DE3619556C2 - - Google Patents

Description

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 R _L 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 R _B rückgekoppelt. Das eine Ende eines Wider­ standes R _A ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß verbunden und das andere Ende desselben ist geerdet. Ein Vorspannungswiderstand R _C 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.

Eine derartige Schaltung ist aus "radio fernsehen elektronik" 29 (1980), H. 1, Seite 49 und 50 bekannt. In dieser Ver­ öffentlichung jedoch wird das hier Spannungs-/Stromwandler genannte Verstärkungselement bei völliger Funktionsgleichheit als Spannungsverstärker bezeichnet.

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:

V _i = V _e + [R _A / (R _A + R _B ) ] · V _o (1)

GHV _e = V _o / R _L + V _o / (R _A + R _B ) (2)

wobei V i eine Eingangsspannung, V _o eine Ausgangsspannung und V _e eine jeweilige Eingangsspannung an dem Spannungs-/Stromwandler 2 ist. In der Gleichung (2) stellt 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:

V o = [(R _A + R _B ) / R _A ] · (1 / [1 + (R _A + R _B + R _L ) / GHR _A R _L ]) · V _i (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 normaler­ weise (R _A + R _B + R _L ) / GHR _A R _L der Glei­ chung (3) ausreichend kleiner als 1 ist, wird in den bekannten Verstärker eine Verzerrung eingeführt, da die genannte Gleichung variable Faktoren (Störfaktoren), wie bei­ spielsweise die Übertragungsleitfähigkeit G und den Stromverstärkungsfaktor H enthält.

Da die Linearität der Übertragungsleitfähigkeit G in der Verstärkerschaltung ausreichend gut und unschwierig ver­ besserbar ist, ist der Einfluß der Übertragungsleitfähigkeit G auf die Verzerrung im wesentlichen 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 Transitoren hervorragender Linearität von h _fe 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 ver­ zerrungsfrei 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 Strom­ versorgung für den Spannungs-/Stromwandler ändert.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugsnahme 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 Verstärker­ schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung mit den Merkmalen der Erfindung;

Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild einer ersten Aus­ führungsform 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 R _D zwischen den Widerstand R _A und Masse (Erde) geschaltet ist und daß der Bezugspegel der Stromversorgung ±B₁ auf den Pegel des Verbindungspunktes zwischen den Widerständen R _A und R _D verändert ist. Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer ausgeführten Schaltung.

Die Betriebswiese der Verstärkerschaltung nach Fig. 3 wird nun erläutert. Die Bezugszeichen i₁, i₂, i₃ und i₄ 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 R _L fließt; ist i₃ der Strom, der durch die Widerstände R _B und R _A fließt, die einen Rückkopplungszweig bilden; und ist i₄ der Strom, der durch den Widerstand R _D fließt.

Unter Verwendung der obigen Bezugszeichen ergeben sich folgende Gleichungen:

i₁ = GV _e (4)

Hi₁ = i₂ + i₃ (5)

V _o = R _L · i₂ (6)

V _o = (R _A + R _B ) · i₃ + R _D · i₄ (7)

V _i = R _A · i₃ + R _D · i₄ + V _e (8)

i₁ + i₄ = i₃ (9)

Aus den obigen Gleichungen läßt sich das Verhältnis zwischen V _i und V _o wie folgt bestimmen:

V _o  = ([R _A + R _B + {(H -1) / H } · R _D ] / R _A ) ·
(1 / [1 + {(H - 1) / H } ] · (R _D / R _A ) +
(R _A + R _B + R _D + R _L - G · R _B R _D ) / GHR _A R _L ) · V _i (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 ungfähr gleich 1. Darüber hinaus ist R _D sehr viel größer als R _A und daher läßt sich für die Gleichung (10) folgendes anwenden:

(R _A + R _B + {(H -1) / H }R _D ) / R A (R _A + R _B + R _D ) / R _A = konstant (11)

{(H -1) / H } · (R _D / R _A ) (R _D / R _A = konstant (12)

Ein Teil der Gleichung (10) läßt sich wie folgt darstellen:

K = (R _A + R _B + R _D + R _L - GR _B R _D ) / GHR _A R _L (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=0 befriedigende Gleichung wie folgt:

R _D = (R _A + R _B + R _L ) / (GR _B -1) (14)

Mit anderen Worten, eine Verzerrung der Ausgangsspannung läßt sich im wesentlichen auf Null bringen, indem man den Widerstand R _D so dimensioniert, daß er die Gleichung (14) erfüllt und indem man einen Spannungs-/Stromwandler hervorragender Linearität verwendet.

