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Integrierter Differenzverstärker mit gesteuerter Gegenkopplung Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen regelbaren integrierten Differenzverstärker
mit zwei Verstärkertransistoren in gesteuerter Gegenkopplung.
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Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht
darin, einen integrierten Verstärker anzugeben, der insbesondere folgende Eigenschaften
haben soll: Ausgehend von einer Grundschaltung, die aus zwei an ihren Emittern gekoppelten
Transistoren besteht und nach dem Differenzverstärker-Prinzip arbeitet, soll im
Emitterzweig eine steuerbare Gegenkopplungseinrichtung enthalten sein.
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Über die veränderliche Gegenkopplung wird die Verstärkung des Differenzverstärkers
verändert. Das Aussteuerverhalten der Transistoren bei Anlegen der zu verstärkenden
Signalspannung soll weitgehend davon unabhängig sein, mit welchem Verstärkungsgrad
der I>ifferenzverstärker gerade arbeitet, d.h. in welchem Regelzustand sich bei
Erweiterung der gesteuerten Gegenkopplung zu einem Regelkreis der Differenzverstärker
befindet. Das Aussteuerverhalten soll sich darüberhinaus möglichst mit zunehmender
Abregelung der Transistoren verbessern. Neben der Forderung, daß möglichst große
Eingangsspannungen verzerrungsfrei verarbeitet werden können, soll der Signal-Rausch-Abstand
möglichst hoch sein.
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Zur Lösung dieser Äufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Verstärkertransistoren jeweils
mindestens zwei Emitter haben, die paarweise, d.h. jeweils ein Emitter des einen
Verstärkertransistors und der entsprechende des anderen Verstärkertransistors, die
beide Verstärkertransistoren über jeweils verschiedene Gegenkopplungen miteinander
verbinden, daß weiterhin die Emitterpaare mit einer Steuerschaltung verbunden sind,
die in Abhängigkeit von einem Regelsignal jeweils das Emitterpaar Strom führen läßt,
dessen Gegenkopplung die dem Regelsignal entsprechende Verstärkung festlegt.
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Die prinzipielle erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in der Figur
1 der Zeichnung dargestellt. Dabei sind in an sich bekannter Weise zwei Transistoren
T1 und T2 gleichen Leitungstyps an ihren Emittern miteinander gekoppelt. Sie werden
an ihren Basen von einem Eingangssignal ausgesteuert. Das Ausgangssignal wird an
den Kollektoren abgenommen. In welcher Weise die Zuführung des Eingangssignals bzw.
die Aufnahme des Ausgangssignals erfolgt, ist für die Erfindung unwesentlich. Beispielsweise
können die beiden Basen symmetrisch angesteuert werden oder auch unsymmetrisch.
Ebenso ist die Abnahme des Ausgangssignals von einem oder beiden Kollektoren möglich.
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In der Zeichnung ist dies symbolisch allgemein dargestellt durch die
Verbindung der Basen mit einem Eingang 1 und durch die Verbindung der Kollektoren
mit einem Ausgang 2. Die Verstärkertransistoren T1 und T2 haben erfindungsgemäß
mindestens jeweils zwei Emitter E11, E12 bzw. E21 und E22. Weitere Emitter sind
symbolisch mit Ein und E2n bezeichnet. Die Emitter sind paarweise entsprechend ihrer
Nummerierung über verschiedene Gegenkopplungen miteinander verbunden. Mit Hilfe
einer Steuerschaltung, in der Zeichnung symbolisch mit 3 bezeichnet,
werden
die einzelnen Emitterpaare in den leitenden Zustand versetzt. Die einzelnen Emitterpaare
besitzen voneinander verschiedene Gegenkopplungen, von denen eine vorzugsweise lediglich
aus der direkten Zusammenschaltung der beiden Emitter E11 und E21 besteht. Die Steuerschaltung
3 schickt in bevorzugter Weise einen eingeprägten Strom in das Emitterpaar, das
die die gewünschte Verstärkung bestimmende Gegenkopplung besitzt, und veranlaßt
dieses dadurch zur Stromübernahme.
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Mit Hilfe einer solchen Schaltungsanordnung läßt sich ein Differenzverstärker
verwirklichen, der einen im technischen Rahmen extrem großen Regelumfang - falls
die Steuerschaltung für einen Regelkreis verwendet wird - besitzt und dabei der
Forderung Genüge leistet, daß sich das Aussteuerverhalten der Verstärkertransistoren
bei zunehmender Abregelung verbessern soll. Dadurch können extrem hohe Eingangsspannungen
verzerrungsfrei verstärkt werden.
