DE2856044A1

DE2856044A1 - Nichtinvertierender verstaerker mit niedriger eingangsimpedanz

Info

Publication number: DE2856044A1
Application number: DE19782856044
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Scholz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson oHG
Priority date: 1978-12-23
Filing date: 1978-12-23
Publication date: 1980-07-03
Also published as: DE2856044C2; JPS5590111A; US4331927A

Description

- 3 .- H 78/64

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Theodor-Stern-Kai 1, 6OOO Frankfurt/Main 70

Hannover, den 15.12.1978 KE2-Kör/ds H 78/64

Nicbtinvertierendsr Verstärker mit Oiedriger Eingangsimpedanz

Die Erfindung bezieht sich auf einen nicht invertier end en Verstärker gemäß dem Oberfoegriff des Patentanspruchs 1.

Bei vergleichbarer äußerer Beschaltung weisen ein als invertierender Verstärker geschaltetex· Differenzverstärker und ein als nichtinvertierender Verstärker geschalteter Differenzverstärker Unterschiede auf hinsichtlich des Verstärkungsfaktors und der Eingangsimpedanz. In manchen Anwendungsfällen istVerwünscht, über die Eigenschaften eines invertierenden Verstärkers zu verfügen (Eingangsimpedanz Ri gegen Null, Eingang als Stromsummenpunkt verwendbar) aber keine Invertierung der Signale zu erhalten. In diesem Fall ist es üblich, zwei invertierende Verstärker hintereinander zu schalten.

Es hat sich gezeigt, daß diese Maßnahme hinsichtlich des Frequenz- und Phasenganges nicht unkritisch ist. Dies macht sich besonders dann unangenehm bemerkbar, wenn die erwähnte Schaltung in einem geschlossenen Regelkreis angeordnet wird. Eine derartige Anordnung kann zu Eigenschwingungen neigen,

030027/0426

- k - , Η 78/64

die zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen erfordern. Diese Schwingneigung hat folgende Ursache: Die aus den Schaltungs- und Transistorkapazitäten gebildeten Tiefpässe ergeben bei Hintereinanderschaltung zweier Differenzverstärker einen steileren Phasengang, so daß schon bei niedrigeren Frequenzen eine kritische Phasendrehung des Eingangssignals erreicht wird als dies bei Verwendung nur eines Differenzverstärkers der Fall sein würde. Darüber hinaus multiplizieren sich die Leerlaufverstärkungen der Differenzverstärker. Im Ergebnis führen die stärkere Phasendrehung und die höhere Leerlaufverstärkung dazu, so daß die Schwingbedingung des geschlossenen Regelkreises mit höherer Wahrscheinlichkeit erreicht wird.

Ist z.B. ein solcher Verstärker im Gegenkopplungsweg eines weiteren Verstärkers angeordnet, um die von einem Stellglied verursachte hohe Dämpfung auszugleichen, so ist beim einstufigen Verstärker die Schwingneigung wesentlich vermindert. Begründung: Die für das Schwingen erforderliche Phasendrehung kann erst bei wesentlich höheren Frequenzen auftreten. Die mit der steigenden Frequenz verbundene Abnahme der ohnehin geringeren Leerlaufverstärkung führt dazu, daß die für das Schwingen erforderliche Schleifenverstärkung nicht mehr erreicht wird.

Aber auch dann, wenn die Anordnung nicht in einem geschlossenen Regelkreis betrieben wird, kann die lange Signallaufzeit und die mangelnde Phasenkonstanz über einen bestimmten Frequenzbereich in manchen Anwendungsfällen nachteilig sein. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen nichtinvertierenden Verstärker zu schaffen, der eine Eingangsimpedanz und eine frequenzabhängige Phasendrehung zwischen Ausgangssignal und Eingangssignal aufweist,

Λ- - 5 -

030027/0426

- 5 - H 78/64

dii?^v/gleich oder kleiner derjenigen bei einem vergleichbaren invertierenden Verstärker ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im Kennzeichen angegebenen Merkmale- gelöst.

Unter dem Begriff Verstärker sind aktive Übertragungsezurichtungen zu verstehen. Dabei ist auch der Fall mit eingeschlossen, daß der Verstärkungsfaktor gleich oder kleiner als 1 bemessen ist.

Die Erfindung hat folgende Vorteile:

1. Eingang und Ausgang der erfindungsgemäßen Schaltung können wie bei einem invertierenden Verstärker angeschlossen werden (Patentanspruch l).

