DE2006203A1 - Differentialverstärker - Google Patents

Description

Dr. phil. G. B. HAGEN

8000 MÜNCHEN 71 (SoUn)
Franz-Hals-Straße 21

-Telefon 796213 ... .

■ HEC 2646 ' München, 4. Februar 1970

Dr. H./P./sch

Sharp Kabushiki Kaisha 22-22, Eagaike-cho, Abeno-ku Osaka / JAPAN

Differentialverstärker

Priorität: 15. Feb. 1969; Japan; Nr. 13827/1969

Die. Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für einen Differentialverstärker zur Verstärkung von Wechselstromsignalen, speziell für die Verwendung in elektronischen Apparaten, wie etwa Stereoeinheiten, Radioempfängern, Fernsehempfängern, und speziell in der Ζτ/fischenfreqUenzverstärkerstufe von Radioempfängern.

Die meisten Differentialverstärker weisen im allgemeinen zwei Verstärkerelemente aus Transistoren oder Röhren auf. Diese beiden Verstärkerelemente müssen in bekannter Weise im Fall der Verwendung von Transistoren denselben Kurzschlußstromverstärkungsfaktor hjvjj, und dieselbe Basis-Emitter-Spannung V-rvg haben und auch in den anderen Charakteristiken übereinstimmen. Diese Anforderungen werden im wesentlichen durch monolithische integrierte Schaltungen

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Bayerische Vereinebank München 820893

erfüllt, die gleichzeitig auf einem Silikonplättchen durch Diffusionsmethode erzeugt worden sind. Verstärkerelemente jedoch, wie etwa Schalttransistoren, Feldeffekttransistoren und Vakuumröhren, die jedes für sich he-rgestellt werden, zeigen kleine Unterschiede in ihren Charakteristiken, auch dann, wenn sie in der gleichen Weise hergestellt sind. Aus diesem Grund kann bei einer Kombination solcher nicht ganz gleichen Elemente ein absoluter Gleichgewichtszustand in einem Differentialverstärker nicht erreicht werden. Es müssen dann zwei Elemente aus der großen Menge herausgesucht werden, die die gleichen Eigenschaften haben. Das ist jedoch sehr schwierig und erfordert einen hohen Zeitaufwand.

Ohne einen vollständigen Abgleich zwischen den beiden Verstärkerelementen lassen sich Änderungen des Rückstromes des offenen Emitters (reverse emitter opened circuit collector current) oder des Kollektorsperrstroms Inn» ^^es Stromverstärkungsfaktors h-p-g und der Kollektorspannung nicht so stark herabsetzen, daß der Differentialverstärker einwandfrei arbeitet. Es bedeutet schon einen hohen Arbeits- und Zeitaufwand, zwei Verstärkerelemente mit annähernd gleichen Kenndaten aufzufinden, und es ist geradezu unmöglich, eine große Anzahl solcher Kombinationen zu finden. Monolithische integrierte Schaltungen haben solche Eigenschaften, wie sie für Differentialverstärker wünschenswert sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verstärkerschaltung zu schaffen, die so stabil arbeitet, wie ea bei der Verwendung vollständig ausgeglichener Elemente der Fall ist, auch bei der Verwendung einzelner Verstärkerelemente, wie etwa herkömmliche Transistoren, Feldeffekttransistoren, Röhren usw., die zu einem sehr niedrigen Preis erhältlich sind, ohne genau dieselben Eigenschaften wie eine monolithische integrierte Schaltung zu haben.

