DE3024142C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer ersten Verstärkerschaltung, die zwei über Kreuz gekoppelte Differenzverstärker umfaßt, von denen jeder zwei Transistoren enthält, deren gemeinsamen Emitterzweig Eingangssignale zugeführt sind und von denen jeweils einer mit seinem Kollek­ tor mit dem Ausgang der Verstärkerschaltung verbunden ist.

Eine Schaltung mit zwei über Kreuz gekoppelten Differenz­ verstärkern besteht aus vier Transistoren, von denen jeder mit jedem der drei anderen Transistoren eine Elektrode (Emitter, Kollektor oder Basis) - und nur diese eine Elek­ trode - gemeinsam hat. Solche über Kreuz gekoppelten Diffe­ renzverstärker werden insbesondere in integrierter Schal­ tungstechnik in erheblichem Umfang eingesetzt. Es ist aber bekannt, daß sie nichtlineare Verzerrungen hervorrufen können, die in einigen Anwendungsfällen nicht mehr tragbar sind.

Es ist bekannt, daß man nichtlineare Verzerrungen durch Gegenkopplung verringern kann.

Bei einer Schaltung zur Lautstärke- oder Klangstellung mit zwei über Kreuz gekoppelten Differenzverstärkern, wie sie aus der DE-AS 22 62 089 bekannt ist, ist die Gegenkopplung aber von der jeweils gewünschten Lautstärke - bzw. dem gewünschten Frequenzgang abhängig und kann dabei so gering werden, daß eine ausreichende Beseitigung der nichtlinearen Verzerrungen nicht möglich ist.

Es ist weiter bekannt, daß die Emitterbahnwiderstände der Transistoren der über Kreuz gekoppelten Differenzverstärker die Ursache für die Verzerrungen sind und daß die Nicht­ linearitäten klein gehalten werden können, wenn die Emitter­ bahnwiderstände klein gemacht werden (DE-OS 24 18 455). Diese Lösung hat aber bei Ausführung in integrierter Schal­ tungstechnik einen ganz erheblichen Flächenbedarf.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die bei Schal­ tungen der eingangs genannten Art auftretenden Nichtlinea­ ritäten durch die geradzahligen Harmonischen, insbesondere die zweite Harmonische (das ist eine Schwingung mit der doppelten Frequenz wie die Grundschwingung) hervorgerufen werden, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die nichtlinearen Verzerrungen durch Kompensation der gerad­ zahligen Harmonischen reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine zweite, identisch aufgebaute Verstärkerschaltung vorgesehen ist, daß zwei Invertierschaltungen vorgesehen sind, durch die den Emitterzweigen der Differenzverstärker der zweiten Verstärkerschaltung der gleiche Ruhestrom, das Eingangssignal jedoch mit entgegengesetzter Phasenlage zugeführt wird wie den entsprechenden Emitterzweigen in der ersten Verstärker­ schaltung, und daß eine Subtrahierschaltung vorgesehen ist, die die Differenz zumindest der Signalkomponenten an den Ausgängen der ersten und zweiten Verstärkerschaltung bildet und an deren Ausgang das Ausgangssignal der Schaltungsan­ ordnung abnehmbar ist.

