DE4207163C2 - Spannungsgesteuerter Verstärkerschaltkreis - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen span­ nungsgesteuerten Verstärkerschaltkreis (VCA) zum Einstellen eines Eingangssignals und zum Ausgeben eines Ausgangssi­ gnals, und insbesondere auf einen VCA-Schaltkreis zum Mini­ mieren einer Gleichspannungsverschiebung, wenn der VCA- Schaltkreis einen maximalen Dämpfungspegel besitzt.

VCA-Schaltkreise, wie sie z. B. aus US 47 27 334 bekannt sind, werden in Kommunikationsgeräten, Büro­ automatisierungsgeräten und dergleichen verwendet und umfas­ sen Transistoren, die Differentialverstärker bilden. Im all­ gemeinen besteht ein Differentialverstärker aus zwei Transi­ storen und arbeitet als Stromverteilungszelle. In der Praxis stimmen die physikalischen Parameter der beiden Transistoren nicht miteinander überein. Daher wird aufgrund der mangeln­ den Übereinstimmung der physikalischen Parameter eine Span­ nungsverschiebung oder eine Stromverschiebung erzeugt. Die Spannungsverschiebung oder die Stromverschiebung verursachen einen Fehler im Betrieb, insbesondere in einem Verstärker mit hoher Verstärkung, in dessen erster Stufe der Differen­ tialverstärker angeordnet ist. Also verschlechtert die Span­ nungs- oder Stromverschiebung die Leistung des Schaltkrei­ ses.

Der Differentialverstärker besitzt auch eine an seinem Ausgangsanschluß erscheinende Gleichspannungsverschiebung, wenn die an einen seiner Eingänge angelegte Eingangsspannung Null ist. Aus diesem Grund ist es unmöglich, ein Rückkopp­ lungssignal an die Stromverteilungszelle anzulegen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen spannungs­ gesteuerten Verstärker bereitzustellen, der Gleichspannungsverschiebungen unterdrückt und auf diese Weise ein gleichspannungskompensiertes Ausgangssignal liefert.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

In den oben erwähnten Strukturen, wird das Ausgangssi­ gnal des Operationsverstärkers an die Ausgabeänderungsvor­ richtung angelegt, die das angelegte Ausgangssignal basie­ rend auf einem vorgegebenen Koeffizienten in eine Stromaus­ gabe umwandelt. Die Stromausgabe wird dann an den invertie­ renden Eingang des Operationsverstärkers angelegt. Das Ein­ gangssignal wird an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers oder über die zweite Last an den in­ vertierenden Eingang desselben angelegt. Die über die zweite Last abfallende Spannung wird von dem Operationsverstärker aufgenommen. Bei dem obigen Betrieb kann die Ausgangsspan­ nung durch Änderung des vorgegebenen Koeffizienten geändert werden.

Wenn eine Gleichstromverschiebung erzeugt wird, exi­ stiert die Gleichstromverschiebung in einer Rückkopplungs­ schleife zwischen der Ausgabeänderungsvorrichtung und dem Operationsverstärker. Daher wird es möglich, die Gleich­ stromverschiebung entsprechend dem vorgegebenen Koeffizien­ ten zu reduzieren.

Die Eigenschaften, der Nutzen und weitere Merkmale die­ ser Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden, de­ taillierten Beschreibung, die sich auf bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung bezieht, im Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Schaltkreisdiagramm eines VCA-Schaltkrei­ ses nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung.

Fig. 2 ist ein Schaltkreisdiagramm einer ersten Variante des in Fig. 1 gezeigten VCA-Schaltkreises.

Fig. 3 ist ein Schaltkreisdiagramm einer zweiten Vari­ ante des in Fig. 1 gezeigten VCA-Schaltkreises.

Fig. 4 ist ein Schaltkreisdiagramm einer dritten Vari­ ante des in Fig. 1 gezeigten VCA-Schaltkreises.

