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Verstärkerschaltung
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung
mit verringerter Verzerrung.
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In der Technik ist sehr häufig die in Fig. 1 dargestellte Verstärkerschaltung
anzutreffen. Von den Eingangsanschlüssen 1 und 1' ist der kalte Anschluß 1' geerdet,
während der heiße Anschluß 1 mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß eines
Spannungs-/Stromwandlers 2 verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Stromverstärker
3 verbunden ist. Der Ausgang des Stromverstärkers 3 ist mit einem heißen Ausgangsanschluß
4 verbunden und eine Last RL ist daran angeschlossen. Das andere Ende der Last R
L ist über einen kalten Ausgangsanschluß 4' geerdet. Der Ausgang des Stromverstärkers
3 ist auf den invertierenden Eingangsanschluß des Spannungs-/Stromwandlers 2 über
einen Widerstand RB rückgekoppelt. Das eine Ende eines Widerstandes R A ist mit
dem invertierenden Eingangsanschluß verbunden und das andere Ende desselben ist
geerdet. Ein Vorspannungswiderstand R ist zwischen die Eingangsanschlüsse 1 und
1' geschaltet. Der Spannungs-/Stromwandler 2 und der Stromverstärker 3 haben Anschlüsse
für positive und negative Stromversorgung +B1 bzw. +B2, wobei Masse bzw. Erde als
Bezugspotential dient.
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines speziellen Schaltkreises der Blockschaltung
in Fig. 1, die einen Rückkopplungsverstärker, wie normalerweise verwendet,
enthält. Entsprechende Bezugszeichen in Fig. 2 entsprechen den
vorbezeichneten Bauelementen in Fig. 1.
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Die Betriebsweise einer solchen Verstärkerschaltung wird durch nachfolgende
Gleichungen beschrieben. In Fig. 1 gelten die folgenden Gleichungen: Vi :Ve + [RA
/ (RA + RB )J V V0 (1) GHV = : VO / RL + Vo / (RA + RB) (2) wobei Vi eine Eingangsspannung,
Vo eine Ausgangsspannung und V e eine jeweilige Eingangsspannung an dem Spannungs-/Stromwandler
2 ist. In der Gleichung (2) stellt G G[A/V]eine Übertragungsleitfähigkeit des Spannungs-/Stromwandlers
2 und H[benennungslos]einen Stromverstärkungsfaktor des Stromverstärkers 3 dar.
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Aus den obigen zwei Gleichungen läßt sich folgendes erhalten: Vo =
[(RA + RB) / RA] (1 / (1 + + RB + RL) 1 GHRARL]) # Vi (3) In der angegebenen Verstärkerschaltung
variieren die Übertragungsleitfähigkeit G und der Stromverstärkungsfaktor H mit
der Amplitude eines zugeführten Signals und dies bewirkt eine Verzerrung in der
Verstärkerschaltung. Trotz der Tatsache, daß normalerweise (RA + RB + RL) / GHRARL
der Gleichung (3) ausreichend kleiner als 1 ist, wird in den bekannten Verstärker
eine Verzerrung eingeführt, da die genannte Gleichung variable Faktoren (Störfaktoren),
wie beispielsweise die Übertragungsleitfähigkeit G und den Stromverstärkungsfaktor
H enthält.
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Da die Linearität der Übertragungsleitfähigkeit G in der Verstärkerschaltung
ausreichend gut und unschwierig verbesserbar ist, ist ein wesentlicher Einfluß der
Übertragungsleitfähigkeit G auf die Verzerrung vernachlässigbar. Der Stromverstärker
3 mit dem Stromverstärkungsfaktor H weist jedoch eine erheblich verschlechterte
Linearität auf, wenn er stark belastet ist und ein großer Strom fließt. Um diesen
Nachteil zu beseitigen, muß eine Anzahl Transistoren hervorragender Linearität von
hfe parallelgeschaltet werden. Die Schaltung wird dadurch teuer.
