DE4115017A1 - Steuerbarer spannungs-strom-wandler - Google Patents

Steuerbarer spannungs-strom-wandler

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Description

Bei Schaltungen, die einen Stromausgang besitzen - bei­ spielsweise Verstärkerschaltungen oder Filterschaltun­ gen - muß die am Schaltungseingang anliegende Eingangs­ spannung in einem zur Eingangsspannung proportionalen Ausgangsstrom transformiert werden. Hierzu werden Span­ nungs-Strom-Wandler eingesetzt, die eine Eingangsstufe (meist eine Differenzverstärkerstufe) für die erforder­ liche Spannungs-Strom-Wandlung und eine Ausgangsstufe beispielsweise zur Umwandlung des symmetrischen Aus­ gangs der Eingangsstufe in einen asymmetrischen Ausgang - aufweisen.
In manchen Fällen - beispielsweise für steuerbare Fil­ ter - müssen die Spannungs-Strom-Wandler überdies steu­ erbar sein; dies wird üblicherweise dadurch erreicht, daß die Verstärkung der Eingangsstufe über eine Varia­ tion ihres Arbeitsstroms beeinflußt wird. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß die Eingangsstufe nur einen sehr kleinen linearen Bereich aufweist, so daß auch die Aussteuerbarkeit des Spannungs-Strom-Wandlers sehr ge­ ring ist. Werden in der Eingangsstufe - um deren Aus­ steuerbereich zu vergrößern - Emitterwiderstände einge­ setzt, wird die Verstärkung der Verstärkerstufe primär durch diese Emitterwiderstände bestimmt; eine Steuerung über den Arbeitsstrom ist daher nicht mehr möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Spannungs- Strom-Wandler anzugeben, die innerhalb eines großen Aussteuerbereichs steuerbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Spannungs-Strom-Wandler gemäß der Erfindung weist - neben der (als Differenzverstärkerstufe ausgebildeten) Eingangsstufe und der Ausgangsstufe - einen Schaltungs­ teil zur Bereitstellung eines Steuerstroms bzw. mehre­ rer Steuerströme - den Steuerstromteil - auf. Die Ver­ stärkung der Eingangsstufe wird - beispielsweise über einen gemeinsamen Emitterwiderstand der beiden Diffe­ renzverstärkertransistoren - auf einen festen Wert bzw. die Eingangsstufe auf einen festen Aussteuerbereich eingestellt; die Steuerung des Spannungs-Strom-Wandlers in der Ausgangsstufe wird über die Steuerströme des Steuerstromteils vorgenommen.
Die Ausgangsstufe enthält mindestens einen Stromspie­ gel, dessen Stromspiegelverhältnis und demzufolge auch der Ausgangsstrom des Spannungs-Strom-Wandlers mittels des Steuerstroms bzw. der Steuerströme beeinflußt wer­ den kann; somit läßt sich der Verstärkungsfaktor des Spannungs-Strom-Wandlers - ohne auf den großen Aussteuerbereich zu verzichten - auf einfache Weise va­ riieren bzw. steuern.
Eine Steuerung der Verstärkung des Spannungs-Strom- Wandlers kann positiv oder negativ - abhängig von der Polarität des Steuerstroms oder der Steuerströme - re­ alisiert werden. Vorzugsweise werden - um eine steilere Steuerung zu erhalten - für jeden Stromspiegel der Aus­ gangsstufe mehrere im Steuerstromteil gebildete Steuer­ ströme bereitgestellt. Zur Kompensation von Temperatur­ einflüssen kann als weiterer Steuerstrom ein tempera­ turabhängiger Steuerstrom bzw. können temperaturabhän­ gige Steuerströme vorgesehen werden.
Vorzugsweise wird der Spannungs-Strom-Wandler in einem integrierten Schaltkreis integriert, wobei einer oder mehrere der Anschlußpins als externe Stromeingänge für einen oder mehrere Eingangsströme vorzusehen sind, aus denen im Steuerstromteil die Steuerströme gebildet und der Ausgangsstufe zugeführt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert werden. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des steuerbaren Span­ nungs-Strom-Wandlers.
Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines steuerbaren Ver­ stärkers als Ausführungsbeispiel eines steu­ erbaren Spannungs-Strom-Wandlers.
Fig. 3 ein Detailschaltbild des steuerbaren Verstär­ kers der Fig. 2.
Fig. 4 die Wirkungsweise der Austastfunktion als mögliche Verwendung des steuerbaren Verstär­ kers.
Fig. 5 die Wirkungsweise eines steuerbaren Filters als weitere Verwendung des steuerbaren Ver­ stärkers.
Fig. 6 das Prinzipschaltbild eines steuerbaren Fil­ ters zweiter Ordnung als weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel eines Spannungs-Strom-Wandlers.
Fig. 7 das Detailschaltbild des steuerbaren Filters 2. Ordnung der Fig. 6.
Fig. 8 den Frequenzgang des steuerbaren Filters 2. Ordnung mit (Fig. 8b) und ohne (Fig. 8a) Temperaturkompensation.
Gemäß dem Blockschaltbild der Fig. 1 besteht der steu­ erbare Spannungs-Strom-Wandler aus der Eingangsstufe 1 - diese transformiert die Eingangs-(Wechsel)Spannung UIN (-UIN) in den Ausgangsstrom IOUT (-IOUT) - der Aus­ gangsstufe 2 - diese wandelt beispielsweise den symme­ trischen Ausgang der Eingangsstufe 1 in einen asymme­ trischen Ausgang um und liefert aus den Eingangsströmen IIN (-IIN) den Ausgangsstrom IA - sowie aus dem Steuerstromteil 3, der einen oder mehrere - aus einem oder mehreren Eingangsströmen IE gebildete - Steuer­ ströme ISt zur Beeinflussung bzw. Steuerung der Aus­ gangsstufe 2 bereitstellt.
Der Ausgangsstrom IA der Ausgangsstufe 2 hängt funktio­ nal von der Eingangsspannung UIN und dem Steuerstrom bzw. den Steuerströmen ISt des Steuerstromteils 3 ab. Mit IRef ist in der Fig. 1 ein Referenzstrom bezeich­ net, der zur Versorgung der Eingangsstufe 1 dient.
Das Prinzipschaltbild eines - in einer Schaltung mit acht Anschlußpins P1 bis P8 integrierten - steuerbaren Verstärkers als Ausführungsbeispiel eines Spannungs- Strom-Wandlers ist in der Fig. 2 dargestellt.
Am Anschlußpin P1 liegt die Eingangsspannung UIN an, die von der Eingangsstufe 1 und der Ausgangsstufe 2 in den Ausgangsstrom IA transformiert wird, der am asymmetrischen Schaltungsausgang Anschlußpin P3 abge­ griffen werden kann; am Schaltungspin P5 liegt der Re­ ferenzstrom IRef für die Eingangsstufe 1 an, die - in der Fig. 2 nicht dargestellten - Anschlußpins P4 und P8 sind als Anschluß für die Versorgungsspannung bzw. Bezugspotential vorgesehen. Als Eingangsströme fungie­ ren die beiden Ströme IV und ITK, die dem Steuerstrom­ teil 3 zugeführt und von diesem verarbeitet werden; der erste - im Schaltungsteil 3a aus dem am Anschlußpin P6 anliegenden Strom IV gebildete - Steuerstrom dient zur Steuerung der Verstärkung bzw. Steilheit, beispielswei­ se zur Kompensation der Resonanzfrequenzstreuung, und der zweite - im Schaltungsteil 3b aus dem am Anschluß­ pin P7 anliegenden Strom ITK gebildete - Steuerstrom zur Kompensation von Temperatureinflüssen.
