DE69510380T2

DE69510380T2 - Vielstufiger Halbleiterverstärker mit Emulation von Röhrenverzerrungen

Info

Publication number: DE69510380T2
Application number: DE69510380T
Authority: DE
Inventors: Brown, Sr.; Jack C. Sondermeyer
Original assignee: Peavey Electronics Corp
Current assignee: Peavey Electronics Corp
Priority date: 1994-01-10
Filing date: 1995-01-06
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2015-01-07
Also published as: EP0662752A2; JP2891326B2; JPH07263989A; US5619578A; CN1048125C; TW265487B; CA2139717A1; KR0155052B1; CN1111042A; KR950024143A; CA2139717C; ES2136244T3; EP0662752A3; DE69510380D1; BR9500055A; EP0662752B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker für Musikinstrumente. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf einen mehrstufigen Halbleiterverstärker, der eine Verzerrung aufweist, so daß er ähnlich klingt wie ein Röhrenverstärker beim Übersteuern.[0001]
Röhrenverstärker werden oft von Musikkünstlern bevorzugt, weil Röhren einen verzerrten Ausgangsklang erzeugen, der vertraut ist und für am angenehmsten gehalten wird. Halbleiterverstärker werden oft bevorzugt, weil sie dazu tendieren leichter zu sein, und weil sie oft weniger kostspielig herzustellen sind, langlebiger sind und weniger Energie verbrauchen. Es ist schwierig zu bewirken, daß Halbleiterverstärker einen verzerrten Klang wie Röhrenverstärker erzeugen. Auch ist das Angebot an Röhren, die für die Verwendung in Verstärkern verfügbar sind, seltener und kostspieliger geworden.[0002]
Ein bekannter Röhrenverstärker 10 ist in Fig. 1 gezeigt. Der Verstärker wird beschrieben, wobei beispielhafte Werte der verschiedenen Elemente dargelegt werden, die den Betrieb des Gerätes charakterisieren. Der Verstärker 10, der in Fig. 1 veranschaulicht ist, ist ein Vorverstärker, der vier identische Röhrenabschnitte 12, 14, 16 und 18 (z. B. vier 12AX7 Röhrenabschnitte) umfaßt, wobei jeder Röhrenabschnitt einen entsprechenden Anodenwiderstand 20 (100 K Ohm) und einen Kathodenwiderstand 22 (1.5 K Ohm) aufweist. Jedem Kathodenwiderstand 22 ist ein Kondensator 24 (2.2 uF) nebengeschaltet. Mit diesen Anoden- und Kathodenwiderstandswerten wird ein typischer 12AX7 Röhrenverstärkerabschnitt im Leerlauf ungefähr 1 mA Anodenstrom, ungefähr 1.5 Volt an der Kathode und ungefähr +200 Volt an der Anode von einer +300 Volt Quelle aufweisen. Ein positiver Gittersteuerbereich bzw. eine positive Gitterschwingung (grid swing), die einen 1.5 Volt Peak übersteigt, bringt das Gitter zum Leiten. Ein üblicher Gitarreneingang ist an das Gitter der ersten Röhrenstufe 12 über einen Kopplungskondensator 34 und einem Gitterwiderstand 36 gekoppelt. Ein Widerstand 38 ist an dem Knotenpunkt zwischen Kondensator 34 und Gitterwiderstand 38 gekoppelt und schafft eine Massen-Referenz für den Eingang der Röhre 12. Ein Rückkopplungskondensator 40 (10 PF) ist zwischen Anode und Gitter der Röhre 12 gekoppelt und sieht eine gewisse Regelung der Hochfrequenzdämpfung vor, die als der Miller-Effekt bekannt ist und die hilft, den Verstärker bei offenen Eingangsbedingungen stabil zu halten. Das Signal von der Anode des Verstärkers 12 ist an den Eingang einer Verstärkerstufe 14 über einen Kondensator 42 und einen Gitterwiderstand 44 gekoppelt. Widerstand 46 schafft eine Massen-Referenz für Stufe 14. Die Widerstände 44 und 46 wirken als Spannungsteiler. Das Signal von der Stufe 14 wird gleichermaßen an eine Stufe 16 über einen Kondensator 48 und einen Gitterwiderstand 50 gekoppelt, wobei ein Widerstand 52 eine Massen-Referenz für Eingang und Spannungsteilung schafft. Schließlich wird das Signal von Stufe 16 an die Stufe 18 über einen Kondensator 54, einen Gitterwiderstand 56 und einen Referenzwiderstand 58 zum Erden ebenfalls mit dem Spannungsteilen gekoppelt. Der Ausgang von Stufe 18 wird an den Ausgang des Vorverstärkers 10 über einen Ausgangskondensator 60 gekoppelt.[0003]
