DE2910093A1

DE2910093A1 - Verstaerkerschaltung mit regelbarem verstaerkungsfaktor

Info

Publication number: DE2910093A1
Application number: DE19792910093
Authority: DE
Inventors: Rudy Johan Van De Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-03-20
Filing date: 1979-03-15
Publication date: 1979-10-04
Also published as: ATA208979A; CA1139850A; BE874957A; CH646555A5; SE7902365L; HK19383A; JPS54130856A; NL7802973A; IT1111944B; SE430842B; ES478764A1; AU526139B2; AU4519979A; AT376077B; US4290025A; GB2016838A; IT7921087A0; FR2420876B1; FR2420876A1; GB2016838B

Description

"Verstärkerschaltung mit regelbarem Verstärkungsfaktor"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung mit regelbarem Verstärkungsfaktor mit einem ersten und einem zweiten Transistor mit miteinander verbundenen Emittern, einem dritten und einem vierten Transistor mit miteinander verbundenen Emittern, einem Ausgang, der mit den Kollektoren des ersten und des dritten Transistors gekoppelt ist, wobei die Basis-Elektrode des dritten Transistors mit der Basis-Elektrode des zweiten Transistors und die Basis-Elektrode des vierten Transistors mit der Basis-Elektrode des ersten Transistors verbunden ist, und eine Regelspannungsquelle zwischen die Basen des ersten und des zweiten Transistors angeschlossen ist, Ruhestromquellen,mit deren Hilfe Ruheströme den miteinander verbundenen Emittern des

PHN 9068 - - 6 -

909840/0605

2910033

ersten und des zweiten Transistors und den miteinander verbundenen Emittern des dritten und des vierten Transistors zugeführt werden,und Signalstromquellenanordnung, mit deren Hilfe Signalstrom wenigstens den miteinander verbundenen Emittern des ersten und des zweiten Transistors zugeführt wird.

Derartige Verstärkerschaltungen sind allgemein als automatischer Verstärkungsregler, elektronisches Potentiometer u.dgl. bekannt und können in u.a. Läutstärke- und Tonregelungen in Audiogeräten verwendet werden. Wenn auch an den Regelsignaleingang ein Wechselspannungssignal angelegt wird, können derartige Schaltungen als Multiplizierer, Modulatoren oder Demodulatoren verwendet werden.

Derartige Schaltungen, z.B. nach der US-PS 3,684,974, bestehen im allgemeinen aus einem einseitig oder differentiell angesteuerten Differenzpaar mit in jedem der Kollektoren beider Transistoren dieses Differenzpaares einer Stromverteilerschaltung. Diese Stromverteilerschaltungen enthalten je zwei Transistoren, deren Emitter mit dem Kollektor desjenigen Transistors verbunden sind, in dessen Kollektorkreis sie abgenommen sind. Die Basis eines der beiden Transistoren der einen Stromverteilerschaltung ist dabei mit der Basis eines der Transistoren der anderen Stromverteilerschaltung verbunden, während die Basis-Elektroden der beiden anderen Transistoren gleichfalls miteinander verbunden sind. Durch das Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Paaren miteinander verbundener Basis-Elektroden können die Stromverteilungsfaktoren der beiden Stromverteilerschaltungen gesteuert werden. Ein Ausgangssignal mit einer von einer Stromverteilung unabhängigen Gleichstromkomponente wird dadurch erhalten, daß der Kollektor des einen Transistors der einen Stromverteilerschaltung mit dem Kollektor des anderen Transistors der anderen Stromverteilerschaltung verbunden wird. Wenn der Verstärkungsfaktor des Eingangsdifferenzpaares A und der

PHN 9068 -T-

909840/0805

2910033

Stromverteilungsfaktor K ist (wobei O^KjgLI ist), ist die Verstärkung gleich AK. Wenn ein zweiter Ausgang durch eine Verbindung zwischen dem Kollektor des anderen Transistors der einen Stromverteilerschaltung und dem Kollektor des einen Transistors der anderen Stromverteilerschaltung gebildet wird, ist die Verstärkung zu diesem zweiten Ausgang gleich (1-K) A. Eine derartige Verstärkerschaltung kann dann als zwei Verstärker mit Verstärkungsfaktoren AK bzw. (1-K) A und (einem) gemeinsamen Eingang (Eingängen) aufgefaßt werden.