Des weiteren ist ein - zwischen den Anschlußpins P2, P3 und Bezugspotential angeschlossener - Kondensator C vorgesehen, durch den die Resonanzfrequenz fRes einge­ stellt wird:
gm ist die Steilheit der Eingangsstufe 1 bzw. Ausgangs­ stufe 2 und hängt von der internen Beschaltung dieser Verstärkerstufen ab.
Der steuerbare Verstärker kann für unterschiedliche An­ wendungszwecke eingesetzt werden; beispielsweise kann er als Austaster (siehe Fig. 4), als verstimmbares Fil­ ter (siehe Fig. 5) und als Stummschaltung, d. h. zur Abschaltung eines bestimmten Schaltungsteils, verwendet werden.
Wie anhand des Detailschaltbilds des Verstärkers in Fig. 3 veranschaulicht, wird die Differenzverstärkung in der Eingangsstufe 1 durch die Transistoren T1, T2 bzw. T3, T4 realisiert. Der gemeinsame Emitterwider­ stand R3,4 der Transistoren T3 und T4 legt die Verstär­ kung der Eingangsstufe 1 fest. Am Schaltungspin P5 wird der Referenzstrom IRef zur Versorgung der Eingangs­ stufe 1 eingespeist.
Die Ausgangsstufe 2 weist zwei Stromspiegel - Transi­ storen T5, T8 bzw. Transistoren T6, T7 - auf; die bei­ den Eingangsströme der Stromspiegel - diese entsprechen den Strömen IIN und -IIN aus der Fig. 1 - sind mit I1 und I2 die beiden Ausgangsströme der Stromspiegel mit I3 und I4 bezeichnet. Des weiteren wird durch die Aus­ gangsstufe 2 mittels der Transistoren T9 und T10 sowie der Widerstände R9 und R10 die Umwandlung in den asym­ metrischen Ausgang (Anschlußpin P3, Ausgangsstrom IA) vorgenommen.
Im Schaltungsteil 3a des Steuerstromteils 3 - diesem wird über den Schaltungspin P6 der Steuerstrom IV zuge­ führt - werden über die Transistoren T11 bis T18 und die Widerstände R11 bis R17 aus dem am Anschlußpin P6 anliegenden Eingangsstrom IV vier Steuerströme IV1, IV2, IV3 und IV4 gebildet und der Ausgangsstufe 2 zuge­ führt. Die Steuerströme IV1 und IV2 steuern dabei den Arbeitspunkt des Eingangs der Ausgangsstufe 2, die Steuerströme IV3, IV4 den Arbeitspunkt des Ausgangs der Ausgangsstufe 2; da vier Steuerströme verwendet werden, ist eine steile Aussteuerung des Spannungs-Strom-Wand­ lers möglich.
Im Schaltungsteil 3b des Steuerstromteils 3 werden aus dem am Anschlußpin P7 anliegenden temperaturabhängigen weiteren Eingangsstrom ITK durch die Transistoren T₁₁ bis T₂₂ und die Widerstände R₁₉ bis R₂₁ zwei Steuer­ ströme ITK1, ITK2 gebildet, die sich an den Knotenpunk­ ten K₁ und K₂ den beiden Steuerströmen IV1 und IV2 überlagern.
Die Steilheit gm des Spannungs-Strom-Wandlers in Glei­ chung (1) läßt sich folgendermaßen ausdrücken:
gm = gm1 · S (2).
Der Steilheits-Faktor gm1 wird von der Eingangsstufe 1 als fester Wert vorgegeben (gm1 = 2/R3,4); S ist das (variable Stromspiegelverhältnis, das durch das Strom­ verhältnis I₃ zu I₁ (bestimmt durch das Verhältnis T₈, R₈ zu T₅, R₅) bzw. durch das Stromverhältnis I₄ zu I₂ (bestimmt durch das Verhältnis T₇, R₇ zu T₆, R₆) fest­ gelegt wird.