Weil den Emitterzweigen der beiden Differenzverstärker der zweiten Verstärkerschaltung das Eingangssignal mit entgegen­ gesetzter Phasenlage zugeführt wird wie den Emitterzweigen der beiden Differenzverstärker in der ersten Verstärker­ schaltung, während der Ruhestromarbeitspunkt für alle Emitterzweige gleich ist, hat die Grundschwingung und alle ungeradzahligen Harmonischen (d. h. alle Schwingungen mit dem Drei-, Fünf-, Siebenfachen usw. der Frequenz der Grund­ schwingung) am Ausgang der zweiten Verstärkerschaltung die entgegengesetzte Phasenlage wie am Ausgang der ersten Ver­ stärkerschaltung. Durch die Subtrahierschaltung, die die Differenz der Ausgangssignale der beiden Verstärkerschal­ tungen bildet, werden die Signalanteile mit der Frequenz der Grundschwingung addiert. Die geradzahligen Harmonischen, von denen die zweite Harmonische (d. h. eine Schwingung mit der doppelten Frequenz der Grundschwingung) besonders ausge­ prägt ist, haben an den Ausgängen der beiden Verstärkerschal­ tungen dieselbe Phasenlage, so daß sie durch die Subtrahier­ schaltung eliminiert werden. Dadurch werden die nichtlinearen Verzerrungen erheblich herabgesetzt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht in der Unabhängigkeit der Ausgangsgleichspannung von den Basisspannungen der Transistoren der beiden Differenzver­ stärker. Bei über Kreuz gekoppelten Differenzverstärkern kann sich der in den Emitterzweigen fließende Gleichstrom und damit die Ausgangsgleichspannung ändern, wenn die Basis­ vorspannung der Differenzverstärkertransistoren geändert wird und wenn die Emitterzweige keine Konstantstromquellen enthalten, sondern z. B. Widerstandskombinationen. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich diese Arbeitspunktverschiebung bei beiden Verstärkerschaltungen in gleicher Weise, jedoch heben sie sich durch die Subtrahier­ schaltung heraus.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine der beiden an sich bekannten Verstärkerschaltungen,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält zwei Differenz­ verstärker mit den npn-Transistoren 1, 2, 3 und 4. Jede Elektrode eines jeden der vier Transistoren ist mit der ent­ sprechenden Elektrode eines der drei anderen Transistoren verbunden. Die Kollektorelektroden der Transistoren 2 und 4 sind über einen gemeinsamen Widerstand 9 mit einer positiven Speisespannung verbunden und die Kollektorelektroden der Transistoren 1 und 3 sind ebenfalls miteinander verbunden und an die positive Speisespannung +U _B angeschlossen. Der gemeinsame Emitteranschluß der Transistoren 1 und 2 ist über einen ersten Widerstand 6 mit Masse und über einen zweiten Widerstand 5 mit dem Ausgang eines Spannungsfolgers OP 1 ver­ bunden; ebenso ist der gemeinsame Emitteranschluß der Tran­ sistoren 3 und 4 über einen Widerstand 7 mit Masse und über einen Widerstand 8 mit dem Ausgang eines Spannungsfolgers OP 2 verbunden. Der Widerstand 6 ist genauso groß wie der Widerstand 7 und der Widerstand 5 hat die gleiche Größe wie der Widerstand 8. Die beiden Spannungsfolger OP 1 und OP 2 haben dieselben Kennlinien.

Der Verbindungspunkt A der Kollektoren der Transistoren 2 und 4 und des Widerstandes 9 ist an den invertierenden Ein­ gang eines Verstärkers OP 3 mit großer Verstärkung ange­ schlossen, dessen Ausgang über eine Impedanz Z ₂ auf den Ein­ gang des Spannungsfolgers OP 1 und über eine Impedanz Z ₄ auf den Eingang des Spannungsfolgers OP 2 gegengekoppelt ist. Das Eingangssignal u _e wird dem Eingang des Spannungsfolgers OP 1 über eine Impedanz Z ₁ und dem Eingang des Spannungs­ folgers OP 2 über eine Impedanz Z ₃ zugeführt.

Je nachdem, ob die Schaltung als Lautstärkesteller oder als Klangsteller verwendet werden soll, sind die Impedanzen Z ₁ . . . Z ₄ unterschiedlich groß und/oder sie haben eine unter­ schiedliche Frequenzabhängigkeit. Die Klang- bzw. Lautstärke­ stellung erfolgt dadurch, daß die Spannung u _st , die zwischen die Verbindungspunkte der Basen der Transistoren 2 und 3 einerseits und der Basen der Transistoren 4 und 5 anderer­ seits angelegt wird, geändert wird. Der eine dieser beiden Verbindungspunkte führt gegen Masse die gleiche Spannung u _a , die auch der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers OP 3 führt und die vorzugsweise gleich der halben Speise­ spannung U _B sein kann.

Insoweit ist die Schaltung im wesentlichen aus der DE-OS 22 62 098 bzw. aus der DE-OS 24 04 331 bekannt; aller­ dings sind dort in die Emitterzuleitung Transistor-Konstant­ stromquellen geschaltet, die den Emittern der Transistoren des Differenzverstärkers jeweils einen Strom liefern, der unabhängig von der Steuerspannung u _st ist. Eine solche Transistor-Konstantstromquelle verursacht allerdings ein stärkeres Rauschen als die in die Emitterzuleitung einge­ schaltete Widerstandsanordnung 5, 6 bzw. 7, 8, die dafür den Nachteil hat, daß der von ihr gelieferte Strom von der Steuerspannung u _st abhängt, so daß auch das Potential am Punkt A und damit auch die Ausgangsspannung u _a sich mit der Steuerspannung ändert.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung umfaßt die anhand von Fig. 1 erläuterte aus den Komponenten 1 . . . 9 bestehende Verstärkerschaltung 10 sowie eine zweite, iden­ tisch aufgebaute Verstärkerschaltung 10′ mit den Bauele­ menten 1′. . . 9′. Die Basen der einander entsprechenden Tran­ sistoren 1, 1′; 2, 2′ usw. sind miteinander verbunden. Die aus der Eingangsspannung u _e (über die Impedanzen Z ₁ und Z ₃ - vgl. Fig. 1) und aus der Ausgangsspannung u _a des Verstärkers OP 3 (über die Impedanzen Z ₂ und Z ₄ - vgl. Fig. 1) abgeleiteten Signale u _{e 1} und u _{e 2} werden den Emitterzweigen der Verstärkerschaltung 10 - genauso wie bei der Schaltung nach Fig. 1 - über die Spannungsfolger OP 1 und OP 2 zuge­ leitet, während sie den Emitterzweigen der zweiten Ver­ stärkerschaltung 10′ über je eine Invertierschaltung zuge­ führt werden.

