DE3124171A1

DE3124171A1 - "verstaerkerschaltung mit sehr niedriger verzerrung"

Info

Publication number: DE3124171A1
Application number: DE19813124171
Authority: DE
Inventors: Theodorus Jozef 5621 Eindhoven Van Kessel
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-07-07
Filing date: 1981-06-19
Publication date: 1982-03-25
Also published as: NL8003905A; KR830006986A; US4409556A; IT1137709B; FR2486330A1; JPS5757009A; ES8204893A1; GB2080065B; KR860000742B1; IT8122729A0; ES503657A0; DE3124171C2; FR2486330B1; GB2080065A; CA1177913A; MX149771A

Description

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N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken" ^^ PHN 9794 Verstärkerschaltung mit sehr niedriger Verzerrung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung, die einen Verstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nichtinvertierenden Eingang und einem Ausgang, eine zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang eingeschaltete erste Impedanz und eine zwischen einer Eingangsanschlußklemme der Verstärkerschaltung und dem invertierenden Eingang des Verstärkers eingeschaltete zweite Impedanz enthält.

Bei Berechnungen an einer derartigen allgemein bekannten Verstärkerschaltung, die z.B. in "Electronica", Band 2 "Analoge Techniek" von C. Rijsberman, herausgegeben von Kluwer, S. 94, beschrieben ist, wird davon ausgegangen, daß die Verstärkung des in der Verstärkerschaltung vorhandenen Verstärkers unendlich groß ist. Die Verstärkung der Verstärkerschaltung wird dann gleich dem Verhältnis der Impedanzwerte der ersten und der zweiten Impedanz. In der Praxis ist die Verstärkung des vorhandenen Verstärkers nahezu nie unendlich groß, insbesondere nicht als Funktion der Frequenz, so daß die Verstärkung der Verstärkerschaltung auch nie genau gleich dem Verhältnis der Impedanzwerte der ersten und der zweiten Impedanz wird. Diese Abweichung der Verstärkerschaltung von dem Idealverhalten hat auch zur Folge, daß die Verzerrung des Verstärkers nicht mehr optimal von der Gegenkopplung unterdrückt werden kann.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Verstärkerschaltung zu schaffen, die bei einer nicht unendlichen Verstärkung des vorhandenen Verstärkers dennoch eine Verstärkung der Ver-Stärkerschaltung gleich dem Verhältnis der Impedanzwerte der

-ε-

genannten ersten und der genannten zweiten Impedanz gewährleistet, und außerdem eine sehr niedrige Verzerrung aufweist.

Die Verstärkerschaltung nach der Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung ein Impedanznetzwerk mit einer ersten und einer zweiten Anschlußklemme enthält, das zwischen dem invertierenden Eingang und dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers eingeschaltet ist, wobei die Impedanz des Impedanznetzwerkes wenigstens annähernd der Impedanz einer Parallelschaltung der ersten ζ und der zweiten Impedanz entspricht, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dadurch, daß ein Impedanznetzwerk zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers geschaltet und der Impedanzwert dieses Impedanznetzwerkes wenigstens annähernd gleich dem Impedanzwert einer Parallelschaltung der ersten und der zweiten Impedanz, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen, gewählt wird, die Verstärkung der Verstärkerschaltung, ungeachtet des Istwertes der Verstärkung des Verstärkers, gleich dem Verhältnis der Impedanzwerte der ersten und der zweiten Impedanz gemacht werden C ²⁵ kann. Dadurch wird also eine Verstärkerschaltung mit einer sehr niedrigen Verzerrung erhalten.

Es sei erwähnt, daß der Impedanzwert des Impedanznetzwerks tatsächlich gleich dem negativen Impedanzwert der Parallelschaltung der ersten Impedanz, der zweiten Impedanz und . einer der Eingangsimpedanz des Verstärkers entsprechenden Impedanz sein müßte. Da im allgemeinen-die letztere Impedanz ziemlich groß ist, genügt in erster Linie die Forderung, daß der Impedanzwert wenigstens etwa dem der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Impedanz entspricht.

