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Die Erfindung betrifft eine Verstärkerstufe mit hohem
Dynamikbereich und Verzerrungsdetektor, insbesondere eine
Endverstärkerstufe mit Kollektorausgang und hohem
Dynamikbereich.
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Bei einer Niederfrequenz (NF)-Verstärkerstufe der
beschriebenen Art, die beispielhaft und vereinfacht in Figur
1 dargestellt ist, ist die maximale Ausgangsspannung
theoretisch durch die Versorgungsspannung begrenzt.
Tatsächlich ergibt sich im Idealfall die maximale Auslenkung der
Ausgangs spannung zu:
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2 VCC - VCEQ5,sat - VCEQ6,sat.
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Wenn ein an einen Lautsprecher angeschlossener
NF-Verstärker bei der Verstärkung akustischer Signale mehrere Male
die maximale Auslenkung erreicht, entstehen aufgrund von
Begrenzungen Verzerrungen, die das Klangbild
verschlechtern.
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Aus diesem Grunde werden Schaltungen entworfen, die eine
Verzerrung erkennen und eine entsprechende Information,
die möglicherweise mit einer geeigneten Zeitkonstante zur
Verhinderung weiterer Verzerrungen gefiltert ist, einer
Dämpfungsschaltung zuführen, die das zu dem Eingang des
Verstärkers geführte Signal abschwächt, um unter
stationären Bedingungen Verzerrungen des Ausgangssignals aufgrund
von Begrenzungen oberhalb eines gegebenen Prozentsatzes zu
verhindern.
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Zu diesem Zweck ist schon eine schematisch als
Operationsverstärker anzusehende Schaltung, die mit den Eingängen
der Verstärkerstufe verbunden ist (siehe z.B. US-A-
4,048,573), untersucht worden. Bei solchen Verstärkern ist
während des normalen, linearen Betriebes die Spannung
zwischen den Eingängen im Idealfall Null und nimmt erst dann
einen von Null verschiedenen Wert an, wenn der Ausgang dem
Eingang nicht mehr proportional folgen kann, da die
maximal mögliche Ausgangsspannung erreicht ist (d.h. aufgrund
des Auftretens von Begrenzungserscheinungen). Bei dieser
bekannten Lösung ist deshalb der Detektor mit den
Eingängen des Verstärkers verbunden, um dortige Spannungen, die
das Vorhandensein von Verzerrungen anzeigen, zu erfassen.
Zu diesem Zweck enthält der bekannte Detektor mindestens
zwei Schwellwertverstärker oder Komparatoren und eine
Addierschaltung.
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Diese bekannte Schaltung ist jedoch, obwohl sie das
Erfassen von Begrenzungserscheinungen ermöglicht, nicht frei
von Nachteilen, die sowohl auf dem hohen Schaltungsaufwand
als auch auf dem Zusammenwirken mit den Eingängen beruhen,
was z.B. die Eingangsimpedanz der Verstärkerstufe
verringert und den Eingangs-Fehlerstrom vergrößert und somit
nachteilig ist.
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Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zur Erfassung von Verzerrungen aufgrund von
Begrenzerwirkungen in Verstärkerstufen mit großem
Dynamikbereich anzugeben, bei der die Nachteile bekannter
vergleichbarer Vorrichtungen weitgehend beseitigt sind.
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Insbesondere soll eine einfache Schaltung zur
Verzerrungserfassung angegeben werden, die in einfacher Weise mit der
Verstärkerstufe integrierbar ist und nicht eine
wesentliche
Vergrößerung der Komplexität des Verstärkers
erfordert.
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Weiterhin soll ein Verzerrungsdetektor angegeben werden,
der die elektrischen Eigenschaften der zugeordneten
Verstärkerstufe insbesondere im Hinblick auf die
Eingangsimpedanz und den Eingangs-Fehlerstrom (Verzerrungstrom)
nicht verändert.
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Weiterhin wird ein Verzerrungsdetektor für eine
Verstärkerstufe der genannten Art angegeben, der zuverlässig
arbeitet und stets eine Erfassung vorhandener Verzerrungen
gewährleistet.
