DE2261853A1

DE2261853A1 - Operationsverstaerker mit nachgeschalteter verstaerkerstufe

Info

Publication number: DE2261853A1
Application number: DE19722261853
Authority: DE
Inventors: Elmar Kanne
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-01-19
Filing date: 1972-12-18
Publication date: 1974-07-11
Also published as: AT325680B; DE2202501C3; JPS5716526B2; NL7300702A; CH553517A; DE2202501A1; DE2240730B1; ATA39573A; DE2261853C3; IT983852B; DE2202501B2; DE2240730C2; JPS4883750A; DE2261853B2

Description

1 R ΠΡ7 1Q7 SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, }o.ull.\dic

!Berlin und München Witteisbacherplatz

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Operationsverstärker mit nachgeschalteter Verstärkerstufe

Die Erfindung betrifft einen Operationsverstärker mit nachgeschalteter Verstärkerstufe.

Aus dem Buch von Tietze und Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, erschienen 1969 im Springer Verlag, insbesondere aus dem Abschnitt "Der NIC (Negativ-Impedanz-Converter) Seiten 169 bis 174 ist es bekannt, zur Herstellung eines negativen Widerstandes einen positiv und negativ rückgekoppelten Operationsverstärker zu verwenden.

Ein Vierpol (NLT-Verstärker) mit negativen Längsund Querwiderständen, welche jeweils durch einen Negativ-Impedanz-Konverter erzeugt sind, ist z.B. aus den Unterrichtsblättern der Deutschen Bundespost, 1957, Nr. 11 bis 12, Seiten 149 bis 154- bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Ausgangsleistung eines gängigen Typs eines Operationsverstärkers durch Nachschaltung einer Verstärkerstufe zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ausgang der durch die miteinander verbundenen Emitter zweier in Gegentakt arbeitender, komplementärer

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Transistoren gebildeten Verstärkerstufe Über einen Widerstand, welcher kleiner als der am Ausgang angeschlossene Lastwiderstand bemessen ist, mit dem durch die zusammen geschalteten Basen der Transistoren gebildeten Eingang der Verstärkerstufe verbunden ist.

Durch diese Haßnahmen entfällt die Notwendigkeit;, zur Erzielung höherer Ausgangsleistungen aufwendige Operationsverstärker in Hybridtechnik einzusetzen, und es entsteht der Vorteil, unter Vermeidung eines großen Aufwandes die Funktion eines Operationsverstärkers durch einen gängigen Typ eines Operationsverstärkers mit einer nachgeschalteten Verstärkerstufe realisieren zu können, welche als Gregentakt-B-Stufe hohe Ausgangsströme zu liefern vermag und Obergabeverzerrungen bei kleinen Austeuerungen dadurch weitgehend vermeidet, daß bei diesen kleinen Aussteuerungen die Ausgangsleistung des Operationsverstärkers am Ausgang der Verstärkerstufe zur Verfügung steht. '

Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung liegt in der eines Negativ-Impedanz-Konverters. Zur Realisierung eines solchen Negativ-Impedanz-Konverters können zwei Rückkopplungsimpedanzen vorgesehen werden, von denen je eine den Ausgang der Verstärterstufe mit einem der beiden Eingangsklemmen des Operationsverstärkers verbindet. Hierbei ist es von großem Vorteil, daß der Operationsverstärker mit der nachgeschalteten Verstärkerstufe auch ohne Gegenkopplung über die gesamte Anordnung ein weitgehend unverzerrtes Ausgangssignal an einem niederohmigen Ausgang aufweist.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt hierbei in

Fig. 1 einen Operationsverstärker mit nachgeschalteter Terstärkerstufe,

Fig. 2 die Ausgangs-Eingangs-Kennlinie der Verstärkerstuf e nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung eines Operationsverstärkers mit nachgeschalteter Verstärkerstufe,

Fig. 4 die Ausgangs-Eingangs-Kennlinie der Verstärkerstufe nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines "bekannten NLT-Vers t ärkeis,

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild eines NLT-Verstärkers mit einstellbaren Negativ-Impedanz-Konvertern,

Fig. 7 und 8 je ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung des Operationsverstärkers mit nachgeschalteter Verstärkerstufe in einem Negativ-Impedanz-Konverter.

