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Die Erfindung betrifft einen Verstärker wie
in der Einleitung von Anspruch 1 definiert. Ein solcher Verstärker ist
aus dem Dokument US-A-49 29 91 bekannt.
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Ein Differenzialverstärker wird
in der Industrie der integrierten Schaltungen gängig eingesetzt. Er wird insbesondere
in dem Werk „Analysis
and Design of Analog Integrated circuits" der Herren Gray und Meyer beschrieben.
Der Verstärkungsgrad
und die maximale Amplitude der Ausgangsspannung dieses Differenzialverstärkers sind
alle beide proportional zum Produkt zwischen dem Wert der Impedanz der
resistiven Zweige und des Wertes des von der Stromquelle abgegebenen
Stroms, bezeichnet Polarisationsstrom. In manchen Anwendungen, insbesondere
Anwendungen für
den Empfang oder die Verarbeitung von Funksignalen, in denen die
Verminderung jeder Form des Rauschens, das verarbeitete Signale
beeinträchtigen
kann, absolut vorrangig ist, hat dieser Verstärker die Aufgabe, gleichzeitig
eine Verstärkung
einer Eingangsspannung in Sinusform und ihre Transformation in eine
Ausgangsspannung quadratischer Form durchzuführen. Eine solche Transformation
ermöglicht
zu vermeiden, dass die Verstärkung
in die Ausgangsspannung nicht eine zusätzliche Rauschkomponente einführt, verbunden mit
dem momentanen Wert der Eingangsspannung. Allerdings erfordert diese
Transformation einen hohen Verstärkungsgrad,
damit die Ausgangsspannung Flanken einer solchen Steile aufweist,
dass die dargestellten Übergänge zeitlich
genau definiert sind. Dies kann mit der Wahl eines großen Wertes
für die Impedanz
des resistiven Zweigs erhalten werden. Eine solche Lösung weist
allerdings einen großen Nachteil
auf: Sie bewirkt einen beträchtlichen
Anstieg des Wertes der maximalen Amplitude der Ausgangsspannung,
was die Sättigung
der für
den Erhalt der besagten Spannung bestimmten Schaltungen bewirkt
und die Funktionsweise des den Verstärker integrierenden Systems
beträchtlich
beeinträchtigen kann,
was nicht akzeptabel ist.
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Das Ziel der Erfindung ist die weitgehende Behebung
dieses Nachteils, indem ein Verstärker vorgeschlagen wird, dessen
Verstärkungsgrad
und maximaler Amplitudenwert der Ausgangsspannung voneinander unabhängig geregelt
werden können.
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Denn ein dem einleitenden Absatz
entsprechender Verstärker
ist der Erfindung gemäß dadurch gekennzeichnet,
dass jeder resistive Zweig mit einem ersten Element versehen ist,
das die Leitung eines Stroms, gesteuert von dem Potenzial seiner
Zwischenversorgung, an seinen zugehörigen Transistor ermöglicht,
wenn dieser leitend ist.
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In solch einem Verstärker führt die
Wahl eines hohen Wertes des Widerstands für das erste resistive Element
zu einem hohen Verstärkungsgrad, was
den Erhalt einer guten Transformation einer sinusförmigen Eingangsspannung
in einer quadratische Ausgangsspannung ermöglicht, während eine überlegte Wahl des Widerstandswertes
des zweiten resistiven Elements es ermöglicht, die maximale Amplitude
der Ausgangsspannung auf einen Wert zu begrenzen, damit die besagte
Spannung keine Sättigung
der für
ihren Erhalt bestimmten Schaltungen verursachen kann.
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In einer dieser Ausführungsformen,
vorteilhaft wegen ihrer einfachen Struktur und der damit verbundenen
Einsparung an Bauteilen, ist ein Verstärker nach der Erfindung durch
Anspruch 2 gekennzeichnet.
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Die Ansprüche 3 und 4 betreffen besondere Ausführungsformen
eines Verstärkers
nach der Erfindung.
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So kann wie zuvor dargelegt ein der
vorangehenden Beschreibung entsprechender Verstärker vorteilhaft für die Verarbeitung
von Funksignalen eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft demnach
ebenfalls ein dem Anspruch 5 entsprechendes Funktelefongerät.
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Die Erfindung wird besser anhand
der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsformen verstanden, als
nicht erschöpfende
Beispiele und hinsichtlich der beigefügten Zeichnungen gegeben, von
denen:
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1 ein
elektrisches Schema zur Beschreibung eines bekannten Differenzialverstärkers ist,
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2 ein
elektrisches Schema zur Beschreibung eines einer vorgezogenen Ausführungsform
der Erfindung entsprechenden Verstärkers ist,
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3 ein
Funktionsschema zur Beschreibung eines Funktelefons ist, das einen
der Erfindung entsprechenden Verstärker einsetzt.
