DE1487472C3 - Differenzverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzverstärker mit zwei von der Nutzspannung gegenphasig ausgesteuerten, über einen gemeinsamen Stromgegenkopplungs-Widerstand miteinander gekoppelten Verstärkerstufen und einer nachgeschalteten weiteren Verstärkerstufe mit der Verstärkung v=l, deren Steuereingang an den Ausgang einer der beiden erstgenannten Verstärkerstufen angeschlossen ist.

Ein Differenzverstärker dieser Art ist aus der DE-AS 16 368 bekannt. Bei dieser Schaltung sind zwei emittergekoppelte Transistoren vorgesehen, deren Basis jeweils über einen Vorwiderstand angesteuert wird, wobei die beiden zugehörigen Steuerspannungen symmetrisch (d. h. gegenphasig) verlaufen. Der Pluspol der Betriebsspannungsquelle ist über einen gemeinsamen Vorwiderstand mit den beiden Emittern verbunden. Der Kollektor der ersten der beiden Verstärkerstufen ist über einen ohmschen Widerstand (in F i g. 1) oder über eine Serienschaltung aus zwei ohmschen Widerständen (in F i g. 2) mit dem Minuspol der Betriebsspannungsquelle verbunden. An den Kollektor der zweiten Verstärkerstufe ist der Emitter einer dritten Verstärkerstufe angeschlossen (Emitterfolger), deren Kollektor an den Minuspol der Betriebsspannungsquelle geführt ist. Die Basis des Transistors dieser dritten Verstärkerstufe ist an den Kollektor der ersten Verstärkerstufe angeschlossen, wodurch eine Art von positiver Rückkopplung erreicht wird, welche eine erhebliche Steigerung der Verstärkung der Verstärkerschaltung zur Folge hat. Bei einer Zunahme des Kollektorstroms der zweiten Verstärkerstufe wird der Kollektorstrom der ersten Verstärkerstufe und damit auch der Spannungsabfall am zugehörigen Kollektorwiderstand kleiner. Dadurch wird die Basis des die dritte Verstärkerstufe bildenden Transistors stärker negativ, weshalb der Kollektorstrom dieser dritten Verstärkerstufe zunimmt. Diese Schaltung weist somit zwar eine relativ große Nutzspannung bei kleiner Ausgangsimpedanz auf,

ίο vermag jedoch höheren Ansprüchen in bezug auf die Unsymmetriedämpfung nicht zu genügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzverstärker der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der bei kleinstmöglichem Schaltungsaufwand eine große Unsymmetriedämpfung aufweist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Ausgänge der beiden erstgenannten Verstärkerstufen in an sich bekannter Weise über eine Serienschaltung zweier Arbeitswiderstände miteinander verbunden sind, an denen die verstärkte Nutzspannung abgreifbar ist und von denen einer gleichzeitig den Arbeitswiderstand der weiteren Verstärkerstufe bildet, und daß an dem anderen Arbeitswiderstand die Aussteuerspannung für die als Inverter arbeitende weitere Verstärkerstufe mit einer solchen Polung abgegriffen wird, daß sich die durch den gemeinsamen Arbeitswiderstand fließenden Ausgangsströme gleichphasig addieren.

Der mit der Erfindung erzielbare wesentliche Vorteil besteht insbesondere darin, daß trotz des unsymmetrisehen Verstärkungsausgangs die Nutzsignalverstärkung beider über den gemeinsamen Gegenkopplungswiderstand miteinander gekoppelter Verstärkerstufen durch die Summenbildung über die weitere Verstärkerstufe voll ausgenutzt wird, während die gleichphasigen Anteile der Eingangsspannung (Erdspannung) durch die Differenzbildung über die weitere Verstärkerstufe stark gedämpft werden. Außerdem werden auftretende Schwankungen der Betriebsspannung durch die Wirkung der weiteren Verstärkerstufe weitgehend kompensiert, so daß sie sich der Ausgangsspannung nicht überlagern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben:

