DK144046B - Kobling til elektronisk forstaerkningsstyring specielt elektronisk styrkekontrolkobling - Google Patents

Description

(19) DANMARK (^)

|p (12) FREMLÆGGELSESSKRIFT di) 14^+046 B

DIREKTORATET FOR PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. 6881/75 (51) IntCI.3 H 03 0 3/12 (22) Indleveringsdag 18. dec. 1975 (24) Løbedag 18. dec. 1975 (41) Aim. tilgængelig 22. jun. 1974 (44) Fremlagt 25- nov. 1981 (86) International ansøgning nr. -(86) International indleveringsdag -(85) Videreførelsesdag -(62) Stamansøgning nr. -

(30) Prioritet 21 . dec. 1972, 2262580, DE

(71) Ansøger n.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN, Eindhoven, NL.

(72) Opfinder Paul Dietrich Boekelmann, DE: Wllfried Hans Karl

Peter Theodor Aschermann, DE.

(74) Fuldmægtig Internationalt Patent-Bureau.

(54) Kobling til elektronisk forstærk= ningsstyring, specielt elektronisk s tyrkekontrolkohling.

Opfindelsen angår en kobling til elektronisk forstærkningsstyring, specielt elektronisk styrkekontrolkobling, indeholdende i det mindste én transistor-diffe-rensforstærker, i hvis emitterleder der er indskudt en transistor, der fører en jævnstrøm og en signalstrøm, navnlig indeholdende to på ko1lektorsiden krydsforbundne transistor-differensforstærkere, der hver har en transistor forbundet i emit-terlederen, idet den ene af disse transistorer (jævnstrømstransistoren) fører en jævnstrøm, medens den anden transistor (signaltransistoren) fører en lige så stor ffl jævnstrøm og endvidere signalstrømmen, hvorved forstærkningen indstilles ved hjælp ^ af en styrespænding, der påtrykkes baserne i transistorerne i differensforstærke- O ren, og udgangssignalet afledes fra den ene af de to kollektorudgange.

^ En sådan kobling er beskrevet i den offentliggjorte tyske patentansøgning **" nr. 19 29.253. En ulempe ved denne kendte kobling er, at den opnåelige forstærk- *

O

2 urne ning ved en given batterispænding og en given maksimal indgangssignalamplitude er begrænset, eller at der ved en given maksimal indgangssignalamplitude og en given forstærkning kræves en forholdsvis stor batterispænding. Desuden medfører en variation i forstærkningen en variation af jævnspændingen på udgangen.

Den førstnævnte ulempe findes også i den kobling, der er vist i fig. 1, som svarer til fig. 3 i den offentliggjorte tyske patentansøgning nr. 2.060.192.

Den indeholder to krydsforbundne transistor-differensforstærkere,dvs. fire transistorer til T^, som hver har en elektrode fælles med hver af de tre andre transistorer. For eksempel har transistoren emitteren fælles med transistoren » kollektoren fælles med transistoren °8 basis fælles med transistoren T^. De indbyrdes forbundne kollektorer i transistorerne og er forbundet til en positiv driftsspænding over en modstand hvorfra udgangsspændingen kan afledes.

På tilsvarende måde er de indbyrdes forbundne kollektorer i transistorerne og forbundet til driftsspændingen over en modstand R^. De indbyrdes forbundne emittere i transistorerne og T^·, er forbundet til kollektoren i en transistor T15, hvis emitter er forbundet til jord over en modstand R^, og hvis basis får påtrykt en positiv jævnspænding, hvorfor transistoren i det følgende også vil blive omtalt som jævnstrømstransistoren. På tilsvarende måde indeholder den fælles emitterleder for transistorerne T13 og en transistor med en emitter-mods tand R^, hvis modstandsværdi er lig med værdien af modstanden R^. Basis i den sidstnævnte transistor får påtrykt summen af en signalspænding u og en jævnspænding U, som er nøjagtigt lig med jævnspændingen, der påtrykkes basis i transistoren T^. Transistoren vil i det følgende også omtales som signaltransistoren. Ved hjælp af en styrejævnspænding u„ , som påtrykkes mellem de indbyrdes O t forbundne baser i transistorerne og og de indbyrdes forbundne baser i transistorerne og T.^, kan forstærkningen af signalet u, der påtrykkes basis i transistoren T^g, styres, I denne kobling er jævnspændingen på udgangen uafhængig af styrejævnspændingen. Koblingen har imidlertid den ulempe, at forstærkningen af signalet u er begrænset ved en vis batterispænding og indgangssignalkompatibilitet.