Vor einer Detailbeschreibung der Erfindung wird eine Be­ schreibung eines herkömmlichen VCA-Schaltkreises gegeben, um das Verständnis der vorlie­ genden Erfindung zu erleichtern. Ein Verstärker dieser Art ist z. B. in Fig. 1 der Patentschrift US 47 27 334 gezeigt. Ein herkömmlicher VCA-Schaltkreis um­ faßt einen Differentialverstärker der einen ersten und einen zweiten Transistor aufweist, die zwischen einem Spannungsversorgungsanschluß und einem Eingangsanschluß parallel angeschlossen sind. Eine variable Gleichspannungsquelle ist zwischen der Ba­ sis des zweiten Transistors und der Erde angeschlossen. Ein Aus­ gangsanschluß ist mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden. Ein Lastwiderstand ist zwischen dem Spannungs­ versorgungsanschluß und dem Ausgangsanschluß ange­ schlossen. Der Lastwiderstand dient zum Umwandeln des Ausgangsstromes in eine Ausgangsspannung.

Der Betrieb des herkömmlichen VCA-Schaltkreises mit der obigen Struktur wird hiernach beschrieben. Eine an die Basis des zweiten Transistors angelegte Basisspannung wird innerhalb eines vorgegebenen Potentialbereiches [(+) - 0 - (-)] durch Einstellen der veränderlichen Spannungsquelle entspre­ chend einem Regelungssignal eingestellt. Das Kollektorstromverhältnis des ersten und zweiten Transistors kann durch Einstellen der Basis­ spannung variiert werden. Auf diese Weise wird der von dem Spannungsversorgungsanschluß durch den Widerstand fließende Strom geändert, so daß eine vorgegebene Ausgangs­ spannung am Ausgangsanschluß erhalten wird.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine Be­ schreibung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Er­ findung gegeben. Ein in Fig. 1 gezeigter VCA-Schaltkreis be­ steht aus einem Operationsverstärker 1, einem Ausgabeände­ rungschaltkreis 2 und einem Widerstand R_NF. Ein Eingangssi­ gnal wird an einen nicht invertierenden Eingang des Operati­ onsverstärkers 1 angelegt. Der Widerstand R_NF ist zwischen einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 und seinem Ausgangsanschluß angeordnet. Der Widerstand R_NF ar­ beitet als Rückkopplungswiderstand für den Operationsver­ stärker 1. Der Ausgabeänderungsschaltkreis 2 ist zwischen dem Ausgangsanschluß und dem invertierenden Eingang des Ope­ rationsverstärkers 1 angeordnet. Der Ausgabeänderungsschalt­ kreis 2 besteht aus einem V/I-(Strom-Spannungs-)Wandler 21 und einer Stromverteilerzelle 22. Der V/I-Wandler 21 besitzt eine Transferleitfähigkeit gm, mit der die Ausgangsspannung Vout des VCA-Schaltkreises in einen Strom umgewandelt wird. Die Stromverteilungszelle 22 ändert den Strom aus dem V/I- Wandler 21 basierend auf einem vorgegebenen Koeffizienten in ein Signal. Die Stromverteilerzelle 22 besteht aus Diffe­ renztransistoren Q1, Q2, einer variablen Spannungsquelle Vo und einer Konstantstromquelle Io. Die Emitter der Transisto­ ren Q1 und Q2 sind miteinander und mit dem Ausgangsanschluß des V/I-Wandlers 21 verbunden. Die variable Spannungsquelle Vo ist zwischen der Basis des Transistors Q2 und der Erde angeschlossen. Die Konstantstromquelle Io ist zwischen dem Kollektor des Transistors Q1 und der Versorgungsspannung Vcc angeschlossen. Die Ausgangsspannung Vout des VCA-Schaltkrei­ ses wird von dem Operationsverstärker 1 abgegriffen. Die Ba­ sis des Transistors Q1 liegt auf Erde.

Der Betrieb des Ausgabeänderungsschaltkreises 2 wird nun beschrieben. Die Ausgangsspannung Vout des Operationsver­ stärkers 1 wird in einen Strom Vout · gm umgewandelt, wobei gm die Transferleitfähigkeit (Stromumwandlungskonstante) des V/I-Wandlers 21 ist. Der Strom Vout·gm dient als Stromquelle für die Differenztransistoren Q1 und Q2 der Stromverteiler­ zelle 22 und wird auf der Basis der von der variablen Span­ nungsquelle Vo festgelegten Spannung auf die Transistoren Q1 und Q2 verteilt. Das heißt, daß der Strom Vout·gm entspre­ chend einem Stromverteilungskoeffizienten n (0n1), der von der variablen Spannungsquelle Vo gesteuert wird, auf die Transistoren Q1 und Q2 verteilt wird. Also kann der Aus­ gangsstrom INF von dem Kollektor des Transistors Q1 des Aus­ gabeveränderungsschaltkreises 2 in Abhängigkeit von dem Stromverteilungskoeffizienten wie folgt geschrieben werden:

n · Vout · gm = I_NF (1)