In dem linken Teil der Zeichnung ist zunächst ein herkömmlicher, aus Trioden aufgebauter Differenzverstärker dargestellt. Hierbei sind zwei Trioden 1 und 2 über einen gemeinsamen, an Masse gelegten Kathodenwiderstand 3 miteinander gekoppelt. Weiterhin sind den

so Trioden Arbeitswiderstände 4 und 5 zugeordnet, die über einen Verbindungspunkt 6 an den positiven Pol der Betriebsspannung + Ugeschaltet sind. Die Steuergitter von 1 und 2 sind über Gitterableitwiderstände 7 und 8 an Masse gelegt. Die erdfreie, zu verstärkende Nutzspannung U\ stellt sich als Differenz zweier unsymmetrischer Teilspannungen U\ und U\" dar, die Trioden 1 und 2 gegenphasig aussteuern. Die Teilspannung U\ wird in der Triode 1 zu einer am zugeordneten Arbeitswiderstand 4 abfallenden Spannung Ui¹ verstärkt, die Teilspannung U\" zu einer entsprechenden Spannung t/2". Dabei sind die verstärkten Teilspannungen Lk' und W zueinander gegenphasig und jeweils für sich unsymmetrisch abgreifbar, da der Verbindungspunkt 6 wechselstrommäßig auf Massepotential liegt. An der Serienschaltung beider Arbeitswiderstände 4 und 5 ist die verstärkte Nutzspannung Lk als Differenz beider gegenphasiger Teilspannungen Ut und W erdfrei abgreifbar.

Falls sich der Nutzspannung Erdspannungen überlagern, steuern diese die Trioden 1 und 2 gleichphasig aus. Gleichphasige Eingangsspannungen werden jedoch stark gedämpft, wobei die Größe der Dämpfung dem Wert des Kathodenwiderstands 3 proportional und dem s Wert eines der betragsgleichen Widerstände 4 und 5 umgekehrt proportional ist.

Die Unsymmetriedämpfung eines Differenzverstärkers ist als das logarithmische Verhältnis der Verstärkung einer gegenphasigen Eingangsspannung (Nutzspannung) zu der Verstärkung einer gleichphasigen Eingangsspannung (Erdspannung) definiert. Unterscheidet man nun die Betriebsfälle der unsymmetrischen Spannungsauskopplufig am Ausgang des Differenzver-« stärkers (Ausgangsspannung U₂) und der symmetrisehen Spannungsauskopplung (Ausgangsspannung LJ₂), so zeigt sich, daß die Unsymmetriedämpfung beim letzteren Betriebsfall wesentlich größer ist, da hierbei die Verstärkung der Nutzspannung um den Faktor 2 größer ist als im Falle der unsymmetrischen Auskopplung und außerdem die Differenzbildung der verstärkten Teilspannung am Schaltungsausgang eine starke Vergrößerung der Dämpfung für die gleichphasigen Erdspannungen bewirkt.

Die wesentlich günstigeren elektrischen Eigenschaften, insbesondere die höhere Unsymmetriedämpfung, des Differenzverstärkers mit symmetrischer Auskopplung konnten bei den bekannten Schaltungen dieser Art bisher nur. dadurch nutzbar gemacht werden, daß die nachfolgenden Verstärkerstufen ebenfalls symmetrisch aufgebaut waren, was jedoch einen großen schaltungstechnischen Aufwand erforderte. Die als Alternativlösung anzusprechende Kombination eines Eingangs-Differenzübertragers mit einem nachgeschalteten unsymmetrischen Verstärker ließ zwar eine für viele Anwendungsfälle ausreichende Unsymmetriedämpfung erreichen, führte jedoch gleichzeitig zu einer Beschränkung der ausnutzbaren Frequenzbandbreite.

Nach der Erfindung schließt sich an die vorstehend beschriebene Differenzverstärkerschaltung, deren symmetrischer Ausgang mit 9 und 10 bezeichnet ist, eine weitere Verstärkerstufe an, die eine Triode 11 enthält, und zwar derart, daß die eine Ausgangsklemme 9 mit der Anode und die zweite Ausgangsklemme 10 über einen Koppelkondensator 12 mit dem Steuergitter von U verbunden ist. Die Kathode von 11 wird zweckmäßigerweise über einen Gegenkopplungswiderstand 13 an das Massepotential geschaltet, während die Anode über einen Koppelkondensator 14 mit dem Ausgang 15 des nach der Erfindung erweiterten Differenzverstärkers verbunden ist. Damit ist der Arbeitswiderstand 4 den Verstärkerstufen 1 und 11 gemeinsam zugeordnet. Werden nun die Betriebspotentiale der Triode 11, vorzugsweise durch entsprechende Dimensionierung bzw. Justierung des Gegenkopplungswiderstandes 13, so eingestellt, daß die Verstärkung v= 1 beträgt, ergibt sich folgende Wirkungsweise der dargestellten Schaltung:

Die zwischen den Schaltungspunkten 6 und 10 liegende Spannung Ui", die die Verstärkerstufe 11 aussteuert, bewirkt eine anodenseitige Spannung gleicher Größe, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 180°, die sich der Spannung U₂ am gemeinsamen Arbeitswiderstand überlagert. Damit tritt für die Nutzspannung, bei der die Spannungsteile U₂ und U₂" gegenphasig sind, infolge der Phasendrehung in 11 eine Addition dieser Spannungen zu einer Summenspannung £/3 auf, während für die gleichphasigen Erdspannungen eine Differenzbildung erfolgt. Die Summenspannung Uz ist am Schaltungsausgang 15 unsymmetrisch gegenüber Masse abgreifbar. Die Verstärkung der Nutzspannung entspricht der vollen Verstärkung beider Stufen 1 und 2, da die einzeln verstärkten Teilspannungen U₂ und U₂" phasengleich addiert werden.