Diese Invertierschaltungen bewirken, daß die Signalspannung an den mit ihr verbundenen Anschlüssen des Widerstandes 5′ und 8′ die entgegengesetzte Phasenlage hat wie die Signal­ spannung an den entsprechenden Anschlüssen der Widerstände 5 und 8, während die Arbeitspunkte für die entsprechenden Emitterzweige gleich sind. Jede der Invertierschaltungen besteht aus einem Operationsverstärker OP 4 bzw. OP 5, der über einen Widerstand R ₁ vom Ausgang auf seinen invertieren­ den Eingang gegengekoppelt ist. Der invertierende Eingang ist außerdem über einen Widerstand R ₁, der die gleiche Größe hat wie der Gegenkopplungswiderstand, mit dem Ausgang des Spannungsfolgers OP 1 bzw. OP 2 verbunden. Am nichtinvertie­ renden Eingang liegt eine konstante Spannung u _r , die auch an den Basen der Transistoren 1, 4; 1′, 4′ liegt.

Die Ausgänge A und A′ der beiden Verstärkerschaltungen 10 und 10′ sind über eine Subtrahierschaltung verbunden, durch die der Spannung bzw. dem Strom am Ausgang A der Signalan­ teil der Spannung bzw. des Stromes am Ausgang A′ mit umge­ kehrter Phasenlage überlagert wird. Die Subtrahierschaltung enthält einen Operationsverstärker OP 6, dessen nichtinver­ tierender Eingang an die konstante Referenzspannung u _r ange­ schlossen ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP 6 ist über einen Widerstand R ₂ mit dem Ausgang A der Verstärker­ schaltung 10 bzw. über einen weiteren Widerstand gleicher Größe mit dem Ausgang A′ der Verstärkerschaltung 10′ bzw. dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers OP 6 verbunden. Der Verstärker OP 6 bewirkt in Verbindung mit dem Gegenkopp­ lungswiderstand R ₂, daß eine Änderung der Summe der Kollek­ torströme der Transistoren 2′ und 4′ in eine dazu proportio­ nale gegenphasige Spannungsänderung am Ausgang der Schaltung OP 6 umgesetzt wird (niederohmig). Diese gegenphasige Spannungs­ änderung wird mit Hilfe des Widerstandes R ₂ in eine gegen­ phasige Stromänderung umgesetzt, die der Änderung der Summe der Kollektorströme 2 und 4 am Punkt A überlagert wird.

Im Ruhezustand (Eingangssignal u _e = 0) entspricht die Spannung an den Ausgängen A, A′ sowie die Spannung an den Eingängen der Spannungsfolger OP 1 und OP 2 und an den von den Emittern abgewandten Anschlüssen der Widerstände 5, 5′ bzw. 8, 8′ der konstanten Referenzspannung u _r . Wird ein sinusförmiges Eingangssignal u _e angelegt, entstehen in den Verstärker­ schaltungen 10 und 10′ nicht nur Signalanteile mit der Grund­ schwingung, sondern aufgrund der Nichtlinearitäten auch höhere Harmonische der Grundschwingung, insbesondere solche mit der doppelten Frequenz. Während aber die Grundschwin­ gungsanteile (und alle ungeradzahligen Harmonischen) in den beiden Verstärkerschaltungen 10 und 10′ die entgegengesetzte Phasenlage haben und daher durch die Subtrahierschaltung an den Ausgängen der beiden Verstärkerschaltungen gleich­ phasig überlagert werden, haben die geradzahligen Harmonischen, insbesondere aber die ausgeprägte zweite Harmonische (welche die doppelte Frequenz hat wie die Grundschwingung), in beiden Verstärkerschaltungen die gleiche Phasenlage, so daß sie sich am Ausgang der Subtrahierschaltung, der bei der Schal­ tung nach Fig. 2 mit dem Ausgang A der ersten Verstärkerschal­ tung 10 zusammenfällt, kompensieren.

Die Kompensation setzt voraus, daß durch die beiden Inver­ tierschaltungen und die Subtrahierschaltung keine zusätz­ lichen nichtlinearen Verzerrungen entstehen. Diese Voraus­ setzung ist aber leicht erfüllbar, weil die Invertierschal­ tungen und die Subtrahierschaltung mit den Verstärkern OP 4 . . . OP 6 so stark gegengekoppelt sein können, daß sie keine nennenswerten Verzerrungen erzeugen.