Bei einem derarten Verstärker wird der Verstärkungsfaktor durch den Term A mitbestimmt, der von den verwendeten Komponenten, somit u.a. von der Temperatur, der Ungleichheit der Komponenten und der Nichtlinearität des Eingangsdifferenzpaares, abhängig ist, wodurch u.a. Drift und Verzerrung des Signals auftreten.

Es ist bekannt, die genannte Abhängigkeit durch die Anwendung von Gegenkopplung in hohem Maße zu eliminieren. Der Gegenkopplungsfaktor bestimmt dann den Verstärkungsfaktor. Durch eine Gegenkopplung zwischen dem Ausgang und dem Eingang einer Verstärkerschaltung vom genannten Typ würde aber auch der Einfluß der Stromverteilerschaltung, somit der Paktor K, eliminiert werden, wodurch die Verstärkerschaltung nicht mehr regelbar wäre.

Aus der DE-PS 22 62 580 ist es bekannt, das um einen Faktor AK verstärkte Signal als Ausgangssignal und das um den Faktor A(I-K) verstärkte Signal als Gegenkopplungssignal zu benutzen. Wenn in einem derartigen Fall die Gegenkopplung maximal und das Eingangssignal gleich V^ ist, gilt für das Ausgangssignal V :

AK _v

U 1+AU-K)

PHN 9068 - 8 -

909840/0605

Für K etwa gleich 1 gilt annähernd: V_u = AK V..

In diesem Falle ist die Gegenkopplung nahezu unwirksam. Für K etwa gleich 0 und sehr großes A gilt annähernd:

v_u = κ ν..

In diesem Falle ist die Gegenkopplung optimal.

Der Nachteil einer derartigen Gegenkopplung ist, daß das Ausmaß der Gegenkopplung von dem regelbaren· Faktor K abhängig ist, was jedoch für gewisse Anwendungen günstiger als das Fehlen einer Gegenkopplung ist.

Aus der US-PS 3,875,522 ist eine Verstärkerschaltung mit regelbarer Verstärkung und mit einer k-unabhängigen Gegenkopplung bekannt. Diese Verstärkerschaltung enthält ein erstes und ein zweites Paar emittergekoppelter Transistoren, wobei die Kollektoren der ersten Transistoren beider Paare zusammen den Ausgang bilden, während die Basis-Elektroden dieser ersten Transistoren zwei unabhängige Eingänge bilden. Die Gegenkopplung wird dadurch hergestellt, daß der Ausgang mit den Basis-Elektroden der zweiten Transistoren beider Paare verbunden ist. Der Verstärkungsfaktor kann dabei dadurch geregelt werden, daß die den miteinander verbundenen Emittern der beiden Paare zugeführten Ruheströme in bezug aufeinander geregelt werden. Bei dieser Verstärkerschaltung ist die Gegenkopplung optimal. Da es sich hier aber um eine Steilheitsregelung handelt, führt die Nichtlinearität der Transistoren der beiden Paare doch zu Verzerrungen, vor allem an den Grenzen des Regelbereiches, an denen stets einem der beiden Paare ein verhältnismäßig niedriger Ruhestrom zugeführt wird.

PHN 9068 ' - 9 -

909840/0605

Die Erfindung bezweckt, eine Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art, also ohne Steilheitsregelung, mit einer kunabhängigen Gegenkopplung zu schaffen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Signalstromciuellenanordnung einen ersten Spannungs-Stromwandler mit einem ersten in bezug auf den Ausgang der Verstärkerschaltung invertierenden Eingang und einem zweiten Eingang, der einen ersten Signal^ spannungseingang der Verstärkerschaltung bildet, sowie einen zweiten Spannungs-Stromwandler enthält mit wenigstens einem ersten in bezug auf den Ausgang der Verstärkerschaltung invertierenden Eingang, wobei die ersten Eingänge des ersten und des zweiten Spannungs-Stromwandlers mit dem Ausgang der Verstärkerschaltung verbunden sind.

Wenn das Signal am Signaleingang des ersten Spannungs-Stromwandlers gleich V₁₁ ist und der zweite Spannungs-Stromwandler einen Signaleingang mit einem Signal gleich V.ρ aufweist, gilt für das Ausgangssignal V^:

v_s = AKv₁₁ + Ad-K) v_i2.

Wenn dieses Signal in gegenkoppelndem Sinne völlig den beiden Spannungs-Stromwandlern zugeführt wird, gilt für Aj>1 mit Substitution von V₁₁ bzw. V₁₂ durch (V₁₁-Vg) bzw. (V₁₂-V₃) im vorhergehenden Ausdruck:

V₃ = KV₁₁ + (1-K)V₁₂.