2. Im Signalweg liegt nur ein Verstärker, so daß zwischen Eingang und Ausgang nur die Schaltungs- und Transistorkapazitäten dieses Verstärkers wirksam sind (Patentanspruch l).

3. Die Schaltungs- und Transistorkapazitäten des im Gegenkopplungsweg liegenden Verstärkers wirken dem Phasengang des im Signalweg liegenden Verstärkers entgegen.

4. Wegen der guten Phasenkonstanz bewirkt die Schaltung, sofern sie in einem geschlossenen Regelkreis angeordnet ist, eine hohe Sicherheit gegen Schwingen (Patentanspruch 6).

5· Die Schaltung ist als Summierer verwendbar (Patentanspruch

10).
6. Die Schaltung eignet sich in einem Mehrbandkompander zur Vereinigung der in getrennten Kanälen verarbeiteten Signale (Patentanspruch ll).

Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.

- 6 030027/0426

2856Q44

- 6 - H 78/64

Ausfühi'uiigsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher erläutert.

Fig. la zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Differenzverstärkern und

Fig. Ib die bisher gebräuchliche Lösung.

Fig. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel der er findung s gemäß en Schaltung im Gegenkopplungs- bzw. Signalweg eines Zweibandkompanders.

Die Schaltung in Fig. la enthält einen als nichtinvertierenden Verstärker geschalteten Differenzverstärker 9 im Signalweg zwischen einer Eingangsklemme 1 und einer Ausgangskiemme l6. Im Segenkopplungsweg ist ein weiterex' als invertierender Verstärker geschalteter Differenzverstärker 5 angeordnet. Die Eingangssignale U gelangen über die Eingangsklemme 1 und einen Widerstand 2 an den nichtinvertierenden Eingang 10 des Differenzverstärkers 9· Der invertierende Eingang 11 des Differenzverstärkers ist mit- einer Klemme 13 an eine erste Bezugsspannung U_R _ gelegt. Die den Verstärker durchlaufenden Signale sind am Ausgang 12 über die Ausgangsklemme l6 als Ausgangssignale U abgreifbar. Die Ausgangssignale gelangen außerdem über einen Widerstand 15 an den invertierenden Eingang 7 des im Gegenkopplungsweg liegenden Differenzverstärkers 5· Der nichtinvertierende Eingang 8 des Differenzverstärkers ist über eine Klemme l4 an eine zweite Bezugsspannung U_R _₂ gelegt. Der Verstärkungsfaktor des im Gegenkopplungsweg angeordneten Verstärkers ist durch das Verhältnis der Widerstandswerte eines zwischen dem Ausgang 6 und dem invertierenden Eingang 7 angeordneten Widerstandes k und dem Wert des Widerstandes 15 einstellbar. Die am Ausgang 6 des invertierenden Verstärkers 5 auftretenden Gegenkopplungssignale werden über einen Widerstand 3 dem nichtinvertierenden Eingang 10 des im Signalweg liegenden Differenzverstärkers 9 zugeführt.

·■ 7 ·»

030027/0426 .-;

2856Q44

- 7 - H 78/64

Da der invertierende Eingang 11 an einer festen Bezugsspaiunmg liegt und zwischen dem invertierenden Eingang 11 und dsm nichtinvertierenden Eingang 10 wegen der hohen Leerlaufverstärkung des Verstärkern 9 praktisch keine Spannungsdifferenz; besteht, besitzt der Eingang 10 nahezu die Impedanz Null» Damit weist dieser Eingang die gleichen Eigenschaften auf wie der invertierende Eingang eines in üblicher Weise gegengekoppelten Differenzverstärkers.

Bei großer Verstärkung der Schaltung muß der Gegenkopplungsweg des Verstärkers 9 eine entsprechend hohe Dämpfung aufweisen. Dabei ist zweckmäßig der Verstärker so zu beschälten, daß seine Verstärkung kleiner als 1 ist. Unter der Voraussetzung, daß die Differenzverstärker 9 und 5 gleiche Eigenschaften haben, ergibt sich dann, daß der Verstärker 5 auch am Ende des Übertragungsbereiches der Schaltung als nahezu idealer Inverter arbeitet. Der Übertragungsbereich der Schaltung wird dann in gleicher Weise wie bei einer Schaltung mit nur einem als invertierender Verstärker beschalteten Verstärker mit Spannungsgegenkopplung durch den im Signalweg liegenden Verstärker bestimmt. Die erfindungsgemäße Schaltung ist also das echte Gegenstück zu der bekannten invertierenden Schaltung. Es können auch bestimmte Frequenz- und Phasengänge durch entsprechende Einfügung komplexer Widerstände erreicht werden.