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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstärkerschaltung mit so hoher Sättigung zu schaffen, daß die Transistoren im Falle großer Signalamplituden nicht im Sättigungsbereich arbeiten. '."'".-

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Differentialv er stärker se haltung zu schaffen.,' die einfach in ihrer Konstruktion und billig anzufertigen ist. , ·

Diese Aufgaben "werden durch einen Differentialverstärker gelöst, der sich gemäß der Erfindung dadurch kennzeichnet,'daß mindestens zwei Verstärkereleinente mit einem Signal™eg, der in einen Weg für die Grleichstromkomponente und einen für die Wechselstronikoinponente des Signals aufgeteilt ist und die beiden Komponenten trennt, und ein Gleichstromdämpfungsglied in dem Weg für die G-leichstromkomponente vorgesehen sind, daß parallel zum Grleichstromdämpfungsglied eine Leitung mit einem wesentlich kleineren WechselstrOmwiderstand als der Widerst and' des Gleichstromdämpfungsgliedes liegt, wobei die Empfindlichkeit für unterschiedliche Eigenschaften der Verstärkeielemente gering und die 'Empfindlichkeit für Wechselstromsignäle sehr groß ist.

Da die Abweichungen der Kenndaten der Verstärkerelemente, sich durch, unterschiedliche Gleichspannungen unterscheiden, ist es möglich, die erfindungsgemäße Schaltung mit geringer Empfindlichkeit zu verwenden, so daß die unterschiedlichen Kenndaten die Verwendung der Differentialverstärkerschältung nicht beeinflussen. Die Schaltung des erfindungsgemäßen ~ Differentialverstärkers ist so gebildet, daß sie einen vieg für die &leichstromkomponente des Signals und- einen getrennten Weg für die Weehselstromkomponente getrennt von dem Signalweg hat, so daß nur die Gleichstromkomponente gedämpft

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wird und der Gleichstromarbeitspunkt stabilisiert ist. Diese Schaltung schwächt die Differenzierung der Gleichstromkomponente und bewirkt die übliche Differentialverstärkung der Wechselstromkomponente.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Von den Figuren zeigen:

Figur 1 eine Schaltskizze der Grundschaltung eines erfindungsgemäßen Differentialverstärkers;

Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig, I gezeigten Schaltung;

. Figuren verschiedene Ausf ührun.^sbeispiele der Grund-3 bis 8 schaltung gemäß Figo 1.

Die in Figo 1 dargestellte Schaltung zeigt zwei Transistoren 1 und 2, deren Basis mit den Eingangsklemmen 3 und 4 verbunden ist. Ein Eingangssignal von der Quelle 50 wird den Klemmen 3 und 4 zugeführt. Die Basis des Transistors 2 ist für ein Wechselstromsignal im wesentlichen über eine Kapazität 5 geerdet. Der Kollektor des Transistors 1 ist mit der Ausgangsklemme 6 und mit dem positiven Pol 8 einer Spannungsquelle über einen Widerstand 7 verbunden, über einen Y/iderstand 9 ist die Basis des Transistors 2 mit der Niederspannung des Widerstandes 7 verbunden und über den Widerstand 10 geerdet. In der derartigen Schaltanordnung ist die Basis des Transistors 2 mit einer Spannung vorgespannt, die zwischen den die Spannung teilenden Widerständen 9 und 10 herrscht. Der Kollektor des Transistors 2 ist mit der Ausgangsklemme 11 verbunden. Zwischen den Klemmen 6 und 11 kann ein Ausgangssignal abgegriffen werden. Der Emitter des Tran-

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sistors 1 ist mit dem auch zum Transistor 2 führenden Emitterwiderstand 15 über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 13 und einer Kapazität 14 mit einer sehr viel niedrigeren Impedanz für höhere Frequenzen des Wechselstroms ignals als bei dem Widerstand 13 verbunden. Deshalb kann die Gleichstromkomponente des Signals durch den Widerstand 13 hindurchgehen, und die Wechselstromsignalkomponente läuft über die niedrige Impedanz der Kapazität 14. Der Emitter des Transistors 2 ist über einen Widerstand 16 und eine Kapazität 17 ebenfalls mit der Parallelschaltung verbunden. Je größer der ¥ert der Widerstände 13 und 16 ist und je niedriger die Impedanz der Kapazitäten 14 und 17 für Wechselstromsignale ist, je größer ist die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung.