Die Kopplungskondensatorwerte 42, 48 und 54 wie auch die Werte der Teilerwiderstände 44/46, 50/52 und 56/58 werden in bekannter Art und Weise gewählt, um einen guten verzerrten Klang zu erhalten. Typischerweise ist die erste Stufe 12 bei appliziertem Gitarrenpegel-Eingangssignal rein bzw. unvermischt und frei von Verzerrungen, obwohl bei einigen Gitarren mit hohem Pegel sogar diese Stufe manchmal (das Signal) kappt bzw. abschneidet. Der Erststufen-Ausgangssignalpegel ist hoch genug, um ein Eingangskappen der zweiten Stufe 14 zu bewirken, weil das Gitter der zweiten Stufe 14 bezüglich der Kathode positiv betrieben ist und für einen wesentlichen Abschnitt der Eingangsperiode leitend ist. Das Eingangskappen in Stufe 14 führt zu einer durchschnittlichen negativen Spannung an dem Gitter, was eine drastische Verschiebung des Arbeitspunktes der zweiten Stufe 14 bewirkt, woraus ein signifikanter Betrag einer zweiten harmonischen Verzerrung resultiert. Das Signal an der Anode der zweiten Stufe 14 ähnelt einer Rechteckwelle, wobei sich ungefähr zwei Drittel der Periode im positiven Halbzyklus befinden. Die Anode der zweiten Stufe 14 weist einen ausreichend hohen Signalpegel auf, um an der dritten Stufe 16 ein signifikantes Eingangskappen zu bewirken. Auch hier schwingt das Gitter mit Bezug zu der Kathode positiv. Folglich bewirkt das Eingangskappen ein Verschieben des Arbeitspunktes der dritten Stufe 16. Dieses wird noch einmal wiederholt, woraus ein Eingangskappen und ein Arbeitspunktverschieben der vierten Stufe 18 resultiert. Der Ausgang bzw. das Ausgangssignal der Anode der vierten Stufe 18 hat mehrere verschiedene Abschneide-/Kappstufen an Ein- und Ausgang und mehrere Arbeitspunktverschiebungen durchlaufen und ist deshalb reich an Oberschwingungen/Harmonischen. Aus all diesem resultiert im wesentlichen ein charakteristischer Klang, auf den als guter Röhrenklang verwiesen wird.[0004]
Bei dem beispielsweisen Vorverstärker 10, der in Fig. 1 veranschaulicht ist, beträgt der erreichbare Anoden-Schwingungspeak in der positiven Richtung für jede Stufe ungefähr 100 Volt (d. h., ungefähr die Hälfte der Anodenspannung). Weiterhin leitet jedes Gitter bei einem positiven Schwingungspeak von ungefähr 1,5 Volt. Das Verhältnis von 100 zu 1,5 oder von 66,7 ist sehr hoch und sein Wert ist für das ausreichende Verschieben des Arbeitspunktes jeder Stufe bedeutend, um einen angemessenen Betrag einer zweiten harmonischen Verzerrung zu erzeugen. Die Werte der Teilerwiderstände 44/46, 50/52 und 56/58 sind auch entscheidend und sorgfältig zu wählen, um gerade den richtigen Betrag von Eingangskappen und resultierender zweiter harmonischer Verzerrung einzustellen, um einen angenehmen Klang zu erzeugen.[0005]
Hier sind zwei Schlüssel-Bestandteile des sogenannten verzerrten Röhrenklanges zu beachten. Erstens sind die Röhrencharakteristiken selbst mit dem 100 Volt Ausgangs- (Leistungs)vermögen und nur einem 1.5 Volt Eingangskapp-(Leistungs)vermögen oder -Pegel einzigartig und notwendig für eine erfolgreiche Erzeugung der zweiten harmonischen Verzerrung und jenen sogenannten Röhrenklang. Zweitens ist die Mehrzahl von Stufen für einen anhaltenden Verzerrungsklang notwendig, da der Gitarrenausgangspegel nach dem Anschlagen durch den Musiker absinkt. Obwohl mehr oder weniger Stufen verwendet werden können, sind wenigstens drei und vorzugsweise vier Stufen erforderlich, um den gewünschten Verzerrungsklang zu erreichen, der von den Musikern angestrebt wird.[0006]
Deshalb besteht ein Bedarf an einem Halbleiterverstärker, der fähig ist, die verschiedenen Röhrenstufen in einem mehrstufigen Verstärker zu ersetzen, und der übersteuert werden kann, um den Röhrenklang zu emulieren, der durch solche bekannten Röhrenverstärker erzeugt wird.[0007]
Eine Schaltung, die Röhrenverstärkermerkmale mit Halbleitermitteln simuliert, ist z. B. aus US-A-5 032-796 bekannt.[0008]
Die Erfindung ist durch den beigefügten unabhängigen Anspruch 1 mit vorteilhaften Ausführungsformen, die durch die abhängigen Ansprüche bestimmt sind, definiert und basiert auf der Erkenntnis, daß die Verzerrung, die mit dem Stromfluß in dem Gitter eines Röhrenverstärkers, der bei hohen Eingangspegeln betrieben wird, verbunden ist, in einem mehrstufigen Halbleiterverstärker durch eine Abschneide-/Kappeinrichtung in der Kopplungsschaltung zwischen den Stufen kopiert bzw. dupliziert wird.[0009]
Die Erfindung umfaßt einen mehrstufigen Halbleiterverstärker zum Emulieren der Verzerrung, die mit einem übersteuerten Röhrenvorverstärker verbunden ist. Die Erfindung umfaßt eine Mehrzahl von kaskaden- oder reihengeschalteten Halbleiterverstärkerstufen, die eine Eingangs- und Ausgangsschaltung aufweisen. Jede stromabwärts angeordnete Stufe ist mit ihrer Eingangsschaltung an die Ausgangsschaltung einer stromaufwärts angeordneten Stufe gekoppelt. Eine Abschneide- bzw. Kappeinrichtung, wie eine Diode, ist in die Eingangsschaltung zwischen den Stufen gekoppelt.[0010]