For at belyse denne ulempe antages det, at jævnspændingen U * 3,6 volt, og at amplituden af signalet u *» 0,4 volt, samt at den maksimale forstærkning, der fås, når hele signalstrømmen i transistoren T^ går gennem transistoren og modstanden R^, hvilken forstærkning er lig med forholdet er 3. I dette tilfælde er spændingen over modstanden R^ ca. 4 volt og spændingen over modstanden R^ tre gange denne spænding, d.v.s. 12 volt. I betragtning af, at kollektor-emitterspæn-dingerne for transistorerne og skal være mindst så store, at deres kollek-tor-basisdioder forhindres i at blive ledende, vil det være klart, at driftsspændingen skal overstige 16 volt. Det er ikke muligt at nedsætte jævnspændingen på indgangene til transistorerne og T^g og samtidigt opretholde signalamplituden, 3 144046 fordi forvrængningsfaktoren i en sådan kobling stiger med en forøgelse i amplituden af vekselspændingen i sammenligning med jævnspændingen. Følgelig vælges jævnspændingen almindeligvis således, at vekselspændingsamplituden er mindre end ca. 40¾ af jævnspændingen.

Opfindelsen går ud på at tilvejebringe en kobling af den ovenfor angivne art, og som er således indrettet, at der med et lille indgangssignal og en vis lille batterispænding kan opnås en stor forstærkning, uden at indgangen overstyres i tilfælde af et stort indgangssignal og nedsat forstærkning.

Ifølge opfindelsen opnås dette ved modkobling fra den anden kollektor-udgang over en jævnspændingsforstærker, som har lille differentialudgangsmodstand, og hvis udgang er forbundet over en modstand til emitteren i signaltransistoren.

I tilfælde af ren vekselstrømsmodkobling kan sløjfeforstærkningen være så stor som ønsket.En kobling, der udnytter ren vekeelstrømsmodkobling, kan imidlertid ikke let fremstilles i form som et integreret kredsløb, specielt til lave frekvenser,således at der også fremkommer en jævnstrømsmodkobling. Hvis forstærkningen, specielt i modkoblingsgrenen, i dette tilfælde gøres for stor, kan jævnstrømmen i jævnstrømstransistoren ved maksimal signalforstærkning spærre signaltransistoren gennem modkoblingsgrenen. 1 en videre udførelsesform for koblingen ifølge opfindelsen kan dette forhindres ved, at betingelsen VB^/Rg O er opfyldt, hvor V er jævnspændingsforstærkningen i modkoblingsgrenen, R2 er modstanden på kollektor-udgangen og R^ emittermodstanden til jævnstrømstransistoren, I en anden udførelsesform for koblingen ifølge opfindelsen kan modkoblingen tilvejebringes gennem en jævnspændingsforstærker, som har lav differentialudgangsmodstand, og hvis udgang er forbundet over en modstand til emitteren i signaltransistoren.

Andre fordele og ejendommeligheder ved koblingen ifølge opfindelsen vil i det følgende blive beskrevet nærmere under henvisning til en udførelsesform, der er vist i fig. 2.

Den i fig. 2 viste kobling kan for eksempel anvendes som elektronisk styrke-kontrolkobling i lavfrekvensdelen i en radiomodtager. Den indeholder to krydsforbundne transistor-differensforstærkere med transistorer til T^, som hver har en elektrode fælles med hver af de tre resterende transistorer. Således har f.eks.

144046 4 transistoren T^ emitteren fælles med transistoren Ty, kollektoren fælles med transistoren Tg og basis fælles med transistoren T^. Den leder, hvormed kollektorerne 1 transistorerne T^ og er forbundet med hinanden, og hvorfra udgangssignalerne afledes, er over en modstand R^ på 10 k ohm forbundet til den positive klemme på en fødespændingskilde. De indbyrdes forbundne kollektorer i transistorerne T2 og er forbundet til den positive klemme af fødespændingskiIden over serieforbindelsen af en modstand Ry på 10 k ohm og en transistor D^, der er forbundet som diode, og hvis funktion vil blive forklaret i det følgende. De indbyrdes forbundne emittere i transistorerne og T2 er forbundet til kollektoren i en transistor T^, hvis emitter er forbundet til jord gennem en modstand Rg på lO k ohm, og hvis basis får påtrykt en jævnspænding U.