Die Grundschaltung des Differentialverstärkers gemäß der Erfindung ist in der oben beschriebenen Weise ausgeführt. Wenn an den Eingangsklemmen das Signal 50 die Amplitude null hat und die Eingangsklemmen 3 und 4 dasselbe Potential zeigen, dann tritt auch an den Ausgangsklemmen 6 und 11 kein Signal.auf. Herrscht zwischen den Klemmen 3 und 4 aber eine Spannungsdifferenz, dann wird diese differentialverstärkt und als solche an den Ausgangsklemmen 6 und 11 abgegriffen. DieGleichstromkomponente des Emitterstroms des Transistors 1 ist über den Widerstand 13 und den Emitterwiderstand 15 geerdet und das Wechselstromsignal über die Kapazität 14 mit kleiner Impedanz und den Widerstand 15. Vom Emitterstrom des Transistors 2 ist die Gleichstromkomponente über den Widerstand 16 und", den Emitterwiderstand 15 geerdet und das Wechselstromsignal über die Kapazität 17 und den Widerstand 15. Auf diese Weise geht die Gleichstromkomponente. des Signals über den Widerstand "13 oder 16 über den Emitter-

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widerstand 15 gegen Erde, und das Wechselstromsignal läuft über die Kapazität 14 oder 17 mit niedriger Impedanz. Aus diesem Grund wird nur die Gleichstromkomponente des Signals durch den Widerstand 15 oder 16 gedämpft, hat dadurch keine Wirkung auf den jeweils anderen Transistor und stabilisiert den Kollektorstrom jedes Transistors des Differentialverstärkers.

Pig. 2 zeigt die Arbeitsweise der in Pig. I dargestellten Grundschaltung. Auf der Abszisse ist die Differenz zwischen der Basisspannung des Transistors 1 und der des Transistors 2, also die Eingangssignalspannung abgetragen (nach rechts positiv, nach links negativ). Auf der Ordinate ist der Kollektorstrom abgetragen. Bei graduell anwachsender Eingangssignalspannung nimmt auch der Kollektorstrom des Transistors 1 graduell zu, wie es durch die gestrichelte Linie A gezeigt ist, während der des Transistors 2 abnimmt, wie es durch die Linie B gezeigt ist. Bei weiterer Zunahme der Amplitude des Eingangssignals ist der Transistor 2 gesperrt, der Kollektorstrom des Transistors 1 erreicht sein Maximum, und bei weiterem Anwachsen des Eingangssignals erreicht der Kollektorstrom seinen Sättigungsbereich und bleibt konstant. Wächst die Amplitude des Eingangssignals zur negativen Seite hin, dann sind die Arbeitslinien der Transistoren 1 und 2 einfach zu vertauschen. Entsprechende Wechselstromsignal-Arbeitskurven der Transistoren 1 und 2 sind durch die gestrichelten Linien A und B gezeigt. Da die Gleichstromkomponente des Signals durch die Widerstände 13 und 16 in der durch die Linien C und D gezeigten Weise gedämpft ist, zeigen die Gleichstromarbeitskurven C und D eine geringere Neigung als die Wechselstromsignal-Arbeitskurven A und B. Wenn die Kenndaten der Transistoren 1 und 2 genau dieselben sind, kreuzen sich die Arbeitskurven der Signaleingangsspannung

