DE3230407A1

DE3230407A1 - Elektronische schaltung mit variabler impedanz

Info

Publication number: DE3230407A1
Application number: DE19823230407
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Takasaki Gunma Sato
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-08-26
Filing date: 1982-08-16
Publication date: 1983-03-10
Also published as: US4485350A; GB2104325A; IT1152078B; JPS5834613A; GB2104325B; IT8222932A0

Description

HITACHI, LTD., Tokyo,
Japan

Elektronische Schaltung mit variabler Impedanz

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung mit variabler Impedanz (im folgenden kurz als variable Impedanzschaltung bezeichnet), die beispielsweise für Aufnahme/Wiedergabe-Verstärker von Magnetband-Aufnahme-und-Wiedergabesystemen, Rauschverringerungsschaltungen udgl verwendet werden kann.

Aus der JA-OS 116052/1977 ist bereits eine elektronische variable Impedanzschaltung bekannt. Bei dieser vorbekannten Schaltung mit variabler Impedanz tritt, wie im Rahmen der Erfindung festgestellt wurde, insbesondere unmittelbar nach dem Schließen des Stromkreises der Stromversorgung ein Hochfrequenzsignal auf, durch das Rundfunkempfänger gestört oder ihre Ausgangssignale verzerrt werden. Da diese vorbekannte elektronische Schaltung mit variabler Impedanz auf dem Prinzip der Stromrückkopplung beruht, wird angenommen, daß der oben erwähnte Nachteil durch ein Schwingungsphänomen verursacht ist, das einer positiven Rückkopplung (Mitkopplung) zuzuschreiben ist, die unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung auftritt.

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Die Erfindung geht von diesem Problem aus; ihr liegt die Aufgabe zugrunde,, eine elektronische Schaltung mit variabler Impedanz anzugeben, bei der ein instabiler Betrieb unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung vermieden ist.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, in der ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung mit variabler Impedanz im Zusammenhang mit einem Anwendungsbeispiel dargestellt ist.

Die in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße elektronische Impedanzschaltung wird im folgenden näher erläutert. Der strichpunktiert eingerahmte Schaltungsteil ist als integrierte Schaltung (IC) zusammengefaßt, wobei die elektronische Impedanzschaltung und eine Signalverarbeitungsschaltung miteinander kombiniert sind, wie im folgenden näher erläutert ist; die Kombination dieser Schaltungen ist jedoch nicht zwingend und dient lediglich zur Erläuterung.

Zunächst wird die eigentliche elektronische Impedanzschal-· tung EID, die innerhalb der integrierten Schaltung IC vorgesehen ist, erläutert.Die elektronische Impedanzschaltung EID umfaßt im wesentlichen einen Spannungs/Strom-Wandler ~5_ mit hoher Eingangsimpedanz, einen Stromverstärker 4_ mit variabler Verstärkung, eine variable Konstantstromquelle 6_, eine Konstantstromquelle 7, einen Transistor Q₀, der eine vorgegebene Vorspannung erzeugt, einen Transistor G).,, der dazu dient, entsprechend den Spannungspegoln am Anschluß 1_ Ein/Aus-Schaltoperationen durchzuführen, udgl. Der Transistor £,, arbeitet dabei als Steuerschaltung, die den Rückkopplungsbetrieb der elektronischen Schaltung mit variabler Impedanz

für eine vorgegebene Zeitdauer nach dem Einschalten der Stromversorgung unterdrückt.

Der Spannungs/Strom-Wandler 2 besteht aus den PNP-Transistoren Q, und GL und den Widerständen R_. und R._Oo> die eindiffundierte Halbleiterwiderstände sind. Änderungen des Kollektorstroms der PNP-Transistoren Q₁ bzw Q₀ werden von dem Stromver-

—1 —/

stärker 4_ mit variabler Verstärkung der anschließenden Stufe erfaßt, dh den NPN-Transistoren Q, und Q.. Der Stromverstärker 4'

—_5 —4

mit variabler Verstärkung besteht aus Dioden D₁ und D₀ und den NPN-Transistoren Q, und Q,, den PNP-Transistoren CL,. Q. und Q-, sowie den Widerständen R₀₃ und R₀., die durch Eindiffundieren in den Halbleiterkörper hergestellt sind, wobei eine Stromspiegelschaltung vorliegt. Die Eingangsimpedanz Z. der elektronischen Impedanzschaltung EID, dh die Impedanz an der Verknüpfungsstelle zwischen der Basis des Transistors Q₀ und den Kollektoren der Transistoren GL und GL > wird durch Steuerung des Betrags eines Konstantstroms variiert, der durch die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors CL fließt, der die variable Konstantstromquelle &_ bildet. Die Steuerung bzw Regelung des Konstantstroms erfolgt in Abhängigkeit davon, welcher der Widerstände R,, - R₁ mit dem Anschluß _3 verbunden ist.