^ PHN 9794

Eine derartige Verstärkerschaltung nach der Erfindung kann auf einfache Weise dadurch erhalten werden, daß das Impedanznetzwerk einen zweiten Verstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nichtinvertierenden Eingang und einem Ausgang enthält, daß die erste Anschlußklemme des Impedanznetzwerkes einerseits mit denf nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers und andererseits über eine dritte Impedanz mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers verbunden ist, daß die zweite Anschlußklemme des Impedanznetzwerkes über eine vierte Impedanz mit dem invertierenden

Eingang des zweiten Verstärkers verbunden ist, und daß r zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers eine fünfte Impedanz eingeschaltet ist.

Wenn nun der Impedanzwert der dritten Impedanz mindestens etwa gleich dem der fünften Impedanz und der Impedanzwert der vierten Impedanz mindestens etwa gleich dem Impedanzwert der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Impedanz gewählt wird, ist die genannte negative Impedanz erhalten.

Die vierte Impedanz kann aus einer Parallelschaltung zweier Impedanzen aufgebaut werden, die der ersten bzw. der zweiten Impedanz entsprechen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, C ²⁵ daß die Verzerrung in der Verstärkerschaltung möglichst niedrig wird und grundsätzlich nur durch den Verzerrungsbeitrag des weiteren Verstärkers bestimmt wird. Der Verzerrungsbeitrag des ursprünglichen Verstärkers wird nun nämlich von dem Impedanznetzwerk maximal ausgeglichen.

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Da der zweite Verstärker derart ausgebildet ist, daß er eine viel niedrigere Leistung als der Verstärker der Verstärkerschaltung zu liefern braucht, ist die Verzerrung des weiteren Verstärkers dementsprechend niedriger, so daß eine

or

Verstärkerschaltung mit einer niedrigen Verzerrung erhalten ist.

^T PHN 9794

Eine bevorzugte Ausführungsform der Verstärkerschaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der vierten Impedanz wenigstens annähernd dem der fünften Impedanz ist, und daß der Wert der dritten Impedanz wenigstens annähernd dem Wert der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Impedanz entspricht. Bei der Wahl der Impedanzwerte der unterschiedlichen Impedanzen wird der nichtideale Charakter des zweiten Verstärkers berücksichtigt und wird eine Einstellung des zweiten Verstärkers angegeben, bei der eine optimale Unterdrückung der Verzerrung des Verstärkers erhalten wird. Wenn die Impedanzwerte der dritten, der vierten und der fünften Impedanz einander gleich gewählt werden, kann sogar eine sehr einfache Schaltung für das Impedanznetzwerk erhalten werden.

Eine Weiterbildung der Verstärkerschaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung ein zweites Impedanznetzwerk mit einer ersten und einer zweiten Anschlußklemme enthält, das zwischen dem invertierenden Eingang und dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers eingeschaltet ist, wobei die Impedanz des zweiten Impedanznetzwerks wenigstens annähernd der Impedanz einer Parallelschaltung der vierten und der fünften Impedanz entspricht, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.

Indem der Erfindungsgedanke nochmals bei dem zweiten Verstärker des Impedanznetzwerkes verwendet wird, wird die Möglichkeit erhalten, den Verzerrungsbeitrag auch dieses

zweiten Verstärkers auszugleichen.

Auch hier sei erwähnt, daß der Impedanzwert des zweiten Impedanznetzwerkes tatsächlich gleich dem negativen Impedanzwert der Parallelschaltung der vierten Impedanz, der fünften

Impedanz und einer der Innenimpedanz des weiteren Verstär-

i ti -

PHN 9794

kers entsprechenden Impedanz sein müßte. Da im allgemeinen die letztere Impedanz ziemlich groß ist, genügt die Forderung, daß der Impedanzwert des zweiten Impedanznetzwerkes wenigstens annähernd dem der Parallelschaltung der vierten und der fünften Impedanz entspricht.

Das zweite Impedanznetzwerk kann auf gleiche Weise wie oben in bezug auf das (erste )lmpedanznetzwerk angegeben aufgebaut werden.

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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung /· dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine Ausführungsform der Verstärkerschaltung nach der Erfindung.

In der Figur ist ein Verstärker 1 mit einer Gegenkopplung in Form einer zwischen seinem invertierenden Eingang 2 und seinem Ausgang 3 eingeschalteten ersten Impedanz 5 versehen. Zwischen einer Eingangsanschlußklemme 6 der Verstärkerschaltung und dem invertierenden Eingang 2 des Verstärkers 1 ist weiter noch eine zweite Impedanz 7 eingeschaltet. Die Eingangsanschlußklemme 4 der Verstärkerschaltung ist unmittelbar mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 1 _k 25 verbunden.