Fig. 1 zeigt einen Operationsverstärker OP, welchem eine in Gegentakt-B-Betrieb arbeitende Leistungsstufe nachgeschaltet ist, die aus zwei komplementären Transistoren T1 und T2 besteht. Die - Transistoren T1 und T2 arbeiten in Kollektorbasisschaltung, demgemäß liegt der Kollektor des pnp-Transistors T1 am negativen

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Pol -UB und der Kollektor des npn-Transistors T2 am positiven Pol +UB der Versorgungsgleichspannung. Da die beiden Transistoren T1, T2 zueinander komplementär sind, werden ihre beiden Basen mit der gleichen Wechselspannung angesteuert und bilden zusammengeschaltet den Eingang der Verstärkerstufe, welcher an den Ausgang des Operationsverstärkers OP angeschlossen ist. Die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren T1 und T2 bilden den Ausgang der V_erstärkerstufe und gleichzeitig den Ausgang der gesamten Anordnung, welcher den Lastwiderstand R, speist.

Pig. 2 zeigt die Kennlinie der Abhängigkeit der Ausgangsspannung U. der Verstärkerstife am Lastwiderstand Rt von der Eingangsspannung U_E der in Kollektorbasisschaltung arbeitenden Verstärkerstufe. Die Emitter-Basis-Schwellenspannung der Transistoren von ca. 0,7 V bewirkt, daß erst ab Überschreiten dieser Schwellenspannung eine lineare Zunahme der Ausgangsspannung U. mit dem Ansteigen der Eingangsspannung U« erfolgt, was insbesondere bei kleineren Aussteuerungssignalen einer sehr großen Verzerrung dieses Signals entspricht.

Fig. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung des Operationsverstärkers OP und der nachgeschalteten Verstärkerstufe. Bei dieser Verstärkerstufe ist ausgehend von der Anordnung nach Fig. 1 zwischen den durch die beiden Emitter gebildeten Ausgang und den durch die beulen Basen gebildeten Eingang der Widerstand R. eingeschaltet, welcher kleiner als der am Ausgang angeschlossene Lastwiderstand R^ bemessen ist. Der Widerstand R. bewirkt, daß bei kleinen Aussteuerungen die Ausgangs-

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leistung des Operationsverstärkers OP am Ausgang der Verstärkerstufe zumindest teilweise zur Verfügung steht; die Wirkungsweise kann jedoch auch. als eine Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang der Verstärkerstufe gedeutet werden, welche bei Anieuerspannungen unter 0,7 V im wesentlichen unwirksam bleibt.

Fig. 4 zeigt die Kennlinie der Abhängigkeit der Ausgangsspannung XL· am Lastwiderstand IL. von der Eingangsspannung U·™ bei der Verstärkerstufe nach Pig. 3. Bei einem Zahlenbeispiel für R_L = 200 $L und R. = 80Ü ergibt sich für den Steigungswinkel des durch den Nullpunkt gehenden Teilstückes der Aussteuerungskennlinie:

— = 0,715; H>= 35,5° 280 ^J .

Außerhalb des Bereiches von 0,7 V bleibt ein Steigungswinkel von 45 für die Aussteuerungskennlinie erhalten. Aus dem gesamten Verlauf der Aussteuerungskennlinie folgt eine weitaus geringere Übergabeverzerrung der Anordnung nach Fig. 3 gegenüber der Anordnung nach Fig. 1.

Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen entfällt somit die Notwendigkeit, zum"Zwecke der Erzielung höherer Ausgangsleistungen aufwendige Operationsverstärker in Hybridtechnik einzusetzen und/entsteht der Vorteil, unter Verwendung eines großen Aufwandes die Funktion eines Operationsverstärkers durch einen gängigen Typ eines Operationsverstärkers mit einer nachgeschalteten Verstärkerstufe realisieren zu können, welche als G-egen takt-B-Stuf e hohe Ausgangsströme zu liefern vermag und gleichzeitig die Übergabeverzerrungen gering hält.

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Mit einer zusätzlichen Gegenkopplung der Anordnungen nach Fig. 1 und Fig. 3 kann die Kennlinie noch weiter linearisiert werden. Eine solche zusätzliche Gegenkopplung kann z.B. durch eine Verbindung der Minus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers OP mit einer Anzapfung des Lastwiderstandes R-r erreicht werden. Da aber der Spannungsanstieg über der Zeit bei Operationsverstärkern, die für den Niederfrequenzbereich korapensiert sind, bei <T0,4 V/ y.s liegt_; müßte zur Vermeidung von Übergabeverzerrungen bei der Anordnung nach Fig. 1 die Spannung in Nullzeit um ca. 1,4 V ansteigen. Die zusätzliche Gegenkopplung ist also in diesem Fall für eine Zeitspanne von >-jy4 = 3,5 jäs nicht wirksam und kann während dieser Zeit die Kennlinie nicht linearisieren. Aus Fig. 4 ersieht man, daß der V/iderstand R. den Spannungssprung im Nulldurchgang stark vermindert. Damit kann also bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 3 die Gegenkopplung auch während des Nulldurchgangs die Kennlinie linearieren, so daß die Übergabeverzerrungen noch weiter verkleinert werden.