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1 zeigt
einen bekannten Differenzialverstärker. Dieser Verstärker enthält einen
ersten und einen zweiten Transistor Q1 und Q2,
als Differenzialpaar geschaltet. Die Transistoren Q1 und Q2 sind
an diesem Beispiel bipolare Transistoren. Jeder Transistor Q1 und Q2 weist
eine Polarisationsklemme auf, gebildet von seiner Basis, eine Bezugsklemme,
gebildet von seinem Emitter, mit einer Stromquelle verbunden, die
einen Polarisationsstrom Ic abgibt, und eine Übertragungsklemme,
gebildet von seinem Kollektor, ver banden mit einer Versorgungsklemme VCC über einen
resistiven Zweig, gebildet von einem Ladewiderstand Rc.
Die Polarisationsklemmen und die Übertragungsklemmen des ersten
und zweiten Transistors Q1 und Q2 bilden respektive
einen differenziellen Eingang und Ausgang, welche respektive dazu bestimmt
sind, eine Eingangsspannung Vin und eine Ausgangsspannung Vout zu
erhalten bzw. abzugeben, wobei ein Verhältnis Vout/Vin zwischen den Werten
der besagten Spannungen den Verstärkungsgrad G des Verstärkers definieren.
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Es ist bekannt, dass um das Gleichgewicht, in
der Annahme im ersten Ansatz, dass die den Differenzialverstärker bildenden
Elemente perfekt sind, der Verstärkungsgrad
G des Verstärkers
sich in der Form G = q·Rc·Ic/(2·k·T) ausdrückt, wobei
q die Ladung des Elektrons, k die Boltzmann-Konstante und T die
absolute Temperatur ist. Man weiß außerdem, dass die maximale Amplitude
der Ausgangsspannung Voutmax sich Voutmax = Rc·Ic schreibt. Es wird folglich
ersichtlich, dass der Verstärkungsgrad
G des Verstärkers
und die maximale Amplitude seiner Ausgangsspannung Voutmax alle
beide proportional zum Produkt zwischen den Widerständen Rc
und dem Polarisationsstrom Ic sind. Wenn man wünscht, eine Transformationsfunktion
einer Eingangsspannung Vin in Sinusform in eine Ausgangsspannung
Vout in quadratischer Form durchzuführen, muss der Wert des Verstärkungsgrads
G des Verstärkers
groß sein, d.
h. der Wert des Produktes Rc·Ic
muss groß sein. Um
keinen übermäßigen Stromverbrauch
zu bewirken wählt
man allgemein die Erhöhung
des Wertes des Ladewiderstands Rc anstatt dessen des Polarisationsstromes
Ic. Wie dem auch sei ermöglicht
die Erhöhung
des Wertes des Produkts Rc·Ic
den Erhalt eines hohen Verstärkungsgrads
G, verursacht jedoch den Anstieg des Wertes der maximalen Amplitude der
Ausgangsspannung Voutmax. Dabei ist die
Ausgangsspannung Vout meist dafür
bestimmt, von einer oder mehreren Schaltungen verwendet zu werden, die
hinter den Verstärker
geschaltet sind. Diese Schaltungen weisen einen Zulässigkeitswert
auf, d. h. einen genau definierten maximalen Wert ihrer Eingangsspannung.
Dies bedeutet, dass wenn die Eingangsspannung einer dieser Schaltungen
diesen maximalen Wert übersteigt,
erreichen die ihn bildenden Elemente einen Sättigungsgrad und können so Verformungen
der Signale bewirken, die sie bearbeiten müssen. Eine Steigerung des Verstärkungsgrads G,
nach der hiervor beschriebenen Methode durchgeführt, birgt die Gefahr, die
maximale Amplitude der Ausgangsspannung Voutmax über die
besagte Zulässige
zu bringen, was die Funktionsweise des gesamten, den Verstärker bildenden
Systems stört.
Somit, wenn die maximale Amplitude der Ausgangsspannung Voutmax auf 150 Millivolt festgelegt wird, was ein gängiger Wert
für bestimmte
aktuelle bipolare Technologien ist, muss der Verstärkungsgrad
G des Verstärkers
zwangsweise auf 2,9 begrenzt werden, was ein unzureichender Wert
ist, um die gesuchte Transformationsfunktion korrekt auszuführen.