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Bei voller Verstärkung erhalten die Verstärkertransistoren T1 und
T2 ihren Strom über das direkt verbundene Emitterpaar E11 und E21. Die anderen Emitter
sind stromlos. Soll die Verstärkung abgesenkt werden, übernimmt das zweite Emitterpaar
E12 und E22 den Strom.
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Dieses Paar ist über die Hintereinanderschaltung zweier ohmscher Widerstände
R1 und R2 miteinander verbunden.
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Diese ohmschen Widerstände R1 und R2 wirken als Gegenkopplungswiderstände
und reduzieren dadurch die Steilheit des Differenzverstärkers, ohne dabei das am
Ausgang 2 verfügbare Signal störend zu reduzieren. Hat ein gegengekoppeltes Emitterpaar
den Strom voll übernommen, dann ist auch die Aussteuerfähigkeit des Differenzverstärkers
entsprechend dem Gegenkopplungsgrad angestiegen. Da jedoch beim Ubergang des Stromes
von einem Emitterpaar zum nächsten die Aussteuerfähigkeit von dem weniger bzw. nicht
gegengekoppelten Emitterpaar bestimmt wird, kann es sinnvoll sein, die Gegenkopplungssteuerung
auf mehr als zwei Schritte aufzuteilen. Es sind dann entsprechend mehr
Emitterpaare
erforderlich: in der Figur 1 der Zeichnung symbolisch mit dem Emitterpaar Ein und
E2n und mit den Gegenkopplungswiderständen Rin und R2n dargesteilt. Die Steuerschaltung
3 muß dann eine dementsprechende Beschickung der Emitterpaare vornehmen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Figuren 2 und
3 der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt Figur 2 einen kompletten erfindungsgemäßen
Differenzverstärker, dessen Verstärkertransistoren jeweils zwei Emitter haben, und
eine komplette Steuerschaltung, die mit einem Steuereingang 4 für ein Steuersignal
verbunden ist.
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Als weitere Besonderheit zeigt die in der Figur 2 dargestellte Ausgesta!tung
eine Kombination der Gegenkopplungssteuerung mit einer Dämpfungssteuerung, die weiter
unten näher beschrieben wird. In Figur 3 ist ein Differenzverstärker dargestellt,
dessen Verstärkertransistoren Jeweils drei Emitter aufweisen. Dieser Differenzverstärker
zeichnet sich dadurch aus, daß die Gegenkopplung extrem hoch getrieben werden kann.
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Im einzelnen weist das in der Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel
zwei Verstärkertransistoren T1 und T2 mit den Emittern E11, E12 bzw. E21 und E22
auf. Die Emitter E11 und E21 sind wie nach Figur 1 direkt miteinander verbunden,
die Emitter E12 und E22 über die ohmschen Widerstände R1und R2. Zwischen den Basen
der beiden Verstärkertransistoren T1 und T2 liegt eine Spule 5, über die das Eingangssignal
eingespeist wird.
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Die Basis des Verstärkertransistors T2 ist dabei über einen Kondensator
6 mit dem Bezugspotential verbunden, d.h. liegt für Wechselspannung auf Masse. Der
Kollektor des Verstärkertransistors T1 ist mit dem Versorgungspotential verbunden,
der Kollektor des Verstärkertransistors T2 mit dem Ausgang 2, an dem das Ausgang
signal entnommen wird. In dieser Beschaltung arbeitet
der Verstärkertransistor
T1 in Emitterschaltung, der Verstärkertransistor T2 in Basisschaltung.
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Bei dieser Betriebsart besteht die Möglichkeit, die Gegenkopplungswiderstände
eines Emitterpaares zu einem Dämpfungsglied zu erweitern und über diese Dämpfung
die Gegenkopplungssteuerung zu unterstützen. Beim Einschalten eines solchen Dämpfungsgliedes
wird das vom Verstärkertransistor T1 zum Verstärkertransistor T2 gelangende Signal
entsprechend bedämpft. Bei diesem in der Figur 2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht das Dämpfungsglied aus den ohmschen Widerständen R1 und R2 und aus einem
ohmschen Widerstand R3, wobei die ohmschen Widerstände R1 und R2 als tängswiderstände
und der ohmsche Widerstand R3 als Querwiderstand eines Dämpfungs-T-Glieds dienen.
