DE2900911C2

DE2900911C2 - Spannungsgesteuertes Dämpfungsglied

Info

Publication number: DE2900911C2
Application number: DE2900911A
Authority: DE
Inventors: David Lee Los Angeles Calif. Baskind; Harvey Alan 90046 Los Angeles Calif. Rubens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-01-11
Filing date: 1979-01-11
Publication date: 1984-08-16
Also published as: GB2019679A; IT7983601A0; IL56367A0; US4155047A; NL7900140A; JPS54101646A; BR7900160A; IT1166333B; DE2900911A1; PH15220A; FR2414822A1; SE7900240L; IL56367A; AU523038B2; GB2019679B; CA1140224A; AU4305379A; IN151148B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein spannungsgesteuertes Dämpfungsglied nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs i,.

Derartige spannungsgesteuerte Dämpfungsglieder für analoge Hingangssignale mit direkter Kopplung zwisehen F.in- und Ausgang des Dämpfungsgliedcs sind mit einer, auch als Verstärkerfolie bezeichneten Differenzversiärkerschallung ausgerüstet, der das Eingangssignal zugeführt wird. Ein .-.pannungsgcsleuertes Dämpfungsglied ist im wesentlichen eine Verslärker-Steuerschallung, mit deren Hilfe die Verstärkung eines externen Schaltkreises gesteuert werden kann. Dieser kann ein Empfänger, eine Schalteinrichtung oder eine andere, entfernt angeordnete gesteuerte elektronische Schaltung sein.

In der Regel ist es von Vorteil, eine niedrige Sleuerspännung. vorzugsweise eine Gleichspannung zur Steuerung der Verstärkung externer elektronischer Elemente zu verwenden. Diese Steuerung findet in der Regel in gewisser Entfernung statt. Bei Verwendung einer Gleichspannungs-Stcuerspannung k;mn dt,' Operator bzw. das Hinstcllglied entfernt angeordnet und dadurch eine Beeinflussung des zu steuernden Schaltkreises vermieden werden.

(iewöhnlich werden zu steuernde Eingangssignal ein-/ein einem Paar Verstärkerzellcn zugeführt. Die Verslärkerzellen ihrerseits werden von einer Glcichspannungs-Steuerscliallung zur Änderung der Verstärkung des Eingangssignals gesteuert. Die von den Verstärkerzellen abgegriffenen Ausgangssignule werden einem Diffcrcnzverstärker zugeführt, der in bekannter Weise den durch die Sleiierspannung in den Verstärkcrzellen hervorgerufenen (ileichspannungsantcil eliminiert. Dies hat zur Folge, daß am Ausgang des Differenzverstärker nur noch das gedämpfte Wechsclspannungssignal auftritt. Nachteilig bei diesen bekannten Einrichtungen ist deren langsame Ansprechgeschwindigkeil, der geringe dynamische Steuerbereich und eine beachtliche Verzerrung.

In der US-PS 372714ft und der DE-AS 24*11713 ist dieses (irundkon/ept, die Theorie und der Betrieb von Verstärker/eilen und Differenzverstiirkern beschrieben. In Hinterer Zeil h\ in der US-PS 3921 (Wl eine Grund-Verslärker/clle und -schaltung sowie deren Verwendung als spunnungsgesteuerlcs Dämpfungsglied beschrieben worden.

Bei diesen bekannten Schaltungen werden /war die Vorteile, die sieh aus der Verwendung des Grundkon/eples eines DilTeren/verslärkers und dessen Eigenschaft /ur lliniinieiung des Glcichspaniuingsstcucranlcils im Aus-

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gangssignal des DilTcrenzverstärkers ergehen, genutzt. Das Hauptproblem bei spannungsgesteucrlen Dämpfungsgliedeni, nämlich der hohe Grad an Verzerrung, der begrenzte dynamische Steuerbereich und die begrenzte Ansprechgeschwindigkeit, ist beim Stand der Technik nicht gelöst worden. Denn bisher sind die lur derartige Bauelemente bestehenden Grenzen bzw. die damit zusammenhängenden Überlegungen nicht voll genutzt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein spannungsgesteuertes Dämpfungsglied der in Rede stehenden Art anzugeben, das sich durch hohe Ansprechgeschwindigkeit und einen großen dynamischen Steuerbereich auszeichnet, jedoch nicht an Verzerrungen aufgrund von IBelastungsefickten der Vorstärkcrzellen leidet.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches I angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß wird ein spannungsgeslcuerles Dämpfungsglied mit einem Paar Verstärkerzellen mit niedrigen Stromdichlen verwendet, wobei jede Verstärkerzelle direkt von einer ünearisierten Stromquelle angesteuert wird. Die Iinearisierte Stromquelle ist lur dei Empfang geeigneter Eingangssignale ausgelegt. Gemäß Anspruch 8 werden die niedrigen Stromdichten dadurch erreicht, daß Transistoren mit großflächig bemessenen Grenz-■ schichten verwendet werden. Statt dessen können aber auch nach Anspruch 8 parallel geschaltete Mehrfaeh-Transistorcn verwendet werden, da auch hierdurch im Ergebnis große Übergangsberciche bzw. Grenzschichten zur Verfugung stehen.