Bei einer besonderen Ausführungsform umfaßt jede Halbleiterverstärkerstufe einen Feld-Effekt-Transistor (FET), dessen Ausgangsanschluß an den Eingang der nächsten stromabwärts angeordneten Stufe gekoppelt ist, und die Diode ist in der Eingangsschaltung angeordnet, um die gewünschte Eingangs-Kapp-Charakteristik eines Röhrenverstärkers zu kopieren, wobei das Verhältnis von Ausgangs-(Leistungs)vermögen zu Eingangs-Kapp-Pegel zwischen den Stufen ausreichend ist, um eine adäquate zweite harmonische Verzerrung zu erhalten.[0011]
Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt jede Halbleiterverstärkerstufe einen Transistor. Eine andere Anordnung verwendet einen Darlington-Transistor. Wenn einzelne Transistoren Darlington-geschaltet werden, kann ein Basisinnenwiderstand zum Erden verwendet werden, um die Abschaltcharakteristik jeder Stufe zu verbessern.[0012]
Bei noch einer weiteren Ausführungsform wird eine Eingangsdiode mit einer mehrstufigen Vorspannungsschaltung zum Kopieren der Eingangscharakteristik eines Röhrenverstärkers verwendet.[0013]
Zu den Zeichnungen:
[0014]
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bekannten Vakuumröhrenverstärkers, der eine erwünschte verzerrte Ausgangsgröße zeigt;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines mehrstufigen Halbleiterverstärkers gemäß der Erfindung, der FET-Einrichtungen verwendet und die Verzerrung und den Klang, der durch bekannte Röhrenverstärker erzeugt wird, emuliert bzw. nachahmt;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform eines mehrstufigen Halbleiterverstärkers gemäß der Erfindung; und
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ähnlich der Anordnung von Fig. 2, wobei jeder FET durch ein Darlington-geschaltetes Paar Transistoren und eine Vorspannungsschaltung mit Mehrfach-Vorspannungsstufen und zusammen mit einer Eingangsdiode ersetzt ist.
[0015] Die vorliegende, in Fig. 2 veranschaulichte Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen Halbleiterverstärker 114, der Komponenten verwendet, die in ähnlicher Art und Weise zu dem bekannten Gerät von Fig. 1 angeordnet sind. In Fig. 2 sind die Komponenten mit Bezugszeichen numeriert, die den Bezugszeichen von Fig. 1 in einer 100-Serie entsprechen und die Röhrenabschnitte des bekannten Gerätes sind durch vier Halbleiterverstärkerstufen 112, 114, 116 und 118 ersetzt worden. Die gezeigten Geräte sind Feld-Effekt-Transistoren (FET), die manchmal als J-FET-Einrichtungen bezeichnet werden, die mit 40 Volt Versorgungsspannung versorgt werden. Jeder Verstärker 112-118 hat, wie dargestellt, einen Source- S, einen Drain- D und einen Gate-Anschluß G. Der Drain D entspricht dem Ausgang des Gerätes und das Gate G entspricht dem Eingang des Gerätes. Jede Stufe 112-118 umfaßt einen Drain-Widerstand 120, der im Wert dem Anodenwiderstand in Fig. 1 (100 K Ohm) ähnelt. Außerdem verwendet jede Stufe eine Vorspannungsschaltung, die einen Widerstand 122 (33 K Ohm) und einen parallelen Entkopplungskondensator 124 (2.2 uF) umfaßt. Die Source S ist, wie gezeigt, über den Source-Widerstand 125 und die Vorspannungsschaltung in einer automatischen Vorspannungsanordnung geerdet. Zusätzlich hat jede Source S einen Source- Widerstand 125 (1 K Ohm), um die Verstärkung nominal auf 100 einzustellen, was ähnlich zu den meisten Röhrenstufen ist. Die Drain- und Source-Widerstandswerte werden abgeglichen, so daß jede FET-Stufe 112, 114, 116 und 118 mit einer Pinch-off- oder Abschnürspannung von ungefähr 6 Volt und ungefähr 180 uA Source-Strom im Leerlauf betrieben wird. Jeder (FET) weist ungefähr +22 Volt an der Drain D und ungefähr +6 Volt an der Source S auf.
[0016] In Fig. 2 ist der Drain D oder Ausgang von Stufe 112 an das Gate G oder den Eingang von Stufe 114 über den Kupplungskondensator 142 und dem Gate-Widerstand 144 gekoppelt. Widerstand 146 schafft eine Massen-Referenz zu dem Gate G von Stufe 114. Auch wirken die Widerstände 144 und 146 als Spannungsteiler. Ähnlich wie in Fig. 1 sind die nachfolgenden Stufen 116 und 117 durch entsprechende Kombination eines Kopplungskondensators, Gate-Widerstandes und Referenz-Widerstandes 148, 150 und 152 bzw. 154, 156 und 158 gekoppelt. Die letzte Stufe 118 ist über einen Kopplungskondensator 160 an den Ausgang gekoppelt. Die Eingangsstufe 112 weist, wie dargestellt, einen Miller-Kondensator 140 zwischen dem Drain D und dem Gate G auf.
