsgröße ein Strom angenommen wird.
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Dieser Strom fließt über die Drain-Source-Strecke mit den Elektroden
14 und 15 eines als zweite Impedanz dienenden Feldeffekttransistors 13. Der parallel
zu der Source-Drain-
Strecke liegende Widerstand 4 bleibt zunächst
außer Betracht.
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Die Drain-Elektrode 14 des Feldeffekttransistors 1-3 ist außerdem
mit einem ersten Eingang 7 (invertierender Eingang) eines Differenzverstärkers 6
verbunden. Ein zweiter Eingang 8 (nichtinvertierender Eingang) des Differenzverstärkers
6-liegt an einer zweiten Bezugsspannung (URef2) die im vorliegenden Fall mit Masse
10 identisch ist. Die Source-Elektrode 15 des Feldeffekttransistors 13 ist über
eine Klemme 5 mit einer ersten Bezugsspannung URef1 verbunden. Ein in die Eingangsklemme
3 eingespeister Strom fließt über die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors
13 und erzeugt dort einen vonr eingestellten Impedanz abhängigen Spannungsabfall.
Aus der Abweichung dieses Spannungsabfalls von der Differenz zwischen den Bezugsspannungen
URef1 und URef2 wird in dem Differenzverstärkers 6 eine Hilf sgröße gewonnen, die
am Ausgang 9 abgreifbar ist, und über einen Spannungsteiler aus den Widerständen
11 und 12 der Gate-Elektrode 16 des Feldeffekttransistors 13 zugeführt wird. Die
Gate-Vorspannung stellt den Durchlaßwiderstand der Drain-Source-Strecke so ein,
daß er den gleichen Wert aufweist, wie der Quotient aus der Differenz der Bezugs
spannungen URef1 und URef2 geteilt durch den Eingangsstrom Ie Der Widerstandswert
des Feldeffekttransistors 13 ist damit genau umgekehrt proportional zu dem Eingangsstrom
Ie. Mittels der Hilfsgröße, die an der Ausgangsklemme 9 des Differenzverstärkers
6 abgreifbar ist, wird auch der als erste Impedanz dienende Feldeffekttransistors
21 angesteuert, dessen Widerstandswert zwischen den Ausgangsklemmen 25 und 26 abgreifbar
ist.
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Der Drain-Anschluß 22 und der Source-Anschluß 23 sind über Widerstände
19 und 20 mit einem ersten Eingang (nichtinvertierender Eingang) 29 eines Differenzverstärkers
27 verbunden.
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Die Bedeutung der Widerstände 19 und 20 wird noch später erläutert.
Der Verstärker 27 ist als nichtinvertierender Verstärker beschaltet. Zur Einstellung
der Verstärkung dienen die Widerstände 31 und 32, von denen der Widerstand 31 zwischen
einem Ausgang 28 und einem invertierenden Eingang 30 angeordnet ist, und der Widerstand
32 zwischen dem invertierenden Eingang
30 und der zweiten Bezugsspannung
URef2 Die am Ausgang 28 des Differenzverstärkers 27 stehende Spannung wird über
einen Spannungsteiler aus-den Widerständen 18 und 17 der Gate-Elektrode 24 des Feldeffekttransistors
21 zugeführt. Das übertragungsmaß zwischen dem Eingang 29 des Differenzverstärkers
27 und der Gate-Elektrode 24 hat den Wert 1. Dies wurde dadurch erreicht, daß der
Verstärkungsfaktor des Verstärkers 27 den Wert 2 aufweist, und der Spannungsteiler
aus den Widerständen 18 und 17 das Teilerverhältnis 1 : 2 besitzt, so daß insgesamt
ein Übertragungsmaß von 1 erzielt wird. In der beschriebenen Weise wirkt also das
Übertragungsglied als Spannungsfolger. Wenn daher an die Ausgangsklemmen 25 und
26 der ersten Impedanz eine Schaltung angeschlossen wird, deren Potential von dem
Bezugspotential URef2 abweicht, so wird auch die Steuerspannung am Gate 24 des Feldeffekttransistors
21 nachgeführt, Es bleibt damit der Bezug des Gate-Patentials zu dem Source-Potential
erhalten und der Widerstandswert der Drain-Source-Strecke wird damit unabhängig
von einem Potentialversatz zwischen den Anschlußklemmen 25 und 26 und dem Bezugspotential
URef2.
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Zusätzlich zu der eben erwähnten Spannung, die zur Nachführung des
Gate 24 bei einem Potentialversatz der Impedanzanschlüsse dient, wird die in der
oben beschriebenen Vergleichsschaltung mit dem Differenzverstärker 6 und der zweiten
Impedanz 13 gewonnene Hilfsgröße zugeführt. Diese beiden Spannungen überlagern sich
ungestört, so daß die erste Impedanz 21 über den Steuerstrom Ie steuerbar ist und
sich hinsichtlich ihre Impedanzwertes synchron zu der Impedanz 13 verhält. Bemerkenswert
ist hierbei, daß der Spannungsteiler aus den Widerständen 17 und 18 doppelt ausgenutzt
wird.. Von dem Differenzverstärker 6 aus betrachtet liegt der mit dem Anschluß 28
des Differenzverstärkers 27 verbundene Anschluß des Widerstandes 18 auf einem Bezugspotential,
so daß der Spannungsteiler als Teiler für die vom Ausgang 9 zugeführte Spannung
wirkt. Andererseits liegt - vom Differenzverstärker 27 aus betrachtet - der mit
dem Anschluß 9 des Differenzverstärkers 6 verbundene Anschluß des Widerstandes 17
auf einem Bezugspotential, so daß diesmal der
Spannungsteiler als
Teiler für die vom Ausgang 28 zugeführte Spannung dient. Voraussetzung für die ungestörte
überlagerung der Spannung ist, daß die Ausgänge der Differenzverstärker 6 und 27
eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen. Es ist zweckmäßig, den Spannungsteiler
17, 18 so auszubilden, daß sowohl von der Seite des Differenzverstärkers 6 als auch
von der Seite des Differenzverstärkers 27 das gleiche Teilerverhältnis vorliegt.