De indbyrdes forbundne emittere i transistorerne og er forbundet til kollektoren i en transistor Tg, hvis emitter er forbundet til jord gennem en serieforbindelse af en modstand på 3,3 k ohm, og en modstand Rg, der også er på 3,3 k ohm, og hvis basis får påtrykt summen af en signalspænding og en jævnspænding af samme størrelse som den jævnspænding, der påtrykkes basis i transistoren T^· Når man ser bort fra, at kollektorerne i transistorerne T2 og T^ i den i fig.

2 viste kobling er forbundet til den positive fødespænding over serieforbindelsen af en modstand R2 og en diode D^, og at emitteren i transistoren Tg er forbundet til jord over serieforbindelsen af to modstande Rg og Rg, er den indtil nu beskrevne kobling helt i overensstemmelse med den, der er vist i fig. 1.

Endvidere er imidlertid den anden ko1lektorudgang, d.v.s. forbindelsespunktet mellem kollektorerne i transistorerne T2 og T^, forbundet til basis i en transistor Ty,som er den eneste transistor af PNP-typen i koblingen, idet alle de øvrige transistorer er af NPN-typen. Emitteren i denne transistor er forbundet til den positive fødespændingsklemme over en modstand R^ på lo k ohm. Da spændingsfaldet over basis-emitterstrækningen i transistoren Ty er tilnærmelsesvis lig med spændingsfaldet over dioden D^, er spændingsfaldet over og - da modstanden R^ har samme størrelse på lO k ohm som modstanden R2 - strømmen gennem modstanden R^ samme værdier som spændingen over og strømmen gennem modstanden R2. Kollektoren i transistoren Ty er forbundet til basis i en transistor Tg, hvis kollektor er forbundet til emitteren i transistoren Ty. Emitteren i transistoren Tg er forbundet til jord over serieforbindelsen af en modstand Ry på 6,8 k ohm og en diode Dy, der ligesom dioden D^ udgøres af en transistor med kollektor og basis kortsluttet. Emitteren i transistoren Tg er også forbundet til basis i en transistor Tg, hvis emitter er forbundet til forbindelsespunktet mellem modstandene Rg og Rg, og hvis kollektor er forbundet til den positive fødespændingsklemme. I denne del af koblingen sikrer anvendelsen af dioden Dy» at spændingsfaldet over modstanden Rg er lig med spændingsfaldet over modstanden Ry.

For at forklare virkemåden af koblingen ifølge opfindelsen vil det først blive 5 U4046 antaget, at transistorerne til får påtrykt en sidan styrespænding uSt På ' deres baser, at næsten hele strømmen i signaltransistoren Tg går gennem transistoren T^, modstanden Ry og dioden Dp idet kun en lille del af strømmen går gennem modstanden Rp der er forbundet til udgangen. Således går tilnærmelsesvis hele jævnstrømmen i jævnstrømstransistoren gennem transistoren T^ og modstanden Rp så at der over modstanden R^ fås et jævnspændingsfald, der er omtrent lig med jævnspændingen U, der påtrykkes basis i transistoren Tp fordi Rg og R^ har lige store værdier. Da den jævnstrøm, som går gennem transistoren Tg, er lig med jævnstrømmen, der går gennem transistoren Tp opstår der en lige så stor jævnspænding over modstanden R2, men desuden en signaldel svarende til signalspændingen u. Spændingen over modstanden Ry forstærkes af transistorerne Ty, Tg og Tg og modkobles gennem modstanden til emitteren i transistoren Tg, hvilket resulterer i modkobling, der sikrer, at spændingen over modstanden Ry for de givne værdier af modstandene R2 og til Ry er lig med spændingen på indgangen af transistoren Tg. Følgelig arbejder den i fig. 1 viste kobling med den beskrevne strømfordeling tilsvarende med hensyn til forstærkning af de påtrykte jævn- og vekselspændinger scan en kobling som vist i fig. 1, hvor modstandene Rp til R^ har samme værdier.

Ved denne indstilling af strømfordelingen, hvor forstærkningen er lille, giver den store modkobling stor indgangssignalkompatibilitet og en særlig lille støjspænding på udgangen.