[0017] Ohne die Kapp-Mittel beträgt in Fig. 2 das erreichbare Drain-Ausgangspeak- Vermögen oder die Schwingung in positiver Richtung für jede Stufe ungefähr 18 Volt, d. h. die Differenz zwischen dem Drain D und der Source S. In jeder Verstärkerstufe 112-118 arbeitet das Gate G als Diode, die bei einem positiven Peak von ungefähr 7 Volt leitet. Folglich ist das Verhältnis von Drain-Ausgangs-Vermögen (18 Volt) und der Gate-Schwingung (7 Volt) ungefähr 2,57. Dieses Verhältnis ist ungenügend, um eine adäquate zweite harmonische Verzerrung zu bewirken.
[0018] Bei der vorliegenden Erfindung sind Kappmittel zwischen den Stufen vorgesehen. In der offenbarten Ausführungsform kann ein Kappen bzw. ein Abschneiden durch Dioden 162, 164 und 166, die parallel mit den entsprechenden Referenz-Widerständen 146, 152 und 158 in jeder der entsprechenden Stufen 114, 116 und 118 vorgesehen sind, erreicht werden. Jede Diode 162, 164 und 166 ist mit ihrer Kathode an die Masse und mit ihrer Anode an einen Knoten zwischen den Teiler-Widerständen 144/146, 150/152 und 156/158 jeder Stufe gekoppelt. Jede Diode 162, 164 und 166 leitet in Vorwärtsrichtung und schafft dadurch einen Abschneide-/Kapp-Pegel von ungefähr +0.5 Volt Änderung in der Gate-Schwingung, um eine Verzerrung, die mit der Gitterleitung in einem Röhrenverstärker verbunden ist, zu emulieren bzw. nachzuahmen. Das Verhältnis des Drain-Signal-Ausgangs-Vermögen oder - Schwingung (+18 V) zu dem Gate-Kapp-Pegel (+0.5 V) ist 18/.5 = 36, das nicht so hoch ist wie bei einer Röhrenschaltung. Obwohl ein höheres Verhältnis wünschenswert ist, ist in einer Halbleiterschaltung ein Verhältnis von ungefähr 30 ausreichend, um eine adäquate zweite harmonische Verzerrung in jeder Stufe zu bewirken. Folglich erzeugt der mehrstufige Halbleitervorvertärker 110 der Erfindung durch Anwenden von Niedrigpegel-Eingang- Kappmitteln wie Dioden 162, 164 und 166 eine Verzerrungsfunktion, die der der Röhrenschaltung in Fig. 1 ganz ähnlich ist.
[0019] Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere Halbleitereinrichtungen als die gezeigten J-FET-artigen Einrichtungen und die Diode, verwendet werden können. Auch können Verstärkungskopplung und Hochfrequenzcharakteristik durch Verändern der verschiedenen Bauelementwerte passend gemacht werden. Jedoch sind die Abschneide-/Kappmittel, die zwischen den Stufen vorgesehen sind, wirksam, um die zweite harmonische Arbeits-Betriebsverzerrung zu erzeugen, die einen röhrenähnlichen Klang eines Halbleiterverstärkers bewirkt.
[0020] Fig. 3 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines mehrstufigen Halbleiterverstärkers 210 gemäß der Erfindung. Ähnliche Elemente haben ähnliche wie in Fig. 2 gezeigte Bezugszeichen in einer 200-Serie. In Fig. 3 ist jedoch ein Potentiometer 213 für die festen Teiler-Widerstände 144 und 146 zwischen den Stufen 112 und 114 eingesetzt. Die Schleiffeder ist an den Eingang von Stufe 214 gekoppelt, und das Potentiometer 213 erlaubt maximale Verzerrung in der CW-Richtung, wo das maximale Signal an Stufe 214 anliegt.
[0021] Am Ausgang ist ein Potentiometer 261 an den Kopplungskondensator 260 gekoppelt. Der Schleifer wirkt als Ausgangsanschluß. Der Ausgangspegel ist maximal, wenn der Schleifer vollständig in der CW-Position ist. Die Möglichkeit des unabhängigen Variierens der Verzerrung und Variierens des Pegels trägt zur Vielseitigkeit der Schaltung bei und erlaubt dem Künstler, den verzerrten Klang und die Lautstärke nach Belieben anzupassen.
[0022] Fig. 4 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines mehrstufigen Halbleiterverstärkers 310, der Stufen 312, 314, 316 und 318 gemäß der Erfindung aufweist. Ähnliche Elemente haben ähnliche Bezugszeichen, wie dies in Fig. 2 in einer 300-Serie gezeigt ist. Jedoch ersetzen in Fig. 4 ein Paar Darlington-geschalteter Transistoren 312A-312B, 314A-314B, 316A-316B und 318A-318B jeden entsprechenden FET 112, 114, 116 und 118. Ein mehrstufiges Vorspannungssystem mit einer Eingangsdiode 374 ist ebenfalls vorgesehen. Ein Basisinnenwiderstand 370 für jede Stufe kann zum günstigen Beeinflussen der Abschaltcharakteristik verwendet werden.
[0023] Die Schaltungsfunktion in Fig. 4 ist ähnlich zu der von Fig. 2. Die Verwendung von Darlington-verbundenen Transistoren erlaubt jedoch Kosten- und Leistungsvorteile. Die oben beschriebenen FET-Einrichtungen erfordern eine enge Abschnürspannungsgrenze, was die Kosten beachtlich erhöht. Für die Transistoren sieht der Eingang im wesentlichen wie zwei Dioden aus, deren Leistungsbedingungen vorhersagbar sind.