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A, B, C und D in dem Punkt OV (gemäß Figo 2). Der Verlauf der Kurven ist symmetrisch zur Achse OV. Sind jedoch die Kenndaten der Transistoren 1 und 2 unterschiedlich,.dann ist eine unterschiedliche Basisspannung notwendig, damit derselbe Emitterstrom auftritt, d„ h. es existiert eine VerschieT>espannung V„, die eine Verschiebung nach links oder rechts bewirkt. Beispielsweise soll der Transistor 2 eine niedrigere Basisspannung zur Aussendung eines Kollektorstromes bestimmter Amplitude "benötigen als der Transistor 1. Der Schnittpunkt mit der Kurve des Transistors 2 verschiebt sich nach links bis zum. Punkt der Spannung V_g. Diese Verschiebung ist durch die unterschiedlichen Gleichstromcharakteristiken hervorgerufen worden, und entsprechend wurde die Verschiebung entlang der Gleichstromarbeitskurve C vorgenommen. Wird die Verschiebung entlang derWechselstromsignal-Arbeitskurve vorgenommen, dann ändert sich der Kollektor strom um I~ vom Schnittpunkt von OV aus.. Findet die Verschiebung, entlang der Gleichstromarbeitskurve statt, dann ist das Ausmaß der Verschiebung 1-^, und die Änderung für den·Gleichstrom ist kleiner. Deshalb zeigt die Balance in der Schaltang des Differentialverstärkers auch bei zwei Transistoren mit etwas verschiedenen Kenndaten nur eine sehr geringe Störung, und es ist möglich, die Stabilität des Wechselstromarbeitspunktes beizubehalten.

Pig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer^; gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Schaltung abgewandelteh Ausfuhrung. Die den in Fig. 1 dargestellten Teilen entsprechenden Teile sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Das Ausführungsbeispiel kennzeichnet sich dadurch, daß die Widerstände und 16 und die Kapazitäten 14- und 17 der Figo 1 auf der Kollektorseite der Transistoren 1 und 2- eingeführt sind..

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In Fig» 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine Kombination der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Schaltungen ist, bei dem die Parallelschaltung aus Widerstand und Kapazität am Kollektor und am Emitter des Transistors eingeführt sind. Da dieses Ausführungsbeispiel ein . Anwachsen des Widerstandes der Gleichotromschaltung ermöglicht, kann damit die Stabilität der Gleichstromkenndaten noch weiter erhöht werden, und das Prinzip der Erfindung wird damit noch besser erreicht.

In Fig. 5 ist eine Schaltung gezeigt, in der die Erfindung in einer Zwischenverstärl·'erstufe eines FM-Smpfängers verwendet wird, die einen eine Amplitude begrenzenden Effekt hat. Die in Figo 1 dargestellte Grundschaltung liegt zwischen den Ein- und Ausgangsklemmen der Zwischenfrequenztransformatoren 20 und 21. Die den in Fig. 1 gezeigten Teilen entsprechenden Elemente sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Fig. 6 ist eine Schaltung gezeigt, die die in Fig„ 3 gezeigte Schaltung verwendet und die in einem Zwischenfrequenzverstärker eines FM-Empfängers mit amplitudenbegrenzen-F der Wirkung und Zwischenfrequenztransformatoren 20 und 21 verbunden ist. Der übrige Teil der Schaltung entspricht der Schaltung der Fig. 3.

Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, ist eine Kombination der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Schaltungen unter Einführung der Parallelschaltung von Widerstand und Kapazität auf beiden Seiten von Emitter und Kollektor des Transistors möglich. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Gleichstromstabilität noch weiter vergrößert.

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Die nichtgesättigte Verstärkerschaltung'gemäß der Erfindung ist folgendermaßen aufgebaut; In den in Fig. -5 und 6 gezeigten Schaltungen liegt ein großes Eingangssignal an. Auch wenn der Transistor 1 in Sperrstellung ist, herrscht doch eineVorspannung, so daß der Transistor 2 nicht im Sättigungsbereich arbeitet, oder der Wert des Widerstandes 13 ist kleiner gewählt als der des Widerstandes 16, so daß ,die -Basis; des Transistors 1 etwas mehr vorgespannt ist. Oder aber die zwischen Basis und Emitter benötigte Spannung zur Aussendung eines konstanten Kollektorstromes zum Transistor 1 wird niedriger gewählt als die für den Transistor 2, d, h. die Spannung .Vw "wird verwendet. Wegen dieser Zusammenstellung ist der Ausgleich von Transistor 1 und 2 verlorengegangen, aber dank der Parallelschaltung von Widerstand und Kapazität gemäß der Erfindung sind die Variationen im Arbeitspunkt . sehr klein. Wenn die Schaltung jedoch in dieser Weise zusammengesetzt ist, besteht ein die Amplitude begrenzender Effekt durch die Sättigung des Transistors 1 und die Sperrcharakteristik des Transistors 2. Wenn ein Eingangssignal mit großer Amplitude gegeben ist und der Transistor 1 sich im Sperrzustand befindet, dann ist der Transistor 2 noch nicht im Sättigungsbereich. Der Transistor 2 dämpft somit nitiht den Zwischenfregeltransformator 21, so daß die Ergebnisse der Differentialverstärkung, wie etwa ausgewählte Signale, Einfangverhältnisse, AM-Dämpfung usw., nicht zerstört werden.