Wenn die Verstärkung des Verstärkers 1 unendlich groß wäre, wäre die Verstärkung der durch den Verstärker 1 und die Impedanzen 5 und 7 gebildeten Verstärkerschaltung gleich dem Verhältnis der Impedanzen 5 und 7. In der Praxis ist die Verstärkung des Verstärkers 1 nie unendlich groß, so daß die Verstärkung der Verstärkerschaltung ebenfalls nie genau gleich dem Verhältnis der Impedanzen 5 und 7 ist, was zur Folge hat, daß die Verzerrung des Verstärkers 1 nicht mehr optimal von seiner Gegenkopplung unterdrückt werden kann.

'ft ■ »

jB PiIN 9794

Zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 1 ist nun ein Impedanznetzwerk 8 eingeschaltet.

Die Verstärkung der Verstärkerschaltung wird nun unter der Annahme, daß die Verstärkung A des Verstärkers 1 nicht unendlich groß und die Eingangsimpedanz des Verstärkers 1 unendlich groß ist:

\ -^Z2^A

~ z«, c 1+a;+Z₂^-Z₁Z₂ZZ '
C

wobei Z₁, Zp und Z die Impedanzwerte der ersten Impedanz, der zweiten Impedanz bzw. der Impedanz des Impedanznetzwerkes 8 darstellen. Indem nun Z dem negativen Impedanzwert der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Impedanz -Z₁Z₂Z(Z₁H-Z₂) gleichgesetzt wird,'wird für die Verstärkung der Verstärkerschaltung erhalten:

²⁰

V	-Z₂
U
1 ⁼

ein Wert, der von der Verstärkung des Verstärkers 1 unabhängig ist.

C 25

Eine gleiche Berechnung, bei der die Tatsache berücksichtigt wäre, daß die Eingangsimpedanz des Verstärkers 1 nicht unendlich ist, hätte sich die Forderung ergeben, daß Z der Parallelschaltung des ersten Widerstandes, des zweiten Wider-Standes und eines dem Innenwiderstand des Verstärkers 1 entsprechenden Widerstandes gleichgesetzt werden müßte. Da der letztere Widerstand im allgemeinen .doch viel größer als die anderen beiden Widerstände ist, genügt die vorgenannte Anforderung.

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Das Impedanznetzwerk 8 kann aus einem weiteren Verstärker 9 aufgebaut werden, dessen nichtinvertierender Eingang

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- AB-

einerseits mit dem invertierenden Eingang 2 des Verstärkers 1 und andererseits über eine dritte Impedanz 10 mit seinem Ausgang verbunden ist. Der invertierende Eingang des weiteren Verstärkers 9 ist über eine vierte Impedanz 11 mit dem nichtinvertierenden Eingang 4 des Verstärkers 1 verbunden. Außerdem ist zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des weiteren Verstärkers 9 eine fünfte Impedanz 12 eingeschaltet.

Um nun mit dem Impedanznetzwerk 8 eine Impedanz mindestens etwa gleich -Z₁Z₂Z(Z₁H-Z₂) zu erhalten, können die dritte

( Impedanz 10 und die fünfte Impedanz 12 einander gleichgesetzt und kann der Impedanzwert der vierten Impedanz 11 mindestens etwa gleich dem Impedanzwert der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Impedanz 5 bzw. 7 gewählt werden, und zwar Z₁Z₂Z(Z₁H-Z₂). Mit dieser Schaltung können die Ve iz er rungs komponenten infolge des Verstärkers 1 größtenteils ausgeglichen werden. Die Verzerrungskomponenten im Ausgangssignal V werden nun im wesentlichen durch den Verzerrungsbeitrag des weiteren Verstärkers 9 bestimmt. Da dieser Verstärker 9 derart bemessen ist, daß er eine viel niedrigere Leistung als der Verstärker 1 liefert, ist der zugehörige Verzerrungsbeitrag des Verstärkers 9 ebenfalls viel kleiner, so daß eine erhebliche Herabsetzung in der Verzerrung infolge des ²⁵ zwischengeschalteten Impedanznetzwerkes 8 erhalten Wird.