[0024] Der Verstärker 310 von Fig. 4 verwendet ein Paar NPN-leitender Darlingtonverbundener Transistoren 312A-312B, 314A-314B, 316A-316B und 318A-318B für jede Stufe. Die NPN-Leitung wird gewählt, weil die Versorgungsspannung positive 40 V beträgt. Eine negative Versorgungsspannung würde einen gegensätzlichen Gerätetyp erlauben. Wahlweise könnte ein einzelner Transistor in der hierin diskutierten Ausführungsform betrieben werden. Jedoch würde ein einzelner Transistor nicht eine Verstärkung oder Eingangs- Impedanz bieten, die denen der Röhre oder des FET ebenbürtig wären. Folglich werden paarweise Transistoren bevorzugt. Ein integrierter Darlington-NPN-Transistor kann auch verwendet werden. Jedoch bieten die einzelnen Transistoren eine etwas bessere Leistung bei hohen Frequenzen, weil eine Zugriff auf die innere Basisverbindung möglich ist. Außerdem kosten einzelne Transistoren weniger.
[0025] Die Konstruktion von Fig. 4 erfordert eine Schaltungsanordnung zum Vorspannen der Transistoren. Folglich ist eine separate Vorspannungsversorgung VCC vorgesehen. Die Vorspannung für die erste Stufe 312 wird für einen ersten Pegel eingestellt, und eine übliche Vorspannung wird für die verbleibenden drei Stufen 314-318 verwendet. In der beispielhaften Ausführungsform verwenden alle Stufen 312-318 jeweilige 470K (Ohm) Vorspannungs-Versorgungs-Widerstände 338, 346, 356 und 358 und 150K (Ohm) Kollektor- Widerstände 320. Jede Zwischenstufe weist eine entsprechende Eingangsdiode 362, 364, 366 auf, um den Arbeitspunkt darin zu verschieben. Weiterhin weist jede Stufe einen 470K- Basiswiderstand 370 an der vorhandenen inneren Basis auf, um die Basis-Emitter-Schaltung zwischen den Transistoren zu erden und so die Abschalt-Charakteristiken zu verbessern. Die Eingangsstufe 312 weist eine Eingangsdiode 374 für bessere Röhreneingangsschaltungs- Emulation auf, wie nachfolgend besprochen wird.
[0026] Viele der neueren oder moderneren Gitarren sehen eine relativ hohe Ausgangsspannung von z. B. 3-5V vor. Es ist deshalb bedeutend, eine gute Vorverstärker-Eingangs- Übersteuerung zu haben. Folglich wird die erste Stufe 312 vorgespannt, um die Eingangs übersteuerung eines typischen 12AX7 Röhrengitters durch Schaffen einer mehrstufigen Vorspannungsanordnung zu kopieren.
[0027] Bei der Anordnung umfaßt eine Vorspannungsschaltung 380 ein Teilungs- Netzwerk einschließlich Widerständen 382, 384, 386 und 388 und Filterkondensatoren 391. Der Widerstand 382 ist an die Anode einer Eingangsdiode 374 gekoppelt und schafft einen Dioden-Vorspannungspegel (z. B. 3.5 V DC) für Stufe 312. Der Widerstand 384 ist an den Basiswiderstand 388 zum Schaffen der Basisvorspannung von Stufe 312 (z. B. 2.5 V DC) gekoppelt. Der Widerstand 386 und der Diodenwiderstand (diode resistor) 388 schaffen, wie gezeigt, eine übliche Vorspannung für die stromabwärts angeordneten Stufen 314-318 (z. B. 1.5 V DC).
[0028] Wie in der beispielhaften Ausführungsform erwähnt, ist der VCC aufgeteilt, um eine 2,5 Volt-Basisvorspannungsversorgung, eine 3,5 Volt Diodenvorspannung und eine übliche 1,5 Volt-Versorgung zu schaffen. In jeder der Stufen 314-318 ist die entsprechende Kapp-/Abschneide-Diode 362, 364, 366 auch mit der üblichen 1,5 Volt Versorgung verbunden.
[0029] Bei der beispielhaften Ausführungsform, bei dem die Basis des ersten Stufeneingangstransistors 312A mit einer Spannung von 2,5 Volt vorgespannt ist, liegt an dem Emitter des Ausgangstransistors 312B selbst ungefähr 1,5 Volt an (d. h. zwei Dioden-Abfälle 0,5 V), was der gleiche Wert wie der der Kathode in der zuvor beschriebenen Röhrenschaltung (Fig. 1) ist. Das bedeutet, daß ein negativer Schwingungspeak von 1,5 Volt an dem Eingang dieser Stufe 312 bewirkt, daß der Arbeitskollektorstrom gegen Null geht (negatives Kappen). Das ist auch der Fall bei der Röhrenschaltung von Fig. 1. Folglich sieht die Schaltung von Fig. 4 ähnlich wie eine Röhreneingangsschaltung aus.
[0030] Die Eingangsdiode 374 der ersten Stufe leitet bei 0,5 V. Die 3,5 Volt Versorgung ist um 1 Volt größer als die Basisversorgungsspannung. Die Summe der Diodenvorspannung von 3,5 V plus dem Diodenabfall von 0,5 V ist gleich 4 V, die um 1,5 V über der Basisvorspannung von 2,5 V liegen. Das bedeutet, daß ein positiver Peak von 1,5 Volt an dem Eingang dieser Stufe ein Leiten der Eingangsdiode 374 bewirkt und eine Arbeitspunktverschiebung (positives Kappen) erzwingt. Das ist auch bei der Röhrenschaltung der Fall. Folg lich ist die Schaltung von Fig. 4 dem Eingangs-Dynamikbereich der Röhrenschaltung ebenbürtig.