Die Erfindung verwendet das Grundkonzept einer Verstärkerzelle als wesentliches Element in einem spannungsgesteuerlen Dämpfungsglied. Dadurch wird ein extrem großer dynamischer Steuerbereich und eine erheblich geringere Verzerrung als beim Stand der Technik erzielt. .--""^

Die Verstärkerz'elien werden von einer einzigen Steuerspannung gesteuert. Die Stcucrspannung steuert beide Verstärkerzellcn gleichzeitig.

Ein linearliiertcr Puffer- bzw. Trennversiärker liegt am Ausgang jeder Verstärkerzclle. Er dient dazu, die Last an jeder Verstärkerzelle und dadurch Verzerrungen zu minimalisicrcn.

Ein Differenzverstärker wird von den Puffer- bzw. Trennverstärkern angesteuert. Er erzeugt ein Ausgangssignal, das frei von Beeinträchtigungen der Sleuerspannung ist. Ferner werden Gleichspannungs-Verschiebungcn infolge einer Steucrspannungsandcrung. sowie Restvcrzerrungcn beim Betrieb des Differenzverstärkers eliminiert.

Die Schaltung wird nach Anspruch 3 durch die Verwendung eines Transistorenpaares in jeder Vcrstärkerzellc verwirklicht, wobei bei jedem Transistorenpaar die Emitter miteinander verbunden und die verbundenen Emitter eines Transistorpaarcs direkt von einer diesen Emittern getrennt zugeordneten, linearisierten Stromquelle angesteuert werden. Die Stromquelle ist lur den Empfang der positiven und negativen Anteile des Eingangssignalcs ausgelegt.

Bei einem Transistor jedes Transistorpuarcs der Verstärkerzclle sind die Basis und der Kollektor miteinander und mit Masse bzw. dem Signalgrund verbunden; die Basen des anderen Transistors in jedem Transisiorpaar jeder Verstärkerzelle sind untereinander verbunden und werden von einer eitrigen Steuerspannung gesteuert.

Der Verstärkerzellcn-Schaltkreis ist demnach einem Paar von DilTerenzvcrstäri-xrn ähnlich, wobei die Slcucrspannung jeweils eine Basis in jedem Transistorpaar der Verstärkerzelle ansteuert.

Jeder Kollektor der anderen Transistoren in den V~rstärkerzellen ist über einen gesonderten Widerstand mit einer Spannungsquelle verbunden. Hierdurch ergibt sich als Ausgangssignal der Verslärkerzelle ein Spannungssignal an diesen Arbeitswiderständen.

Ein gepull'erter Differenzverstärker greift zur Erzeugung eines Ausgangssignals die Arbeitswiderstände ab.

ίο Gemäß dem Ausluhrungsbeispiel nach Anspruch 2 werden getrennte Pufferverstärker verwendet. Jeder ist hierbei mit einer eigenen linearisierten Stromquelle verbunden, um dadurch SättigungseRekte bei hoher Dämpfung vom Schaltkreis fernzuhalten.

Insgesamt wird mit der Erfindung ein spannungsgesteiiertes Dämpfungsglied geschaffen, das sich durch einen äußerst großen dynamischen Steuerbereich und niedrige Verzerrung auszeichnet. Diese Vorteile werden durch Begrenzung der Stromdichte in jeder Transistorfläche hierdurch wird das Stromrauschen minimalisiert und durch Verwendung von Stro; v?i^uellen mit relativ hoher Stromstärke hierdurch wird das Spannungsrauschen minimalisiert erzielt. Ein Paar von Verbund-Vcrstärkerzellen mit niedrigen Stromdichten werden jeweils direkt von einer linearisierten Stromquelle angesteuert Die Verstärkerzellen werden von einer einzigen Verstärker-Sieuerspannung gesteuert. Sie steuern ihrerseits ein Paar linearisierter PulTerverstärker zur Minimalisierung der Belastung der Verstärkerzellen an. Die Aus-

jo gangssignale der Puffervcrslärker werden einem Differenzverstärker zugeführt. Dieser erzeugt ein Ausgangssigaal. das frei von Beeinträchtigungen der Verstärker-Stcuerspannung. frei von Gleichspannungs-Verschiebungen infolge einer Verstärker-Sleuerspannungsänderung und frei von Restverzerrungen ist.

Die Erfindung wird anhand nachfolgender Ausführungsbcispiele und der beigefügten schematischen Darstellungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen .spannungsgesteucrten Dämpfungsgliedes, mit einem Pa«r Verstärkerzellen:

Fig. 2 einen schcmaiischcn Schaltplan für ein spannungsgesteuertes Dämpfungsglied nach Fig. I:

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Eingangsschaltung für ein Dämpfungsglied, der ein Eingangssignal zugeführt wird;

und Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Verstürkcrzcllc aus mehreren parallel geschalteten Transistören zur Mininalisicrung der Stromdichten im Bereich der Grenzschichten.