Die Resonanzfrequenz fRes ergibt sich nach Gleichung (1) und (2) somit zu:
Die Resonanzfrequenz fRes hängt vom Stromspiegel­ verhältnis S und damit von den Ausgangsströmen I₃ und I₄ bzw. den Eingangsströmen I₁ und I₂ der Ausgangs­ stufe 2 ab; diese Ströme, das Stromspiegelverhältnis S und daher auch die Resonanzfrequenz fRes lassen sich folglich über die Steuerströme IV1 bis IV4 beeinflus­ sen. Da der Widerstand R3,4 temperaturabhängig ist bzw. streut, ist gemäß Gleichung (3) auch die Resonanzfre­ quenz fRes instabil; durch die beiden temperaturabhän­ gigen Steuerströme ITK1, ITK2 kann über die Variation des Stromspiegelverhältnisses S - durch Veränderungen der Ströme IV₁, IV2 und damit der Ströme I₁, I₂ - eine Temperaturkompensation erreicht werden.
Als Anwendungsbeispiel des steuerbaren Verstärkers wird anhand der Fig. 4 die Funktionsweise eines Austasters erläutert - am Schaltungsausgang (Anschlußpin P3) des Spannungs-Strom-Wandlers soll, beispielsweise bei Stö­ rungen, kein Signal ausgegeben werden. Bei einer Stö­ rung bzw. einem Störimpuls - Kurve c - dessen Signal sich dem Eingangs-(Nutz)Signal - Kurve a - überlagert, wird am Anschlußpin P6 als Steuerstrom IV ein Austast­ strom und damit ein Austastimpuls - Kurve d - erzeugt und infolgedessen der Ausgangsstrom IA der Ausgangs­ stufe 2 so gesteuert, daß dieser den Wert IA = 0 an­ nimmt. Das Ausgangssignal des Spannungs-Strom-Wandlers - Kurve b - bleibt folglich während der Dauer des Störimpulses - Kurve c - auf einem bestimmten Wert; der Störimpuls hat keinen Einfluß auf das Ausgangssignal.
Als weitere Verwendungsmöglichkeit des steuerbaren Ver­ stärkers zeigt die Fig. 5 verschiedene Resonanzkurven U(f) - Ausgangsspannung UOUT als Funktion der Frequenz f - eines steuerbaren Filters. In Abhängigkeit des Steuerstroms - der Steuerstrom IV nimmt von der Kurve (1): Steuerstrom IV nahezu Null bis zur Kurve (8): Steuerstrom IV maximal in äquidistanten Schritten zu - verschiebt sich die Resonanzkurve und demzufolge auch die Resonanzfrequenz des Filters (Die -3 dB-Linie kennzeichnet die Resonanzfrequenzen fRes, die durch Vorgabe des Steuerstroms IV variiert werden). Beispielsweise sinkt die Resonanzfrequenz fRes von 3,12 kHz: fRes (1), Steuerstrom ungefähr 0 µA bis auf ca. 10 Hz: fRes (8), maximaler Steuerstrom von bei­ spielsweise ca. 60 µA.
In der Fig. 6 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ei­ nes steuerbaren Spannungs-Strom-Wandlers ein steuerba­ res Filter zweiter Ordnung dargestellt, das durch zwei hintereinandergeschaltete identische Spannungs-Strom- Wandler realisiert ist. Der jeweilige Aufbau der Span­ nungs-Strom-Wandler (siehe Fig. 7) entspricht weitge­ hend der bereits - anhand der Fig. 2 und 3 - bespro­ chenen Version; vom Steuerstromteil 3 werden als Steu­ erströme zwei temperaturabhängige Ströme ITK1, ITK2 zur Kompensation von Temperatureffekten aus einem extern zugeführten temperaturabhängigen Eingangsstrom ITK er­ zeugt und beiden Ausgangsstufen 2 des Filters zuge­ führt.