[0031] Wie bei Fig. 2 bemerkt, schafft der Kondensator 340 eine ungefähr geregelte Hochfrequenzdämpfung (Miller-Effekt), und der Emitter von 312B weist Reihenwiderstände 322 und 325 zur Erde auf, wobei der Widerstand 322 dem Kondensator 324 nebengeschaltet ist. Diese Schaltungsanordnung sieht Leerlaufstrom- und Verstärkungswerte vor, um Übersteuerungsbedingungen zu erreichen, die der einer typischen ersten Röhrenstufe gleichen. Eine Reihenschaltung, die einen Widerstand 390 und einen Kondensator 392 umfaßt, ist gegenüberliegend mit der Emitterschaltung verbunden, um eine hohe Frequenzverstärkung zu erreichen.
[0032] Das Ausgangssignal der ersten Stufe ist an den Eingang der zweiten Stufe 314 durch einen Kondensator 342 und einen Widerstand 344 in ähnlicher Art und Weise zu der Anordnung von Fig. 2 gekoppelt. Die verbleibenden drei Stufen 314, 316 und 318 sind ähnlich, obwohl die Komponentenwerte verändert sein können, um den gewünschten Betrag des Kappens, der Arbeitspunktverschiebung und des Frequenzverhaltens zu erreichen und so einen angenehmen übersteuerten Klang zu erzeugen. Ein Zwischenstufenkoppeln ist zum Beispiel durch die Kondensatoren 342, 348 und 354 und Widerstände 344, 350 und 356 vorgesehen. In jeder stromabwärts angeordneten Stufe 314-318 haben die Emitter doppelte Reihenwiderstände 322-325 zum Erden, und dem Massewiderstand 322 ist ein Kondensator 324 nebengeschaltet. Jede Stufe verwendet auch Reihenwiderstände 390 und Kondensatoren 392 zum Erden, um hohe Frequenzverstärkung vorzusehen. Der Ausgang wird über einen Kondensator 360 zur Verfügung gestellt.
[0033] Der verfügbare Kollektorschwingungspeak in der positiven Richtung ist für jede Stufe ungefähr 20 Volt. Jede der drei Zwischenstufen-Kapp-Dioden 362, 364 und 366 leitet in Vorwärtsrichtung bei ungefähr 0.5 Volt. Folglich ist das Verhältnis von Eingangsschwingung zur Kappspannung 20/0,5 = 40, was adäquat ist, um die Arbeitspunktverschiebung jeder Stufe zu bewirken und die Verstärkungsleistung ist zu der einer Röhrenschaltung sehr ähnlich.
[0034] Es versteht sich, daß die Eingangsdiode 374 mit einer angemessenen Vorspannungsschaltung in den Anordnungen von Fig. 2 oder 3 verwendet werden kann. Diese Schal tung gestattet es der Schaltung, die gleichen Eingangscharakteristiken wie die einer Röhrenschaltung aufzuweisen.
[0035] In der Anordnung von Fig. 4 kann ein Lautstärkepotentiometer, ähnlich dem Potentiometer 213, in die Schaltung nach dem Kondensator 342 eingefügt und ein Haupt/Master-Lautstärkepotentiometer ähnlich dem Potentiometer 261 nach Kondensator 360 geschaltet werden.
[0036] Es sei darauf hingewiesen, daß diese Erfindung nicht einfach in Dioden- Kappmitteln und einem Arbeitspunktverschieber liegt. Verschiedene US-Patente erörtern Arbeitspunktverschiebungen durch eine Diode mit resultierender zweiter harmonischer Verzerrung. Die Erfindung offenbart die bedeutende Erkenntnis, daß eine Diode mit einem bloßem 0,5 V Vorwärtsspannung-Kappwert mit dem besonderen Ausgangs/Eingangsverhältnis der existierenden Röhrenschaltungen eng übereinstimmen wird und deshalb genau den Röhrenklang emulieren/nachahmen wird, wenn sie von einer typischen Halbleitereinrichtung mit einem Ausgangs-(Leistungs)vermögen von ungefähr 20 bis 30 Volt getrieben ist. Die vorliegende Erfindung lehrt auch, daß mehrfache Arbeitspunktverschiebungen, die durch mehrfache Stufen erzeugt werden, eine Mehrzahl Pegel und Beträge einer zweiten harmonischen Verzerrung über einen weiten Eingangssignalpegelbereich erzeugen. Die Erfindung zeigt weiterhin einen Weg, um die Eingangsübersteuerungscharakteristik einer typischen ersten Stufe einer Röhrenschaltung mit einer Halbleitereinrichtung zu kopieren. Das Resultat ist dann der sogenannte verzerrte Röhrenklang; ein Klang, der mit Halbleitereinrichtungen fast exakt erzeugt werden kann.
[0037] Während hier beschrieben wurde, was gegenwärtig als die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gilt, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Veränderungen darin ohne Abweichung von der Erfindung gemacht werden können, und es ist beabsichtigt, mit den beigefügten Ansprüchen solche Abänderungen und Modifikationen als unter den Schutzbereich der Erfindung fallend zu schützen, wie er durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist.