In Fig. I ist ein Blockdiagramm füreinspannungsgestcuertes Dämpfungsglied, das im wesentlichen ein Einhritsv^rsiärkungsglied ist. dargestellt. Der dargestellte Schaltkreis kann auch als spannungsgestcuerter Verstärker betrachtet werden. Es scheint jedoch von Vorteil, den dargestellten Schaltkreis als Dämpfungsglied zu beschreiben, da das Dämpfungsglied dann als Grundbauclement betrachte! werden kann, das zur Steuerung der Verstärkung des Verstärkers in einer Rückkopplungsschiillun» mil dem Verstärker angeordnet werden kann, so daß insgesamt ein spannungsgcslcuertrr Verstärker entsteht.

Das Eingangssignal ist gewöhnlich ein sich änderndes Wechselslromsignal tfl. das sich symmetrisch um die Bezugslinie bzw. Masse ändert und gleiche, jedoch phasenverschobene Komponenten zwei identischen Summier-Spiiniuings-Siromuniformern 12 bzw. 14 zuführt.

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Zweck des erfindungsgemäßen Schaltkreises ist. dus Eingangssignal 10 beliebig stark zu dämpfen von der Dämpfung 0 bis hin zu unbegrenzter Dämpfung ohne hierbei jedoch irgendwelche Verzerrungen in das Ausgangssignal hineinzutragen. Dh der Schaltkreis Hinheilsverstärkung hat. wird er als Dämpfungsglied und nicht als Verstärker beschrieben. Das Dämpfungsglied kann jedoch in einer Rückkopplungsschleife mit einem Verstärker gemeinsam verwendet werden, so daU das Gesamtsystem einen spannungsgcslcucrtcn Verstärker ergibt, welcher dem Konstrukteur eine hohe Verstärkung ermöglicht, falls dies sein Wunsch ««in sollte.

Bei einem spannungsgcsteucrten Dämpfungsglied kommt es wesentlich auf die Verwendung einer Sleuerspannung an. die beispielsweise eine Gleichspannung sein kann, mit der ein Eingangssignal derart dämpfbar ist. daß außer der Verstärkung keinerlei Vcr/errungen oder Änderungen der ursprünglichen Eingangssignal-Quaütäicn bzw. -inhal'.e aufträten. Da die !{inru.-htnni» auch als Modulator verwendbar ist. kann die Steuerspannung auch ein sich änderndes Signal sein.

Das Steuersignal kann auch an einem entfernt gelegenen Ort zur Verfügung gestellt werden, wodurch die Signalwege so kurz wie möglich gehalten werden können und keine Notwendigkeit für Sendesignalleitungen zu entfernten Steuerpulten /ur Dämpfung oder Steuerung besteht. Auch mehrere derartige Glieder können mit einer einzigen Steuerspannung gesteuert werden.

Das Eingangssignal 10 von der Signalqiicllc wird zunächst mit einem Gleichstrom-Ruhcsignal gemischt, das von einer Bezugsspannungsquelle 16 herrührt. Die Be-/ugsspannung von der Bczugsspannungsquelle 16 wird als Gleichstrom-Ruhesignal über ein Trimmer-Potentiometer 18 den beiden Summier-Spannung-Stromumformern 12 und 14 zugeführt. Hierbei werden das nichtinvertierte Eingangssignal 10 und das Gleichstrom-Ruhesigna! im Umformer 12 summiert sowie das invertierte Eingangssignal 10 und das Glcichstrom-Ruhesignal im Umformer 14 summiert bzw. umgeformt.

Das Trimmer-Potentiometer 18 dient zur Minimalisicrung einer Gleiehspannungsverschiebung mit der Dämpfung. Hierzu wird die Gleichspannungs-C'haraktcristik des gesamten Systems ausgeglichen.

Die Summier-Spannungs-Stromumformer 12 und 14 sind untereinander identisch und führen die gleiche Funktion aus. wobei jedoch der Summier-Spannungs-Slromumformer 12 das nicht-invertierte Eingangssignal 10 bzw. Eingangsspannung und die Gleiehspannungs-Ruhespannung summiert, während der Summier-Spannungs-Stromumformcr 14 das invertierte Eingangssignal 10 bzw. die Ei.igangsspannung und die Gleichspannungs-Ruhcspannung summiert.

Die Ausgangsgrößen der Summier-Spannungs-Stromumformer 12 und 14 sind Siromsignale. die den folgenden Gleichungen genügen, wobei gilt:

F;v Spannung des Eingangssignal 10.

Ι'_υ Spannung des eingehenden Ruhesignals.

/, Strom am Ausgang des Umformers 12 und

/', Strom am Ausgang des Umformers 14.
Die Gleichung für den Strom am Ausgang des Summier-Spannungs-Siromumformers 12 lautet:

Die Gleichung für den Strop.¹, am Ausgang de«. Summier-Spannungs-Siromumformers 14 lautet:

Die Ausgangsströme /, und /', repräsentieren Ströme, deren Werte proportional den Eingangsspannungen sind.