Når styrespændingen ugt derimod vælges således, at hele strømmen i transistoren Tg kan gå gennem transistoren Tg og modstanden Rp medens jævnstrømmen i transistoren Tt. går gennem transistoren T2J modstanden R2 og dioden Dp er signaldelen på kollektorerne i transistorerne T2 og T^ nul, så at signalspændingen, der modkobles med modkoblingsforstærkeren Ty, Tg og Tg til emitteren i transistoren Tg, også er nul.

Med denne strømfordeling forbliver spændingen på emitteren i transistoren Tg konstant som følge af den lille differentialemitterudgangsmodstand, medens hele vekselspændingsdelen påtrykkes emitteren i transistoren Tg. Ved denne indstilling er virkningen med hensyn til signalforstærkningen den samme, som hvis modstanden R^ var direkte forbundet til jordj også i dette tilfælde er signalspændingsforstærkningen lig med forholdet R^/Rp d.v.s. 3.

Derimod forbliver den jævnstrøm, som går gennem modstanden Rp uændret ved denne indstilling, for jævnstrømmen i transistoren tilvejebringer en jævnspænding over modstanden Ry, som forstærkes i overensstemmelse med forholdet Ry/R^ og påtrykkes emitteren i transistoren Tg, Modstanden på 3,3 k ohm har en sådan størrelse, at differencen mellem spændingerne på emitterne i transistorerne Tg og Tg bevirker, at der går en strøm gennem modstanden R,. og transistoren Tg, som er lig med den jævnstrøm, der går gennem transistoren Tp Jo højere spændingen på emitteren i transistoren Tg er, hvilken spænding er produktet af spændingen U på 6 144046 basis af transistoren og kvotienten R^R^/RgR^, desto mindre skal modstanden Rj. være for at sikre, at jævnstrømmen, der går gennem transistoren T^, er lig med jævnstrømmen, der går gennem transistoren T^. Hvis jævnspændingen på emitteren i transistoren Tg var større end jævnspændingen på basis eller på emitteren i transistoren Tg, ville transistoren Tg spærres. Kvotienten R^Ry/RgR^ skal følgelig være mindre end 1, og fortrinsvis anvendes en værdi, der ikke ligger for nær ved 1, da spredning i modstandsværdierne ellers i høj grad vil influere på jævnstrømmen.

I det viste eksempel er kvotienten 0,68.

Jævnstrømmen gennem transistoren Tg går til jord gennem modstandene Rg og Rg. Samtidigt fører modstanden Rg en jævnstrøm, som afgives fra transistoren Tg, og som har en sådan størrelse, at jævnspændingen over modstanden Rg er lig med jævnspændingen over modstanden R^. Summen af modstandene Rg og Rg må højst være lig med modstanden R_. Endvidere skal modstanden R, være lille i forhold til modstan-y o den R^, og fortrinsvis er modstanden Rg halvt så stor som modstanden R^.

Da jævnstrømmen gennem transistoren Tg er lig med jævnstrømmen gennem transistoren Tg, er jævnspændingsfaldet over modstanden R^ ved denne strømfordeling ikke større end ved den før nævnte strømfordeling. I tilfælde af en jævnspænding U på 3,6 volt og en amplitude af signalspændingen u på 0,40 volt, vil det maksimale spændingsfald over modstanden være 3 x 0,4 + 3,6 = 4,8 volt. Til denne spænding lægges 0,4 volt +3,6 volt på emitteren i transistoren Tg, så at koblingen kan arbejde med en signalforstærkning på 3 ved en driftsspænding på mindre end 15 volt, hvorimod der i en kobling som vist i fig. 1 ved denne forstærkning og for disse spændinger kræves en jævnspænding, der er større end 16 volt, således som det er angivet i begyndelsen af beskrivelsen. I tilfælde af en jævnspænding på 3,6 volt med stor forstærkning - i dette tilfælde en maksimal forstærkning på 3 -fås et udgangssignal med en signalamplitude på 1,4 volt. Med indstilling til lille forstærkning kan der behandles et indgangssignal med en signalamplitude på 1,4 volt.

Ved den nævnte strømfordeling forøges støjen i forhold til den førstnævnte strømfordeling, men dette er mindre vigtigt, fordi signalamplituden på udgangen er større ved denne indstilling. Følgelig giver koblingen ifølge opfindelsen ikke alene en nedsættelse af driftsspændingen med samme forstærkning, men resulterer også i forbedrede støjegenskaber.