Wird z.B. in einer kritischen Regelschleife ein nichtinvertierender Summierverstärker benötigt, wo es bisher üblich war, zwei invertierende Verstärker hintereinanderzuschalten, so bringt die erfindungsgemäße Schaltung bei gleichem Schaltungsaufwand Vorteile für die Stabilität. Zum Vergleich ist in Fig. Ib die bekannte Schaltung gegenübergestellt, wobei die Ziffern der Schaltungselemente mit einem Index versehen sind. Bei gleicher Bemessung der Widerstände besitzen die

- 8 0 3 0 0 27/0426

- 8 - H 78/64

Schaltungen im unkritischen Frequenzbereich die gleiche Verstärkung.

Ein Beispiel für eine Schaltung, die im Gegenkopplungsweg einen nichtinvertierenden Verstärker benötigt, zeigt die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung zur automatischen Dynamik-Kompression oder -Expansion. Dem Kompander werden die Eingangssignale über eine Eingangsklemme 17 zugeführt und über einen Kondensator 18 an den nichtinvertierenden Eingang 21 eines Differenzverstärkers 20 angelegt. Zwischen dem liichtinvertierenden Eingang 21 und Masse ist ein Widerstand 19 angeordnet, der zur Festlegung eines bestimmten Eingangswiderstandes dient. Von dem Ausgang 23 des Differenzverstärkers 20 ist ein Gegenkopplungsweg zu dem invertierenden Eingang 22 geführt. In der Betriebsart "Kompression" verläuft der Gegenkopplungsweg für unterschiedliche Frequenzbänder getrennt, einerseits über eine steuerbare FiIteranordnung 331 andererseits über eine steuerbare Filteranordnung 47- zu dem nichtinvertierenden Eingang 10 der erfindungsgemäßen Schaltung. . Hinter dem Ausgang 12 der Schaltung verläuft der Gegenkopplungsweg weiter über einen Kondensator 32, einen ersten Schalter 29, einen zweiten Schalter 27, einen weiteren Kondensator 26 und einen Widerstand 24 an den invertierenden Eingang 22 des Differenzverstärkers 20. Durch den niederohmigen Ausgang 12 wird der direkte Gegenkopplungsweg über die Widerstände 24,25 für das Signal unterbrochen. Dieser Weg dient nur noch zur Einstellung des Arbeitspunktes. ·

Der Signalweg verläuft vom Ausgang 23 des Differenzverstärkers 20 über einen Kondensator 28 zu einer Ausgangsklemme 31· An dieser Ausgangsklemme sind bei der Betriebsart "Kompression" die komprimierten Niitzsignale abgreifbar. In der Betriebsart "Expansion" wird der Schalter 27 in die nichteingezeichnete Stellung gelegt. Der Gegenkopplungsweg

030027/0426

- 9 - H 78/64

des Differenzverstärkers 20 verläuft dann vom Ausgang 23 über die Widerstände 25 und 24 zum invertierenden Eingang 22. Die

bei'der Betriebsart "Kompression" im Gegenkopplungsweg liegenden Schaltungselemente sind bei "Expansion" im Signalweg angeordnet. Der Signalweg verläuft dann vom Ausgang 23 des Differenzverstärkers 20 über die Filter 33 bzw. 47 zu dem nichtinvertierenden Eingang 10 der erfindungsgemäßen Schaltung und weiter vom Ausgang 12 über den Kondensator 32 sowie den Schalter 29 zu der Ausgangsklemme 30· Wird der Schalter 29 in die nichteingezeichnete Stellung gebracht, so ist der Kompander unwirksam und die an der Eingangsklemme 17 anliegenden Eingangssignale werden mit der konstanten Verstärkung 1 über den Differenzverstärker 20 und den Kondensator 28 an die Ausgangsldemmen 30 und 31 geführt.