Die von den Summier-Spannungs-Stromumformern ■> 12 und 14 ausgehenden Ströme bzw. Stromsignale werden jeweils einer Vcrbund-Vcrstärkerzelle 24 bzw. 26 zugeführt. Der Ausdruck »Verbund« ist für die Verstärker/cllcn 24 bzw. 26 deswegen gewählt worden, um damit aktive Elemente innerhalb der Vcrstärkerzellen 24 und 26 ίο auszuzeichnen, die durch niedrige Stromdichten definiert sind. Nach heutiger Kenntnis bzw. Praxis können derartige aktive Elemente Transistoren großer Abmessungen, beispielsweise Hochgcschwindigkeits-Lcistungstransistorcn oder auch Mehrlach-Paralleltransistorcn sein, is Beide eben genannten Arten von aktiven Elementen sind in Chip-Form erhältlich. Bei den Mehrfach-Paralleltransistoren werden mehrere Basen, mehrere Emitter und mehrere Kollektoren parallel /ueinander angeordnet. Hierdurch werden im Endergebnis große Flächen bzw. Abmessungen erzielt, die zu niedrigen Stromdichten innerhalb des aktiven Elementes führen.

Der Verbund der aktiven Elemente führt zu einer Verringerung der Rausch-Belegung bzw. des Untergrundrauschens des Elementes. Hierdurch werden der Steuerumfang der Vcrstärkcrzelle erhöht und die Verwendung niedriger Impedanzen ermöglicht, was zu einer Minimalisicrung des thermischen Rauschens führt.

Die V-jrslärkcrzellcn 24 und 26 sind jeweils als modifizierte Differenzverstärker ausgestaltet, die an eine cinzijf) ge Vcrstärker-Stcuerspannung 28 angeschlossen sind. Die Vcrslärkcr-Steuerspannung wird dazu verwendet, gleichzeitig die Ausgangssignalc der Verstärkerzellen 24 und 26 /u verändern, um zu einem gedämpften Ausgangssignal zu gelangen.

J5 Das Ausgangssignal der Verstärkcrzcllen 24 und 26 ist ein sich ändernder Strom, der durch die Arbeitswiderständc 30 bzw. 32 geführt wird. Die Arbeilswidcrstände 30 und 32 sind untereinander verbunden und werden von einer Spannungsversorgung beschickt.
Die sich über den Arbeitswiderstand 30 aufbauende Ausgangsspannung wird einem Puffer- bzw. Trennverstärker 36 zugeführt.

Die Verstärkung des Trennverstärkers 36 wird von einem l.inearisierglicd 38 gesteuert. In ähnlicher Weise wird die Ausgangsspannung der Verstärkerzelle 26. die sich über den Arbeitswiderstand 32 aufbaut, einem Puffer- bzw. Trennverstärker 40 zugeführt. Dessen Verstärkung wird von einem Lincarisierglicd 42 gesteuert. Die Ausgangsspannung am Arhcitswiderstand 30 ist - bezo-V) gen aufdic Spannung von der Spannungsversorgung 34 ein Wcchsclspannungssignal. Dieses Signal ist gkish der Ausgangsspannung am Arbeitswiderstand 32. jedoch außer Phase mit letzterem.

Bei sehr hoher Dämpfung sind die Ruhe-Ausgleichs-ϊ5 spannungen der Verbund-Verslärkcrzellen 24 und 26 annähernd gleich der Spannung von der Spannungsversorgung 34. Die linearisierten Pufferverstärker 36 und 40 arbeiten auf eine idealisierte Strom-Senke. Die Strom-Senke führt dazu, daß die Last an den Ausgängen der so Verstärker/cllen 24 und 26 minimalisiert wird. Dies wiederum ermöglicht die Annäherung der Ausgangsspannungen der Verstärker/eilen 24 und 26 an die Pufferspannung der Spannungsversorgung 34. ohne daß es hierdurch zu den sonst üblichen Verzerrungen käme.
b5 Die Ausgangsspannung an der Verstärkerzelle 24 genügt folgender Gleichung:

_ Λ - R>

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In ähnlicher Weise erhält man für die Ausgiingsspannung an der Vcrstärkcrstelle 26 folgenden Ausdruck:

λ,

wobei gilt:

Ferner gilt:

A', = Spannungs-Strom-Umwandlungsfaktor

der Vcrstärker/.ellcn 24 und 26
K₁ = Dämpfungskonslanle

der Verstärkerzcllen 24 und 26.

Die AiiStfiingssipriiilp ilcr PuflVrvrrUiirkrr V· iinil 40 werden der nichl-inverticrenden und der invertierenden Klemme eines DilTerenzvcrsiärkers 44 zugeführt. Dieser berechnet die algebraische Summe der Eingangsgrößen und erzeugt ein Ausgangssignal, das frei von Auswirkungen der Gleichspannungsverstärker-Stcucrspannung 28, der Gleichspannungsruhcspannung der Bczugsspannungsquelle 16 und sonstigen Verzerrungsproduktcn ist. Das Ausgangssignal am Differenzverstärker 44 kann beispielsweise durch folgende Rechnung ermittelt werden:

A :sgangssignal des
Differenz-Verstärkers

Spannungs-
= signal der
Verstärker
zelle 24

Spannungssignal der
Verstärker zelle 26

V₁,)

AT₁(K,,-K_1n)

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für das in Fig. I dargestellte Blockschaltbild gezeigt.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das nichtinvertierte Eingangssignal 10 dem Eingang des Summier-Spannungs-Stromumformers 12 zugeführt. Hierbei baut sich eine Spannung am Widerstand 50 auf. Hin Cilcichspannungs-Ruhesignal von der Bezugsspannungsquclle 16 führt zu einem Spannungsaufbau bzw. -abfall am Widerstand 52. Die Ausgänge der Widerstände 50 und 52 sind miteinander und dem Emitter 54 eines Transistors 56 verbunden.