Der gesamte Betrieb des in Fig. 1 gezeigten VCA-Schalt­ kreises wird hiernach beschrieben. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist imaginär mit dem nicht inver­ tierenden Eingang kurzgeschlossen, und daher ist das Poten­ tial des invertierenden Eingangs gleich der Eingangsspannung Vin. Also kann die folgende Formel erhalten werden:

Vin - Vout = I_NF · R_NF (2)

Aus den Formeln (1) und (2) können die folgenden Formeln erhalten werden:

Vin - Vout = n · Vout · gm · R_NF
Vin = (1 + n · gm · R_NF)Vout (3)

Aus der Formel (3) kann

Vout/Vin = 1/(1 + n · gm · R_NF) (4)

erhalten werden. Da 0 n 1, kann die Formel (4) wie folgt umgeschrieben werden:

1/(1 + n · gm · R_NF) Vout/Vin 1 (5)

Die Ausgangsspannung Vout wird innerhalb des durch die Formel (5) festgelegten Bereichs entsprechend dem Stromver­ teilungskoeffizienten n variiert.

Im folgenden wird eine Beschreibung der Unterdrückung einer Gleichstromverschiebung gegeben. Wenn eine feste Gleichstromverschiebung I_DC, die nicht von dem Stromvertei­ lungskoeffizienten abhängt, erzeugt wird, fließt die Gleich­ spannungsverschiebung in einer Rückkopplungsschleife zwi­ schen der Stromverteilungszelle 22 und dem Operationsver­ stärkers 1 ebenso wie im Falle des Stromes I_NF aus der Stromverteilungszelle 22.

Aus Formel (2) wird auf folgende Weise eine Gleichspan­ nungsverschiebung Vout′ für Vin = 0 berechnet:

Vout′ = -(I_NF + I_DC)R_NF (6)

Aus den Formeln (1) und (6) erhält man folgendes:

Vout′ = -n · Vout · gm · R_NF - I_DCR_NF

(1 + n · gm · R_NF)Vout′ = -I_DCR_NF (7)

Also erhält man folgendes:

Vout′ = -{1/(1 + n · gm · R_NF)}I_DCR_NF (8)

Es ist aus Formel (8) ersichtlich, daß die Gleichspan­ nungsverschiebung Vout′ abnimmt, wenn der Stromverteilungs­ koeffizient n von 0 auf 1 zunimmt. Auf entsprechende Weise wird ein in der Stromverteilungszelle 22 und in der Kon­ stantstromquelle Io entstehendes Rauschen in Abhängigkeit von dem Stromverteilungskoeffizienten n reduziert.

Fig. 2 zeigt die erste Variante des VCA-Schaltkreises der Fig. 1. In Fig. 2 sind solche Teile, die die gleichen sind wie in Fig. 1, mit denselben Bezugszeichen versehen.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das Ausgangssignal des Ausgabeän­ derungsschaltkreises 2 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 über einen Widerstand R1 angelegt. Die anderen Teile des in Fig. 2 gezeigten Schaltkreises sind dieselben wie in Fig. 1. Der in Fig. 2 gezeigte Schaltkreis arbeitet auf die gleiche Weise wie der in Fig. 1 gezeigte Schaltkreis, so daß die Gleichstromverschiebung auf die gleiche Weise unterdrückt werden kann.

Fig. 3 zeigt die zweite Variante des in Fig. 1 gezeigten VCA-Schaltkreises. Die Eingangssignalspannung Vin wird über einen Widerstand Rs an den invertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers 1 angelegt. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit einem Bezugspotentialpunkt (Erdpotential) verbunden. Die anderen Teile des in Fig. 3 gezeigten VCA-Schaltkreises sind dieselben wie in dem in Fig. 1 gezeigten VCA-Schaltkreis.