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2 zeigt
einen der Erfindung entsprechenden Verstärker LA. Im Bereich des Möglichen wurden
selbe Elemente dieses Verstärkers
und des zuvor beschriebenen Differenzialverstärkers mit denselben Bezeichnungen
versehen, dem leichteren Verständnis
der Darlegung zuliebe. In diesem Verstärker La werden die resistiven
Zweige des ersten und zweiten Transistors Q1 und Q2 jeweils
aus einem ersten und einem zweiten Widerstand R1 und R2 gebildet,
in Serie angeordnet. Diese resistiven Zweige bilden demnach jeweils
eine erste und eine zweite Versorgung A und B, zwischen dem ersten und
dem zweiten Widerstand R1 und R2. Des Weiteren
enthält
der Verstärker LA:
- – einen
dritten Transistor T11, dessen Hauptstromweg zwischen dem
ersten Transistor Q1 und seinem angegliederten resistiven
Zweig eingefügt
ist, und einen vierten Transistor T12, dessen Hauptstromweg zwischen
dem zweiten Transistor Q2 und seinem angegliederten resistiven
Zweig eingefügt
ist, wobei die Polarisationsklemmen des dritten und vierten Transistors T11 und T12 respektive
mit den Klemmen der ersten und der zweiten Zwischenversorgung A
und B verbunden sind, und
- – eine
erste Diode T21, angeordnet direkt zwischen den Übertragungsklemmen
des dritten und zweiten Transistors T11 und Q2,
und eine zweite Diode T22, angeordnet direkt zwischen den Übertragungsklemmen
des vierten und ersten Transistors T12 und Q1.
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An dem hier beschriebenen Beispiel
wird jede der ersten und zweiten Diode T21 und T22 von einem
Transistor gebildet, dessen Polarisationsklemme mit seiner Übertragungsklemme
verbunden ist.
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Per Übertragung der Leistungsgleichung
des Differenzialverstärkers
kann der Verstärkungsgrad
G dieses Verstärkers
LA in der Form G = q·Ix·(R1 + R2)/2·k·T ausgedrückt werden,
wobei der resistive Zweig Rc aus einer Serienschaltung des ersten
und zweiten Widerstands R1 und R2 gebildet wird.
In einer Situation starken Ungleichgewichts, d. h. wenn der absolute
Wert der Eingangsspannung Vin groß ist, ist ein einziger dieser
ersten und zweiten Transistoren Q1 und Q2 des
Differenzialpaars leitend. Wenn man annimmt, dass z. B. die Eingangsspannung
Vin positiv ist, ist es der erste Transistor Q1, der einen Strom
leitet, von dem ein Teil I1 durch einen dritten Transistor T11 und
seinen resistiven Zweig R1, R2 läuft, und
von dem ein anderer Teil I2 durch den resistiven Zweig R1, R2 des
vierten Transistors T12 läuft, und dann durch die zweite
Diode T22. Folglich kann man schreiben: I1·R1 + Vbe(T11)
= I2·(R1
+ R2) + Vbe(T22), wobei Vbe(Tii) für die Spannung Basis-Emitter
des Transistors Tii steht. Man stellt das Auftreten einer Asymmetrie
in den Stromwerten I1 und I2 fest, wobei der Strom I1,
der den dritten Transistor T11 durchläuft, aufgrund der Tatsache über dem
Strom I2, der die Diode T22 durchläuft, liegt, dass
das Potenzial der Polarisationsklemme des dritten Transistors T11 über dem
der Polarisationsklemme des die Diode T22 bildenden Transistors
liegt. Die Auswirkungen dieser Asymmetrie auf die Basis-Emitter-Spannungen
sind angesichts der in den resistiven Zweigen erzeugten Spannungsabfällen geringfügig. So
kann man in erstem Ansatz schreiben, dass I1·R1 = I2·(R1 + R2). Mit dem weiteren
Wissen, dass I1 + I2 = Ic in dieser Hypothese, nach der nur der
erste Transistor Q1 leitet, erhält man I1 = Ic·(R1 + R2)/(2·R1 + R2)
und I2 = Ic·R1/
(2·R1
+ R2). Die maximale Amplitude der Ausgangsspannung ist hier Voutmax = (R1 + R2)(I1 – I2), was auch geschrieben wird:
Voutmax = Ic·R2·(R1 + R2)/(2·R1 + R2).
Es erscheint folglich, dass der Verstärkungsgrad G des Verstärkers und
die maximale Amplitude der Ausgangsspannung Voutmax entsprechend
der nominalen Werte des ersten und zweiten Widerstands R1 und R2 unterschiedlicher
Entwicklung sind. Wenn der nominale Wert des ersten Widerstands R1 vor
dem des zweiten Widerstands R2 groß gewählt wird, wird der Wert des
Verstärkungsgrads
G hauptsächlich
vom Nominalwert des ersten Widerstands R1 bestimmt, während der
Wert der maximalen Amplitude der Ausgangsspannung Voutmax hauptsächlich durch
den nominalen Wert des zweiten Widerstands R2 bestimmt wird.
