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Verstärker mit umschaltbarem Verstärkungsgrad Die Erfindung betrifft
eine Schaltung zur Verstärkung von elektrischen Signalen mit umschaltbarem Verstärkungsgrad.
In manchen Anwendungsfällen von Verstärkern sind die Eingangssignale von sehr unterschiedlicher
Amplitude. So gibt es Fälle, bei denen die zu verstärkenden Nutzsignale mit verhältnismäßig
kleiner Amplitude auftreten, während unerwünschte Störsignale mit großer Amplitude
einfallen. Wenn die Zeitpunkte, zu denen die zu verstärkenden Nutzsignale erwartet
werden, bekannt sind und die Störsignale zu anderen Zeitpunkten erwartet werden,
kann man in bekannter Weise einen Verstärker vorsehen, der nur während der Nutzsignalzeiten
durchlässig gesteuert wird, während er zu den übrigen Zeiten gesperrt ist. Derartige
Verstärker werden z. B. als Leseverstärker für Matrixspeicher, z. B. Magnetkernmatrixspeicher,
verwendet. Bei derartigen Speichern wird beim Umschalten der Magnetkerne von einer
Remanenzlage in die andere in dem allen Magnetkernen gemeinsamen Lesedraht ein Nutzsignal
von positiver oder negativer Polarität induziert. In diesen Lesedraht werden aber
außerdem auch vom Informationsdraht, der ebenso allen Kernen einer Matrix gemeinsam
ist, und von den Auswahldrähten Störspannungen eingekoppelt, die wesentlich größer
sein können als die Nutzsignale. Zur Ausblendung der Störsignale ist es daher bekanntgeworden,
als Leseverstärker für Matrixspeicher einen Differenzverstärker zu verwenden, bei
dem die verstärkenden Transistoren im Ruhezustand gesperrt sind und nur während
der Dauer eines zu verstärkenden Impulses für kurze Zeit durchlässig gesteuert werden
(deutsche Auslegeschrift 1116 724).
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Bei einem solchen Verstärker erweisen sich die großen Kollektorspannungssprünge,
die vom Umschaltvorgang hervorgerufen werden, als zusätzliche Störsignale, die das
Signal-Stör-Verhältnis während der Nutzsignalzeit, d. h. im durchlässig gesteuerten
Zustand des Verstärkers, wesentlich verschlechtern.
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Eine weitere Schwierigkeit tritt dann auf, wenn außer der vorstehend
beschriebenen Aufgabenstellung der Verstärker außer seiner Funktion als reiner Impulsverstärker
noch eine Amplitudenbewertung des Nutzsignals in dem Sinne durchführen soll, daß
zwischen Amplituden unterhalb einer vorgegebenen Schwelle und solchen, die oberhalb
dieser Schwelle liegen, unterschieden wird, so daß entsprechend unterschiedliche
binäre Ausgangssignale erzielt werden. Die starke Aussteuerung durch die in der
bekannten Anordnung bei der Umschaltung erzeugten zusätzlichen Störsignale würde,
insbesondere bei Verstärkern niit gleichstromfreier Kopplung, eine Nullpunktverschiebung
der Schwellwertschaltung verursachen, die jeweils erst nach längerer Zeit verschwindet
und die Amplitudenbewertung verfälschen würde.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die vorstehend geschilderten
Schwierigkeiten dadurch zu beheben, @daß man den Verstärker so bemißt, daß er für
die Nutzsignale den richtigen Aussteuerbereich hat, während sein Verstärkungsgrad
in den Zeitabschnitten, in denen Störsignale zu erwarten sind, auf einen wesentlich
kleineren Wert umgeschaltet wird, ohne daß eine zusätzliche Störsignal erzeugende
völlige Abschaltung des Verstärkers erfolgt. Gemäß der Erfindung geschieht dies
dadurch, daß ein Schalter vorgesehen ist, .der durch Verbindung von Punkten gleichen
Potentials einen die Spannungsverstärkung wesentlich bestimmenden Widerstand zu-
bzw. abschaltet.
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Verschiedene Ausführungsmöglichkeiten werden zunächst an Hand der
F i g. 1 bis 4 in Anwendung auf eine an sich bekannte Verstärkerstufe mit einem
npn-Transistor in Emitterschaltung gezeigt. Dabei ist jeweils der Transistor mit
1, die Eingangsklemme mit 2 und die Ausgangsklemme mit 3 bezeichnet. Die F i g.