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Der Verzerrungsdetektor soll schließlich auch mit einer
Verstärkerstufe der genannten Art integrierbar sein, ohne
daß dabei erhöhte Produktionskosten verursacht werden.
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Die Lösung der Aufgabe sowie die erwähnten Vorteile werden
durch die erfindungsgemäße Verstärkerstufe mit hohem
Dynamikbereich und Verzerrungsdetektor gemäß den Ansprüchen
erzielt.
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Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
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Fig. 1 eine vereinfachte Schaltung einer Endstu e
eines bekannten Verstärkers;
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Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer
gesamten erfindungsgemäßen Schleife zur Reduktion
von Verzerrungen aufgrund von
Begrenzungserscheinungen; und
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Fig. 3 eine vereinfachte Schaltung einer
erfindungsgemäßen Verstärkerstufe.
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Gemäß Figur 1 enthält eine bekannte NF-Verstärkerstufe mit
geringem Abfall (d.h. hoher Dynamik) ein Paar von
Eingangs-Stromquellen I&sub1;, I&sub2;, die in Serie zwischen ein Paar
von Bezugspotentialleitungen +Vcc, -Vcc geschaltet sind und
die Eingangsstufe definieren, die im allgemeinen durch
eine Spannungs/Strom-Konverterstufe gebildet ist. Die
Transistoren Q&sub1;-Q&sub4; und die Konstantstromquelle Q&sub7; bilden
zusammen mit dem Widerstand R&sub1; die Treiberschaltung,
während die Transistoren Q&sub5; und Q&sub6; die zwei zwischen die
Leitungen +Vcc, -Vcc geschalteten Endtransistoren bilden,
zwischen denen am Punkt D der Verstärkerausgang definiert
ist, welcher mit einer Last RL verbunden ist.
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Wie bereits erwähnt wurde, hat die bekannte Schaltung
einen maximalen Dynamikumfang von:
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2 VCC - VCEQ5,sat - VCEQ6,sat
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Wenn das Ausgangssignal seine maximale Auslenkung
erreicht, so tritt die schon beschriebene Begrenzung auf.
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Erfindungsgemäß wird zur Beseitigung der Verzerrungen
aufgrund von Begrenzungen die in Figur 2 gezeigte Schaltung
verwendet, in der schematisch eine Endverstärkerstufe 1
der genannten Art angedeutet ist. Wie in der Figur zu
erkennen ist, ist der Ausgang des Verstärkers 1, der mit OUT
bezeichnet und an einem Lautsprecher 2 angeschlossen ist,
zu einer Begrenzungs-Detektorschaltung 3 geführt, die ein
Signal erzeugt, welches proportional zu der erfaßten
Verzerrung ist. Dieses Begrenzungssignal wird über eine
geeignete Verzögerungsschaltung 4, die in diesem Fall
beispielhaft durch einen Kondensator 5 und einen Widerstand 6
dargestellt ist, zu einem spannungsgesteuerten
Dämpfungsglied 7 geführt, welches vor den Verstärker 1 geschaltet
ist und genau zwischen dem Eingang 8 für das Nutzsignal
und dem Eingang 9 des Verstärkers 1 anliegt. Das
Dämpfungsglied 7 reduziert entsprechend der durch den
Detektor 3 erfaßten Verzerrungsbedingung das an den Eingang
des Verstärkers angelegte Signal und somit die
Verzerrungen.
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Der mit der Erfindung vorgeschlagene Verzerrungsdetektor
ist in Figur 3 gezeigt, die ein Gesamtschaltbild einer
Verstärkerstufe mit der Detektorschaltung zeigt.
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Die in Figur 3 gezeigte Verstärkerschaltung verwendet die
in der veröffentlichten italienischen Patentanmeldung Nr.
20 195 A/87 vom 21. April 1987 des gleichen Anmelders (FR-
A-2 614 483, veröffentlicht am 28. Oktober 1988)
entworfene Lösung, mit der der hohe Sättigungsbereich der
Ausgangstransistoren reduziert wird.