Die tatsächliche Aufsummierung des [-lingungssignals 10 und des Gleichspannungs-Ruhesignuls von der Bczugsspannungsquclle 16 findet im Eniiltcr54 stall.

Das Linearisierungsglied 20 besteht im wesentlichen aus einem Verstärker 58, der das am Emitter 54 des Transistors 56 anliegende Signal invertiert und zur Basis 60 des Transistors 56 zurückfuhrt. Hierdurch wird eine Rückkopplung erzielt, die zu einer linearen Kennlinie der Basis-Emitterstrecke des Transistors 56 führt. Die Umwandlung von Spannung zum Strom ist hierbei nahezu ideal.

Der Ausgangsstrom des Kollektors 62 des Transistors 56 wird dem Eingang der Verstärkerzelle 24 zugeführt. Die Verstärkerzelle 24 zeichnet sich durch die Verbindung der Emitter 64 und 66 zweier Transistoren 68 und 70 aus.

In ähnlicher Weise wird das invertierte Eingangsspannungssignal 10 der Signalquelle dem Eingang des Summier-Spunnungs-Slromumformers 14 zugeführt. Dieser weist einen Widerstand 74 auf. der mit einem von der Be/ugsspaiiniingsquclle 16 beschickten Widerstand 76 und den limitier 78 eines Transistors 80 verbunden ist.

■5 Das Linearisieriingsglied 22 besteht im wessentlichen aus einem Verstärker 82. der das vom Emitter 78 kommende Signal /ur Basis 84 des Transistors 80 rückkoppelt. Hierdurch wird eine nahezu ideale Spannungs-Stromumwandlung cr/iell.

ίο Der vom Kollektor 86 des Transistors 80 ausgehende Strom wird dem Eingang der Verstärkerzelle 26 zugeführt, und zwar einer Verbindungsstelle der Emitter 88 und 90 zweier Transistoren 92 und 94.
Die Transistoren 56 und 80 in den Summier-Span-

ii iiungs-Stromumformern 12 und 14 sind in den Schaltkreis gemeinsam als Basisverstärker geschallet. Hierdurch wird ein schneller Betrieb mit minimaler Geschwindigkeitsbegrenzung und minimaler Einstellbegren/ung sichergestellt. Die Spannungs-Stromumformer

Hi i2und i4 können genauso schnei! arbeiten, wie die Rückkoppelverstärker 58 und 82.

In der Verstärkerzelle 24 sind die Basis 96 und der Kollektor 98 des Transistors 68 direkt miteinander und mit Masse verbunden. In ähnlicher Weise sind der KoI-leklor 100 und die Basis 102 des Transistors 94 in der Verstärkerzelle 26 direkt miteinander und mit Masse verbunden.

Die Basis 106 des Transistors 70 ist mit der Basis 108 des Transistors 92 verbunden. Die Verbindungsleitung

Jo zwischen den beiden Basen liegt ferner an der Verslärker-Slcucrspannung 28, die auf Masse bezogen ist.

Das Ausgangssignal der Verstärkerzelle 24 wird~vom Kollektor 110 abgenommen und einem Verbindungspunkt zwischen dem Arbeitswiderstand 30 und der Basis

JS 112 eines Transistors 114 zugeführt.

In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal der Versiärkerzelle 26 vom Kollektor 116 des Transistors 92 abgenommen und einem Verbindungspunkt des Arbcitswiderstandes 32 und der Basis 118 eines Transistors 120 zugeführt.

Eine Betrachtung der Verstärkerzelle 24 zeigt, daß die Transistoren 68 und 70 gemeinsam in Basisanordnung eines Differenzverstärkers angeordnet sind. Der Gesamtemitterstrom durch die Transistoren 78 und 70 bieibl demgemäß konstant. Eine Änderung der Verstärker-Sieuerspannung 28, die an der gemeinsamen Leitung zu den Basen 106 und 108 der Transistoren 70 und 92 liegt, hat demnach zur Folge, daß die Impedanz zwischen dem Emitter 66 und dem Kollektor 110 des Transistors 70 und die Impedanz zwischen dem Emitter 88 und dem Kollektor 116 des Transistors 92 geändert wird.

Hine Änderung dieser Impedanz des Transistors 70 führt zu einer Veränderung des durch den Kollektor 1IO und damit durch den Widerstand 30 fließenden Stromes.

Dies wiederum führt zu einer Veränderung der Ausgangsspannung des Transistors 70. Da der insgesamt durch die beiden Transistoren 68 und 70 - diese beiden Transistoren bilden die Verstärkcrzelle 24 - fließende Strom konstant ist. muß ein zusätzlicher Strom durch den Transistor 68 Hießen.