In Fig. 8 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Wenn die in Figo■8 gezeigte Schaltung in der Praxis verwendet wird, müssen jedoch einige Teile entfernt werden. Die Zwischenfrequenzverstärkerschaltung ist zweistufig längsverbunden. Die Eingarigaklemmen sind mit einem festen Resonanzfilter 31 verbunden, der Außgangswidersfcand der ersten

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Stufe besteht aus einem parallelgeschalteten Widerstand 32 und einer Spule 33· Da der Ausgangswiderstand nicht durch Verstärkungselemente gedämpft wird, ist die erste Stufe aus einer Differentialverstärkerschaltung des gesättigten Typs zusammengesetzt. Der Ausgangswiderstand der zweiten Stufe ist durch eine Resonanzschaltung aus einer Kapazität 34 und einer Spule 35 gebildet. Damit diese Resonanzschaltung nicht gedämpft wird, besteht die zweite Stufe aus einer Differentialverstärkerschaltung des ungesättigten Typs»

Patenbanspräche;

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Claims (3)

1. J? a t e η t a η s ρ r ü c h e

   Differentialverstärker, d a d u r o'h g e k e η η ζ e i c h ή. et, daß mindestens zwei Verstärkereiemente mit einem Signalweg, der in einen Weg für die Gleichstromkomponente und einen für die Wechselstromkomponente des Signals (50) aufgeteilt igt und die beiden Komponenten trennt, und ein Gleichstromdämpfungsglied (13) in dem Weg für die
   Gleichstromkomponente vorgesehen sind, daß parallel zum
   Gleichstromdämpfungsglied (13) eine leitung mit einem' wesentlich kleineren Wechselstromwiderstand (14) als der Widerstand des Gleichstromdämpfungsgliedes (13) liegt, wobei eine geringe Empfindlichkeit für die unterschiedlichen
   Charakteristiken der Verstärkerelemente und eine hohe
   Empfindlichkeit für ein Wechselstromsignal vorhanden ist-, .
2. 2. Differentialverstärker nach Anspruch 1, d a d u r c h

   g e k e η η ζ e lehne t:'.,■' daß wenigst ens zwei Verstärkerelemente, eine Parallelschaltung aus einem Widerstand, und einer Kapazität mit einem Wechselstromwiderstand, der we-

   sentlich kleiner ist als der des Widerstandes, vorgesehen' sind, daß der Widerstand mit dem Teil verbunden ist, in dem * durch Dämpfung an der Ausgangsseite jedes der ■Verstärkerelemente ein Spannungswechsel hervorgerufen ist", der nicht auf das ;jew>eiis andere Verstärkerelement einwirkt, wobei
   die Gleichstromkomponente des Signals gedämpft ist und die Wechselstromkomponente ohne Dämpfung hindurchgeht.
3. 3. Differentialverstärker nach Anspruch .2, dadurch g e k .e η η z'e i c h η e t , daß Verstärkerelemente mit. solchen Kenndaten gewählt sind und/oder die Schaltungskonstante so gewählt ist, daß das ausgangsseitige Verstärkerelement auch beim Auftreten von Signalen mit großer

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   Amplitude nicht in den Sättigungsbereich kommt und daß das eingangsseitige Yerstärkerelement allein in eine Sperrstellung yersetzt wird.

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