Durch die Kondensatoren C1 und C2 wird die feste Reso­ nanzfrequenz fRes des Filters eingestellt (R23,24 = R25,26):
R23, 24 bzw. R25, 26 sind gemäß dem in der Fig. 7 darge­ stellten Detailschaltbild des Filters die Emitterwider­ stände der Differenzverstärkertransistoren T23 und T24 bzw. T25 und T26.
Über die temperaturabhängigen Steuerstrome ITK1, ITK2, die im Steuerstromteil 3 mittels der Transistoren T27, T 28 bzw- T29, T30 und der Widerstände R27, R28 bzw. R29, R30 gebildet werden, können Temperatureinflüsse auf die Resonanzfrequenz fRes des Filters - durch Va­ riation des Stromspiegelverhältnisses S der Ausgangs­ stufe 2 und damit des Ausgangsstroms IA - kompensiert werden.
In der Fig. 8 ist zur Veranschaulichung der Frequenz­ gang eines 22 kHz-Filters für verschiedene Temperaturen dargestellt; die Fig. 8a zeigt dabei Kurven ohne Tem­ peraturkompensation und die Fig. 8b Kurven mit Tempe­ raturkompensation. Während ohne Temperaturkompensation eine große Variation ΔfRes der Resonanzfrequenz in Ab­ hängigkeit der Temperatur festgestellt werden kann (Fig. 8a), verschwindet dieser Effekt bei Temperatur­ kompensation (Fig. 8b) fast völlig.
Der Widerstand bzw. die Widerstände zur Einstellung der festen Verstärkung der Eingangsstufe werden mit einem hohen spezifischen Widerstand - beispielsweise 1 kΩ/ - realisiert; dadurch sind auch größere Widerstandswerte integrierbar und damit niedrige Resonanzfrequenzen er­ reichbar. Vorzugsweise wird auch im Schaltungsteil, der den Eingangsstrom für die Temperaturkompensation lie­ fert, ein 1 kΩ/-Widerstand verwendet, so daß die durch die Widerstandsstreuung bedingte Streuung der Re­ sonanzfrequenz kompensiert bzw. reduziert werden kann. Neben den vorgestellten Ausführungsbeispielen sind auch noch andere Anwendungen des steuerbaren Spannungs- Strom-Wandlers mit großem Aussteuerbereich denkbar.

Claims (14)

1. Steuerbarer Spannungs-Strom-Wandler mit einer Ein­ gangsstufe (1), an deren Eingang die Eingangsspannung (UIN, -UIN) anliegt, und einer Ausgangsstufe (2), an deren Ausgang der Ausgangsstrom (IA) ansteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe (1) als Diffe­ renzverstärkerstufe mit fester Steilheit (gm1) bzw. vorgegebener Aussteuerung ausgebildet ist, daß ein Steuerstromteil (3) vorgesehen ist, der mindestens ei­ nen externen Eingangsstrom (IE) verarbeitet und aus je­ dem Eingangsstrom (IE) mindestens einen Steuerstrom (ISt) bildet, und daß durch die Steuerströme (ISt) der Ausgangsstrom (IA) der mit dem Steuerstromteil (3) ver­ bundenen Ausgangsstufe (2) variiert werden kann.
2. Steuerbarer Spannungs-Strom-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe (2) min­ destens einen Stromspiegel aufweist, dem die im Steuer­ stromteil (3) gebildeten Steuerströme (ISt) zugeführt werden, und der den Ausgang der Ausgangsstufe (2) an­ steuert, und daß durch die Steuerströme (ISt) das den Ausgangsstrom (IA) beeinflussende Stromspiegelverhält­ nis (S) variiert werden kann.
3. Steuerbarer Spannungs-Strom-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstromteil (3) mit dem Eingang und/oder mit dem Ausgang der Strom­ spiegel verbunden ist, und daß durch die Steuerströme (ISt) die Eingangsströme und/oder die Ausgangsströme der Stromspiegel der Ausgangsstufe (2) variiert werden können.
