DE3236148C2 - Schaltungsanordnung zum Einstellen der Verstärkung eines Verstärkers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Einstel­ len der Verstärkung eines Verstärkers gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits aus "IBM Technical Disclosure Bulletin", Vol. 16, Nr. 11 (4.74), Sei­ ten 3504 und 3505, H. H. Ottesen, "DIGITALLY CONTROLLED AMPLIFIER CIRCUITS", bekannt. Bei dieser bekannten Schal­ tungsanordnung ist in dem Rückkopplungszweig eine Wider­ standskombination vorgesehen, welche neben fest in den Rück­ kopplungszweig geschalteten Längswiderständen eine Querwider­ standsanordnung aufweist. Diese besteht aus einer Mehrzahl n von unterschiedliche Widerstandswerte aufweisenden Querwider­ ständen, die einerseits gemeinsam an einen Verbindungspunkt der Längswiderstände angeschlossen und andererseits jeweils über eine gesonderte Schaltstrecke einer insgesamt n unter­ schiedliche Schaltstrecken aufweisenden Umschalteinrichtung verbunden sind. Durch diese Umschalteinrichtung ist je nach dem gewünschten Verstärkungsgrad des Verstärkers wahlweise einer der Einzelquerwiderstände wirksam mit den Längswider­ ständen verbindbar. Der jeweilige Einzelquerwiderstand beein­ flußt jedoch in Verbindung mit den fest in den Rückkopplungs­ zweig des Verstärkers geschalteten Längswiderständen auch den Ausgangswiderstand der Verstärkeranordnung. Das heißt, mit der Anschaltung unterschiedlicher Einzelquerwiderstände an die Längswiderstände ändert sich nicht nur der Verstärkungs­ grad der Verstärkeranordnung, sondern auch deren Ausgangswi­ derstand.

Aus "WIRELESS WORLD", Mai 1980, H. 1533, Seiten 65 bis 68, J.M. Didden, "Programmable Audio Attenuator", bekannte Ver­ stärkeranordnungen (Fig. 2, 10 und 12) stellen hinsicht­ lich ihrer im Rückkopplungszweig liegenden Widerstandskombi­ nation einen Spezialfall der aus der zuvor genannten Druck­ schrift bekannten Verstärkeranordnung dar, indem mit dem Ver­ bindungspunkt zweier fest in dem Rückkopplungszweig der je­ weiligen Verstärkeranordnung liegender Längswiderstände le­ diglich ein einziger Querwiderstand über einen Ein-/Ausschal­ ter wirksam verbindbar ist. Das Wirksamschalten bzw. Unwirk­ samschalten des Querwiderstandes beeinflußt dabei ebenfalls nicht nur den Verstärkungsgrad der jeweiligen Verstärkeran­ ordnung, sondern auch deren Ausgangswiderstand.

Darüber hinaus sind aus DE 29 40 078 A1 und GB-A-2 029 142 Verstärkeranordnungen bekannt, welche zwar über steuerbare Widerstandskombinationen zur Festlegung des Verstärkungs­ grades dieser Verstärkeranordnungen verfügen. Die schaltungs­ technischen Maßnahmen innerhalb dieser Widerstandskombinatio­ nen sind jedoch ebenfalls nicht geeignet, den Ausgangswider­ stand der Verstärkeranordnungen konstant zu halten.