In Gleichung (14) ist GR _B normalerweise sehr viel größer als 1, und wenn die Spannungsverstärkung größer als 20 dB ist, dann ergibt sich das Verhältnis von R _A « R _B . Im allgemeinen ist bei einem Leistungsverstärker R _B sehr viel größer als R _L , weil die Last R _L groß ist. Unter Be­ achtung dieser Tatsache läßt sich die Gleichung (14) wie folgt schreiben:

R _D R _B /GR _B = 1 / G (15)

In der Schaltung nach Fig. 4 ist beispielsweise unter der Voraussetzung, daß die Übertragungsleitfähigkeit gm der Differenzfeldeffekttransistoren Q₁ und Q₂ in der Eingangsstufe 10 mA/V ist und der Stromverstärkungsfaktor h _fe des Transistors Q₃ in der zweiten Stufe 200 ist,

G = gm × h _fe = 10 × 10^-3 × 200 = 2 A/V (16)

und durch Festlegen von

R _D 1 / 2 = 0,5 Ω (17)

läßt sich die Verzerrung in größerem Ausmaße verringern. Um eine Spannungsverstärkung von etwa 20 dB zu erhalten, sind die Widerstände beispielsweise R _A = 1 kΩ und R _B = 10 kΩ, womit die obige Beziehung R _D « R _A erfüllt wird.

Wie man aus Gleichung (14) sieht, ist der Optimalwert des Widerstandes R _D als praktisch irrelevant gegenüber der Last R _L anzusehen, wenn R _L « (R _L + R _B ) ist. Dies bedeutet, daß die Last R _L 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 R _L innerhalb des Bereiches von R _L « (R _A + R _B ) geändert wird. Der Ausgangsstrom ändert sich in Abhängigkeit von der Last R _L . 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 Übertragungsleitfähigkeit G zu verbessern, solange der Widerstand R _D 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 gleich Teile bezeichnen. Eine Stromquelle +B₃ ist in dem Spannungs-/Stromwandler vorgesehen, so daß der Bezugspegel auf den Spannungspegel der Stromquellen ±B₁ gesetzt ist. Durch die Stromquelle ±B₃ fließt kein Signalstrom außer dem konstanten Gleichstrom in dieser Schaltung, wodurch der Bezugspegel getrennt von den Stromversorgungs­ quellen ±B₁ 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 Wider­ stand R _A schaltet.

Wenn die Übertragungsleitfähigkeit G eine Frequenzcha­ rakteristik hat, kann eine Schaltung entsprechend Impedanzcharakteristika, die man aus den Gleichungen (11) und (15) erhält, anstelle des Widerstandes R _D verwendet werden.

Claims (2)

1. Verstärkerschaltung mit einem Spannungs-/Stromwandler (2) mit nicht-invertierendem Eingang und invertierendem Eingang und einer Übertragungsleitfähigkeit G, die einen Strom am Ausgang des Wandlers proportional zu einer über seinen Eingängen liegenden Spannung erzeugt; einem Stromverstärker (3) zum Verstärken des von dem Spannungs-/Stromwandler abgegebenen Stroms; einer ersten Stromversorgungsquelle (±B₁) für den Spannungs-/Stromwandler (2); einer zweiten Stromquelle (±B₂) für den Stromverstärker (3), wobei der heiße Pol eines zu verstärkenden Eingangssignals dem nicht-invertierenden Eingang des Spannungs-/Stromwandlers zugeführt ist und der kalte Pol des Eingangssignals und ein Bezugspunkt der zweiten Stromversorgungsquelle geerdet sind; einem ersten Wider­ stand (R _B ), der zwischen den Ausgang des Stromverstärkers (3) und den invertierenden Eingang des Spannungs-/Stromwandlers (2) geschaltet ist; einem zweiten Widerstand (R _A ), der zwischen den invertierenden Eingang des Spannungs-/Stromwandlers (2) und einen Bezugs­ punkt der ersten Stromversorgungsquelle geschaltet ist, und einer Last (R _L ), die zwischen den Ausgang des Stromverstärkers (3) und Erde geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (R _D ) zwischen den Bezugspunkt der ersten Stromversorgungsquelle (±B₁) und Erde geschaltet ist.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Widerstand (R _D ) eine Größe aufweist, die sich als folgender Gleichung ergibt: R _D = (R _A + R _B +R _L ) / (GR _B -1).