Dabei sei bemerkt, daß der Signaleingang des zweiten Spannungs-Stromwandlers nicht notwendigerweise vorhanden zu sein braucht. In diesem Falle gilt:

Dabei sei bemerkt, daß die Verstärkerschaltung nach der Er PHN 9068 - - 10 -

findung nicht auf Schaltungen mit Bipolartransistoren beschränkt ist. Wenn z.B. Feldeffekttransistoren verwendet werden, ist unter Basis-, Emitter- bzw. Kollektor-Elektrode Gate-, Source- bzw. Drain-Elektrode zu verstehen.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine bevorzugte Ausführungsform einer Verstärkerschaltung nach der Erfindung zeigt.

Diese Ausführungsform enthält einen ersten Spannungs-Stromwandler mit einem Transistor T₁, dessen Basis mit dem Ausgang 16 eines Verstärkers V₁ verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang den Signaleingang 2 bildet und dessen invertierender Eingang 5 mit dem Emitter 7 des Transistors T₁ verbunden ist. Der Emitter 7 des Transistors T₁ ist mit einer Ruhestromquelle, die aus dem Transistor Ty und dem Widerstand Rc besteht, und über einen Widerstand R^ mit dem Gegenkopplungseingang 1 verbunden.

Ein zweiter Spannungs-Stromwandler enthält einen Transistor Tp, dessen Basis mit dem Ausgang 17 des Verstärkers Vp verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang den Signaleingang 3 bildet und dessen invertierender Eingang 6 mit dem Emitter 8 des Transistors T₂ verbunden ist. Der Emitter 8 des Transistors Tp ist mit einer Ruhestromquelle mit Transistor Tg und Widerstand Ry und über einen Widerstand R₂ mit dem Gegenkopplungseingang 1 verbunden»

Die Kollektor-Elektrode des Transistors T₁ ist mit den gemeinsamen Emitter-Elektroden der Transistoren T₅ und T, verbunden, die eine Stromverteiler schaltung bilden. Die Basis-Elektroden dieser Transistoren T, und T₂^ sind mit Regelsignaleingängen bzw. 9 verbunden. Auf ähnliche Weise ist der Kollektor des Transistors T₂ mit aen gemeinsamen Emitter-Elektroden der

PHN 9068 - 11 -

9ÖM40/080S

Transistoren T₁- und Tg verbunden, die eine zweite Stromverteilerschaltung bilden. Die Basis-Elektroden der Transistoren T₁- und Tg sind mit Regelsignaleingängen 9 bzw. 10 verbunden. Die Kollektor-Elektroden der Transistoren T^ und Tg sind mit dem Speiseanschlußpunkt +V„ und die Kollektor-Elektroden der Transistoren T^ und Tj- sind mit dem Eingang 11 einer Stromspiegelschaltung verbunden, die aus Transistoren T₁₁, T₁₂ und T₁, und Widerständen R^ und Ri besteht. Der Ausgang 12 der Stromspiegelschaltung ist mit einer Ruhestromquelle, die aus dem Transistor T_Q und dem Widerstand Rg besteht, und mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers V-, verbunden, dessen Ausgang 15 mit dem Gegenkopplungseingang 1 verbunden ist. Dieser Differenzverstärker V, ist als Spannungsfolger geschaltet, dadurch, daß der invertierende Eingang 14 mit dem Ausgang 15 verbunden ist.

Die Stromquellentransistoren Ty, Tg und Tg werden dadurch auf einen bestimmten Gleichstrom eingestellt, daß zwischen den Speiseanschlußpunkten +Vg und -Vg eine Reihenschaltung des Widerstandes Rg, des als Diode geschalteten Transistors T₁ und des Widerstandes R_Q angeordnet ist. Die Spannung über der Diode T₁₀ und dem Widerstand R_Q wird den Basis-Elektroden der Transistoren T₇, T_Q und T_g zugeführt.