Schließlich ist aus der DE 27 22 311 B2 eine Verstärkeranord­ nung bekannt, bei welcher für die Verstärkungseinstellung ein im Dualcode auftretendes Steuersignal verwendet wird, mit dessen Hilfe Schalterkontakte gesteuert werden, die entweder durch Relaiskontakte oder durch elektronische Schaltmittel, vorzugsweise Optokoppler, gebildet sind. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung sind die im Rückkopplungskreis des Ver­ stärkers liegenden Widerstände jeweils einem normalerweise vorhandenen Rückkopplungswiderstand parallel schaltbar. Dies bedeutet, daß der Ausgangswiderstand der betreffenden Ver­ stärkeranordnung abhängig ist von den jeweils im Rückkopp­ lungszweig wirksam geschalteten Widerständen. Damit eignet sich auch diese bekannte Schaltungsanordnung nicht für solche Anwendungsfälle, bei denen stets ein gleichbleibender Aus­ gangswiderstand der Verstärkeranordnung gefordert ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, einen Weg zu zeigen, wie bei einer Schaltungsanordnung gemäß Oberbe­ griff des Patentanspruches 1 die Struktur der im Rückkopp­ lungszweig des Verstärkers liegenden Widerstandskombination ausgelegt werden kann, um unabhängig vom jeweils durch die digitalen Steuersignale festgelegten Verstärkungsgrad des Verstärkers einen praktisch gleichbleibenden Ausgangswider­ stand der Schaltungsanordnung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Pa­ tentanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung bringt dabei den Vorteil mit sich, daß mit ei­ nem relativ geringen schaltungstechnischen Aufwand sicherge­ stellt ist, daß der Ausgangswiderstand der gesamten Schal­ tungsanordnung bei unterschiedlichen Verstärkungsgraden gleich bleibt. Damit eignet sich die Schaltungsanordnung ge­ mäß der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise für die Schaffung eines sogenannten logarithmischen Verstärkers, d. h. eines Verstärkers mit einer Kennlinie, bei der zwischen der Eingangsgröße und der Ausgangsgröße ein lo­ garithmischer Zusammenhang besteht. Eine derartige Schal­ tungsanordnung bzw. Verstärkeranordnung wird vor allem in An­ lagen benötigt, die einen stets gleichbleibenden Ausgangswi­ derstand für an sie angeschlossene Auswerteeinrichtungen ha­ ben soll. Eine derartige Anlage ist beispielsweise durch ein Modem gegeben, über das beispielsweise ein Datenendgerät an eine Fernsprechleitung anschließbar ist.

Zweckmäßigerweise ist jeder Umschalter durch einen CMOS-Ana­ log-Umschalter gebildet. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß mit relativ einfach erhältlichen, dennoch aber definierte Widerstandsverhältnisse sowohl in durchgeschaltetem Zustand als auch in gesperrtem Zustand zeigenden elektronischen Schaltelementen ausgekommen werden kann.

Für den Fall, daß eine besonders hohe Verstärkung bzw. ein besonders großer Verstärkungsregelbereich gefordert wird, ist zweckmäßigerweise eine Mehrzahl von Verstärkern mit jeweils gesondertem Rückkopplungskreis in Reihe geschaltet.

Um den Verstärker und den Rückkopplungskreis vor am Schal­ tungsausgang gegebenenfalls auftretenden großen Spannungs­ spitzen zu schützen, ist in der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 am Ausgang jedes Verstärkers eine Spannungsbegrenzungsanordnung vorgesehen.

Zweckmäßigerweise ist im Eingangskreis des die zu verstärken­ den Signale aufnehmenden Verstärkers ein Hochpaßglied vorge­ sehen. Diese Maßnahme bringt den Vorteil mit sich, eine rela­ tiv einfache Verstärkeranordnung verwenden zu können. So ist es durch diese Maßnahme ohne weiteres möglich, als Verstärker einen Operationsverstärker zu verwenden, ohne daß durch die zu verstärkenden Signale Probleme hinsichtlich des Auftretens bzw. der Verschiebung von Offset-Spannungen auftreten.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung weist als Verstärker V einen Operationsverstärker auf, der mit seinem einen Eingang, und zwar mit seinem nicht­ invertierenden Eingang + über ein Hochpaßglied, bestehend aus einem Kondensator C und einem Widerstand R1, an einem Eingangsanschluß E angeschlossen ist, dem zu verstärken­ de Signale zugeführt werden. Mit seinem Ausgang ist der Operationsverstärker V an einem Ausgangsanschluß A an­ geschlossen. Zwischen diesem Ausgangsanschluß A und dem invertierenden Eingang - des Operationsverstärkers V ist ein Rückkopplungskreis vorgesehen, zu dem ein T- förmiges Widerstandsnetzwerk und eine Umschalteanord­ nung gehören. Das T-förmige Widerstandsnetzwerk be­ steht im vorliegenden Fall aus miteinander in Reihe ge­ schalteten Längswiderständen R2, R3, R4, R5, die zwi­ schen dem Ausgang des Operationsverstärkers V und einem Schaltungspunkt angeschlossen sind, der ein bestimmtes vorgegebenes Potential, im vorliegenden Fall Massepo­ tential, führt. Mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Längswiderständen R4 und R5 ist der invertierende Eingang - des Operationsverstärkers V verbunden.