Fig. 5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines bekannten NLT-Verstärkers, welcher zum Zwecke der reflexionsarmen Dämpfungsverminderung einer Zweidrahtleitung einen negativen Längswiderstand Zi und einen negativen Querwiderstand ΖΛ enthält. Wie bereits eingangs erwähnt, ist es bekannt, diese negativen Widerstände mit Hilfe aktiver Elemente enthaltender Negativ-Impedanz-Konverter zu realisieren.

Fig. 6 zeigt das Prinzipschaltbild eines NLT-Verstärkers mit einstellbaren Negativ-Impedanz-Konvertern C1 und C2. Zum Zweck der gleifcmäßigen Verteilung

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des negativen LängswiderStandes auf die "beiden Adern ist der Übertrager Ü1 vorgesehen, dessen miftelangezapfte Primärwicklung längs in die eine Ader 1-3 und dessen weitere mittelangezapfte Primärwicklung längs in die andere Ader 2-4 der zu entdämpfenden Zweidrahtleitung eingeschaltet ist. An der Sekundärwicklung liegt sodann der durch den Negativ-Impedanz-Konverter C1 realisierte negative Längswiderstand ZJ an.

Der negative Querwiderstand ZA wird durch den Negativ-Impedanz-Konverter C2 realisiert, welcher an der Sekundärwicklung des weiteren Übertragers Ü2 anliegt, dessen Primärwicklung quer zur übertragungsrichtung liegt und die Mittelanzapfung der "beiden Primärwicklungen des Übertragers Ü1 verbindet. Der Übertrager Ü2 hat im wesentlichen nur die Aufgabe, den negativen Widerstand ZA. an die Leitung anzukoppeln, ohne die Leitungssymmetrie zu stören; mit ihm läßt sich aber auch ZA in Stufen an die Leitung anpassen.

Der Negativ-Impedanz-Konverter 01 weist den negativen Konversionsfaktor -oc^ auf und ist mit der im allgemeinen komplexen Impdanz Z1 abgeschlossen. Somit erzeugt dieser Konverter C1 an seinem Eingang, welcher an die Sekundärwicklung des Übertragers Ü1 angeschlossen ist, die negative Längsirapedanz ZJ! = -öi. .· Z, Der zweite Negativ-Impedanz-Konverter 02 weist den negativen Konversionsfaktor -w*, auf und ist mit der im allgemeinen komplexen Impedanz Z2 abgeschlossen. Der Konverter C2 erzeugt an seinem Eingang, an welchen die Sekundärwicklung des Übertragers Ü2 angeschlossen ist, die negative Querimpedanz Z£ = -otp * Zp.

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Im allgemeinen weisen die zu entdämpfenden Leitungen einen ins Gewicht fallenden Frequenzgang der Dämpfung auf, weiden sodann durch einen entsprechenden Frequenzgang der Verstärkung des NLT-Verstärkers begegnet werden soll. Mit Vorteil werden daher die Impedanzen Z1 und Z2 derart ausgestaltet und bemessen, daß sie der Charakteristik der zu entdämpfenden Leitang entsprechen.

Die Anordnung nach Flg. 6 weist nun eine Einrichtung S auf, mit welcher der Konversionsfaktor -⁰^ des ersten Negativ-Impedanz-Konverters C1 und der Konversionsfaktor -<*2 des zweiten Negativ-Impedanz-Konverters C2 nach vorgegebenen Gesetzen gleichzeitig verändert werden können. Dabei ist diese Einrichtung S derart ausgebildet, daß mittels der Einstelleinrichtung S1 eine zueinander proportionale Veränderbarkeit der Konversionsfaktoren gegeben ist, was durch die Bestimmungsgleichung

-oc.

= konstant (bei Einstellung von S1)

beschrieben werden kann. Weiterhin ist die Einrichtung S noch derart ausgebildet, daß mittels der weiteren Einstellvorrichtung S2 eine zueinander reziproke V_eränderbarkeit der Konversionsfaktoren gegeben ist, was durch die Bestimmungsgleichung

= konstant (bei Einstellung von S2)

beschrieben werden kann.