Eine Eingangssignalspannung V.^ am Eingang 2 ist, weil der Verstärker V₁ über den Basis-Emitter-Übergang des Transistors T₁ gegengekoppelt ist, auch am Emitter 7 des Transistors T₁ vorhanden. Auf gleiche Weise ist eine Signaleingangsspannung V.p am Eingang 3 auch an dem Emitter 8 des Transistors T₂ vorhanden. Über dem Widerstand R₁ ist also eine Signalspannung V^ - V_u und über dem Widerstand R₂ ist eine Signalspannung V-₂ - V vorhanden, wobei V die Spannung am Gegenkopplungseingang 1 ist. Wenn die Widerstände R₁ und R₂ einen Widerstandswert gleich R aufweisen,

PHN 9068 . - - 12 -

909840/0605

ist der Kollektorsignalstrom des Transistors T₁ gleich (V₁₁-V₁₁)ZR₀ und der Kollektorsignalstrom des Transistors T₂ gleich (V_i2-V_u)/R₀.

Die Zusammenschaltung des Transistors T₁, des Differenzverstärkers V₁ und des Widerstandes R₁, ebenso wie die des Transistors T₂, des Differenzverstärkers V₂ und des Widerstandes R₂, kann als ein Spannungs-Stromwandler beschrieben werden. Die Spannung V₁₁-Vg wird über einen Widerstand R₁ in einen Strom

^Vi1-^Vs

^Ro

umgewandelt. Diese Umwandlung kann auch mit Wandlern anderer Art erfolgen.

Die Kollektorströme der Transistoren T, und T^, ebenso wie die der Transistoren Tg und Tc, verhalten sich wie K : 1-K, wobei K durch die Spannung zwischen den Eingängen 9 und bestimmt wird. Der Eingangssignalstrom am Eingang 11 des Stromspiegels und, falls der Stromspiegel einen Verstärkungsfaktor gleich 1 aufweist, auch am Ausgang 12 dieses Stromspiegels ist dann gleich:

Wenn die Signalimpedanz, die durch die Kollektorimpedanz des Transistors T_Q und die zu dieser parallelgeschalteten Eingangsimpedanz des Verstärkers V* gebildet wird, einen Wert R^ aufweist, gilt für die Spannung V_u am Ausgang 15 bzw. am Gegenkopplungseingang:

^Vu - ^K ΪΓ * ⁿ <^Vi1-V ⁺ <¹~^K> ΪΓ ⁿ <^Vi2-V' ο ο

wobei η die Verstärkung des Stromspiegels und die Basisstrom verluste der Transistoren T₁, T₂, T^ und T₅ darstellt.

PHN 9068 - 13 -

909840/0605

Wenn gilt, daß der Faktor __t . η viel größer als 1 ist,

wird für V gefunden:

^Ro

_{1 +} (1-k) v_i2.

Wenn die Kollektorstörme der Transistoren T~, Tg und Tq gleich sind, ist, abgesehen von Basisstromverlusten, der Ruhestrom am Ausgang 12 des Stromspiegels gleich dem Kollektorstrom des Transistors T«.

PHN 9068

Leerseite

Claims

2310093 N.V. Philips · Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland PÄTENTAKSPRÜCHE:

1. Verstärkerschaltung mit-regelbarem Verstärkungsfaktor mit einem ersten und einem zweiten Transistor (T-,, T^) mit miteinander verbundenen Emittern, einem dritten und einem vierten Transistor (T₅, Tg) mit miteinander verbundenen Emittern, einem Ausgang» der mit den Kollektoren des ersten und des dritten Transistors (T*, Tc) gekoppelt ist_f wobei die Basis-Elektrode des dritten Transistors mit der Basis-Elektrode des zweiten Transistors und die Basis-Elektrode des vierten Transistors mit der Basis-Elektrode des ersten Transistors verbunden ist, und eine Regelspannungsquelle zwischen die Basen des ersten und des zweiten Transistors angeschlossen ist, Ruhestromquellen, mit deren Hilfe Ruheströme den miteinander verbundenen Emittern des ersten und des zweiten Transistors und den miteinander verbundenen Emittern des dritten und des vierten Transistors zugeführt werden, und Signalstromquellenanordnung, mit deren Hilfe Signalstrom wenigstens den miteinander verbundenen Emittern des ersten und des zweiten Transistors zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalstromquellenanordnung einen ersten Spannungs-Stromwandler (T₁, V^) mit einem ersten in bezug auf den Ausgang (15 bzw. 1) der Verstärkerschaltung invertierenden Eingang (5) und einem zweiten Eingang (2), der einen ersten Signalspannungseingang der Verstärkerschaltung bildet, sowie einen zweiten Spannungs-Stromwandler (T₂, V₂) enthält mit wenigstens einem ersten in bezug auf den Ausgang (12) der Verstärkerschaltung invertierenden Eingang (6), wobei die ersten Eingänge (5_t 6) des ersten und des zweiten Spannungs-Stromwandlers mit dem Ausgang (12) der Verstärkerschaltung verbunden sind.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spannungs-Stromwandler einen