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Wie in Figur 3 zu erkennen ist, hat die gezeigte
Verstärkerstufe ebenfalls zwei Eingangs-Stromquellen I&sub1; und I&sub2;
sowie einen Treiberteil mit Transistoren Q&sub1;-Q&sub4; und Q&sub7; (zur
Bildung einer Konstantstromquelle) zum Treiben der zwei
Ausgangstransistoren Q&sub5; und Q&sub6;, die zwischen die positive
und negative Spannungsversorgung bzw. die
Bezugspotentialleitungen +Vcc, -Vcc geschaltet sind. Die zwei
Ausgangstransistoren sind über ihre Kollektoren am Punkt D verbunden,
der den Ausgang der Stufe darstellt und zum Betreiben der
Last, die hier durch einen Widerstand RL angedeutet ist,
dient.
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Wie in der oben erwähnten Patentanmeldung sind auch hier
zwischen den Ausgängen der Treiberstufe, die durch die
Kollektoren der Transistoren Q&sub4; und Q&sub3; (Punkte B und C) und
die Basen der entsprechenden Ausgangstransistoren Q&sub5; und Q&sub6;
gebildet ist, Sättigungs-Steuerschaltungen geschaltet,
welche durch entsprechende Widerstände RB und RA jeweils
zwischen einem Treiberausgang und dem entsprechenden
Ausgangstransistor sowie durch einen Transistor QB und QA
gebildet sind, deren Basen jeweils mit den entsprechenden
Treiberausgängen und deren Emitter- und
Kollektoranschlüsse zwischen dem Ausgang D der Verstärkerstufe und ihrem
Eingang A liegen, der als Mittelpunkt zwischen den
Stromquellen I&sub1; und I&sub2; bezeichnet wird.
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Erfindungsgemäß ist diese bekannte Schaltung als
Verzerrungs-Detektorschaltung verbunden, die im wesentlichen ein
Transistorpaar Q'A und Q'B aufweist, deren Transistoren
jeweils mit einem Transistor der Steuerschaltung verbunden
sind, so daß durch sie der gleiche Strom fließt. Im
einzelnen ist die Basis des Transistors Q'A mit der Basis des
Transistors QA verbunden, während der Kollektor an dem
Kollektor von QA anliegt. Demgemäß hat Q'A eine
Basis-Kollektorspannung, die gleich der von QA ist. Da letzterer in
seinem inversen linearen Bereich arbeitet, arbeitet auch
Q'A in seinem inversen linearen Bereich und erzeugt einen
Emitterstrom, der von dem Emitter zu dem Kollektor fließt
und gleich dem durch QA fließenden Strom ist.
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In ähnlicher Weise ist die Basis des Transistors Q'B mit
der Basis von QB und der Emitter mit dem Emitter von QB
verbunden. Folglich arbeiten die Transistoren QB und Q'B
mit der gleichen Basis-Emitterspannung und haben somit
auch gleichen Kollektorstrom.
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Bei dem in Figur 3 gezeigten Beispiel umfaßt die
Begrenzungs-Detektorschaltung, die in ihrem grundsätzlichen
Aufbau im wesentlichen nur einen der Transistoren Q'A, Q'B
beinhaltet, auch eine durch die Transistoren QS1 und QS2
gebildete Addierschaltung. Im einzelnen ist der Transistor
QS1 diodenverbunden in Serie zwischen eine weitere
Bezugsspannungsleitung V'cc und Q'A geschaltet, so daß durch
diesen der gleiche Strom-wie durch Q'A fließt, während der
Transistor QS2, der mit QS1 einen Spiegel bildet und
demzufolge von dem gleichen Strom wie der letztgenannte und
somit wie Q'A durchflossen wird, mit seinem Kollektor mit
dem Kollektor von Q'B verbunden ist, so daß der Strom, der
durch die mit den Kollektoren von Q'B und QS2 verbundene
Leitung 20 fließt, die Summe der durch Q'A und Q'B erfaßten
Ströme darstellt. Bei dem dargestellten Beispiel ist
stromabwärts der Addierschaltung ein
Schwellwert-Komparator vorgesehen, der nur dann ein Steuersignal erzeugt,
wenn die an dem Ausgang der Verstärkerstufe erfaßte
Verzerrung einen gegebenen Wert überschreitet. Zu diesem
Zweck ist die Leitung 20 mit dem positiven Eingang eines
Schwellwertverstärkers oder Komparators 21 verbunden, an
dessen Eingang über einem Widerstand RREF eine Spannung
anliegt, die proportional zu einer vorhandenen Verzerrung
ist. Durch Anlegen einer Bezugsspannung VREF an den
negativen Eingang des Komparators 21 erzeugt dieser an seinem
Ausgang ein Steuersignal, welche eine minimale Verzerrung
anzeigt. Das Signal kann somit zu dem Dämpfungsglied 7
gemäß Figur 2 geführt werden, welches entsprechend das an
den Eingang des Verstärkers 1 geführte Signal durch die
Wirkung der Stromquellen I&sub1; und I&sub2; dämpft.