Die Schaltung umfaßt ferner eine Vorspannungsschaltung BC mit eindiffundierten Widerständen R₀₇, R₀₈, R₀₉ und R^₀, einem

NPN-Transistor Q₁₁, einem PNP-Transistor Q₁₀, Dioden D-, und —11 —1Z —j

D. sowie einer Zener-Diode D_ . Diese Schaltung erzeugt eine erwünschte Vorspannung. Der Verknüpfungspunkt zwischen den Widerständen R₀-, und R₀₀ ist über den Anschluß 7 mit einer

—Zl -ZO ~

externen Kapazität fj zur Entfernung der Welligkeitskomponenten der Versorgungsspannung verbunden und wechselstrommäßig geerdet. Die Widerstände R₀-, und R₀₀ besitzen ferner im wesentlichen

.—Z. I —Zo

gleiche Widerstandswerte. Demgemäß wird eine Referenzspannung Υ

die gleichstrommäßig im wesentlichen 1/2 V^p darstellt, an der Verbindungsstelle der beiden.Widerstände R₀-. und R_OQ erhalten. Diese Referenzspannung \/ „ wird einem Ende eines Tiefpaßfilters LPF und der Basis des Transistors £, zugeführt.

Zwischen den Anschlüssen l_ und 2_ ist ferner eine Signalverarbeitungsschaltung vorgesehen, die beispielhaft dargestellt ist. Die Signalverarbeitungsschaltung stellt einen Verstärker dar, wie er in Aufnahme/Wiedergabe-Systemen für Magnetbandaufzeichnung verwendet wird; die Schaltung ist so aufgebaut, daß die Kompensation der Frequenzcharakteristik bei der Wiedergabe je nach der Art des verwendeten Magnetbands und der Bandgeschwindigkeit durchgeführt werden kann. Die Signalverarbeitüngsschaltung wird im folgenden näher erläuterte Ein Wiedergabesignal V. gelangt beispielsweise von einem (nicht dargestellten) Tonkopf für Aufnahme und Wiedergabe zum An- ■ Schluß I₁ und dann zu einem Hauptpfad 1 - I , und einem Nebenpfad 1 - 1 ,. Der Verstärker A₁ besitzt eine im wesentliehen flache Frequenzcharakteristik.

Ein im Hauptpfad vorgesehener Spannungs/Strom-Wandler V-I__Qnv dient zur Kompensation der Frequenzcharakteristik zusammen mit dem Tiefpaßfilter LPF. Ferner ist ein Pufferverstärker BF, vorgesehen, der beispielsweise aus einer Emitterfolgerschaltung' aufgebaut ist. Im Nebenpfad sind Pufferverstärker BF^ und BF₉, die jeweils beispielsweise aus einer Emitterfolgerschaltung aufgebaut sind, sowie ein dazwischen angeordneter, in den Halbleiterkörper eindiffundierter Widerstand R^ vorgesehen. Der Widerstand R^ steuert die Verstärkung des Nebenpfads i - i , zusammen mit der Eingangsimpedanz Z. der elektronischen Impedanzschaltung EID. Die diffundierten Widerstände R₀ und R,, die im wesentlichen gleiche Widerstandswerte aufweisen, sowie ein Pufferverstärker BF₃, der beispielsweise aus einer Emitterfolgerschaltung aufgebaut ist, stellen eine analoge Summierschaltung ASC dar.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der elektronischen Impedanzschaltung näher erläutert, deren Aufbau oben angegeben ist.

Zunächst wird die Wirkungsweise der Schaltung unmittelbar nach Zuführung der Versorgungsspannung V_nr> zum Anschluß 5 erläutert.

In diesem Fall stoigt die an Anschluß 7_ erzeugte Referenzspannung ν» aufgrund des Stroms, der über den Widerstand R₂₇ durch die Kapazität £„ zur Beseitigung der Welligkeit der Versorgungsspannung fließt, nicht auf 1/2 Vpp an. Entsprechend der Zeitkonstante, die sich aus dem Widerstand R₀-, und der

—/.ι

Kapazität CL ergibt, steigt die Basisspannung der Transistoren Q₁ und Q₁-. allmählich an.