Durch die erfindungsgemäße Schaltung werden nicht nur die in der Verstärkerschaltung 10 erzeugten geradzahligen Harmonischen kompensiert, sondern auch die Gleichspannungs­ schwankungen am Ausgang A, die durch Temperaturänderungen oder auf andere Weise erzeugt werden können. Wird beispiels­ weise die Steuerspannung u _st zwischen den Basen der Tran­ sistoren 1 . . . 4 geändert, dann ändern sich auch die Emitter­ gleichströme und damit die Kollektorgleichströme geringfügig. Dieselbe Gleichstromänderung erfolgt aber auch in der Ver­ stärkerschaltung 10′ und diese Gleichstromänderung wird durch die Subtrahierschaltung an den Ausgängen A und A′ in eine gegenphasige Stromänderung umgewandelt und der Gleichstromänderung am Ausgang A der Verstärkerschaltung 10 überlagert, so daß sich die einander entgegengerichteten Gleichstromänderungen hier kompensieren.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung mit einer ersten Verstärkerschal­ tung, die zwei über Kreuz gekoppelte Differenzverstärker umfaßt, von denen jeder zwei Transistoren enthält, deren gemeinsamen Emitterzweig Eingangssignal zugeführt sind und von denen jeweils einer mit seinem Kollektor mit dem Aus­ gang der Verstärkerschaltung verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine zweite, identisch aufgebaute Verstärker­ schaltung (10′) vorgesehen ist, daß zwei Invertierschaltun­ gen (R ₁, OP 4, OP 5) vorgesehen sind, durch die den Emitter­ zweigen (5′, 6′; 7′, 8′) der Differenzverstärker (1′, 2′; 3′, 4′) der zweiten Verstärkerschaltung (10′) der gleiche Ruhestrom, das Eingangssignal jedoch mit entgegengesetzter Phasenlage zugeführt wird wie den entsprechenden Emitter­ zweigen (5, 6; 7, 8) in der ersten Verstärkerschaltung (10), und daß eine Subtrahierschaltung (R ₂, OP 6) vorgesehen ist, die die Differenz zumindest der Signalkomponenten an den Ausgängen (A, A′) der ersten und zweiten Verstärkerschal­ tung (10, 10′) bildet und an deren Ausgang (A) das Ausgangs­ signal der Schaltungsanordnung abnehmbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Subtrahierschaltung (OP 6, R ₂) so ausgebil­ det ist, daß sie die Signalkomponenten am Ausgang (A′) der einen Verstärkerschaltung (10′) invertiert und zu der Spannung bzw. dem Strom am Ausgang (A) der anderen Verstärkerschaltung (10) addiert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Subtrahierschaltung einen Verstärker (OP 6) enthält, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang (A′) der einen Verstärkerschaltung (10′) verbunden ist und an dessen nichtinvertierendem Eingang eine Referenzspannung (u _r ) anliegt, die dem Ruhepotential am Ausgang der Ver­ stärkerschaltung (10′) entspricht, daß der Ausgang des Verstärkers (OP 6) über einen Widerstand (R ₂) mit dem Aus­ gang (A) der anderen Verstärkerschaltung (10 ) verbunden ist, der die gleiche Größe hat wie ein zwischen dem invertierenden Eingang des Verstärkers (OP 6) und seinem Ausgang angeschlosse­ ner Widerstand (R ₂), und daß der Ausgang des anderen Ver­ stärkers (A) den Ausgang der Subtrahierschaltung bildet.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (A) der Subtrahierschaltung über einen ersten Gegenkopplungspfad (Z ₂) mit dem Emitterzweig (5, 6) eines Differenzverstärkers (1, 2) der ersten Verstärkerschaltung (10) und über eine der Invertierschaltungen (R ₁, OP 4) mit dem Emitterzweig (5′, 6′) des entsprechenden Differenzverstärkers (1′, 2′) der zweiten Verstärkerschaltung (10′) verbunden ist, und daß der Ausgang (A) der Subtrahierschaltung über einen zweiten Gegenkopplungspfad (Z ₄) mit dem Emitterzweig (7, 8) des anderen Differenzverstärkers (3, 4) der ersten Verstärker­ schaltung (10) und über die andere Invertierschaltung (R ₁, OP 5) mit dem Emitterzweig (7′, 8′) des entsprechenden Differenzverstärkers (3′, 4′) der zweiten Verstärkerschal­ tung (10′) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannung (u _st ) zwischen den Basen der Transistoren jedes Differenzverstärkers veränderbar ist.