Durch Betätigung der Einstelleinrichtung S1 kann somit der Wellenwiderstand des NLT-Ver stärke rs an den Wellenwiderstand der angeschlossenen Leitung bei

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konstant "bleibender Verstärkung eingestellt werden, so daß die die Höhe und den Frequenzgang der Verstäfcung bestimmenden Netzwerke unverändert bleiben können während der Wellenwiderstand Z an die Wellenwiderstände aller infrage kommenden Leitungen unbelasteter Art angepaßt werden kann. Damit entfällt bei der Inbetriebnahme des NLT-Verstärkers auch die Notwendigkeit, den Leerlauf- und Kurzschlußwiderst? nd der Leitung durch Messungen zu ermitteln bzw. die Einstellgrößen der Netzwerke aus Tabellen, die diesen Leitungen angepaßt sind, zu entnehmen.

Durch Betätigung der Einstelleinrichtung S2 wird die Verstärkung des NLT-Verstärkers bei unverändert bleibendem Wellenwiderstand Z an den beiden Seiten des Vierpols eingestellt, so daß jeweils die frequenzabhängige Dämpfung verschieden langer Leitungslängen bis auf einen relativ geringen Sicherheitsabstand hinziehend genau kompensiert werden kann, ohne daß an den die Prequenzabhängigkeit der Verstärkung bestimmenden Netzwerken etwas geändert zu werden braucht.

Bei der Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen NLT-Verstärkers genügt es, zunächst mit dem Verstärkungsregeler d.h. mit der Einstelleinrichtung S2 die Verstärkung und gleichzeitig damit die dieser Verstärkung fest zugeordnete Entzerrung eizustellen und anschließend durch Weiterdrehen des Verstärkungsregelers den Pfeifabstand zu bestimmen, worauf mit dem Wellenwiderstandschalter, d.h. mit der Einstelleinrichtung S1 durch das jeweilige Peststeilen des Pfeifabstandes der Wellenwiderstand sehr einfach und sicher optimiert werden kann. Der Wert des jeweils erreichten Sicherheitsabstandes vom Pfeifpunkt ist hierbei ohne weiteres Zutun ersichtlich.

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Pig. 7 und 8 zeigen je ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Negativ-Impedanz-Konverter, wobei die Anordnung nach Fig. 7 den Negativ-Impedanz-Konverter C1 zur Erzeugung des negativen Längswiderstandes Z^ und die Anordnung nach Fig. 8 den zweiten Negativ-Impedanz-Konverter 02 zur Erzeugung des negativen Querwiderstandes ZA darstellt.

Beide Negativ-Impedans-Konverter C1 und C2 enthalten jeweils einen Operationsverstärker 0P1 "bzw. 0P2 mit zwei Eingangskleminen, die je über eine Rückkopplungsimpedanz mit der Ausgangsklemme der dem jeweiligen Operationsverstärker nachgeschalteten Verstärkerstufe verbunden sind. Der Operationsverstärker 0P1 in Fig. 7 weist die beiden Rückkopplungsimpedanzen R^₁ und Rp₁ auf, seine nachgeschaltete Verstärkerstufe die Transistoren T11 und T12 sowie den Widerstand Ra₁' Weiterhin weist der Operationsverstärker 0P2 in Fig. 8 die beiden Rückkopplungsimpedanzen R^₂ und Rp^ auf, seine nachgeschaltete Verstärkerstufe die Tiaisistoren T21 und T22 sowie den Widerstand R.p. Dabei 'sind die beiden je eine negative Rückkopplung bewirkenden Rückkopplungsimpedanzen R^₁ und R^ jeweils mit der Minus-Eingangsklemme und die beiden je eine positive Rückkopplung bewirkenden Rückkopplungsimpedanzen Rp₁ und Rp2 jeweils mit der Plus-Eingangsklemme des zugehörigen Operationsverstärkers 0P1 bzw. 0P2 verbunden. Die jeweils nachgeschaltete Yerstärkerstufe entspricht in beiden Fällen der Anordnung nach Fig. 3» wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß der Lastwiderstand Rt nach Fig. 3 bei den Anordnungen nach.den Fig. 7 und jeweils durch die Rückkopplungsimpedanzen Rw₁I Rp₁