Der Teiler erhält dann das Teilerverhältnis 1 : 2. Entsprechend diesem Teilerverhältnis
muß auch das Teilerverhältnis der Widerstände 11 und 12 bemessen sein, damit ein
Gleichlauf zwischen den Steuerspannungen am Gate 16 des Feldeffekttransistors 13
und am Gate 24 des Feldeffekttransistors 21 erzielt wird.
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Die ohmsche Charakteristik eines Feldeffekttransistors ist nur im
Bereich sehr kleiner Drain-Source-Spannungen vorhanden. Um einerseits eine möglichst
große Aussteuerbarkeit über den linearen Bereich zu erhalten und andererseits den
Bereich nur auf den linearen Teil zu beschränken, wird die Differenz der Bezugsspannungen
URef1 und URef2 zweckmäßig zwischen 50- und 100 mV bemessen.
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Entgegen dem in der Literatur über Feldeffekttransistoren angegebenen
linearen Verlauf der UDS / ID Kennlinie im ohmschen Bereich mit UGS als Parameter
treten in der Praxis Unsymmetrien bezüglich des Gleichlaufs zweier gepaarter Impedanzen
auf, wenn die Feldeffekttransistoren mit besonders kleinen Gate-Source-Spannungen
angesteuert werden und gleichzeitig die Drain-Source-Spannungen unterschiedlich
sind. Die Ursache für dieses Verhalten liegt darin, daß die Source-Drain-Strecke
einen sich räumlich erstreckenden Kanal bildet, von dem nur ein kleiner Teil durch
die Gate-Elektrode bedeckt ist. Besonders bei kleinen Gate-Source-Spannungen wirkt
dann zwischen der Gate- und der Source-Elektrode nicht nur die Gate-Source-Spannung,
sondern auch ein Teil des Source-Drain-Potentials, das längs des Source-Drain-Kanals
abfällt. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird daher die Gate-Spannung entgegen
der üblichen Methode nicht auf das Source-Potential bezogen,
sondern
auf das Potential im Source-Drain-Kanal, das räumlich an der Stelle vorliegt, an
der sich die Gate-Elektrode befindet. Dies wird dadurch gelöst, daß ein Bezugspotential
gebildet wird, welches in der Mitte zwischen einem Potential an der Drain-Elektrode
22 und an der Source-Elektrode 23 liegt. Die Drain-Source-Strecke ist deshalb über
zwei gleichgroße Widerstände 19 und 20 überbrückt. An dem Mittenpunkt der Schaltung
wird dann das von Drain-Source-Spannungen unabhängige Bezugspotential für die Gatespannung
zur Erzielung eines konstanten Drain-Source-Widerstandes abgegriffen und in der
beschriebenen Weise über den Verstärker 27 und den Spannungsteiler 18 und 17 der
Gate-Elektrode 27 zugeführt. Da durch die Serienschaltung der Widerstände 19 und
20 eine zusätzliche Parallelimpedanz zu der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors
21 gebildet ist, wird zur Wiederherstellung der Symmetrie eine ebenso große Impedanz
der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 13 parallel geschaltet.
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Dies erfolgt durch den Widerstand 4.
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Mit der beschriebenen Schaltung läßt sich eine gute Linearität zwischen
der Impedanz Z und der Eingangsgröße 1e erreichen, so daß sich die Schaltung besonders
zum Einsatz als steuerbare Impedanz bei Schaltungsanordnungen zur automatischen
Dynamik-Kompression und -Expansion eignet. Die Forderungen nach einer exakten Reproduzierbarkeit
des Pegels und nach einem kleinen Klirrfaktor des Signals bei Dynamikänderungen
werden erfüllt. Eine bei linearen Kompandern übliche "dB-lineare" Steuerung des
Sbertragungsmaßes in Abhängigkeit einer Steuerspannung läßt sich in einfacher Weise
dadurch realisieren, daß die Eingangsklemme 3 mit der Ausgangsklemme 37 eines e-Funktionsgebers
verbunden wird. Diesem e-Funktionsgeber wird eine Steuerspannung U5t über eine Eingangsklemme
33 und einen Widerstand 34 zugeführt. Die Umwandlung der Steuerspannung in einen
dazu exponentiellen Strom erfolgt durch die nichtlineare Kennlinie eines Transistors
36. Der Arbeitspunkt dieses Transistors wird über den Widerstand 35 mit Hilfe einer
dritten Bezugsspannung URef3 eingestellt, die über eine Eingangsklemme 38 zugeführt
ist. Die Vorzeichen bei dem in der Zeichnung dargestellten
Spannungen
bzw. Strömen + Ust; -URef3; Ue; -Ie; +URef1 beziehen sich auf das Potential URef2.