DE4340799A1 - Mehrstufiger gleichspannungsgekoppelter Verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Bei derartigen Verstärkern werden heutzutage hohe Anforde­ rungen an das zu übertragende Frequenzband gestellt, wel­ ches von nahezu 0 Hz bis in den Frequenzbereich weit ober­ halb des Hörbereichs reichen muß. Dabei sollen auch mög­ lichst große Signalpegel verzerrungsfrei übertragen wer­ den können. Dazu kommt, daß die Beeinflussung des Signals durch Rauschen (innerhalb des Verstärkers) möglichst klein gehalten werden muß. Gerade bei derartigen relativ breit­ bandigen Verstärkern ist die Gegenkopplung über mehrere Stufen meist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.

Ein derartiger Verstärker ist beispielsweise aus der US 4 406 990 bekannt. Dieser Verstärker weist jedoch den Nachteil auf, daß eine vorwählbare Einstellung des Ver­ stärkungsfaktors durch äußere Beschaltung nur mittels ei­ ner Gegenkopplung möglich ist, wobei eine derartige Gegen­ kopplung trotz der im allgemeinen erzielten Qualitätsver­ besserung auch zu unvorhersehbaren Verzerrungen führen kann. Auch das Gesamtübertragungsverhalten des Verstärkers erfüllt nicht die an einen derartigen Verstärker für das vorhergesehene Anwendungsgebiet zu stellenden Anforderun­ gen.

Eine ähnliche Schaltung ist auch in der Zeitschrift "Elektronik" 1977, Heft 3, auf den Seiten 63 und 64 beschrieben.

Auch die bisherigen Versuche, solche - auch mit einer hö­ heren Anzahl von Stufen versehene - Operationsverstärker derartig breitbandig und phasenrein auszulegen, daß sie den Anforderungen zum Einsatz im qualifizierten Audiobe­ reich genügen können, scheiterten wegen der dabei auftre­ tenden Schwierigkeiten bezüglich der Stabilisierung der einzelnen Stufen und der Bemessung der Signallaufzeiten.

Dazu kommt, daß Bauelemente, welche bei niedrigen Frequen­ zen als Bauelemente mit "komplementären" Eigenschaften ge­ nügend übereinstimmendes Verhalten zeigen - wie beispiels­ weise bipolare Transistoren in NPN- bzw. PNP-Technologie - bei Frequenzen im höheren Frequenzbereich durchaus Abwei­ chungen zeigen, die den Aufbau eines Verstärkers mit sol­ chermaßen idealisierten Eigenschaften beeinträchtigen. So wurde bisher auch bei breitbandigen Operationsverstärkern im wesentlichen Gebrauch gemacht von aufeinanderfolgenden Differenzverstärkerstufen, welche die Spannungsdrift klein halten sollen. Aber auch solche Operationsverstärker, wel­ che intern unsymmetrisch aufgebaut sind, erfüllen die in diesem Zusammenhang an die Signalaufbereitung zu stellen­ den Anforderungen nicht.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der eingangs genannten Gattung anzugeben, der bei insgesamt die Anforderungen an die Audio-Wiedergabe jenseits der Hifi-Norm übertreffenden Übertragungseigenschaften die Möglichkeit schafft - ohne feststellbare Beeinträchtigung dieser Eigenschaften -, den Übertragungsfaktor allein durch äußere Beschaltung mit passiven Bauelementen in weiten Grenzen zu verändern, wo­ bei auch die Möglichkeit einer Signalbedämpfung, d. h. ein "Verstärkungsfaktor" <1 eingeschlossen sein soll.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß in dem Be­ streben, einen Verstärker zu schaffen, bei dem ohne poten­ tiometrische Beschaltung in Form einer Gegenkopplung der Faktor der Verstärkung einstellbar sein soll, durch genü­ gend nieder- bzw. hochohmige Auslegung des Ein- als auch des Ausgangs das Verhältnis von Ein- und Ausgangssignal ohne Verwendung einer Rück- oder Gegenkopplung im Nutzsi­ gnalbereich allein durch das Verhältnis von in Serie mit dem Ein- bzw. Ausgang befindlichen (Schein-)Widerständen festlegbar ist.

Bei dem hier beschriebenen Verstärker wird die Signalver­ stärkung praktisch durchgehend zweimal gleichphasig durch jeweils komplementär aufgebaute Verstärkerstufen vorgenom­ men, wobei die Ausgangssignale der einzelnen Stufen am Verstärkerausgang wieder zu einem gemeinsamen Signal zusammengesetzt werden, so daß sich die Ungleichheiten be­ züglich der Signalverarbeitung durch Transistoren von un­ terschiedlichem Leitfähigkeitstyp kompensieren und zusätz­ lich durch aufeinanderfolgende wiederum komplementäre Stu­ fen dafür gesorgt wird, daß sich die ungleichgewichtige Signalbeeinflussung auch über die aufeinanderfolgenden Stufen ausgleicht.