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Die Erfindung beabsichtigt, die obigen Nachteile der bekannten Schaltung
zu beseitigen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung anzugeben,
die verzerrungsfrei arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung ist ein vorbestimmter Widerstand
eingefügt, der den Bezugspunkt der Stromversorgung für den Spannungs-/Stromwandler
ändert.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen
dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild
eines Ausführungsbeispiels einer bekannten Verstärkerschaltung; Fig. 2 ein detailliertes
Schaltbild der Verstärkerschaltung nach Fig. 1;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung mit den Merkmalen
der Erfindung; Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild einer ersten Ausführungsform
einer Verstärkerschaltung nach der Erfindung, und Fig. 5 ein detailliertes Schaltbild
einer zweiten Ausführungsform einer Verstärkerschaltung nach der Erfindung.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 näher
erläutert. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei gleiche
Bezugszeichen wie zuvor verwendet werden. Die Anordnung der Bauelemente ist bei
dieser Ausführungsform der Erfindung ähnlich jener nach Fig. 1, mit der Ausnahme,
daß ein Widerstand RD zwischen den Widerstand RA und Masse geschaltet ist und daß
der Bezugspegel der Stromversorgung B1 auf den Pegel des Verbindungspunktes zwischen
den Widerständen RA und RD verändert ist. Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer ausgeführten
Schaltung.
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Die Betriebsweise der Verstärkerschaltung nach Fig. 3 wird nun erläutert.
Die Bezugszeichen i, i2, i3 und stehen für Ströme, die durch in der Zeichnung dargestellte
Leitungen fließen. Im einzelnen ist i1 der Strom, der von der Stromquelle +B1 in
den Stromverstärker 3 durch den Spannungs-/Stromwandler 2 fließt; ist i2 der Strom,
der durch die Last RL fließt; ist i3 der Strom, der durch die Widerstände RB und
RA fließt, die einen Rückkopplungszweig bilden; und ist i4 der Strom, der durch
den Widerstand RD fließt.
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Unter Verwendung der obigen Bezugszeichen ergeben sich folgende Gleichungen:
i1 = GVe (4) Hi1 = i2 + i3 (5) Vo = RL # i2 (6) V = (RA + RB) . i3 + RD i4 (7) V
i = RA # i3 + RD i4 + e (8) i1 + i4 = i3 (9) Aus den obigen Gleichungen läßt sich
das Verhältnis zwischen Vi und Vo wie folgt bestimmen: Vo = ([RA + RB + {(H - 1)
/ H} # RD] / RA) .
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(1 / [1 + {(H - 1) / H}] # (RD / RA) + (RA + RB + RD + RL - G # RBRD)
/ GHRARL) # Vi (10) Normalerweise ist der Stromverstärkungsfaktor H sehr viel größer
als 1, und selbst wenn der Stromverstärkungsfaktor H leicht schwankt, d. h. selbst
wenn Verzerrung vorhanden ist, wird (H - 1) / H kaum gestört und wird ungefähr gleich
1. Darüber hinaus ist RD sehr viel größer als RA und daher läßt sich für die Gleichung
(10) folgendes anwenden: (RA + RB + {(H - 1) / H} RD) / RA # (RA + RB + RD) / RA
= konstant (11) {(H - 1) / H} # (RD / RA) # RD / RA = konstant (12)
Ein
Teil der Gleichung (10) läßt sich wie folgt darstellen: K = (RA + RB + RD + RL GRBRD)
/ GHRARL (13) K ist dann der einzige Faktor, der bewirkt, daß der Wert in Abhängigkeit
von der Signalamplitude stark schwankt (d.h. Verzerrungen hervorruft). Wenn dementsprechend
K stets ein konstanter Wert ist, dann wird die Ausgangsspannung der Schaltung nach
Fig. 3 nicht verzerrt. Um den Einfluß des Stromverstärkungsfaktors H auszuschalten,
der eine starke Verzerrung bewirkt, erhält man aus der Gleichung (13) eine eine
Bedingung K = O befriedigende Gleichung wie folgt: RD : (RA + RB + RL) / (GRB -
1) (14) Mit anderen Worten, eine Verzerrung der Ausgangsspannung läßt sich im wesentlichen
auf Null bringen, indem man den Widerstand RD so dimensioniert, daß er die Gleichung
(14) erfüllt und indem man den Spannungs-/Stromwandler hervorragender Linearität
verwendet.
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In Gleichung (14) ist GRB normalerweise sehr viel größer als 1, und
wenn eine Spannungsverstärkung größer als 20 dB ist, dann ergibt sich das Verhältnis
von R A « RB Im allgemeinen ist bei einem Leistungsverstärker RB sehr viel größer
als RL, weil die Last RL groß ist. Unter Beachtung dieser Tatsache läßt sich die
Gleichung (14) wie folgt schreiben: RD . RB / GRB : 1 / G (15) In der Schaltung
nach Fig. 4 ist beispielsweise unter
der Voraussetzung, daß die
Ubertragungsleitfähigkeit gm der Differenzfeldeffekttransistoren Q1 und Q2 in der
Eingangsstufe 10 mA/V ist und der Stromverstärkungsfaktor ihre des Transistors Q3
in der zweiten Stufe 200 ist, G = gm x hfe = 10 x 10 3 x 200 = 2 AlV (16) und durch
Festlegen von RD # 1 / 2 = 0,5# (17) läßt sich die Verzerrung in größerem Ausmaße
verringern.
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Um eine Spannungsverstärkung von etwa 20 dB zu erhalten, sind die
Widerstände beispielsweise RA = 1 kr und RB 10 kR, womit die obige Beziehung RD
« RA erfüllt wird.
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Wie man aus Gleichung (14) sieht, ist der Optimalwert des Widerstandes
RD als praktisch irrelevant gegenüber der Last RL anzusehen, wenn RL « (RL + RB)
ist. Dies bedeutet, daß die Last RL praktisch irrelevant in bezug auf die Bedingung
ist, die K = 0 in der Gleichung (13) erfüllt, und daher bleibt die Ausgangsspannung
im wesentlichen unverändert, selbst wenn die Last RL innerhalb des Bereiches von
RL « (RA + RB) geändert wird.
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Der Ausgangsstrom ändert sich in Abhängigkeit von der Last RL. Mit
anderen Worten, die Ausgangsimpedanz nähert sich unbegrenzt an Null.
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Obgleich die obige Beschreibung an einem Beispiel gegeben wurde, das
einen Spannungs-/Stromwandler mit verbesserter Linearität der Übertragungsleitfähigkeit
G verwendet, läßt sich aus einem Vergleich der Gleichungen (3) und (10) doch entnehmen,
daß der Wert von K in Gleichung (13) auf annähernd Null gebracht werden kann, ohne
im
besonderen die Linearität der Ubertragungsleitfähigkeit G zu verbessern, solange
der Widerstand RD auf den obigen Wert festgelegt ist. Die Verzerrung kann daher
in einem größeren Ausmaß vermindert werden.
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Da der Stromverstärkungsfaktor H darüber hinaus irrelevant zur Bedingung
K = 0 in der Gleichung (13) ist, ist es unbedeutend, ob die Linearität des Stromverstärkers
gut oder schlecht ist. Mit anderen Worten, eine schlechte Linearität des Stromverstärkungsfaktors
ist hinnehmbar, was den Einsatz billiger Schaltelemente ermöglicht.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Eine Stromquelle +B3 ist
in dem Spannungs-/Stromwandler vorgesehen, so daß der Bezugspegel auf den Spannungspegel
der Stromquellen tB1 gesetzt ist. Durch die Stromquelle +B3 fließt kein Signal strom
außer dem konstanten Gleichstrom in dieser Schaltung, wodurch der Bezugspegel getrennt
von den Stromversorgungsquellen sB1 geerdet werden kann.
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Obgleich Gleichstromverstärkerschaltungen in den obigen Beispielen
dargestellt worden sind, können diese doch auch in Wechselstromverstärkerschaltungen
geändert werden, indem man einen Kondensator in Serie mit dem Widerstand RA schaltet.
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Wenn die Übertragungsleitfähigkeit G eine Frequenzcharakteristik hat,
kann eine Schaltung entsprechend Impedanzcharakteristika, die man aus den Gleichungen
(11) und (15) erhält, anstelle des Widerstandes RD verwendet werden.
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Wie zuvor erläutert, kann nicht nur die Verzerrung, sondern auch die
Ausgangsimpedanz mit der Erfindung auf annähernd Null gebracht werden. Selbst wenn
die Linearität des Stromverstärkungsfaktors des Stromverstärkers klein ist, läßt
sich eine Verstärkerschaltung mit minimaler Verzerrung realisieren.
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- L e e r s e i t e -