Claims

1. Ein Halbleiterverstärker zum Emulieren der Verzerrung, die mit einem Stromfluß in dem Gitter eines übersteuerten mehrstufigen Röhrenverstärkers bei hohen Eingangssignalpegeln, die eine Eingangs-Kapp-Charakteristik zur Folge haben, verbunden ist, wobei der Verstärker umfaßt:

Eine Mehrzahl von reihengeschalteten Halbleiterverstärkerstufen (114-118) zum Verstärken eines Signals, von denen jede eine Eingangsschaltung und eine Ausgangsschaltung, die ein Ausgangssignal-(Leistungs)vermögen aufweist, umfaßt, wobei jede Verstärkerstufe (114-116), die stromabwärts zu/hinter einer ersten (112) Verstärkerstufe angeordnet ist, mit ihrer Eingangsschaltung an die Ausgangsschaltung einer der Verstärkerstufen, die unmittelbar stromaufwärts dazu/davor angeordnet ist, gekoppelt ist; und

Kappmittel (162-166), die mit der Eingangsschaltung jeder Verstärkerstufe stromabwärts von/hinter der ersten Verstärkerstufe (112) geschaltet sind, zur Schaffung eines Kapp-Pegels zwischen solchen Verstärkerstufen, die in solchem Halbleiterverstärker die Eingangs-Kapp-Charakteristik eines Röhrenverstärkers kopieren.