5 bis 8 zeigen -die Anwendung dieser Schaltungsmöglichkeiten auf Differenzverstärkeranordnungen
bzw. Gegentaktverstärker mit npn-Transistoren 1 und 1', den Eingangsklemmen 2 und
2' und den Ausgangsklemmen 3 und 3'. Schließlich zeigt F i g. 9 ein ausführliches
Schaltungsbeispiel nach dem Prinzip der F i g. 7, bei dem als Schalter
eine
Diodenbrücke vorgesehen ist, in deren einer Diagonale die zu verbindenden Punkte
gleichen Potentials liegen und in deren anderer Diagonale eine die Dioden öffnende
bzw. sperrende Steuerspannung zugeführt wird.
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F i g. 1 zeigt -eine an sich bekannte Verstärkerstufe mit einem npn-Transistor
1 in Emitterschaltung, dem die zu verstärkenden Signale über die Klemme 2 an der
Basis zugeführt werden, die über einen Widerstand 4 an 0 Volt Betriebsspannung liegt.
Die Kollektorbetriebsspannung -i- U2 wird über den Arbeitswiderstand 5 zugeführt
und die Ausgangsspannung an .der mit dem Kollektor verbundenen Ausgangsklemme 3
abgenommen. Zwischen dem Emitter und einer negativen Betriebsspannung - Ui liegt
ein Gegenkopplungswiderstand, der aus der Reihenschaltung der beiden Teilwiderstände
61 und 62 besteht. Der Verbindungspunkt dieser beiden Teilwiderstände ist gemäß
der Erfindung über einen Schalter 7 mit der Hilfsspannungsquelle - Uh verbunden,
deren Potential eine solche Größe hat, daß beim Schließen des Schalters 7 keine
Potentialänderung an dem Verbindungspunkt von 61 und 62 auftritt, d. h., daß dieser
Schalter auch in geschlossenem Zustand keinen Gleichstrom führt.
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Der Schalter 7, der in der Zeichnung schematisch als mechanischer
Schalter gezeichnet ist, wird Zweckmäßig als elektronischer Schalter ausgeführt.
Die Hllfsspannungsquelle - Uh soll einen dynamischen Innenwiderstand haben,
der so klein ist, daß er gegenüber den übrigen Widerständen vernachlässigt werden
kann. Bezeichnet man die Widerstandswerte der Widerstände 5, 61 und 62 mit R5, Rsi
bzw. R62, so berechnet sich die Spannungsverstärkung vi bei geöffnetem Schalter
7 näherungsweise zu
Bei geschlossenem Schalter 7 ist der Verstärkungsgrad
Wählt man R61 wesentlich kleiner als R62, so wird auf Grund der dann wesentlich
verminderten Gegenkopplung bei geschlossenem Schalter 7 der Verstärkungsgrad v2
sehr viel größer als v1. Bei dem obenerwähnten Anwendungsbeispiel der Erfindung
als Leseverstärker für magnetische Kernspeichermatrizen wird man also den Schalter
7 im Ruhezustand geöffnet halten, so daß während dieser Zeit auftretende Störspannungsspitzen
nur unwesentlich verstärkt werden, und ihn nur während der Zeiten, in denen ein
Lesesignal auftreten kann, schließen.
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F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die
gleiche Grundschaltung wie in F i g.1 für den Verstärker verwendet wird, bei dem
jedoch die Umschaltung des Verstärkungsgrades durch Veränderung des Arbeitswiderstandes
im Kollektorkreis erfolgt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Teile wie
in F i g. 1. Hier ist nicht der mit 6 bezeichnete Gegenkopplungswiderstand, sondern
der Arbeitswiderstand in die Teilwiderstände 51 und 52 unterteilt, und der Schalter
7 liegt zwischen dem Verbindungspunkt dieser Teilwiderstände und einer positiven
Hilfsspannungsquelle +Uh, deren dynamischer Innenwiderstand wiederum als vernachlässigbar
klein angenommen sei. Im Ruhezustand ist der Schalter 7, wie gezeichnet, geschlossen,
und der Verstärkungsgrad berechnet sich zu
Bei geöffnetem Schalter 7 gilt für den Verstärkungsgrad
Man sieht auch hier, daß, wenn R51 sehr viel kleiner als R52 ist, v2 sehr viel größer
als v1 wird.