Die Verbindungspunkte zwischen jeweils zweien der vor­ stehend betrachteten Längswiderstände R2 bis R5 sind über die eine Schaltstrecke jeweils eines gesonderten Umschalters S1, S2 bzw. S3 jeweils mit einem Quer­ widerstand R6, R7 bzw. R8 verbunden. Die von den Um­ schaltern S1, S2 bzw. S3 abgewandten Enden der Quer­ widerstände R6, R7 bzw. R8 liegen auf Massepotential.

Die vorstehend erwähnten Umschalter, die vorzugsweise CMOS-Analog-Umschalter sind, sind mit ihrer jeweils anderen Schaltstrecke einigen der Längswiderstände parallel geschaltet. Dabei ist jeder Umschalter mit seiner weiteren Schaltstrecke zu demjenigen Längswider­ stand parallel geschaltet, der mit dem über die genannte eine Schaltstrecke des betreffenden Umschalters in Reihe liegenden Querwiderstand verbunden und an der Ausgangs­ seite des Operationsverstärkers V angeschlossen ist. Demgemäß ist der Umschalter S1 mit seiner anderen bzw. weiteren Schaltstrecke dem Widerstand R2 parallel ge­ schaltet, während der Umschalter S2 mit seiner weiteren Schaltstrecke dem Widerstand R3 parallel liegt. Der Um­ schalter S3 liegt schließlich mit seiner weiteren Schalt­ strecke dem Widerstand R4 parallel.

Die Umschalter S1 bis S3 weisen jeweils einen eigenen Steuereingang auf, mit dem der jeweilige Umschalter an einem gesonderten Steuerungs- bzw. Dateneingang ange­ schlossen ist. So ist der Umschalter S1 mit seinem Steuer­ eingang an dem Dateneingang D1 angeschlossen. Der Um­ schalter S2 ist mit seinem Steuereingang an dem Daten­ eingang D2 angeschlossen. Der Umschalter S3 ist mit seinem Steuereingang an dem Dateneingang D3 angeschlossen. Die Anordnung mag dabei so getroffen sein, daß die Um­ schalter S1 bis S3 die in der Zeichnung dargestellten Schalterstellungen einnehmen, wenn den Dateneingängen D1 bis D3 jeweils ein Signal "0" zugeführt wird. Wird den betreffenden Eingängen hingegen ein Signal "1" zu­ geführt, so sollen die entsprechenden Umschalter in ihre jeweils andere Schalterstellung eingestellt sein. Die erwähnten Dateneingänge D1 bis D3 können beispiels­ weise an einer Busleitungsanordnung angeschlossen sein, mit der ein Steuerwerk, beispielsweise ein Mikropro­ zessor, verbunden ist, das bzw. der entsprechende Steuer­ signale zur Einstellung des Verstärkungsgrades der be­ trachteten Schaltungsanordnung abzugeben vermag.

Neben den vorstehend betrachteten Elementen weist die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung am Ausgang des Verstärkers noch eine Spannungsbegrenzeran­ ordnung auf, die durch zwei Zenerdioden D1, D2 gebildet ist, welche hinsichtlich der Polung entgegengesetzt zu­ einander in Reihe geschaltet sind. Wie oben bereits an­ gedeutet, schützt diese Spannungsbegrenzungsanordnung die Schaltungsanordnung vor am Ausgang A auftretenden hohen Spannungsspitzen.