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Ein numerisches Beispiel ermöglicht es,
die Vorteile eines solchen Verstärkers
besser abzuschätzen:
Wenn der Wert des Polarisationsstromes Ic 100 Mikroampere
beträgt,
was ein in den heutzutage verwendeten Technologien gängiger Wert
ist, und wenn man R1 = 7,5 Ki-loohm
und R2 = 2,5 Kiloohm wählt, und
mit K·T/q
= 26 Millivolt zu 300 K, erhält
man den vorhergehenden Gleichungen zufolge eine maximale Amplitude
der Ausgangsspannung Voutmax der Größenordnung
von 140 Millivolt für
einen Verstärkungsgrad
G nahe 19, was absolut annehmbar zur Durchführung der gesuchten Transformationsfunktion
unter Verhütung
des Sättigungsrisikos
für die
hinter dem Verstärker
angeordneten Schaltungen ist. Ein so bedeutender Leistungswert würde in dem
bekannten Differenzialverstärker
zu einer maximalen Amplitude der Ausgangsspannung der Größenordnung
von 1 Volt führen,
was die Größe der dank
der Erfindung an der Ausgangsspannung erhaltenen Begrenzung veranschaulicht.
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Wenn in der mit 2 beschriebenen Ausführungsform die Transistoren
bipolaren Typs sind, kann durchaus in Betracht gezogen werden, sie durch
Transistoren vom MOS-Typ zu ersetzen, deren Gates, Drains und Sources
respektive Polarisations-, Durchgangs- und Bezugsklemmen bilden
würden. Außerdem können andere
Vorrichtungen als die in 2 beschriebene
Anordnung der Transistoren T11, T12 und der Dioden T21, T22 verwendet
werden, um die Leitung eines Stroms zu bewerkstelligen, gesteuert
von der Übertragungsklemme
A oder B eines resistiven Zweigs zu ihrem angegliederten Transistor Q1 oder Q2,
wenn dieser leitend ist, und Leitung eines Stroms zum anderen Transistor Q2 oder Q1 des
Differenzialpaars, wenn dieser leitend ist. Diese Verfahren sind
dem Fachmann bekannt und bleiben im Rahmen der Erfindung.
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3 zeigt
ausschnittsweise ein Funktelefon, das einen Verstärker nach
der Erfindung aufweist. Dieses Gerät enthält:
- – ein Antennen-
und Filtersystem AF, um den Empfang eines frequenzmodulierten Funksignals
zu ermöglichen,
- – ein
Auswahlmodul TUN mit einem Symmetrierer BALUN für die Transformation eines
asymmetrischen Signals, kommend aus einem Antennen- und Filtersystem
AF, in ein symmetrisches Signal, einem Oszillator VCO und einem
Mischer MX, wobei das besagte Auswahlmodul TUN die Auswahl des Funksignals
ermöglicht
und vorgesehen ist, um ein repräsentatives Ausgangssignal
des besagten Funksignals zu liefern, dessen Frequenz in eine Zwischenfrequenz
gewandelt wurde,
- – einen
Demodulator DEM zur Wiederherstellung eines demodulierten Audiosignals
Vdem auf der Basis des Ausgangssignals des Auswahlmoduls TUN, und
- – einen
Verstärker
LA wie weiter oben beschrieben und vor den Demodulator DEM geschaltet.
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So kann wie hiervor aufgezeigt der
Verstärker
LA einen bedeutenden Verstärkungsgrad
aufweisen und zugleich eine ausreichend schwache maximale Amplitude
seiner Ausgangsspannung Vout haben, um die Eingangsstufe des Demodulators
DEM nicht zu sättigen.
Der Verstärker
LA kann demnach gleichzeitig eine Verstärkung seiner Eingangsspannung
Vin und eine Transformation dieser Spannung Vin, die sinusförmig ist,
in eine Ausgangsspannung Vout quadratischer Form vornehmen. Diese
Transformation kann vermeiden, dass die Verstärkung in die Ausgangsspannung
Vout eine zusätzliche Rauschkomponente,
verbunden mit dem momentanen Wert des modulierten Signals, einführt.
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- VCC
- =
Versorgungsklemme
- GND
- =
Masse
- VIN
- =
Eingangsspannung
- Vout
- =
Ausgangsspanung
- LA
- =
Verstärker
- AF
- =
Antennen- und Filtersystem
- TUN
- =
Auswahlmodul
- BALUN
- =
Symmetrierer
- MX
- =
Mischer
- VCO
- =
Oszillator
- DEM
- =
Demodulator
- Vdem
- =
demoduliertes Audiosignal