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Die Arbeitsweise des Verstärkers sowie der Verzerrungs-
Detektorschaltung ist wie folgt.
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Wie bereits in der oben erwähnten Patentanmeldung
beschrieben wurde, sind die Transistoren Q&sub1;, Q&sub2;, Q&sub3; und Q&sub6;
gesperrt (abgeschaltet) und die Transistoren Q&sub4; und Q&sub5;
durchgeschaltet (eingeschaltet), wenn angenommen wird, daß
der durch die Quelle I&sub1; zugeführte Strom kleiner ist, als
der durch die Quelle I&sub2; zugeführte Strom (d.h. I&sub1; < I&sub2;).
Demgemäß tendiert die Spannung am Ausgangspunkt D dazu, in
Richtung auf die positive Versorgungsspannung Vcc
anzusteigen. Folglich steigt auch die Spannung zwischen der Basis
und dem Emitter des Transistors QB. Wenn diese seinen
Einschalt-Schwellwert erreicht, wird QB durchgeschaltet, so
daß ein Strom zwischen seinem Emitter und seinem Kollektor
fließt. Dieser Kollektorstrom von QB, der zu dem
Eingangspunkt A geführt wird, gelangt zur Basis von Q&sub1; und
verhindert seine vollständige Sperrung (Abschaltung). In der
Praxis ist unter Vernachlässigung des Basisstroms von Q&sub1;
der durch QB fließende Strom praktisch gleich dem
Ungleichgewicht zwischen I&sub1; und I&sub2;, d.h.:
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IC ≈ I&sub2; - I&sub1;
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Wenn stattdessen der durch die Quelle I&sub1; zugeführte Strom
größer ist, als der durch die Quelle I&sub2; zugeführte Strom,
d.h. wenn I&sub1; > I&sub2;, so führt der überschüssige Strom der
Quelle I&sub1; zu einer Sättigung der Transistoren Q&sub2; und Q&sub6;, so
daß sich der Ausgang D in Richtung auf die negative
Versorgungsspannung bewegt. Wenn die Spannungsdifferenz
zwischen dem Punkt c und dem Punkt D ungefähr 0,6 V erreicht
und die Basis-Kollektorverbindung des Transistors QA
direkt vorspannt, schaltet dieser auch hier mit inverser
Vorspannung ein und führt einen Strom zwischen seinem
Emitter und seinem Kollektor. In diesem Fall ist Ic gegeben
durch:
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IC ≈ I&sub1; - I&sub2;
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Folglich werden aufgrund der Verbindung der Verzerrungs-
Detektortransistoren Q'A und Q'B mit den zugeordneten
Steuertransistoren
QA und QB diese selektiv von einem Strom
durchflossen, der proportional zu dem Ungleichgewicht
zwischen den Strömen I&sub1; und I&sub2; ist.
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Für einen kompletten Verstärker kann gezeigt werden, daß
innerhalb bestimmter Grenzen und für jeden denkbaren Fall
dieses Ungleichgewicht eine Funktion des Prozentsatzes der
durch den Verstärker erzeugten Verzerrungen ist, die
insbesondere aufgrund des Erreichens der maximalen Dynamik
des Ausgangssignals (Begrenzung) entstehen.