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F i g. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die Veränderung
der den Verstärkungsgrad bestimmenden Widerstandswerte durch Parallelschalten eines
mit der Hilfsspannungsquelle U,, verbundenen Widerstandes zu einem stets vorhandenen
Widerstand geschieht. So entspricht das Parallelschalten eines Widerstandes 64 zum
Gegenkopplungswiderstand 63 in F.i g. 3 dem Kurzschließen des Widerstandes 62 in
F i g. 1 und das Parallelschalten eines Widerstandes 54 zum Arbeitswiderstand 53
in F i g. 4 dem Kurzschließen des Widerstandes 51 in Fi g. 2. Dabei beziehen sich
die Ausdrücke »Kurzschließen« und »Parallelschalten« jeweils auf die Wechselspannung;
für den Gleichstrom ist die Hilfsspannungsquelle jeweils noch in Reihe bzw. parallel
geschaltet, so daß keine Änderung des Gleichstrompotentials am betreffenden Anschlußpunkt
auftritt.
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F i g. 5 zeigt eine Verstärkeranordnung mit zwei gleichartigen Verstärkern
gemäß F i g.1, die zu einem Differenzverstärker verbunden sind. Die entsprechenden
Schaltungsteile sind wie in F i g. 1 bezeichnet, wobei die des einen Verstärkers
mit einem »'«zusätzlich gekennzeichnet sind. Hier entfällt die Notwendigkeit einer
gesonderten Hilfsspannungsquelle, indem der Schalter 7 zwischen die Potentiale an
den Verbindungspunkten der Widerstände 61 und 62 einerseits und 61' und 62' andererseits
geschaltet ist. Diese Potentiale werden durch entsprechende Wahl der Basisruhepotentiale
der Transistoren 1 und 1' und durch entsprechend symmetrischen Aufbau der Schaltung
so gewählt, daß beim Schließen des Schalters 7 keine Ausgleichströme über fliesen
Schalter fließen. Bezeichnet man wieder mit R5 den Widerstandswert der Widerstände
5 und 5', mit R61 den Widerstandswert der Widerstände 61 und 61' und mit
R62 den Widerstandswert der Widerstände 62 und 62', so gilt für den Verstärkungsgrad
für gegenphasige Eingangssignale bei geöffnetem Schalter 7:
und bei geschlossenem Schalter 7
Wenn R61 sehr viel kleiner als R62 gewählt wird, ist wieder der Verstärkungsgrad
v2 sehr viel größer als v1.
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Die F i g. 6 bis 8 zeigen entsprechende Anwendungen der Schaltungsmaßnahmen
gemäß F i g. 2 bis 4 auf Differenz- bzw. Gegentaktverstärker. Auch hier sind wieder
entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, wobei die Schaltungsteile
des einen Verstärkers mit einem »'« zusätzlich gekennzeichnet sind. Die Berechnung
der Verstärkungsgrade
ergibt sich entsprechend. So gilt z. B. für
die Schaltung der F i g. 8, die der Schaltung nach F i g. 4 entspricht, die folgende
Überlegung. Der Schalter 7 liegt in Reihe mit einem Widerstand 54" zwischen den
Kollektoren der beiden Transistoren 1 und 1'.
Der Wert des Widerstandes
54" in F i g. 4 ist also mit 2 - R54 einzusetzen. Für gegenphasige Ansteuerung
in den Punkten 2 und 2' gilt daher für den Verstärkungsgrad bei geschlossenem Schalter
bei geöffnetem Schalter
Wird also R54 sehr viel kleiner als R53 gewählt, so ist v2 sehr viel größer als
v1.
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Es sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Erfindung
nicht nur für das eingangs erwähnte Anwendungsbeispiel in einem Leseverstärker für
Ferritkernmatrizen geeignet ist, sondern auch in allen den Fällen angewandt werden
kann, in denen der Verstärkungsgrad eines Verstärkers ohne das Auftreten von zusätzlichen
Störsignalen umgeschaltet werden soll.