Eine Aufstellung der von einem derartigen Verstärker gleichzeitig erfüllten Anforderungen lautet wie folgt:

Der Verstärker soll ein geringes Eigenrauschen haben. Daraus ergibt sich die Forderung nach mög­ lichst wenigen und möglichst rauscharmen aktiven und passiven Bauelementen.

Der Verstärker soll eine hohe Bandbreite haben. Dar­ aus ergibt sich die Forderung nach möglichst schnel­ len aktiven Bauelementen und nach einer niederohmigen Beschaltung, sowie kleinen Kapazitäten im gesamten Schaltungsnetzwerk.

Der Verstärker muß bei dieser Bandbreite eine geringe Signallaufzeit aufweisen, um auch ohne Gegenkopplung das Einschwingverhalten möglichst formtreu ohne Über­ schwingen zu gestalten.

Der Verstärker soll, bezogen auf seine Versorgungs­ spannungen, eine möglichst hohe Aussteuerungsfähig­ keit besitzen (Crestfaktor) und selbst bei Übersteue­ rung keine Signalverzerrungen oder Signalspiegelungen im normalen Aussteuerbereich aufweisen.

Der Verstärker soll bei Beschaltung mit Meßwiderstän­ den am Verstärkerein- und Ausgang eine Präzisionsver­ stärkung bzw. -dämpfung zulassen.

Der Verstärker soll in seinem gesamten Aussteuerungs­ bereich, also sowohl für negative als auch für posi­ tive Amplitudenwerte, gleiche Geschwindigkeitseigen­ schaften (Laufzeit und Bandbreite) haben, um die Si­ gnale mit möglichst großer Formtreue verstärken zu können.

Der Verstärker soll einen geringen Bauteil- und Mon­ tageaufwand erfordern, um der gerätespezifischen Auf­ gabenstellung kostengünstig Rechnung zu tragen.

Eine Aufstellung zeigt, daß der Verstärker gleichzeitig die Eigenschaften eines rauscharmen Verstärkers, eines Breitbandverstärkers, eines Großsignalverstärkers, eines phasenkompensierten Verstärkers, eines langzeitstabilen Verstärkers haben und dabei - zur Erhöhung der Betriebssi­ cherheit - mit einer geringen Zahl von Bauelementen aus­ führbar sein soll, wobei zudem die Formtreue eines Klein­ signalverstärkers vorausgesetzt ist.

Die vorteilhafte erfinderische Lösung besteht in der kon­ sequenten Verwendung von zwei symmetrischen, parallel lau­ fenden Verstärkerzügen, gebildet aus abwechselnd hinter­ einandergeschalteten bipolaren PNP- und NPN-Transistoren in einer Art komplementären Gegentaktschaltung mit gleich­ phasiger Ansteuerung der beiden - insbesondere bipolaren - Transistoren einer Stufe.

Dieser Aufbau birgt - auch bei den nachfolgend zu be­ schreibenden vorteilhaften Weiterbildungen - eine ganze Reihe von Vorteilen. Zunächst wird durch den parallel ge­ schalteten, zum Nullpunkt symmetrischen Aufbau erreicht, daß eine Signalaussteuerung mit positiver wie mit negati­ ver Amplitude in diesem Gegentaktaufbau verhindert, daß das Signal wie bei einem einseitig aufgebauten Verstärker bei kleiner Signalamplitude kleine Ströme, und bei großer Signalamplitude große Ströme durch die einzelnen Halblei­ ter fließen läßt und daß dadurch amplitudenabhängige Lauf­ zeitenschaften auftreten. Man begegnete diesem Umstand bei einseitig aufgebauten Verstärkern bisher durch einen hohen Ruhestrom, damit die relative Signalaussteuerung prozentu­ al keine so hohen Stromdifferenzen bewirkt. Das ist hier vermieden. Es ergibt sich zwar beispielsweise für eine NPN-Stufe im Verstärkerzug bei Aussteuerung mit positivem Signal einer Polarität ein abnehmender Strom. Gleichzeitig gilt aber in dem symmetrischen Verstärkerzug für die dort vorhandenen Transistoren die umgekehrte Bedingung, sein Strom nimmt für die entsprechende Aussteuerung am Verstär­ kereingang zu. Da beide Verstärkerzüge einen Summations­ punkt dort aufweisen, wo beide Kollektoren zweier Transi­ storen ineinanderarbeiten, heben sich die unterschiedli­ chen Eigenschaften in diesem wie eine Brückenschaltung auf­ gebauten Doppelverstärker auf. Dieses Prinzip der Kompen­ sation der stromabhängigen Aussteuerungseigenschaften des als Brücke aufgebauten Verstärkerzuges erlaubt es, mit extrem geringem Strombedarf einen auch gegen Aussteuerun­ gen mit großer Signalamplitude unempfindlichen Verstärker aufzubauen.