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Die Transistoren Q'A und Q'B erzeugen folglich einen Strom,
der eine Funktion des Prozentsatzes der Verzerrungen ist
und somit zum Treiben des Dämpfungsgliedes 7 gemäß Figur 2
einsetzbar ist.
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Bei dem dargestellten Fall, bei dem die Transistoren Q'A
und Q'B durch die Addierschaltung verbunden sind, wird an
der Leitung 20 ein Signal erzeugt, welches an die
Verzerrungen gekoppelt ist, die abwechselnd durch Q'A oder Q'B
erfaßt werden, da die Ausgangstransistoren Q&sub5; und Q&sub6;
alternierend arbeiten. Das auf der Leitung 20 vorhandene
Verzerrungssignal wird zu dem Schwellwertkomparator 21
geführt, welcher ein Treibersignal an der Leitung 22
erzeugt, wenn die Verzerrung einen vorbestimmten minimalen
Wert erreicht hat, der mittels des Widerstands RREF oder
der Bezugsspannung VREF einstellbar ist. Dieses
Treibersignal wird dann mit der Schaltung 4 gefiltert und zu dem
Dämpfungsglied 7 geführt.
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Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, erreicht
die Erfindung die gesteckten Ziele und löst die Aufgabe.
Es wird eine Verstärkerstufe angegeben, die eine sehr
einfache Schaltung zur Erfassung von Verzerrungen aufgrund
von Begrenzerwirkungen aufweist, die in einigen Fällen
auch nur einen der zwei Detektionstransistoren Q'A oder Q'B
zu enthalten braucht. Die Schaltung ist sehr einfach in
die Struktur des Endverstärkers integrierbar, ohne daß
komplexe Schaltungen oder ein erhöhter Platzbedarf
erforderlich werden und kann während des Herstellungsprozesses
des Gesamtverstärkers realisiert werden, so daß seine
Kosten denen von bekannten Verstärkern im wesentlichen
gleich sind.
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Die beschriebene Lösung ist auch im Hinblick auf ihre
Zuverlässigkeit sowie die elektrischen Eigenschaften der
Verstärkerstufe vorteilhaft, wobei die elektrischen
Eigenschaften durch die Hinzufügung der
Verzerrungs-Detektorschaltung, die im Endteil der Stufe arbeitet, praktisch
nicht verändert werden, ebensowenig wie die
Eingangscharakteristiken.
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Die beschriebene Erfindung kann auf verschiedene Weise
modifiziert und abgewandelt werden, ohne daß von dem
erfindungsgemäßen Prinzip abgewichen wird. In Figur 3 ist
zwar eine vollständige Schaltung mit Verzerrungsdetektoren
an beiden Ausgangstransistoren und mit weiteren
stromabwärts gelegenen Schaltungen zur Vereinheitlichung der
Information und zu Vergleichszwecken gezeigt, es soll jedoch
betont werden, daß es auch ausreichend sein kann, nur
einen der zwei Verzerrungs-Detektortranslstoren zu verwenden
und das Dämpfungsglied entsprechend dem von dem Transistor
erzeugten Signal direkt zu steuern.
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Auf wenn es vorgezogen wird, beide Verzerrungs-Detektoren
zu verwenden, so kann die durch diese erzeugte Information
ohne den Einsatz der oben beschriebenen Schaltung zur
Vereinheitlichung auch getrennt verwendet werden. Es kann
auch eine Schaltung eingesetzt werden, die die von den
zwei Verzerrungsdetektoren erzeugten Informationen
vereinheitlicht, jedoch anders als die in Figur 3 gezeigte
Schaltung arbeitet.
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Weiterhin soll betont werden, daß der
Schwellwert-Komparator auch weggelassen werden kann und daß das erhaltene
Verzerrungssignal einer weiteren Verarbeitung, die für
bestimmte Fälle erforderlich sein kann, unterworfen werden
kann.
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Schließlich können auch alle Details durch andere mit
technisch äquivalenten Funktionen ersetzt werden. Die in
den Ansprüchen angegebenen Bezugszeichen dienen nur zur
Erleichterung des Verständnisses und beschränken die
Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform.