DE3619556A1 - Verstaerkerschaltung - Google Patents

Verstaerkerschaltung

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/32Modifications of amplifiers to reduce non-linear distortion

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  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Description

  • Verstärkerschaltung
  • Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung mit verringerter Verzerrung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung beabsichtigt, die obigen Nachteile der bekannten Schaltung zu beseitigen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkerschaltung anzugeben, die verzerrungsfrei arbeitet.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
  • Bei der erfindungsgemäßen Schaltung ist ein vorbestimmter Widerstand eingefügt, der den Bezugspunkt der Stromversorgung für den Spannungs-/Stromwandler ändert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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) .
  • (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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Ausgangsstrom ändert sich in Abhängigkeit von der Last RL. Mit anderen Worten, die Ausgangsimpedanz nähert sich unbegrenzt an Null.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • - L e e r s e i t e -

Claims (2)

  1. Verstarkerschaltung Patentanspriiche Verstärkerschaltung mit einem Spannungs-/Stromwandler (2) mit nicht-invertierendem Eingang und invertierendem Eingang, wobei der Spannungs-/Stromwandler eine Übertragungsleitfähigkeit G aufweist, um einen Strom proportional einer über den Eingängen liegenden Spannung abzugeben; einem Stromverstärker (3) zum Verstärken des von dem Spannungs-/Stromwandler abgegebenen Stroms; einer ersten Stromversorgungsquelle (*B1) zum Betreiben des Spannungs-/Stromwandlers; einer zweiten Stromquelle (B2) zum Betreiben des Stromverstärkers; einer Einrichtung zum Zuführen der heißen Seite einer Eingangsspannung zum nicht-invertierenden Eingang des Spannungs-/Stromwandlers; einer Einrichtung zum Erden der kalten Seite der Eingangsspannung und eines Bezugspunktes der zweiten Stromversorgungsquelle; einem ersten Widerstand (RB), der zwischen den Ausgang des Stromverstärkers und den invertierenden Eingang des Spannungs-/Stromwandlers geschaltet ist; einem zweiten Widerstand (ru), der zwischen den invertierenden Eingang des Spannungs-/Stromwandlers und einen Bezugspunkt der ersten Stromversorgungsquelle geschaltet ist, und einer Last (RL), die zwischen den Ausgang des Stromverstärkers und Masse geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (RD) zwischen den Bezugspunkt der ersten Stromversorgungsquelle und Masse geschaltet ist.
  2. 2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Widerstand (RD) so eingestellt hat, daß er eine Größe aufweist, die etwa gleich einem Wert entspricht, der sich aus folgender Gleichung ergibt: RD (RA + RB + RL) / (GRB - 1).
DE19863619556 1985-06-13 1986-06-11 Verstaerkerschaltung Granted DE3619556A1 (de)

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JPS61287305A (ja) 1986-12-17
JPH0431441B2 (de) 1992-05-26
DE3619556C2 (de) 1988-03-03

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