Insbesondere vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Ver­ stärker ist, daß zwischen Ausgang und Eingang der beiden in Basisschaltung betriebenen Stufen mindestens keine im Hörbereich wirksame Gegenkopplungsschaltung vorgesehen ist, so daß Phasenverzerrungen und andere im Hörbereich wirksame Verfälschungen entfallen.

Zur Einstellung eines vorgegebenen Verstärkungsfaktors oder Frequenzgangs zwischen dem Eingangsanschluß des Ver­ stärkers und den zusammengeschalteten Eingangselektroden der Eingangstransistoren bzw. dem Ausgangsanschluß des Verstärkers und den zusammengeschalteten Ausgangselektro­ den der Ausgangstransistoren ist jeweils eine Impedanz eingeschaltet, deren anderer Anschluß den Eingangs- bzw. Ausgangsanschluß bildet. Durch den Frequenzgang von unter­ schiedlichen einschaltbaren Impedanznetzwerken kann der erfindungsgemäße Verstärker damit gleichzeitig die Funk­ tion eines Frequenzkorrekturnetzwerkes erfüllen.

Gleichzeitig ist ein weiterer Bereich von Verstärkungs- oder Dämpfungsfaktoren einstellbar.

Wenn die Differenzstromschaltung aus einer Konstantstrom­ quelle besteht, ist die Kopplung der beiden in Basisschal­ tung betriebenen Stufen in einem großen Pegelbereich linear. Den beiden in Basisschaltung arbeitenden Stufen ausgangsseitig nachgeschaltete Impedanzwandlerstufen er­ möglichen eine relativ niederohmige Belastung des Verstär­ kers ohne Beeinflussung des Verstärkungs- bzw. Dämpfungs­ verhältnisses oder des einzustellenden Frequenzgangs.

Wenn eingangsseitig mehrere mittels elektronischer Schalt­ mittel auswählbare Signalquellen vorgesehen sind, kann/können mit elektronischen Mitteln aus mehreren Si­ gnalquellen ohne Verwendung von Schaltkontakten eine oder mehrere als Signalquelle ausgewählt werden, wobei die Si­ gnalquellen und/oder Impedanzen vorzugsweise über minde­ stens zwei in Serie geschaltete Längswiderstände ange­ schlossen sind, deren Verbindungspunkte jeweils durch die elektronischen Schaltmittel bei nicht ausgewählter zuge­ ordneter Signalquelle mit Masse verbindbar sind.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä­ ßen Verstärkers als Teilschaltbild sowie

Fig. 2 ein vollständiges Schaltbild des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels mit peripheren Schaltungsteilen.

Das in Fig. 1 wiedergegebene Prinzipschaltbild zeigt die komplementärsymmetrische Zusammenschaltung zweier aufein­ anderfolgender Transistorverstärkerstufen in Basis­ schaltung, bestehend aus den Transistoren T₁₁ bis T₂₂, wie sie im nachfolgend dargestellten Gesamtbild ebenfalls ent­ halten sind. Die Basiseingänge der Transistoren liegen an festen Gleichspannungen, welche die Arbeitspunkte der kom­ plementären Transistorpaare in einem durchgesteuerten Be­ reich halten, welcher eine lineare Verstärkung für Ein­ gangssignale beider Polaritäten sichert. Die Kollektoren der Eingangsstufen sind mit den Emittern der Ausgangsstu­ fen über Konstantstromquellen zusammengeschaltet. Das Ver­ hältnis des Ausgangssignals U_a zum Eingangssignal U_e wird durch das Verhältnis der mit dem jeweiligen Anschluß in Serie geschalteten Widerstand R₂ zu R₁ bestimmt.

Wie Fig. 2 zeigt, besteht die Eingangsstufe dieser Schal­ tung aus einem komplementären bipolaren Transistorpaar T₁₁ und T₂₁ in Basisschaltung, wobei die Emitteranschlüsse über den Widerstand R_E gemeinsam mit dem Punkt U_E verbun­ den sind.