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Der ohmsche Widerstand R3, auf der einen Seite also mit den ohmschen
Widerständen R1 und R2 verbunden, liegt auf der anderen Seite am Kollektor eines
Stromversorgungstransistors T3. . Die Emitter E11 und E21 liegen am Kollektor eines
Stromversorgungstransistors T4. . Die Emitter der beiden Stromversorgungstransistoren
T3 und T4 liegen am Kollektor eines Stromeinpräge-Transistors T5, dessen Emitter
Bezugspotential führt.
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Die Basis des Stromversorgungstransistors T3 ist mit dem Emitter eines
Steuertransistors T6 verbundern. Dessen Kollektor führt über zwei hintereinandergeschal
tete ohmsche Widerstände R6 und R7 zum Versorgungspotential.
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Die Basis des Steuertransistors T6 ist mit dem Steuereingang 4 verbunden.
Die Basis des Verstärkertransistors T2 führt über einen ohmschen Widerstand R5 zum
Verbindungspunkt der beiden ohmechen Widerstände R6 und X7, liegt also über die
ohmschen Widerstände R5 und R6 am Versorgungspotential. Die Basis des Stromversorgungstransistors
T4
ist über einen ohmschen Widerstand 94 mit der Basis des Verstärkertransistors
T2 verbunden, führt also über die ohmschen Widerstände R4, R5 und R6 zum Versorgungspotential.
Außerdem ist die Basis des Stromversorgungstransistors Tf über eine Diode D mit
der Basis des Stromversorgungstransistors T4 und in Reihe dazu über eine Diode D2
mit der Basis des Stromeinpräge-Transistors T5 und wiederum in Reihe dazu über eine
Diode D3 mit dem Bezugspotential verbunden. Die Dioden D1, D2 und D3 bilden einen
durchgehenden Leitungszug.
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Das am Eingang 1 über die Spule 5 dem Verstärkertransistor T1 zugeführte
Eingangssignal erreicht je nach Steuerzustand des Differenzverstärkers über das
Emitterpaar E11, E21 oder E12, E22 den Verstärkertransistor T2 und wird am Ausgang
2 als Ausgangssignal abgenommen. Bei voller Verstärkung sind der Steuertransistor
T6, der ohmsche Widerstand R7, die Diode D1 und der Stromversorgungstransistor T3
stromlos. Die Basen sowohl der Verstärkertransistoren T1 und T2 als auch des Stromversorgungstransistors
T4 und des Stromeinpräge-Transistors T5 erhalten ihre Basisvorspannung über einen
Spannungsteiler, der aus den ohmschen Widerständen R6, R5 und R4 und aus den Dioden
D2 und D3 besteht. Dadurch, daß die Spule 5 für Gleichstrom niederohmig ist, erhält
der Verstärkertransistor T1 die gleiche Basisvorspannung wie der Verstärkertransistor
T2. Der Stromeinpräge-Transistor T5 bekommt über die Diode D3 eine stabilisierte
Basisvorspannung mit einem Wert, der ihn den gleichen Strom ziehen läßt, wie über
die Diode D3 fließt bzw. ein den Emitterflächen des Stromeinpräge-Transistors T5
und der Diode D3 entsprechender Anteil. Der Stromversorgungstransistor T4 und der
Stromeinpräge-Transistor T5 sind bei voller Verstärkung leitend und lassen dadurch
das direkt
gegengekoppelte Emitterpaar E11 und E21 Strom führen.
Die Gegenkopplung ist damit minimal, die Verstärkung maximal.
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Wird an den Steuereingang 4 ein positives Steuersignal gelegt, dann
steigt mit dem Potential an der Basis des Steuertransistors T6 das Emitterpotential
und damit das Potential an der Basis des Stromversorgungstransistors T3.
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Wenn dadurch das Basispotential des Stronversorgungstransistors T3
das konstante Basispotential des Stromversorgungstransistors T4 übersteigt, beginnt
der Stromversorgungstransistor T3 den Kollektorstrom des Stromeinpräge-Transistors
T5 zu übernehmen und damit den Stromversorgungstransistor T4 zu sperren. Der Kollektorstrom
des Stromversorgungstransistors T3 fließt über das aus den ohmschen Widerständen
R1, R2 und R3 gebildete Dämpfungs-T-Glied in das Emitterpaar E12, E22- Entsprechend
der Gegenkopplung dieses Emitterpaares nimmt die Verstärkung des Differenzverstärkers
ab.