Die Beziehung zwischen der Eingangsspannung Vin und der Ausgangsspannung Vout kann wie folgt beschrieben werden:

Vout = -(I_NF + Vin/Rs)R_NF (9)

Aus den Formeln (1) und (9) kann folgendes erhalten wer­ den:

-(Vin/Rs + n · Vout · gm)R_NF = Vout (10)

Vout(1 + n · gm · R_NF) = -(Vin/Rs)

Vout/Vin = {1/(1 + n · gm · R_NF)}(1/Rs) (11)

Aus der Bedingung 0n1 und der Formel (11) kann die folgende Beziehung erhalten werden:

{1/(1 + gm · R_NF)}(1/Rs) (Vout/Vin) (1/Rs) (12)

Also kann die Ausgangsspannung Vout innerhalb des durch die Formel (12) gegebenen Bereichs in Abhängigkeit von dem Stromverteilungskoeffizienten n variiert werden. Falls eine Gleichstromverschiebung aufgetreten ist, kann die Gleich­ stromverschiebung auf die gleiche Weise wie zuvor erwähnt reduziert werden.

Fig. 4 zeigt eine dritte Variante des in Fig. 1 gezeig­ ten VCA-Schaltkreises. In Fig. 4 sind solche Teile, die die gleichen sind wie in Fig. 3, mit denselben Bezugszeichen versehen. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist das Ausgangssignal des Ausgabeänderungsschaltkreises 2 an den invertierenden Ein­ gang des Operationsverstärkers 1 über einen Widerstand R1 angelegt. Die anderen Teile des in Fig. 4 gezeigten Schalt­ kreises sind dieselben wie in Fig. 3. Der in Fig. 4 gezeigte Schaltkreis arbeitet auf die gleiche Weise wie der in Fig. 3 gezeigte Schaltkreis, so daß die Gleichstromverschiebung auf die gleiche Weise unterdrückt werden kann.

Die Erfindung kann in weiteren speziellen Formen ausge­ führt werden, ohne vom Wesen der Erfindung oder ihren we­ sentlichen Merkmalen abzuweichen. Die vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiele werden daher in jeder Hinsicht nur als illu­ strativ und nicht als einschränkend betrachtet, wobei der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung angegeben wird, und wobei daher alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs von Äquivalenten der Patentansprüchen fal­ len darin mit umfaßt sein sollen.

Claims (7)

1. Verstärkerschaltung mit einer variablen Spannungsquelle zum Einspeisen einer variablen Spannung; mit einer Stromverteilungszelle (22) zum Umwandeln eines Eingangs­ stromsignals, das einem Eingang zugeführt wird, in eine Stromausgabe, die an einem Ausgang ausgegeben wird, wobei die Umwandlung auf einem vorgegebenen Koeffizienten basiert, der durch die variable Spannung, die von der variablen Spannungsquelle eingespeist wird, vorgeschrieben ist, und mit einem Spannungs-Stromwandler (21), der mit dem Eingang der Stromverteilungszelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Operationsverstärker (1) mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang vorgesehen ist, daß der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (1) mit dem Ausgang der Stromverteilungszelle verbunden ist, daß zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operations­ verstärkers (1) eine erste Last (R_NF) liegt, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (1) über den Spannungs-Strom­ wandler (21) mit dem Eingang der Stromverteilungszelle verbunden ist, und daß ein Eingang des Operationsverstärkers (1) als Eingang der gesamten Schaltung dient und der Ausgang des Operationsverstärkers (1) als Ausgang der gesamten Schaltung dient.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers (1) als Eingang der gesamten Schaltung dient.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang der Stromverteilungszelle und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (1) eine zweite Last (R₁) liegt.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (1) als Eingang der gesamten Schaltung dient.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Last (R_S) am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (1) liegt.

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine dritte Last (R₁) zwischen dem Kollektor des ersten Transistors (Q1) und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (1) liegt.

7. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromverteilungszelle (22) zwei Transistoren (Q1, Q2) enthält, die mit ihren Kollektoren bzw. Emittern miteinander verbunden sind, daß die miteinander verbundenen Emitter als Eingang der Stromverteilungszelle dienen und daß einer der Kollektoren der beiden Transistoren als Ausgang der Stromverteilungs­ zelle dient.