In ähnlicher Weise wird die Verstärkerzelle 26 durch die Verstärker-Sleuerspannung 28 gesteuert. Bei steigender Dämpfungsspannung steigt die erwähnte Impedanz des Transistors 92. Dies führt zu einem geringeren Strom

durch den Kollektor 116 und demgemäß zu einem geringeren Strom durch den Arbeitswidersland 32. Insgesamt wird damit eine geringere Ausgangsspannung erzielt. Die Differenzwirkung der Transistoren 92 und 94 führt dazu.

daß zusätzliche Ströme durch den Transistor 94 Hießen, da der Gesamt-Emitterslrom der Transistoren 92 und 94 - die als Differenzverstärker geschalte! sind konstant sein muß.

Hohe Ströme, die durch die Transistoren der Verstärkerzcllen 24,26 fließen, führen im allgemeinen zum Problem des Rauschens bei hohen Strömen. Dieses Problem wird dadurch minimalisicrt. daß die Stromdichte sämtlicher die Verstürkerzellen 24 und 26 bildender Transistoren begrenzt wird.

Im bevorzugten Ausl'ührungsbeispiel wird diese Stromdichtebegrenzung dadurch erreicht, daß großflächige Transistoren, beispielsweise Leistungstransistoren oder Mchrfach-Paralleltransistor-Anordnungen zur Erreichung großer Übergangsfläehen verwendet werden. Durch die Erniedrigung der Slronidiehten bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines hohen Gcsamlslromes in der Schaltung ist es möglich, das Stromrauschen zu erniedrigen, und gleichzeitig das Spannungsrauschen durch ScMuuuiigeri niedriger Impedanz gering zu halten.

Das Ausgangssignal des oberen Trennverstärkers 36 wird vom Emitter 126 des Transistors 114 abgenommen und einem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor 128 eines Transistors 130 im Linearisierungsglicd 38 und einem Widerstand 132 zugeführt. Der Widerstand 132 liegt am nicht-invcrtiercndcn Eingang des Differenzverstärkers 44.

In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal des Trennverstärkers 40 vom Emitter 134 des Transistors 120 abgenommen und dem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor 136 eines Transistors 138 im L.inearisierglied 42 und einem Widersland 140 zugeführt. Der Widerstand 140 liegt an der Eingangsklemme des DilTercnzvcrslärkers 44.

Der Trennverslärker 36 besieht im wesentlichen aus dem Transistor 114 und einer Linearisierungssehaltung, aus einem Transistor 130. einem invertierenden Verstärker !44. der ein Signa! vom Emitter «48 zur Basis !46 führt, und einem Widerstand 162.

Die Impedanz des Transistors 70 bzw. 92 liegt in Riehtung der Spannungsversorgung 34 in Reihe mit dem Arbeitswiderstand 30 bzw. 32. Hierdurch arbeiten die Kollektoren 110 und 160 der Transistoren 70 und 92 in stärkerer Kopplung mit der Spannungsversorgung 34 bei höheren Dämpfungen.

Die konstante Strom-Senke verhindert eine Sättigung des Transistors 114 bei großen Ausgangssignalcn und oder großer Dämpfung. Durch das Konstanthalten des Stromes wird eine Sättigung des Transistors 114 vermieden und Verzerrungserscheinungen infolge einer derartigen Sättigung werden minimalisiert. Mit anderen Worten führt die Senke bzw. das Linearisierungsglicd 38 zu einem konstanten Strom und erweitert damit den linearen Arbeitsbereich des Transistors 114.

In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal des Trennverstärkers 40 am Emitter 134 des Transistors 120 abgegriffen. Der Emitter 134 arbeitel ferner auf eine Konstant-Strom-Senke. die im wesentlichen aus einem !vertierenden Verstärker 150. dem Transistor 138 und einem Widerstand 164 besteht. m>

Das Ausgangssignal des Trennverslärkcrs 36 wird vom Emitter 126 abgegriffen und über einen Widersland einem Verbindungspunkt zwischen einem Widersland ; 156 und dem nicht-inverticrcnden Eingang eines Differenzverstärker 158 zugeführt. h·;

in ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal des Trennverslärkers40 vom Emitter 134 des Transistors aheeEriffen. und durch den Widerstand 140 einem Vcr-

bindungspunkt zwischen einem Widersland 116 und dem invertierenden Eingang des Differenzverstärker 158 zugeführt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Widerslände 132 Und 140 gleich. Das gleiche gilt für die Widerstände 156 und 160. Der Widerstand 156 im Differenzverstärker 44 ist notwendig, um sicherzustellen, daß die Versiärkung auf der invertierenden Seite des Diffcrenzverstärkers 44 gleich derjenigen auf der nicht-invertierenden Seile ist.

Um eine Rauschspannung so niedrig wie möglich zu hallen, wird der Impedanzwert jedes Widerstandes so niedrig als irgend möglich gehalten. Die thermische Rauschspannung in einem Widerstand ist nämlich proportional der Quadratwurzel des tatsächlichen Widerstandes. Dies hat zur Folge, daß bei einer Erhöhung des Widerslandswert es um den Faktor 2 ein Anstieg dor Rauschspannung um 3 dB erfolgt.

In Fig. 3 ist eine andere Form der Zuführung für das Eingangssignal !0 bzw. eine Veränderung desselben bei seiner Zufuhr zu den Summicr-Spannungs-Stromumformem 12 und 14 dargestellt. Ein einziges Eingangssignal wird der Klemme 200 zugeführt. Die Klemme 200 ist auch mit der nicht-inverticrendcn Seite eines ersten Operationsverstärkers 202 verbunden. Das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers 202 wird dem Summier-Spannungs-Strornumformcr 12 zugeführt, und zwar über einen Widersland 204. Das Ausgangssignal wird ferner zum invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 202 rückgekoppelt.