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An Hand der F i g. 9 soll nunmehr noch ein ausführliches Schaltungsbeispiel
für einen Verstärker gemäß F i g. 7 beschrieben werden, welches sich für die Ausbildung
eines Leseverstärkers für Ferritkernmatrizen besonders bewährt hat. Auch hier sind
die unverändert gebliebenen Schaltelemente mit denselben Bezugszeichen wie in F
i g. 7 bezeichnet. Um die bereits erwähnte Einstellung der Basisruhepotentiale der
Transistoren 1 und 1' zu ermöglichen, sind die Fußpunkte der Widerstände
4 und 4' nicht wie in F i g. 7 mit 0 Volt verbunden, sondern mit den
Klemmen eines Widerstandes 11, dessen zwecks Symmetrierung einstellbarer Abgriffpunkt
mit einer positiven Spannungsquelle -I- U3 verbunden ist. Die Eingangsklemmen 2
und 2' des Verstärkers sind über Widerstände 12 und 13 mit den Klemmen der Sekundärwicklung
eines ersten Übertragers 14 verbunden, dessen Primärwicklung die zu verstärkenden
Signale zugeführt werden. Die Sekundärwicklung ist in der Mitte geerdet, um eine
Gegentaktansteuerung des Differenzverstärkers zu gewährleisten.
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Der elektronische Schalter 7 ist durch eine Diodenbrücke verwirklicht,
die aus den Dioden 15, 16, 17, 18 und den Widerständen 19 und 20 besteht. Die Verbindungspunkte
der Dioden 15 und 17 einerseits und 16 und 18 andererseits sind über die Widerstände
64 und 64' mit den Emittern der Transistoren 1 und 1' verbunden und bilden die eine
Diagonale der Brücke. Die Verbindungspunkte der Dioden 15 und 16 einerseits und
der Widerstände 19 und 20 andererseits bilden die andere Diagonale der Brücke, an
der Über einen zweiten Übertrager 21 und eine Zenerdiode 22 die Steuerimpulse für
den Schalter zugeführt werden. Diese Punkte liegen außerdem über Widerstände 23
und 24 an einer Gleichspannungsquelle, die durch die Potentiale - U1 und -I- U3
gegeben ist.
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Im Ruhezustand fließt von +U" ein Strom über ,den Widerstand 24, die
Sekundärwicklung des Übertragers 21, die Zenerdiode 22 und den Widerstand 23 nach
- U1. Damit liegt an der einen Diagonale der Diodenbrücke, nämlich dem Verbindungspunkt
der Anoden der Dioden 15 und 16 einerseits und der Widerstände 19 und 20 andererseits,
eine Spannung, die in ihrer Größe durch die Zenerdiode 22 bestimmt ist und deren
Polarität so liegt, daß die Dioden der Brücke in Sperrichtung vorgespannt sind.
Der elektronische Schalter ist daher im Ruhezustand geöffnet, und die Verstärkung
ist
Die Größe der Zenerspannung ist so zu wählen, daß auch die größten zu erwartenden
Störsignale die Diodenbrücke nichtleitend machen und damit den Verstärkungsgrad
auf einen größeren Wert umschalten können.
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Wird über den Übertrager 21 ein Auftastimpuls an die Brücke gelegt,
dessen Amplitude die Zenerspannung der Diode 22 übersteigt, so werden in beiden
Zweigen der Diodenbrücke Ströme erzeugt, die zweckmäßig größer sein sollen als die
Ruheströme der Transistoren 1 und 1'. Dadurch werden die beiden Verstärker zu einem
Differenzverstärker, hohen Verstärkungsgrades zusammengeschaltet. Unter Vernachlässigung
des dynamischen Widerstandes der ,Dioden 15 und 16, d. h., wenn dieser Widerstand
sehr viel kleiner als der Widerstandswert R64 ist, wird die Verstärkung
Die Erfindung wurde an Hand mehrerer prinzipieller Ausführungsmöglichkeiten und
eines speziellen Ausführungsbeispiels beschrieben. Sie ist jedoch nicht auf diese
Anwendungsmöglichkeiten beschränkt, sondern kann in vielfachen Abwandlungen und
für die verschiedensten Zwecke zur Umschaltung des Verstärkungsgrades angewandt
werden.