PHN 9068 - 2 -

909840/0605

-Z-

fünften Transistor (T₁), dessen Basis- und fiaitter-Elektroden Eingänge bilden, und der zweite Spannungs-Stromwandler einen sechsten Transistor (Tp) enthält, dessen Basis- und Emitter-Elektroden Eingänge bilden, wobei die Kollektor-Elektrode des fünften Transistors (T₁) mit den miteinander verbundenen Emitter-Elektroden des ersten und des zweiten Transistors (T^, Ti ) verbunden ist, während die Kollektor-Elektrode des sechsten Transistors (T2) mit den miteinander verbundenen Emitter-Elektroden des dritten und des vierten Transistors (Te» Tg) verbunden ist.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Elektrode des fünften Transistors (T₁) mit dem Signaleingang der Verstärkerschaltung gekoppelt ist, und daß die Emitter-Elektrode (7) des fünften Transistors (T-) mit der Emitter-Elektrode (8) des zweiten Transistors verbunden ist, wobei diese Elektroden einen gemeinsamen Gegenkopplungseingang (1) bilden, der in gegenkoppelndem Sinne mit dem Ausgang (15) der Verstärkerschaltung verbunden ist.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Emitter (7) des fünften Transistors (T₁) und dem gemeinsamen Gegenkopplungseingang (1) ein erster Widerstand (R₁) und zwischen dem Emitter (8) des sechsten Transistors (Tp) und dem gemeinsamen Gegenkopplungseingang (1) ein zweiter Widerstand (R^) angeordnet ist, dessen Widerstandswert im wesentlichen gleich dem des ersten Widerstandes ist.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spannungs-Stromwandler zusätzlich einen Differenzverstärker (V₁) mit einem invertierenden (5) und einem nichtinvertierenden Eingang (2) und einem Ausgang (16) enthält, wobei der Ausgang mit der Basis des fünften Transistors (T₁), der invertierende Eingang (5) mit dem Emitter (7) des fünften Transistors (T₁) und der nichtinvertierende

PHM 9068 - 3 -

909840/0605

Eingang (2) mit dem Signaleingang der Verstärkerschaltung verbunden ist.

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Elektrode (17) des sechsten Transistors (Tp) ^m^ ^einem zweiten Signaleingang (3) der Verstärkerschaltung verbunden ist.

7. Verstärkerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Spannungs-Stromwandler zusätzlich einen Differenzverstärker (Vp) mit einem invertierenden (6) und einem nichtinvertierenden Eingang (3) und einem Ausgang (17) enthält, wobei der Ausgang mit der Basis des sechsten Transistors (T₂), der invertierende Eingang (6) mit dem Emitter (8) des sechsten Transistors (T2) und der nichtinvertierende Eingang (3) mit dem Signaleingang der Verstärkerschaltung verbunden ist.

8. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter (7, 8) des fünften und des sechsten Transistors (T,,, Tp) mit je einer Ruhestromquelle (T„, Tq) verbunden sind.

9. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ausgangsstromkreis der Verstärkerschaltung ein Schaltungsteil (T_Q, V₅) mit hoher Impedanz angeordnet ist, über die der Ausgangsstrom der Verstärkerschaltung in eine Spannung umgewandelt wird.

10. Verstärkerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungsteil mit hoher Impedanz eine Stromquelle umfaßt.

11. Verstärkerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Differenzverstärker (V,)

PHN 9068 . - 4 -

909840/0605

mit einem invertierenden (14) und einem nichtinvertierenden (13) Eingang und einem Ausgang (15) enthält, wobei der Ausgang (15) mit dem gemeinsamen Gegenkopplungseingang (1) und mit dem invertierenden Eingang (14) und der nichtinvertierende
Eingang (13) mit dem Ausgang der Verstärkerschaltung (12) verbunden ist.

12. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung einen Stromspiegel enthält, dessen Eingang sowohl mit dem Kollektor des ersten Transistors als auch mit dem Kollektor des dritten Transistors verbunden ist und dessen Ausgang den
Ausgang der Verstärkerschaltung bildet.

PHN 9068 - 5 -

909840/0605