4. Steuerbarer Spannungs-Strom-Wandler nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstromteil (3) aus jedem externen Eingangsstrom (IE) mindestens zwei Steuerströme (ISt) bildet, die un­ terschiedlichen Stellen der Stromspiegel der Ausgangs­ stufe (2) zugeführt werden.
5. Steuerbarer Spannungs-Strom-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ gangsstufe (2) den symmetrischen Ausgangsstrom (IOUT, -IOUT) der Eingangsstufe (1) in einen asymmetrischen Ausgangsstrom (IA) umwandelt.
6. Steuerbarer Spannungs-Strom-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fe­ ste Verstärkung bzw. Steilheit (gm1) der Eingangsstufe (1) über einen gemeinsamen Emitterwiderstand der Diffe­ renzverstärker-Transistoren eingestellt wird.
7. Steuerbarer Spannungs-Strom-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ver­ wendung als steuerbarer Verstärker die Ausgangsstufe (2) zwei Stromspiegel (T5, T8 bzw. T6, T7) aufweist, daß im Steuerstromteil (3) zur Steuerung der Verstär­ kung aus einem Eingangsstrom (IV) erste Steuerströme gebildet und den beiden Stromspiegeln der Ausgangsstufe (2) zugeführt werden, und daß im Steuerstromteil (3) zur Kompensation von Temperatureinflüssen aus einem temperaturabhängigen Eingangsstrom (ITK) weitere Steu­ erströme gebildet und den beiden Stromspiegeln der Aus­ gangsstufe (2) zugeführt werden.
8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schaltungsteil (3a) des Steuer­ stromteils (3) vier Steuerströme (IV1, IV2, IV3, IV4) gebildet werden, und daß über zwei Steuerströme (IV1, IV2) die beiden Eingangsströme (I1, I2) der beiden Stromspiegel und über zwei Steuerströme (IV3, IV4) die beiden Ausgangsströme (I3, I4) der beiden Stromspiegel beeinflußbar sind.
9. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zweiten Schaltungsteil (3b) des Steuer­ stromteils (3) zwei weitere Steuerströme (ITK1, ITK2) gebildet werden, und daß die beiden weiteren Steuer­ ströme (ITK1, ITK2) den beiden ersten Steuerströmen (IV1, IV2) an zwei Knotenpunkten (K1, K2) zugeführt werden.
10. Verstärker nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerströme (IV1, IV2, IV3, IV4 bzw. ITK1, ITK2) in den Schaltungsteilen (3a bzw. 3b) des Steuerstromteils (3) aus den beiden Eingangsströmen (IV bzw. ITK) mittels Transistoren (T₁₁-T₁₈ bzw. T₁₉-T₂₂) und Widerständen (R₁₁-R₁₈ bzw. R₁₉-R₂₂) gebil­ det werden.
11. Verwendung eines Verstärkers nach einem der Ansprü­ che 7 bis 10 als Austaster, verstimmbares Filter oder zur Stummschaltung.
12. Steuerbarer Spannungs-Strom-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ver­ wendung als steuerbares Filter 2. Ordnung zwei Ein­ gangsstufen (1) und Ausgangsstufen (2) hintereinander­ geschaltet sind, daß die Ausgangsstufen (2) je­ weils zwei Stromspiegel aufweisen, und daß im Steuer­ stromteil (3) zur Kompensation von Temperatureinflüssen aus einem temperaturabhängigen Eingangsstrom (ITK) Steuerströme gebildet und den beiden Stromspiegeln der Ausgangsstufe (2) zugeführt werden.
13. Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerstromteil (3) zwei Steuerströme (ITK1, ITK2) gebildet werden, und daß die beiden Steuerströme (ITK1, ITK2) jeweils die Eingangsströme der beiden Stromspiegel beider Ausgangsstufen (2) beeinflussen.
14. Filter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuerströme (ITK1, ITK2) mittels Tran­ sistoren (T₂₉, T₃₀) und Widerständen (R₂₉, R₃₀) gebil­ det werden.
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