DE3415319C2

DE3415319C2 -

Info

Publication number: DE3415319C2
Application number: DE19843415319
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. 7150 Backnang De Bauer
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1984-04-25
Filing date: 1984-04-25
Publication date: 1992-04-23
Also published as: DE3415319A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselspannungsverstärker, bestehend aus einem invertierenden Verstärker, dessen Eingang mit einem den Gleichspannungsanteil des zu verstärkenden Eingangssignals abkoppelnden Kondensator beschaltet ist und der ein den Ausgang mit dem Eingang verbindendes Widerstandsnetzwerk aufweist.

Ein derartiger Wechselspannungsverstärker ist aus dem Handtuch für Hochfrequenz- und Elektro-Techniker, Curt Rint, Huthig Verlag Heidelberg, Bd. 5, S. 438 bekannt.

Die Aufgabe eines Wechselspannungsverstärkers besteht darin, den Gleichspannungsanteil vom Wechselspannungsanteil eines Signals abzutrennen und nur den Wechselspannungsanteil unverzerrt zu verstärken. Sprunghafte Änderungen des Gleichspannungsanteils des zu verstärkenden Signals führen oft während der Umladevorgänge des am Verstärkereingang liegenden Kondensators zu Übersteuerungen des Verstärkers, so daß während der Umladevorgänge das zu verstärkende Signal amplitudenbegrenzt oder sogar vollständig unterdrückt wird.

Bei der oben erwähnten, bekannten Schaltung bewirkt das im Rückkopplungszweig liegende Widerstandsnetzwerk gerade im Übersteuerungsfall des Verstärkers eine Verlangsamung des Umladevorganges des Kondensators. Dies hat zur Folge, daß das zu verstärkende Signal für die lange Zeit des Umladens einer Verzerrung ausgesetzt ist.

Aus der DE-AS 12 86 125 ist eine Verstärkerschaltung bekannt, bei der das Ausgangssignal amplitudenbegrenzt wird, bevor der Verstärker übersteuert. Dies wird durch zwei in Reihe geschaltete gegensinnig gepolte Zenerdioden erreicht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wechselspannungsverstärker der eingangs genannten Art anzugeben, der nach Amplitudensprüngen des zu verstärkenden Signals sehr schnell den eingeschwungenen Zustand erreicht, so daß dabei auftretende Signalverzerrungen nicht lange andauern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Verstärker zusätzlich einen vor seinem Ausgang zum Kondensator zurückgeführten Gegenkopplungszweig besitzt, der mindestens einen ohmschen Widerstand und mehrere Halbleiterlelemente enthält, daß die Halbleiterelemente bei einer positiven und einer negativen Schwellspannung, die kleiner als die positive und die negative Aussteuergrenze des Verstärkers ist, den Gegenkopplungszweig durchschalten und daß der Widerstand so gewählt ist, daß bei durchgeschaltetem Gegenkopplungszweig die Ladevorgänge des Kondensators eine kleinere Zeitkonstante haben als im eingeschwungenen Zustand des Verstärkers, wenn der Gegenkopplungszweig geöffnet ist.

Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Wechselspannungsverstärker mit einem Gegenkopplungszweig,

Fig. 2 einen Gegenkopplungszweig mit Zenerdioden,

Fig. 3 einen Gegenkopplungszweig mit Dioden und

Fig. 4 einen Gegenkopplungszweig mit Dioden und Transistoren.

In der Fig. 1 ist ein Wechselspannungsverstärker dargestellt, bestehend aus einem Operationsverstärker OP, an dessen invertierenden Eingang ein Widerstand R1 und daran in Reihe ein Kondensator C geschaltet sind. Ein vom Ausgang des Operationsverstärkers OP auf den invertierenden Eingang zurückgeführter Rückkopplungszweig enthält einen Widerstand R3.

Der Kondensator C dient dazu, den Gleichspannungsanteil des Eingangssignals u_E abzukoppeln, so daß nur sein Wechselspannungsanteil auf einen gewünschten Wert verstärkt wird. Bei einem Amplitudensprung des Eingangssignals u_E lädt der Kondensator C sich mit einer Zeitkonstante τ=C. R1 auf den Gleichspannungsanteil des Eingangssignals auf, sofern der Operationsverstärker OP noch nicht übersteuert ist. Gerät nun der Verstärker in den Übersteuerungsbereich, so verlängert sich die Ladezeitkonstante des Kondensators auf den Wert τ′=C (R1+R3), da der Strom durch den Widerstand R3 im Rückkopplungszweig nicht mehr ausreicht, um die Eingangsspannung des Operationsverstärkers OP auf OV zu halten.

Damit, wie es Aufgabe der Erfindung ist, die Ladezeitkonstante des Kondensators C gerade im Übersteuerungszustand des Verstärkers möglichst klein wird, ist ein Gegenkopplungszweig GK vorgesehen, der vom Ausgang des Operationsverstärkers OP zum Kondensator C führt.

Eine Ausführung eines solchen Gegenkopplungszweiges GK zeigt die Fig. 2. Er besteht aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes R4 und zweier gegenpolig geschalteter Zenerdioden V1 und V2. Es werden dazu Zenerdioden V1, V2 gewählt, deren Zenerspannungen U_Z1, U_Z2 und Durchlaßspannungen U_D1, U_D2 folgende Bedingungen erfüllen

(1) U₁⁺<U_Z1+U_D2<U_A⁺
(2) |U₁^-|<U_Z2+U_D1<|U_A ^-|,

wobei U₁⁺ die positive Amplitude und U₁^- die negative Amplitude des Ausgangssignals des Gegenkopplungszweiges GK und U_A⁺ die positive und U_A ^- die negative Aussteuergrenze des Operationsverstärkers ist. Die beiden Bedingungen (1) und (2) gewährleisten, daß der Gegenkopplungszweig nur dann geschlossen wird und den ohmschen Widerstand R4 an den Kondensator C schaltet, wenn eine bestimmte Schwellspannung, die kleiner als die positive bzw. negative Aussteuergrenze des Operationsverstärkers ist, überschritten wird. Der Gegenkopplungszweig GK wird also nur leitend, wenn der Verstärker übersteuert. Dagegen ist im eingeschwungenen Zustand des Verstärkers der Gegenkopplungszweig nicht wirksam.

Bei durchgeschaltetem Gegenkopplungszweig GK beträgt die Ladezeitkonstante des Kondensators τ=C · R4; der Widerstand R4 im Gegenkopplungszweig bestimmt also maßgebend die Zeit, welche der Verstärker bei einem Eingangssignalsprung braucht, um aus der Übersteuerung in den eingeschwungenen Zustand zu gelangen.

Nachfolgend soll noch einmal das Impulsverhalten des Verstärkers bei einem Amplitudensprung des Eingangssignals u_E, wie er z. B. beim Einschalt- oder Abschaltvorgang auftreten kann, genauer erläutert werden.

Springt bei einem Einschaltvorgang zu einem Zeitpunkt t₀ das Eingangssignal u_E auf einen Gleichspannungswert U₀, so beträgt die Spannung am Kondensator C zu diesem Zeitpunkt 0 V. Die Spannung U₀ erscheint am Eingangswiderstand R1 und tritt am Ausgang des Operationsverstärkers OP als verstärktes und invertiertes Signal u_A auf. Für

wird die Zenerdiodenanordung V1, V2 im Gegenkopplungszweig GK leitend und lädt über den Widerstand R4 den Kondensator C mit der Zeitkonstanten τ=C · R4 soweit auf, daß die Spannung am Ausgang des Gegenkopplungszweiges

wird. Die Ausgangsspannung |u_A| sinkt dann unter den Wert

und der Gegenkopplungszweig GK wird zu einem Zeitpunkt t₁ stromlos. Danach fließt der Ladestrom des Kondensators C nur mehr über den Widerstand R1 und lädt den Kondensator mit der Zeitkonstanten τ=C · R1 vollends auf den Gleichspannungsteil U₀ des Eingangssignals u_E auf. Während dieser Zeit, also nach dem Zeitpunkt t₁ befindet sich der Verstärker aber nicht mehr in der Übersteuerung, sondern im Arbeitsbereich, so daß eine dem Gleichspannungsanteil U₀ überlagerte Wechselspannung bereits am Ausgang verstärkt zur Verfügung steht.

Im Gegensatz zum vorhin beschriebenen Einschaltvorgang würde beim Ausschaltvorgang, wenn also die Eingangsspannung einen Sprung in negative Richtung tut, der Umladevorgang des Kondensators C über den Gegenkopplungszweig GK mit der Zeitkonstanten τ=C · R4 dann einsetzen, wenn der Spannungssprung des Eingangssignals größer als

ist.

Der dem Gleichspannungsanteil U₀ überlagerte Wechselspannungsanteil des Eingangssignals u_E bewirkt, daß nach dem Zeitpunkt t₁ der Gegenkopplungszweig GK für einige wenige Perioden der Wechselspannung leitend wird und über den Widerstand R4 den Kondensator C so weit umlädt, daß die Ausgangsspannung u_A des Verstärkers nicht mehr über den Wert U_D1+U_D2 steigt.

Wie bereits oben dargelegt, kann die Dauer des Einschwingvorganges zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ durch Wahl des Widerstandes R4 im Gegenkopplungszweig GK beeinflußt werden. Da der Gegenkopplungszweig im eingeschwungenen Zustand keinen Einfluß auf das Übertragungsverhalten des Verstärkers hat, kann der Widerstand R4 prinzipiell frei gewählt werden.

Für den Fall, daß der Widerstand R4 nicht wesentlich größer als der Innenwiderstand der Eingangssignalquelle und auch nicht wesentlich größer als der Ausgangswiderstand des Verstärkers ist, so ist der Ladevorgang des Kondensators C von der Summe dieser drei Widerstände abhängig.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Gegenkopplungszweig ist die Schwellspannung, die dem Gegenkopplungszweig leitend werden läßt, fest durch die Zener- und Durchlaßspannungen der Zenerdioden V1, V2 vorgegeben.

Zwei Ausführungen von Gegenkopplungszweigen mit stufenlos einstellbarer Schwellspannung sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt.

Der Gegenkopplungszweig in Fig. 3 besteht aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes R9 und zweier gegenpolig, parallel geschalteter Dioden V3 und V4 mit den Durchlaßspannungen U_D3 und U_D4. Die Diode V3 ist über einen Spannungsteiler R5, R6 an die Ausgangsspannung des Verstärkers und an eine Vorspannung +U_B und die Diode V4 über einen Spannungsteiler R7, R8 ebenfalls an die Ausgangsspannung des Verstärkers und die Vorspannung -U_B gelegt.

Bei der Ausgangsspannung des Verstärkers

wird die Diode V3 leitend und bei der Ausgangsspannung des Verstärkers

wird die Diode V4 leitend. Mit Hilfe der Widerstände R5, R6 und R7, R8 läßt sich, wie aus den Gleichungen (1) und (2) hervorgeht, die Schwellspannung, bei der der Gegenkopplungszweig durchschalten soll, einstellen.

Für negative Spannungssprünge am Verstärkereingang ergibt sich eine Ladezeitkonstante für den Kondensator von

und für positive Spannungssprünge ergibt sich eine Ladezeitkonstante von

Eine andere Variante eines Gegenkopplungszweiges mit variabler Schwellspannung ist der Fig. 4 zu entnehmen. Diese Schaltung besteht aus einem ohmschen Widerstand R14 und einer daran in Reihe angeschlossenen Parallelschaltung, die in jedem Zweig eine Diode, V5, V6 mit der Durchlaßspannung U_D5, U_D6 und einen seriell sich mit seiner Emitter-Basis-Strecke anschließenden Transistor V7, V8 enthält. Der Transistor V7 mit der Basis-Emitter-Spannung U_V7 ist mit seinem Kollektor an eine Betriebsspannung +U_B und seine Basis über einen Spannungsteiler R10, R11 an die Betriebsspannung +U_B und an die Ausgangsspannung des Verstärkers gelegt. Der Transistor V8 mit der Basis-Emitter-Spannung U_V8 ist mit seinem Kollektor an die Betriebsspannung -U_B und seine Basis über einen Spannungsteiler R12, R13 an die Betriebsspannung -U_B und an die Ausgangsspannung des Verstärkers gelegt. Die Dioden V5, V6 in den beiden Parallelzweigen sind gegenpolig zueinander geschaltet, und die Transistoren V7, V8 weisen gegenpolige Dotierungen auf. Der Transistor V7 ist pnp-dotiert und der Transistor V8 npn-dotiert.

Der Gegenkopplungszweig wird in diesem Fall leitend bei der negativen Ausgangsspannung des Verstärkers

und er wird leitend bei der positiven Ausgangsspannung

Maßgeblich zeitbestimmend für den Ladevorgang des Kondensators C ist der Widerstand R14.

Claims

1. Wechselspannungsverstärker, bestehend aus einem invertierenden Verstärker, dessen Eingang mit einem den Gleichspannungsanteil des zu verstärkenden Eingangssignals abkoppelnden Kondensator beschaltet ist und der ein den Ausgang mit dem Eingang verbindendes Widerstandsnetzwerk aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (OP) zusätzlich einen von seinem Ausgang zum Kondensator (C) zurückgeführten Gegenkopplungszweig (GK) besitzt, der mindestens einen ohmschen Widerstand (R4, R9, R14) und mehrere Halbleiterelemente (V1 . . . V8) enthält, daß die Halbleiterelemente bei einer positiven und einer negativen Schwellspannung, die kleiner als die positive und die negative Aussteuergrenze des Verstärkers ist, den Gegenkopplungszweig (GK) durchschalten und daß der Widerstand (R4, R9, R14) so gewählt ist, daß bei durchgeschaltetem Gegenkopplungszweig die Ladevorgänge des Kondensators (C) eine kleinere Zeitkonstante haben als im eingeschwungenen Zustand des Verstärkers, wenn der Gegenkopplungszweig geöffnet ist.

2. Wechselspannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig (GK) aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes (R4) und zweier gegenpolig geschalteter Zenerdioden (V1, V2) besteht.

3. Wechselspannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig (GK) aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes (R9) und zweier gegenpolig, parallel geschalteter Dioden (V3, V4) besteht und daß die Dioden (V3, V4) jeweils über einen Spannungsteiler (R5, R6, R7, R8) an eine Vorspannung (U_B) und an die Ausgangsspannung des Verstärkers (OP) gelegt sind.

4. Wechselspannungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungszweig (GK) in Reihe an einen ohmschen Widerstand (R14) eine Parallelschaltung angeschlossen ist, die in jedem Zweig eine Diode (V5, V6) und einen seriell daran geschalteten Transistor (V7, V8) enthält, daß die Basis des Transistors über einen Spannungsteiler (R10, R11, R12, R13) an den Ausgang des Verstärkers und an eine Betriebsspannung (U_B) angeschlossen ist und daß die Diode (V5) und der Transistor (V7) in dem einen Parallelzweig gegenüber der Diode (V6) und dem Transistor (V8) im anderen Parallelzweig gegenpolig geschaltet bzw. gegenpolig dotiert sind.