2. Der Verstärker nach Anspruch 1, wobei jede Verstärkerstufe einen Feld-Effekt- Transistor (112-118) umfaßt.

3. Der Verstärker nach Anspruch 1, wobei jede Verstärkerstufe einen Transistor (312A- 318B) umfaßt.

4. Der Verstärker nach Anspruch 1, wobei jede Verstärkerstufe einen Darlington- Transistor (312A-318B) umfaßt.

5. Der Verstärker nach Anspruch 4, wobei der Darlington-Transistor integriert ist.

6. Der Verstärker nach Anspruch 4, wobei der Darlington-Transistor diskrete Elemente umfaßt.

7. Der Verstärker nach Anspruch 6, wobei der Darlington-Transistor eine Basis-Emitter- Schaltung und einen Vorspannungswiderstand (370), der zwischen der Basis-Emitter- Schaltung und Erde gekoppelt ist, umfaßt.

8. Der Verstärker nach Anspruch 1, wobei das Kappmittel eine Diode (162-166) umfaßt.

9. Der Verstärker nach Anspruch 8, wobei das Ausgangssignalvermögen wirksam ist, um die Diode (162-166) vorwärts vorzuspannen.

10. Der Verstärker nach Anspruch 8, wobei die Diode (162-166) ein Vorwärtsspannungskappen von ungefähr 0.5 V erzeugt.

11. Der Verstärker nach Anspruch 1, weiterhin umfassend veränderbare Eingangsmittel (213) für wenigstens eine der Eingangsschaltungen (214) zum Verändern der Verzerrung.

12. Der Verstärker nach Anspruch 11, wobei das veränderbare Eingangsmittel ein Potentiometer (213), das in die Ausgangsschaltung einer ersten (212) der Verstärkerstufen gekoppelt ist, umfaßt und das Potentiometer eine Schleiffeder, die an den Eingang einer zweiten (214) der Verstärkerstufen und das Kappmittel (262) gekoppelt ist, aufweist.

13. Der Verstärker nach Anspruch 1, weiterhin umfassend veränderbare Ausgangsmittel (261), die in die Ausgangsschaltung wenigstens einer (218) der Verstärkerstufen zum Verändern eines Gesamt-Ausgangspegels des Verstärkers gekoppelt sind.

14. Der Verstärker nach Anspruch 13, wobei das veränderliche Ausgangsmittel ein Potentiometer (261) umfaßt.

15. Der Verstärker nach Anspruch 1, weiterhin Vorspannungsmittel für die Halbleitereinrichtungen umfassend.

16. Der Verstärker nach Anspruch 15, weiterhin mehrstufige Vorspannungsmittel (380, 390) einschließlich eines stromaufwärts angeordneten Vorspannungsmittels (380) für eine erste stromaufwärts befindliche (312) der Verstärkerstufen und eines stromabwärts angeordneten Vorspannungsmittels (390) für die stromabwärts befindlichen Verstärkerstufen (312-316) umfassend.

17. Der Verstärker nach Anspruch 16, wobei das stromaufwärts angeordnete Vorspannungsmittel Basisschaltung-Vorspannungsmittel (370), an ein Basiselement der stromaufwärts befindlichen oberstromigen Halbleiterverstärkerstufe gekoppelt, umfaßt.

18. Der Verstärker nach Anspruch 1, weiterhin umfassend Eingangs-Diodenmittel (374), gekoppelt zwischen einem Eingang der ersten stromaufwärts angeordneten Verstärkerstufe (312) und einer Referenz.

19. Der Verstärker nach Anspruch 18, weiterhin stromaufwärts angeordnete Vorspannungsmittel (382) für die Diodenmittel (374) umfassend.

20. Der Verstärker nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Diodenschaltung-Vorspannungsmittel zum Schaffen eines Diodenschaltung-Vorspannungspegels, ein Basisschaltung-Vorspannungsmittel zum Schaffen eines Basisschaltung-Vorspannungspegels und ein stromabwärts angeordnetes Vorspannungsmittel zum Schaffen eines Stromabwärts-Vorspannungspegels, und wobei der Dioden-Vorspannungspegel größer als der Basisschaltung-Vorspannungspegel ist, der seinerseits größer als der Stromabwärts-Vorspannungspegel ist.

21. Der Verstärker nach Anspruch 1, weiterhin Mittel (390, 392) zum Verstärken des Frequenzverhaltens bei hohen Frequenzpegeln umfassend, die an jede Stufe gekoppelt sind.

22. Der Halbleiterverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das Ausgangssignalvermögen und der Eingangs-Kapp-Pegel zwischen den Verstärkerstufen ein ausreichendes Verhältnis aufweisen, um eine zweite harmonische Verzerrung zu bewirken.

23. Der Verstärker nach Anspruch 22, wobei das Verhältnis wenigstens 30 beträgt.

24. Der Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, wobei jede Halbleiterstufe einen einpolig geerdeten Halbleiterverstärker umfaßt.

25. Der Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, weiterhin Zwischenstufen-Kopplungsmittel (342, 344, 348, 350, 354, 356) zum Schaffen einer ausgewählten Relation zwischen dem Ausgangsvermögen jeder Verstärkerstufe und dem Kapp-Pegel umfassend.