Durch den vorstehend erläuterten Schaltungsaufbau der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung läßt sich digital gesteuert die Verstärkung der betreffenden Schaltungsanordnung einstellen. Durch entsprechende Dimensionierung der Widerstände R2 bis R8 kann dabei au,f einfache Weise erreicht werden, daß die Verstärkungs­ einstellung entsprechend einer logarithmischen Kenn­ linie erfolgt, wobei die betreffende Schaltungsanord­ nung stets den gleichen Ausgangswiderstand zeigt. So können die, erwähnten Widerstände beispielsweise folgen­ de Widerstandswerte aufweisen:

R2 = 40,2 KOhm
R3 = 31,6 KOhm
R4 = 21 KOhm
R5 = 43,2 KOhm
R6 = 3,09 KOhm
R7 = 15 KOhm
R8 = 44,2 KOhm

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung grundsätzlich ein einzelnes T-Widerstandsglied mit einem einzi­ gen Umschalter verwendet werden kann, daß aber das T-förmige Widerstandsnetzwerk durchaus auch länger ausge­ bildet sein kann als dies in der Zeichnung dargestellt ist. Im übrigen kann die dargestellte Schaltungsanordnung in einer Mehrzahl vorgesehen und in Reihe geschaltet sein, wenn es darum geht, eine besonders hohe Verstärkung bzw. einen besonders großen Verstärkungsregelbereich von beispielsweise 0 bis 50 dBm zu erzielen.

In Abweichung von den in der Zeichnung dargestellten Ver­ hältnissen kann die Schaltungsanordnung gemäß der Erfin­ dung auch so aufgebaut sein, daß die Längswiderstände R2 bis R5 des T-förmigen Widerstandsnetzwerks zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang - des Operations­ verstärkers V liegen und daß die zu verstärkenden Signale bei auf Massepotential liegendem nichtinvertierendem Ein­ gang + des Operationsverstärkers V dessen invertierenden Eingang - zugeführt werden.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Einstellen der Verstärkung eines Verstärkers (V) mit Hilfe von digitalen Steuersignalen (D1, D2, D3), durch welche Schalter (S1, S2, S3) steuerbar sind, die in einem Rückkopplungskreis des Verstärkers liegende, zu einer Widerstandskombination gehörende Widerstände (R2 bis R8) wirksam bzw. unwirksam zu schalten gestatten, wobei die Widerstandskombi­ nation wenigstens zwei miteinander verbundene Längswiderstände und eine mit dem Verbindungspunkt der beiden Längswiderstände verbundene Querwiderstandsanordnung aufweist und wobei entweder die Längswiderstände (R2 bis R5) zwischen dem Ausgang (A) des Verstärkers und einem ein vorgegebenes Potential (Massepotential) führenden Schaltungspunkt in Reihe liegen und derjenige Verbin­ dungspunkt zwischen zwei Längswiderständen, der dem Schaltungs­ punkt mit dem vorgegebenen Potential am nächsten liegt, mit dem Eingang (-) des Verstärkers (V) verbunden ist oder die Längs­ widerstände (R2 bis R5) zwischen dem Eingang (-) und dem Ausgang (A) des Verstärkers in Reihe liegen, dadurch gekennzeichnet,
daß an jedem der Verbindungspunkte zweier Längswiderstände (R2 bis R5) eine aus einem eine Querwiderstandsanordnung bildenden Querwiderstand (R6, R7 bzw. R8) und aus einer ersten Schalt­ strecke eines insgesamt zwei Schaltstrecken aufweisenden, ge­ sondert steuerbaren Umschalters (S1, S2, S3) bestehende Reihen­ schaltung angeschlossen ist
und daß jeder der Umschalter (S1, S2, S3) mit seiner verbleiben­ den Schaltstrecke zu demjenigen Längswiderstand (R2, R3 bzw. R4) parallel liegt, der mit dem über die genannte erste Schaltstrecke des jeweiligen Umschalters (S1, S2 bzw. S3) in Reihe liegenden Querwiderstand (R6, R7 bzw. R8) verbunden und dem Ausgang (A) des Verstärkers (V) zugewandt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Umschalter (S1, S2, S3) durch einen CMOS-Analog- Umschalter gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Verstärkern (V) mit jeweils gesondertem Rückkopplungskreis in Reihe geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des jeweiligen Verstärkers (V) eine Spannungsbegrenzungsanordnung (D1, D2) vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis des die zu verstärkenden Signale aufnehmenden Verstärkers (V) ein Hochpaßglied (C, R1) vorgesehen ist.