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Hat der Stromversorgungstransistor T3 den Kollektorstrom vom Stromeinpräge-Transistor
T5 voll übernommen, und steigt das Steuersignal am Steuereingang 4 und damit das
Emitterpotential des Steuertransistors T6 weiter an, dann wird die Diode D1 leitend,
sobald der Potential unterschied zwischen den Basen der beiden Stromversorgungstransistoren
T3 und T4 die Schwellenspannung der Diode D3 übersteigt. Dadurch kann aber das Basispotential
des Stromversorgungstransistors T 3 das Basispotential des Stronversorgungstransistors
T4 nur um diesen Betrag übersteigen. Fließt über die Dioden D1, D2 und D3 ein zusätzlicher
Strom, dann erhöht sich auch der Strom über den Stromversorgungstransistor T3, über
den Stromeinpräge-Transistor T5 und über die Widerstände R1, R2 und R3. Gleichzeitig
bewirkt der Kollektorstrom des Steuertransistors T6 über die ohmschen Widerstände
R6 und R7, daß das Basispotential der Verstärkertransistorn T1
und
T2 abgesenkt wird. Dadurch wird der Stromversorgungstransistor T3 in die Restspannung
gesteuert. Seine Kollektor-Basis-Strecke wird dabei niederohmig. Es wird dann zusätzlich
zu der Gegenkopplung des Emitterpaares E12' E22 eine Dämpfung durch das Dämpfungs-T-Glied
wirksam. Dabei enthält der Querzweig des Dämpfungs-T-Glieds als effektiven Widerstand
zu dem ohmschen Widerstand R3 den Sättigungswiderstand des Stromversorgungstransistors.
?5. Wenn der ohmsche Widerstand R3 größer oder erheblich größer gewählt wird als
der Sättigungswiderstand des Stromversorgungstransistors TD, , dann ist die maximale
Dämpfung nur von den ohmschen Widerständen R1 R2 und R3 abhängig, mit denen der
gewünschte Steuerhub beeinflußt werden kann. Bei geeigneter Dimensionierung ändert
sich auch bei starkem Ansteigen des Steuersignals am Steuereingang 4 über denWert
hinaus, der zum Erreichen der minimalen Verstärkung erforderlich ist, die Funktion
des Differenzverstärkers nicht mehr.
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Das in Figur 3 der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel enthält
im einzelnen zwei Verstärkertransistoren T1 und T2, die prinzipiell wie nach Figur
1 mit einem Eingang 1 und einem Ausgang 2 verbunden sind. Dabei besitzen aber in
diesem Falle die Verstärkertransistoren T und T2 jeweils drei Emitter, wobei die
Emitter E11, E21, E12 und E22 wie nach Figur 1 und Figur 2 miteinander verbunden
sind, die Emitter E13 und E23 jedoch über einen einzigen ohmschen Widerstand R8.
Das Emitterpaar E11, E21 ist wieder mit dem Kollektor des Stromversorgungstransistors
T4, , das Emitterpaar E12, E22 über den Verbindungspunkt der beiden ohmschen Widerstände
R1 und R2 mit dem Kollektor des Stromversorgungstransistors T3 verbunden. Der Emitter
E13 liegt am Kollektor eines Stromversorgungstransistors T7, der Emitter E23 am
Kollektor eines Stromversorgungstransistors m
Die Emitter sämtlicher
Stromversorgungstransistoren T3, T4, T7 und T8 führen gemeinsam über einen Widerstand
7 zum Bezugspotential. Dieser Widerstand 7 hat eine stromeinprägende Funktion und
besteht im einfachsten Falle aus einem ohmschen Widerstand oder auch wie im Falle
des in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels aus einem Stromeinpräge-Tranæistor.
Die Basen sämtlicher Stromversorgungstransistoren T3, T4 T7 und T8 sind mit einer
Steuerschaltung 3 verbunden.
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Dieses in der Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel zeichnet sich
dadurch aus, daß die Gegenkopplung extrem hoch gewählt werden kann. Das wäre bei
einer Gegenkopplung nach Art des Emitterpaares E12 E22 nur möglich, wenn bei extrem
hohen Widerständen R1 und R2 auch die Versorgungsspannung entsprechend erhöht wird.
Zu diesem Zwecke ist das Emitterpaar E13, E23 über einen einzigen ohmschen Widerstand
R8, der sehr groß gewählt werden kann, gegengekoppelt. Die Strombeschickung dieses
Emitterpaares geschieht dabei über zwei getrennte Stromversorgungstransistoren T7
und T8. . Damit kann bei reiner Gegenkopplungssteuerung der Steuerhub des Differenzverstärkers
extrem hoch getrieben werden.
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10 Patentansprüche 3 Figuren