Eine andere Möglichkeit, mit dem Impedanznetzwerk 8 eine Impedanz gleich -Z₁Z₂Z(Z₁H-Z₂) zu erhalten, besteht darin, die vierte Impedanz 11 und die fünfte Impedanz 12 einander gleichzusetzen und den Impedanzwert der dritten Impedanz 10 gleich Z₁Z₂Z(Z₁H-Z₂) zu wählen. Bei dieser Wahl der Impedanzwerte wird der nichtideale Charakter des weiteren Verstärkers 9 berücksichtigt und wird die optimale Einstellung dieses weiteren Verstärkers angegeben, bei der eine optimale

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Unterdrückung der Verzerrung des Verstärkers 1 erhalten wird.

ψ PHN 9794

^ M-

Die einfachste Schaltung kann diejenige sein, bei der die drei Impedanzen 10, 11 und 12 einander gleich und gleich Z₂) sind.

Die Verzerrung der Verstärkerschaltung, die nun im wesentlichen durch nur die verbleibenden Verzerrungskomponenten des weiteren Verstärkers 9 herbeigeführt wird, kann weiter dadurch herabgesetzt werden, daß ein weiteres Impedanznetzwerk 13 zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang des weiteren Verstärkers 9 eingeschaltet

wird, wobei der Impedanzwert des weiteren Impedanznetzwerkes ( 13 mindestens etwa dem Impedanzwert der Parallelschaltung der vierten und der fünften Impedanz 11 bzw. 12 entspricht, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen, und zwar -Z^Z₁-/(Z^+Z,-). In bezug auf den Impedanzwert des weiteren Impedanznetzwerkes 13 gilt Entsprechendes wie bereits oben für das Impedanznetzwerk 8 erwähnt wurde.

Das weitere Impedanznetzwerk 13 ist aus einem anderen Verstärker 14 aufgebaut, dessen nichtinvertierender Eingang einerseits mit dem invertierenden Eingang des weiteren Verstärkers 9 und andererseits über eine sechste Impedanz 15 mit seinem Ausgang verbunden ist. Der invertierende Eingang des anderen Verstärkers 14 ist über eine, siebte Impe- ^ ^2S danz 16 mit dem nichtinvertierenden Eingang des weiteren Verstärkers 9 verbunden.

Weiter ist zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des anderen Verstärkers 14 eine achte Impedanz 17 eingeschaltet.

Um nun mit dem weiteren Impedanznetzwerk 13 eine Impedanz mindestens etwa gleich -Z- Ζ,-/(Ζλ+Ζ,-) zu erhalten, können die sechste Impedanz 15 und die achte Impedanz 17 einander

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gleichgesetzt und kann der Impedanzwert der siebten Impedanz

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16 gleich dem Impedanzwert der Parallelschaltung der vierten und der fünften Impedanz 11 bzw. 12 gewählt werden. Mit dieser Schaltung können die verbleibenden Verzerrungskomponenten, die durch den weiteren Verstärker 9 herbeigeführt werden, größtenteils ausgeglichen werden. Die Verzerrungskomponenten im Ausgangssignal V werden nun im wesentlichen durch den Verzerrungsbeitrag des anderen Verstärkers 14 bestimmt.

Da dieser andere Verstärker 14 derart eingestellt ist, daß er wieder viel weniger .Leistung als der weitere Verstärker / 9 liefert, ist die Verzerrung dieses anderen Verstärkers und damit die Verzerrung im Ausgangssignal V_u dementsprechend niedriger, so daß eine zusätzliche Herabsetzung in der Verzerrung des Ausgangssignals V_u infolge des zwischengeschalteten weiteren Impedanznetzwerkes 13 erhalten werden kann.

Eine andere Möglichkeit, mit dem weiteren Impedanznetzwerk 13 eine Impedanz gleich -Z^Zc/CZ^+Z,-) zu erhalten, besteht darin, die siebte Impedanz 16 und die achte Impedanz 17 einander gleichzusetzen und den Impedanzwert der sechsten Impedanz 15 gleich ZaZ₁-A Ζλ+Z₁-) zu wählen. Bei dieser Wahl der Impedanzwerte wird der nichtideale Charakter des anderen Verstärkers 14 berücksichtigt und wird die optimale Einstellung dieses anderen Verstärkers 14 angegeben, bei der eine optimale Unterdrückung der Verzerrung der Verstärkerschaltung über den weiteren Verstärker 9 erhalten wird.