—JL LS>

Unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung fließt der Strom durch den Widerstand R_OQ, die Diode D-, und

die Zehner-Diode D , so daß am Emitter des Transistors Q₁, ζ 11

eine vorgegebene Emitterspannung erzeugt wird. Diese vorgegebene Emitterspannung liegt als Vorspannung unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung an der Basis des Transistors £_g an.

Der Transistors GL, hat folgende wichtige Wirkungsweise: Die oben erwähnte Emitterspannung des Transistors Q,,' gelangt über den Widerstand R^₁ zum Emitter des Transistors Q₁,. Da zu diesem Zeitpunkt die Basisspannung des Transistors GK, auf einem niederen Pegel ist, wie oben angegeben, wird der Transistor GJ., eingeschaltet. Der Transistor Q₈ wird entsprechend ebenfalls eingeschaltet, wobei die Kathoden der Dioden D₁ und D₀ im wesentlichen Erdpotential annehmen.

Die zwischen Anode und Kathode der Siliciumdioden D. und D~ anliegenden Spannungen sind andererseits im wesent-

lichen gleich den Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Q_x und Q.. Der Kollektor des Transistors Q₉ erhält entsprechend Erdpotential und gelangt in den Aus-Zustand.

Da der Transistor Qu unter den oben erläuterten Bedingungen im Aus-Zustand ist, fließt entsprechend kein Strom durch den '

Pfad von Anschluß 5 . » Anschluß 3. ——»Schalter S > Wider-

— η

stand R. ) Erdpotential GND. Dies bedeutet, daß der Transistor

Qg ausgeschaltet wird, da der Transistor Q,., eingeschaltet wird, und die Transistoren Q, und GL des Stromverstärkers 4_ mit variabler Verstärkung abgeschaltet werden. Auch wenn bei dem durch den Transistor Q, oder (L· fließenden Strom eine Änderung auftrat, erfolgt zwischenzeitlich keine elektrische Überlagerung, bei der die Stromänderung des einen Transistors auf den anderen Transistor rückgekoppelt wird, zumindest durch die Transistoren Q- und GL. Dementsprechend treten an der elektronischen Impedanzschaltung keine Hochfrequenzsignale, elektrischen Rauschsignale odgl auf.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schaltung für den Fall erläutert, in dem die Referenspannung V ~ an Anschluß Ί_ im wesentlichen auf 1/2 V„„ angestiegen ist.

Wenn die Referenzspannung V ~ auf 1/2 Ί~^ angestiegen ist, wird die Basisspannung des Transistors Q₁, höher als seine Emitterspannung. Dementsprechend gelangt der Transistor G)₁, in" den Aus-Zustand, wobei zugleich die Emitterspannung des Transistors Q,. als Vorspannung zur Basis des Transistors Qg gelangt. Demzufolge fließt ein Strom auf dem Pfad

Anschluß 5_—> Anschluß 2 —»Schalter S > Widerstand Ri .τ—

Erdpotential GND, wobei ein Betriebszustand erzeugt wird, in dem die elektronische Impedanzschaltung EID ihren normalen Betrieb durchführen kann. Dies bedeutet, daß aufgrund des Einschaltens des Transistors (J_Q Änderungen im Kollektorstrom

der Transistoren Q₁ bzw Q₀ durch die iransistoren Q, und Q, erfaßt werden. Der Basisstrom des Transistors Q₀ wird durch die Stromspiegelschaltung £₅, GL gesteuert. Durch diese Betriebsweise der elektronischen Impedanzschaltung EID wird die Eingangsimpedanz Z. geändert und die Verstärkung des Nebenpfads I - Z , gesteuert.

Nachfolgend wird die Eingangsimp'sdanz Z. der elektronischen Impedanzschaltung EID erläutert. Wenn die Widerstände R₀₁ und R₀₀ so festgelegt sind, daß sie gleiche Widerstandswerte besitzen, ist die Eingangsimpedanz Z. gegeben durch

re_o
^Zin°

in°

U Φ

In den obigen Gleichungen (1) bis (3) bezeichnen

re„ den Widerstand des Eiasi's-Emitter-Übergangs des Transistors Q₀,

rd₂ derf dynamischen Widerstand der Diode D₂,

re. den Widerstand des Üasis-Emitter-Ubergangs des Transistors Q.,

k die Boltzmann-Konstante,

T die absolute Temperatur,

q die elektronische Ladung,

I den halben Wert des durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Gh_n fließenden konstanten Stroms und

I den halben Wert des durch die Kollektorc

Emitter-Strecke des Transistors Q__g fließenden konstanten Stroms. Aus den Gleichungen (1) bis (3) folgt

Z. =
in

k T q~I~ ^{+ R}22

in k T η I (4).