Die Spannungs-Versorgungspotentiale "V₊" und "V_-" werden durch Spannungsregler bzw. -stabilisatoren S₁ und S₂ mit vor- und nachgeschalteten Kondensatoren C₁₁ und C₁₂ bzw. C₂₁ und C₂₂ geglättet.

Die Vorspannung der Basen der Transistoren T₁₁ und T₁₂, sowie die der nachgeschalteten Stufen wird über in Fluß­ richtung geschaltete Dioden und zwei ebenfalls als Dioden wirkende Transistoren, deren Kollektoren jeweils unmittel­ bar mit der zugehörigen Basis verbunden ist, erzeugt.

Die den symmetrischen Versorgungsspannungsquellen am näch­ sten liegenden Dioden D₁ und D₂, welche die Basisvorspan­ nung der Konstantstromquellen bildenden Transistoren T₃₁ und T₃₂ erzeugen, sind LEDs, da diese relativ rauscharm sind und in Flußrichtung einen geeigneten Spannungsabfall aufweisen. Zwischen den Emittern der vorgenannten Transi­ storen und den Spannungsversorgungspotentialen ist jeweils ein Widerstand R₁ und R₂ eingeschaltet, der durch seinen Spannungsabfall den eingeprägten Strom der Konstantspan­ nungsquelle im Vergleich zum Spannungsabfall an der zuge­ hörigen LED, vermindert um den Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Strecke, festlegt.

Der Strom durch die als Konstantstromquellen wirkenden Transistoren verteilt sich jeweils auf die Kollektoren der vorstehend beschriebenen Eingangsstufen mit den Transisto­ ren T₁₁ und T₁₂ und die Emitter der Transistoren der nach­ folgenden Stufen, welche ebenfalls komplementär symme­ trisch angeordnet sind.

Diese Transistoren werden ebenfalls in Basisschaltung be­ trieben, wobei das jeweilige Bezugspotential durch Serien­ schaltung einer weiteren in Flußrichtung betriebenen Leuchtdiode D₃ und D₄ gegenüber dem Potential der Basen der Konstantstromstufen gegenüber dem Nullpotential weiter herabgesetzt ist.

Die Kollektoren der Transistoren T₁₁ und T₁₂ einerseits und die Emitter der Transistoren T₂₁ und T₂₂ andererseits sind jeweils über die gemeinsamen Konstantstromquellen nach Art von Differenzstromschaltungen derart gekoppelt, daß der Kollektorstrom der vorangehenden Stufe dem Emit­ terstrom der nachfolgenden Stufe entzogen wird, so daß diese mit dem entsprechenden Signal angesteuert wird.

Die Basisspannungen der Transistoren T₁₁ und T₂₂ der Ein­ gangsstufen werden über die Transistoren T₆₀ und T₇₀ ein­ gestellt, welche nur mit ihren Basis-Emitter-Strecken wirk­ sam sind und über Widerstände R₃ und R₄ in Serie mit den übrigen Dioden der Vorspannungserzeugungsschaltung ge­ schaltet sind.

Die Basen der Transistoren T₆₀ und T₇₀ sind mit einem wei­ teren Widerstand R₅ überbrückt, der der Serienschaltung der Basis-Emitter-Strecken dieser Transistoren parallel geschaltet ist. Die Kollektoren der Transistoren T₂₁ und T₂₂ sind ihrerseits wieder zusammengeschaltet, wobei die­ ser gemeinsame Ausgang relativ hochohmig ist.

Die Ausgangsspannung der zuvor beschriebenen Eingangsstu­ fen gelangt über einen Knoten, der über einen einstellba­ ren Ausgangswiderstand R_A mit Masse verbunden ist, an den Eingang einer Pufferschaltung B, zwischen deren Ausgang und Masse die Ausgangsspannung U_A der Gesamtschaltung ab­ gegriffen wird. Der Ausgang der Pufferschaltung B ist über einen Widerstand R₆ weiterhin mit dem invertierenden Ein­ gang eines Operationsverstärkers OP verbunden, dessen nicht invertierender Eingang an Masse liegt.

Der invertierende Eingang und der Ausgang des Operations­ verstärkers OP sind über eine Serienschaltung einer Kapa­ zität C₃ und eines Widerstands R₇ mit dem eingangsseitigen Knoten zwischen RE und den Emittern von T₁₁ und T₁₂ ver­ bunden, wobei der Ausgang von OP mit einem zwischen C₃ und R₇ liegenden Knoten des RC-Serienkreises verbunden ist.