Die einfachste Schaltung für das weitere Impedanznetzwerk 13 ist diejenige, bei der die drei Impedanzen 15» 16 und 17 einander gleich und gleich Ζ^Ζ,-ΛΖ^+Ζ,-) gewählt sind.

Schließlich sei erwähnt, daß die Erfindung nicht auf das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern auch bei Ausführungsformen angewandt werden

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kann, bei denen die Ausführung an sich nicht auf die Erfindung beziehenden Punkten von dem beschrxebenen Aus führungsbeispiel abweicht.

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Leerseite

Claims

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PATENTANSPRUCHS:

(1.J Verstärkerschaltung, die einen Verstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nichtinvertierenden Eingang und einem Ausgang, eine zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang eingeschaltete erste Impedanz und eine zwischen einer Eingangsanschlußklemme der Verstärkerschaltung und dem invertierenden Eingang des Verstärkers eingeschaltete zweite Impedanz enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ν die Verstärkerschaltung ein Impedanznetzwerk (8) mit einer ersten und einer zweiten Anschlußklemme enthält, das zwischen dem invertierenden Eingang (2) und dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers (1) eingeschaltet ist, wobei die Impedanz des Impedanznetzwerkes (8) wenigstens annähernd der Impedanz einer Parallelschaltung der ersten (5) und der zweiten (7) Impedanz entspricht, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.
2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanznetzwerk (8) einen zweiten Verstärker (9) mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-

/ 20 invertierenden Eingang und einem Ausgang enthält, daß die erste Anschlußklemme des Impedanznetzwerkes einerseits mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers und andererseits über eine dritte Impedanz (10) mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers (9) verbunden ist, daß die zweite Anschlußklemme des Impedanznetzwerkes über eine vierte Impedanz (11) mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers (9) verbunden ist, und daß zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers eine fünfte Impedanz (12) eingeschaltet ist.

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3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß der Viert der dritten Impedanz (10) wenigstens annähernd gleich dem der fünften Impedanz (12) ist, und daß der Wert der vierten Impedanz (11) wenigstens annähernd dem Wert der Parallelschaltung der ersten (5) und der zweiten (7) Impedanz entspricht.
4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der vierten Impedanz (11) wenigstens annähernd dem der fünften Impedanz (12) ist, und daß der Wert der dritten Impedanz (10) wenigstens annähernd dem Wert der Parallelschaltung der ersten (5) und deijzweiten (7) r Impedanz entspricht.
5. Verstärkerschaltung nach einem der vorstehenden An-

Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung ein zweites Impedanznetzwerk (13) mit einer ersten und einer zweiten Anschlußklemme enthält, das zwischen dem invertierenden Eingang und dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Verstärkers (9) eingeschaltet ist, wobei die Impedanz des zweiten Impedanznetzwerkes (13) wenigstens annähernd der Impedanz einer Parallelschaltung der vierten (11) und der fünften (12) Impedanz entspricht, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.

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6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Impedanznetzwerk (13) einen dritten Verstärker (14) mit einem invertierenden Eingang, einem nichtinvertierenden Eingang und einem Ausgang enthält, daß die erste Anschlußklemme des weiteren Impedanznetzwerkes einerseits mit dem nichtinvertierenden Eingang des anderen Verstärkers und andererseits über eine sechste Impedanz (15) mit dem Ausgang des dritten Verstärkers verbunden ist, daß die zweite Anschlußklemme des zweiten Impedanznetzwerkes (13) über eine siebte Impedanz (16) mit dem invertierenden Eingang des dritten Verstärkers (14) ver-

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bunden ist, und daß zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des dritten Verstärkers (14) eine achte Impedanz (17) eingeschaltet ist.
7. Verstärkerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der sechsten Impedanz (15) dem der achten Impedanz (17) entspricht und daß der Impedanzwert der siebten Impedanz (16) wenigstens annähernd dem Impedanzwert der Parallelschaltung der vierten (11) und der fünften

(12) Impedanz entspricht.

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8. Verstärkerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwert der siebten Impedanz (16) wenigstens annähernd dem der achten Impedanz (17) entspricht und daß der Impedanzwert der sechsten Impedanz (15) wenigstens annähernd dem Impedanzwert der Parallelschaltung der vierten (11.) und der fünften (12) Impedanz entspricht.

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