Das Ausgangssignal wird auch über einen Widerstand 206 dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 208 zugeführt. Das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers 208 wird über einen Widerstand 210 dem Eingang des Summier-Spannungs-Slromumlbrmers 214 zugeführt. Das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers 208 wird über einen Widerstand 2!2 /um invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 208 rückgekoppelt.

Durch diese Ausführungslbrm wird erreicht, daß nur ein einziges Eingangssignal verwendet werden kann und derart verarbeitet wird, daß gleiche und rezirroke Signale den Eingängen der Summicr-Spannungs-Stromumformer 12 und 14 zuführbar sind.

In Fig. 4 ist eine Vcrbund-Vcrstärkerzelle 24 dargestellt, die aus mehreren parallel geschalteten Transistoren, welche die Transistoren 68 und 70 bilden, zusammcngeschaltet ist. Der Transistor 68 besteht beim dargestellten Ausführungsbeispie! aus mehreren einzelnen Transistoren 68a, 68Λ, 68 c\ ... 68n. Jeder Transistor ist hierbei parallel zu den anderen geschaltet. Hierdurch werden parallele Strompfade Tür jedes Element bereitgestellt. Auf diese Weise kann die Stromdichte pro Einheitsfläche gemäß den Forderungen der erfindungsgemäßen Lehre verringert werden.

In ähnlicher Weise ist der Transistor 70 aus mehreren Transistoren 70«, 70/>, 7Or, ... 70/i zusammengesetzt, wobei wiederum alle parallel zueinander angeordnet und zu einem Schaltkreis verbunden sind.

Experimentell konnte festgestellt werden, daß die Verwendung derartiger Verbundtransistoren in einer Verslärkerzelle zu einer stärker linearen Betriebsweise, einer geringeren Verzerrung, weniger Rauschen und demgemäß zu einem größeren Aussleuerbereich führt.

Die erfindungsgemäße Lehre baut auf dem Frin/.ip der Stromverteilung bzw. der damil einhergehenden Eigenschaften bei Dificrenzversiärkcrn auf, wobei die Summe der Ströme durch zwei Kollektoren konstant und zwar

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uni;Ci;'t!;T gleich «/em Slrom in den beiden 1-millern. und entsprechend der relativen Vorspannung der Basis jedes Transistors aufgeteilt ist.

In den Eingangskreisen wird jeder Stromquellen-Transistor anders als beim Stand der Technik getrennt mit ι reziproken phasenverschobenen Signalen besehrkt, die der Steuerung unterworfen sind. Ebenfalls anders als beim Stand der Technik, können die Slromquelleniransistorcn als linearisierle Basisverslärker betrachtet werden, deren Eingangssignal sich als Summe eines Ruhe-Gleichstromes und eines Signals ergibt, das nicht nur ein Wechselstrom- sondern auch ein Gleichstromsignal sein kann, da das Eingangssignal direkt zugeführt wird. Der Verstärker mit gemeinsamem Basisanschluß sorgt für einen schnelleren Betrieb als Verstärker mit gemeinsamem Emitteranschluß, da die internen Kapazitäten der Basisverstärker in Serie arbeiten und nicht parallel, was zu einer Reduzierung des Miller-Effektes führt. Der Miller-Effekt ist aber ein wesentliches Hindernis bei llochgeschwindigkeitsbetrieh.

Ferner fühlt die erfindungsgemüße Lehre /u einem erheblich vci jrößerten, verzerrungsfreien Stouerbereieh. da jeder Verstärker mit gemeinsamem Basisanschluß unabhängig voneinander durch zugeschaltete Schaltkreise linearisiert ist. Diese Linearisierung verbessert sämtliche Arbeitsparameter der Verstärker mit gemeinsamer Basis. Die Kenngrößen bisher bekannter Dämpfungsglieder sind nicht so gut wie diejenigen der erfindungsgemäß hergestellten Dämpfungsglieder. Denn bei den bekannten Dämpfungsgliedern wurde es stets für notwendig erachtet, bei sehr niedrigen Strömen zu arbeiten etwa in der Größenordnung von 1 bis 10 Mikroampere . um das Stromrauschen zu minimalisieren. und die Transistoren in ihrem linearen Bereich zu fahren, um Verzerrungen zu minimalisieren. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Forderungen haben den Nachteil, daß der Dämpfungsglicd-Konstruklcur große Impedanzen rund um die Dämpfungsschaltkreise verwenden mußte. Diese Impedanzen führen aber zu einem beachtlichen thermischen Rauschen, das seinerseits wie die Dämpfungsglieder in ihrer Anwendung stark einschränkt.

Die Verwendung von Verbundtransistoren in den Verstärkerzellen reduziert auch die Rauschspannung des Transistors beachtlich, da die effektive Transistorimpedanz und die Rauschströme reduziert sind. Der großflächige Transistor ist mehreren parallel geschalteten kleineren Transistoren äquivalent.