Über die den Transistoren T₂₁ und T₂₂ nach Masse hin nach­ geschaltete Querimpedanz im Verhältnis zu der wirksamen von der Signalquelle zum Eingang U_E führenden Längsimpe­ danz läßt sich die Verstärkung oder Dämpfung des vorste­ hend beschriebenen Verstärkers in weiten Grenzen unabhän­ gig beeinflussen. Insbesondere sind auch keine Gegenkopp­ lungsnetzwerke im zu übertragenden Audiofrequenzbereich notwendig.

Der Operationsverstärker OP ist somit zwischen den Ausgang A und den Eingang E in Rückwärtsrichtung als Integrator mit einer oberen Grenzfrequenz von z. B. weniger als 1 Hz eingeschaltet, welcher als "Gleichspannungsregler" wirkt und den Ausgang gleichspannungsfrei hält.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (13)

1. Mehrstufiger gleichspannungsgekoppelter Verstärker mit Transistoren unterschiedlichen Leitungstyps, insbeson­ dere zur Verstärkung eines Audio-Signals, wobei
jede Verstärkerstufe zwischen den beiden Versorgungs­ potentialen unterschiedlicher Polarität paarweise symmetrisch Transistoren unterschiedlichen Leitungs­ typs aufweist, die das vollständige Nutzsignal in gleicher Phasenlage zugeführt erhalten und verarbei­ ten,
die jeweils aufeinanderfolgende Verstärkerstufen bil­ denden Transistoren, die mit einem Versorgungspoten­ tial derselben Polarität verbunden sind, ebenfalls von unterschiedlichem Leitungstyp sind,
die Ausgangs- bzw. Eingangselektroden von aufeinan­ derfolgende Verstärkerstufen bildenden Transistoren in Differenzstromschaltung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei aufeinanderfolgende Schaltungen in Basis­ schaltung betrieben werden.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen Ausgang- und Ein­ gang der beiden in Basisschaltung betriebenen Stufen min­ destens keine im Hörbereich wirksame Gegenkopplungsschal­ tung vorgesehen ist.

3. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ein­ stellung eines vorgegebenen Verstärkungsfaktors zwischen dem Eingangsanschluß des Verstärkers und den zusammenge­ schalteten Eingangselektroden der Eingangstransistoren bzw. dem Ausgangsanschluß des Verstärkers und den zusam­ mengeschalteten Ausgangselektroden der Ausgangstransisto­ ren jeweils eine Impedanz eingeschaltet ist, deren anderer Anschluß den Eingangs- bzw. Ausgangsanschluß bildet.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine der Impe­ danzen zeit- und/oder frequenzabhängig veränderlich ist und dabei insbesondere einen Einsteller für den Verstärkungs- oder Dämpfungsfaktor bzw. ein Entzerrungs­ netzwerk bildet.

5. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dif­ ferenzstromschaltung aus einer Konstantstromquelle besteht.

6. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus­ gangsseitig mindestens ein Impedanzwandler nachgeschaltet ist.

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei komplementäre symme­ trische und kaskadierte Emitterfolger als Impedanzwandler vorgesehen sind.

8. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus­ gangsseitig eine Pufferschaltung vorgesehen ist.

9. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein­ gangsseitig mehrere mittels elektronischer Schaltmittel auswählbare Signalquellen vorgesehen sind.

10. Verstärker nach den Ansprüchen 3 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signal­ quellen und/oder Impedanzen über mindestens zwei in Serie geschaltete Längswiderstände angeschlossen sind, deren Verbindungspunkte jeweils durch die elektronischen Schalt­ mittel bei nicht ausgewählter zugeordneter Signalquelle mit Masse verbindbar sind.

11. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ gangsanschluß des Verstärkers mittels eines als Integrator geschalteten Gleichspannungsverstärkers mit einer oberen Grenzfrequenz von inbesondere weniger als einem Hertz bei Abweichungen des Potentials des Ausgangsanschlusses von einem Bezugspotential mit einem Gegenstrom beaufschlagt wird, welcher die Spannung des Ausgangsanschlusses in Richtung auf das Bezugspotential zurückführt.

12. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ba­ sisanschlüsse der in Basisschaltung betriebenen Verstär­ kerstufen auf Bezugspegeln gehalten werden, welche mittels einer durch eine Serienschaltung von in Flußrichtung be­ triebenen Halbleiterdioden gebildete Spannungsteilerschal­ tung festgelegt sind.

13. Verstärker nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterdioden durch in Flußrichtung betriebene Basis-Emitter-Strecken von Transistoren gebildet sind.