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bzw. R₁J₂, Rp₂ ersetzt ist. Hinsichtlich der Wirkungsweise der Riiekkopplungsimpedanzen ist es von großem Vorteil, daß der jeweilige Operationsverstärker einschließlich der nachgeschalteten Verstärkerstufe auch ohne Gegenkopplung über die gesamte Anordnung ein weitgehend unverzerrtes Ausgangssignal an einem niederohmigen Ausgang, d.h. an den miteinander verbundenen Emittern, aufweist. Jeweils eine der beiden Eingangskieramen der Operationsverstärker 0P1 und 0P2 ist über eine weitere Impedanz Z1 bzw. Z2 mit dem Bezugspotential des zugehörigen Operationsverstärkers verbunden, während die andere Eingangsklemme gegenüber dem Bezugspotential den jeweiligen negativen Widerstand ZJ bzw. ZA aufweist. '

Der Konverter 01 nach Fig. 7 hat die Eigenschaft, daß der erzeugte negative Längswiderstand ZJ leerlaufstabil ist, d.h. das auch bei Leerlauf einer oder beider Übertragungsri'chtungen der Doppelleitung keine Selbsterregung eintritt. Dies ist dadurch erreicht, daß die weitere Impedanz Z1 zwischen die Plus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers 0P1 und dessen Bezugspotential eingeschaltet und außerdem so ausgebildet ist, daß bei Leerlauf der Minus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers OP1 die gegenkoppelnde Wirkung der Rückkopplungsimpedanz R«.. die positivrückkoppelnde Wirkung der Rückkopplungsimpedanz Rp. überstei^;.

Der Operationsverstärker 0P2 nach Pig. 8 hat die Eigenschaft, daß der erzeugte negative Querwiderstand ZA kurzSchlußstabil ist. Dies ist dadurch erreicht, daß die weitere Impedanz Z2 zwischen die Minus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers

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0P2 und dessen Bezugspotential eingeschaltet und außerdem so ausgebildet ist, daß bei Kurzschluß der Plus-Eingangsklemme des Operationsverstärkers 0P2 die gegenkoppelnde Wirkung der Rückkopplungsimpedanz R^₂ die positiv rückkoppelnde Wirkung der Rückkopplungsimpedanz Rp« übersteigt.

Die Konversionsfaktoren -^₁ und -ou lassen sich sowohl durch die eine positive Rückkopplung bewirkende als auch durch die eine negative Rückkopplung "bewirkende Rückkopplungsimpedanzen einstellen. Man kann also z.B. die Änderung der beiden je eine negative Rückkopplung bewirkenden Impedanzen **N1' **N2 ^um ^^en gleichen Faktor zur Einstellung des Wellenwiderstandes Z und die Änderung des Verhältnisses der eine positive Rückkopplung bewirkenden Impedanzen ^Rp^/Rp2 ^te* β¹⁶*⁰⁰^³·⁶*¹³⁶¹¹^¹¹¹ Produkt Rpi'Rpp ^zur Einstellung der Verstärkung benutzen, ohne daß eine gegenseitige Beeinflußung auftritt. Es sind daher die glefchzeitig veränderbaren Elemente der beiden Negativ-Impedanz-Konverter C1 und C2 vorteilhafterweise durch je eine Rückkopplung impedanz der beiden Operationsverstärker 0P1 bzw. 0P2 realisiert.

4 Patentansprüche
8 Figuren

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Claims

Paten tan. sprüche

1. Operationsverstärker mit nachgeschalteter Ver-stärkerstufe, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der durch die miteinander verbundenen Emitter zweier in Gegentakt arbeitender, komplementärer Transistoren (T1,T2) gebildeten Verstärkerstufe über einen Widerstand (R. ), welcher kleiner als der am Ausgang angeschlossene Lastwiderstand (Ry) bemessen ist, mit dem durch die zusammengeschalteten Basen der Transistoren (T1,T2) gebildeten Eingang der Verstärkerstufe verbunden ist (Pig. 3).

2. Operationsverstärker nach Anspruch 1 g e k e η η zeichnet durch zwe i Rückkopplungsimpedanzen (%-jj Rp₁ bzw. R_N2» %2^ » von denen je eine den Ausgang der Verstärkerstufe mit einem der beiden Eingangsklemmen des Operationsverstärkers (0P1 bzw. OP2) verbindet (Fig. 7 und 8). " ' ■ *

3. Operationsverstärker nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die . Verwendung als Negätiv-Impedanz-Konverter (Pig. 7 und8).

4. Operationsverstärker nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch die Erzeugung eines negativen Widerstandes eines aus negativen Widerständen bestehenden Vierpols zur reflexionsarmen Dämpfungsverminderung einer Zweidrahtleitung (Pig. 6).

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