Die großflächigen Transistoren oder die Verbundtransistoren können bei genügend niedrigen Stromdichlen betrieben werden. Dies führt zu einer Minimalisierung der Verzerrung. Gleichzeitig können aber niedrige Impedanzen rund um die Dämpfungsglieder angeordnet werden. Dies führt insgesamt zu geringeren Rauschgrößen. Im Mehrfach-Transistor wird jeder einzelne Transistor mit niedrigen Strömen betrieben. Die Ströme werden durch die Parallelisierung der Transistoren addiert, während gleichzeitig die Spannungen bei einer derartigen Parallelschaltung gleichbleiben.

Die Möglichkeit mit einem großflächigen Transistor oder einem Verbundtransistor große Ströme bequem M führen zu können hat auch zur Folge, daß die notwendigen Impedanzen erniedrigt und damit die Rauschspannungen, die bei hohen Impedanzen auftreten, ebenfalls erniedrigt werden.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

29 OO Patentansprüche:

1. Spannungsgesteuertes Dämpfungsglied für analoge Eingangssignale mit direkter Kopplung zwisehen Ein- und Ausgang des Dämpfungsglied«, mit einer DifTerenzverstärkerschaltung (Verstärkerzcllc). der das Eingangssignal zugeführt wird, zur spannungsgesteuerten Regelung der Dämpfung! dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied ein Paar Verstärkcrzellen (24. 26) aufweist, denen eine gemeinsame Steuerspannung(28) zugeordnet ist. daß der Eingang jeder Verstärkerzelle (24. 26) mit dem Ausgangje eineraktiv linearisierten Stromquelle (12.20; 14,22) verbunden ist, die jeweils Eingangsstufen für das nicht invertierte bzw. das invertierte Eingangssignal (10) sind, und daß die Ausgänge (110. 116) der beiden Verstärkerzellen (24. 26) über je eine Pufferschaltung (36, 38; 40, 42) mit jeweils einem Eingang eines Differenzverstärkers (44) verbunden sind, dessen Ausgang den Ausgang des Dämpfungsgliedes bildet.

2. Spannungsgesteuertes Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die PulTcrschaltune. (36.40. 44) zwei jeweils eine aktiv lincarisierte Stromquelle (114. 130.144: 120. 138. 150) aufweisende Puller- bzw. Trenn\fc;rslärker (36. 38: 40. 42) aufweist, die jeweils mit dem Ausgang einer Verstärkerzeile (24. 26) verbunden sind, und daß die Ausgänge der Puffer- bzw. Trennverslärker mil den beiden Eingängen des Differenzvcrslärkers (44. 158) verbunden sind.

3. Spannungsgesleusrtes DJ-npfungsglicd nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar Ver tärker/ellen (24, 26) jeweils ein Paar Transistoren (68.70:92.94) aufweist, und daß die Emitter jedes Transistorenpaarcs (68.70: 92, 94) unmittelbar miteinander verbunden und von der linearisierten Stromquelle (1?.. 20:14.22) gespeist sind.

4. Spannungsgesteuerics Dämpfungsglied nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Verstärkerzelle (24. 26) die Basis (96. 102) und dir Kollektor (98. 100) eines Transistors (68. 94) direkl miteinander und mit dem Signalgrund bzw. Masse verbunden sind, daß ferner der den Ausgang der Verstärkerzcllen bildende Kollektor (110. 116) des jeweils anderen Transistors einmal über einen Widerstand (30, 32) mit einer Spannungsquelle (34) und zum anderen mit dem Eingang des zugehörigen **> Trennverstärkers (36. 38: 40. 42) verbunden ist.

5. Spannungsgesteuerics Dämpfungsglied nach einem der Ansprüche 3 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Basen (106. 108) der jeweils anderen Transistoren (70. 92) jedes Transislorenpaares (68. 70: 92.94) direkl miteinander und mit einer einzigen Verstärker-Steuerspannung (28) verbunden sind.

6. Spannungsgestcucrtes Dämpfungsglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verslärkerzellcn (24. 26) niedrige Stromdichte und niedrige Schallunusinipcilan/cn aufweisen, und daß die die Hingangsslulen bildenden linearisieiien Stromquellen (12. 20: 14. 22) jeweils als Verstärker mil gemeinsamer Basis geschallet und von dem invertierten bzw. nicht invertierten l-.ingangs- b5 signal (10) angesteuert sind und jeweils einen /weih-n invertierenden Verstärker (58.82) in einer Rückkopplungsschleifc /wischen dem !'.miller und der Basis aufweisen, deren nicht invertierender Eingang jeweils mit einer gemeinsamen Referenzspannung verbunden sind.

7. Spannungsgesleuertes Dämpfungsglied nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren der Verslärkerzellen (24,26) jeweils als parallel geschaltete Mehrfach-Transistoren (68„ „, 70„ „) zur Erzielung niedriger Stromdichten und niedriger Schaltuhgsimpedanzen ausgebildet sind.

8. Spannungsgesteuertes Dämpfungsglied nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Verslärkerzellen (24,26) als Transistoren (68. 70; 92,94) •mit großflächig bemessenen Grenzschichten zur Erzielung niedriger Stromdichten und niedriger Schaltutjgsimpcdanzcn ausgebildet sind.