π:

Die dynamischen Widerstände re~ und rd₂ nehmen kleine Werte an, die im Vergleich mit dem Widerstand R^ vernachlässigbar sind. Dementsprechend laßt sich Gleichung (4) näherungsweise vereinfachen zu

²In^ «22'T^{2 (5)}·

Die Potentialdifferenz an der Siliciumdiode D, oder D.so-

—J . - - . —4

wie die Potentialdifferenz an Basis und Emitter des Siliciumtransistors £_g oder"g,, werden ferner im wesentlichen gleich der Vorwärtsspannung Vp des PN-Ubergangs. Dementsprechend ist der konstante Strom 2 I , der durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors GL _Q, der die KonstantstromqueLle 2 darstellt, fließt, gegeben durch

wobei V die Zener-Spannung der Zener-Diode D_z darstellt.

Der konstante Strom 2 I , der durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Q₉ fließt, der während des Schließens des Schalters S die variable Konstantstromquelle 6_ darstellt, ist ferner gegeben durch

1= -Ά I (7).

^R1n

Durch Einsetzen von Gleichung (6) und (7) in die Gleichung (5) ergibt sich

Z - Ü22 . R (8).

^Zin - R₃₀ "in

Die Widerstände FL₂ und R₅₃ besitzen gleiche Temperaturabhängigkeit und gleiche herstellungsbedingte Abweichungen; als

externer Widerstand R₁ kann ein Präzisionswiderstand mit

in

sehr kleiner Temperaturabhängigkeit ausgewählt werden. Dementsprechend können- die Temperaturabhängigkeit und der Fehler der' Eingangsimpedanz Z. sehr klein gemacht werden.

Aufgrund des. Erfindungskonzepts ist demgemäß eine Rückkopplungsfunktion der variablen Impedanzschaltung unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung im wesentlichen

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unterdrückt, so daß ein instabiler Betrieb unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung verhindert werden kann und weder unerwünschte Hochfrequenzsignale noch elektrisches Rauschen udgl auftreten.

Claims

Ansprüche

f 1.^Elektronische Schaltung mit variabler Impedanz, gekennzeichnet durch

(a) einen Spannungs/Strom-Wandler (3), an dessen Eingangsanschluß eine Eingangssignalspannung anliegt,

(b) einen Stromverstärker (4) mit variabler Verstärkung, an dessen Eingangsanschluß der Ausgangsstrom des Spannungs/Strom-Wandler s (3) anliegt und dessen Ausgangssignalstrom zum Eingangsanschluß des Spannungs/Strom-Wandlers (3) rückgekoppelt ist,

und

(c) eine Steuerschaltung (Qi3)» die während einer vorgegebenen Zeitdauer nach Einschalten der Stromversorgung die· Rückkopplung im wesentlichen unterdrückt.

2. Elektronische Impedanzschaltung ,nach Anspruch 1., ferner gekennzeichnet durch

. (d) eine erste Vorspannun'gsschaltung (R₂y ^R28' ^C2^' ^^e einen Eingangsanschluß der Steuerschaltung (Q·^) mit einer ersten Vorspannung versorgt, die entsprechend einer vorgegebenen Zeitkonstante nach Einschalten der Stromversorgung ansteigt,

und

(e) eine zweite Vorspannungsschaltung (D.,, D , Q,,), die den anderen Eingangsanschluß der Steuerschaltung

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unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung mit einer vorgegebenen zweiten Vorspannung versorgt.

5. Elektronische Impedanzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitkonstante durch die Kapazität (C„) zur Entfernung der Welligkeit der Stromversorgung und die vorgegebene zweite Vorspannung durch die Zener-Spannung einer Zener-Diode.(D ) gegeben sind.

4. Elektronische Impedanzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (Q13) den Betrieb des Stromverstärkers (4) mit variabler Verstärkung für eine vorgegebene Zeitdauer nach Einschalten der Stromversorgung unterdrückt.