Der Innenwiderstand und der Eingangswiderstand der Verstärkerstufe 11 werden zweckmäßigerweise durch eine entsprechend starke Ausbildung der Stromgegenkopplung über den Kathodenwiderstand 13 so groß gegenüber dem Arbeitswiderstand 4 bzw. 5 gemacht, daß sie die Schaltungssymmetrie nur geringfügig beeinflussen. Eine Kompensation der verbleibenden Unsymmetrien kann in einfacher Weise durch entsprechende unterschiedliche Bemessung der Arbeitswiderstände 4 und 5 vorgenommen werden. Mittels eines Potentiometers 16 ist außerdem eine Veränderung der Stromgegenkopplungen für die Röhren 1 und 2 in der Weise möglich, daß auch bei voneinander abweichenden Röhrenkennwerten die Verstärkung beider Röhren gleich groß sind. Bei höheren Frequenzen tritt eine Verringerung der Unsymmetriedämpfung für den Fall ein, daß die kapazitive Belastung der Röhren 1 und 2 im Anodenkreis unterschiedlich groß ist. Durch eine entsprechende Einstellung einer veränderbaren Kapazität 17 parallel zum Gegenkopplungswiderstand 13 können diese Störungseinflüsse ausgeschaltet werden. Störungen der Ausgangsspannung Uz durch nicht ausgeregelte Netzspannungsstöße werden bei einem Differenzverstärker nach der Erfindung weitgehend kompensiert. Gelangt beispielsweise ein Spannungsstoß an die Anoden der Röhren 1, 2 und 11, so wird ein Spannungsstoß gleicher Größe auf die Anodenseite der Röhre 11 übertragen, der sich zu dem primären Spannungsstoß gegenphasig addiert und diesen somit praktisch aufhebt.

Bei einem Differenzverstärker nach der Erfindung liegen die Werte der erreichbaren Unsymmetriedämpfung bis zu 40 dB und darüber über den Unsymmetriedämpfungen vergleichbarer Differenzverstärker mit unsymmetrischer Spannungsauskopplung. Besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten bieten sich daher als Eingangsschaltungen von hochohmigen Spannungsmeßgeräten, wie sie beispielsweise zur Messung der Ausgangsspannungen an stark dämpfenden Vierpolen der elektrischen Nachrichtentechnik verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

ö / <\ i Z Patentansprüche:

1. Differenzverstärker mit zwei von der Nutzspannung gegenphasig ausgesteuerten, über einen gemeinsamen Stromgegenkopplungs-Widerstand miteinander gekoppelten Verstärkerstufen und einer nachgeschalteten weiteren Verstärkerstufe mit der Verstärkung v=1, deren Steuereingang an den Ausgang einer der beiden erstgenannten Verstärkerstufen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der beiden erstgenannten Verstärkerstufen (I₁ 2) in an sich bekannter Weise über eine Serienschaltung zweier Arbeitswiderstände (4, 5) miteinander verbunden sind, an denen die verstärkte Nutzspannung abgreifbar ist und von denen einer (4) gleichzeitig den Arbeitswiderstand der weiteren Verstärkerstufe (11) bildet, und daß an dem anderen Arbeitswiderstand (5) die Aussteuerspannung (W) für die als Inverter arbeitende weitere Verstärkerstufe (11) mit einer solchen Polung abgegriffen wird, daß sich die durch den gemeinsamen Arbeitswiderstand (4) fließenden Ausgangsströme gleichphasig addieren.

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Verstärkerstufe (11) mit einer Stromgegenkopplung (13) versehen ist.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromgegenkopplungszweig der wciteien Verstärkerstufe ein vorzugsweiseeinstellbarer Kondensator (17) vorgesehen ist.

4. Differenzverstärker nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch die Anwendung als symmetrische Eingangsstufe mit unsymmetrischem Ausgang bei Empfängern der elektrischen Nachrichten- und Meßtechnik.