Bei eingeschaltetem Kompander wird das Frequenzband in zwei Bereiche unterteilt. Die höheren Frequenzen werden von einem steuerbaren Ilochpaßfilter 47 verarbeitet. Dieses Filter besteht aus dem eigentlichen Hochpaß mit einem Kondensator 48 und einem Spannungsteiler an den Widerständen 49 und 50 einerseits sowie dem elektronisch steuerbaren Widerstand 51 andererseits. Über diesem steuerbaren Widerstand 51 werden die Signale an den als Strorasummenpunkt dienenden nichtinvertierenden Eingang 10 des Differenzverstärkers 9 geführt. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Widerstände 49,50 und ist außerdem mit einem Zweigweg verbunden, in dem die Dynamik auf den Wert Null heruntergeregelt wird. Im Zweigweg liegen ein Bewertungsfilter 52, ein als Pegelsteller dienendes Trimmpotentiometer 53 und ein invertierender Verstärker 55» dessen Verstärkung durch einen steuerbaren Widerstand 54 steuerbar ist. Die Ausgangssignale, deren Amplitude im stationären Zustand konstant ist, werden über einen Spannungsteiler aus den Widerständen 56 und 57 einem Steuerspannungserzeuger 58 zugeführt. Dieser Steuerspannungserzeuger

- 10 -

0300-27/0426

- 10 - H 78/64

gewinnt eine Steuergleichspannung, mit der die steuerbaren Widerstände 51 und 54 in gleicher Weise steuerbar sind und zwar im Sinne einer Widerstandsverminderung bei zunehmender Nutζsignalamplitude.

Die niedrigen Frequenzen werden von einem steuerbaren Tiefpaßfilter 33 verarbeitet. Dieses Tiefpaßfilter besteht aus dem eigentlichen Tiefpaß mit dem Widerstand 35 und dem Kondensator 3^· Die über das Tiefpaßfilter gelaufenen Signale werden über einen Impedanzwandler mit dem Differenzverstärker 36 einem Spannungsteiler mit den Widerständen 37 und 38 zugeführt. Vom Abgriff des Spannungsteilers werden die Signale über einen steuerbaren Widerstand 39 dem als Strom« summenpunkt dienenden invertierenden Eingang 10 des Differenzverstärkers 9 zugeführt.

Entsprechend dem Zweigweg beim Hochpaßfilter ist auch beim Tiefpaßfilter ein Zweigweg mit dem Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen 37 und 38 verbunden. Die Signale werden über ein Bewertungsfilter 40 und ein Trimmpotentiometer 4l einem Verstärker 42 zugeführt, dessen Verstärkung über einen steuerbaren Widerstand 43 steuerbar ist. Am Ausgang des Verstärkers 42 sind im stationären Zustand Signale konstanter Amplitude abgreifbar. Diese Signale werden über einen Spannungsteiler aus den Widerständen 44 und 45 einem weiteren Steuerspannungserzeuger 46 zugeführt, der die steuerbaren Widerstände 39 und 43 steuert.

Es ist auch möglich, den Frequenzbereich des Nutzsignals in weitere Frequenzbänder aufzuteilen und die Signale über weitere Bandpaßfilter und steuerbare Widerstände dem genannten Summenpunkt zuzuführen. Voraussetzung dafür ist eine niedrige Eingangsimpedanz des angeschlossenen Verstärkers 9· Ebenso ist es möglich, durch Einfügen komplexer Widerstände in die erfindungsgemäße Schaltung, eine Pr©- bzw. De-Emphasis zu erzielen*

0 30027/042 6

Leerseite

Claims

H 78/64

Patentansprüche

Nichtinvertierender Verstärker mit niederohmigera Eingang (Suiüini erver stärker) , dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rückkopplung svreg zwischen dem Ausgang (12) und dem nichtinvcrtierenden Eingang (lO) ein invertierender Verstärker (5) angeordnet ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtiirvertierende Verstärker (9) und der invertierende Verstärker (5) als Differenzverstärker ausgebildet sind.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Nutzsignalweg (l,l6) liegende Differenzverstärker (9) mit seinem invertierenden Eingang (ll) an einer ersten Bezugsspannung (U_R „ ) liegt.
4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß der im Rüeltkopplungswög liegende Differenzverstärker (5) mit seinemSinvertierenden Eingang (8) an einer zweiten Bezugsspannung (U_R ) liegt.
5· Schaltung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Bezugsspannung gleich sind.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung im Rückkopplungsweg eines weiteren Verstärkers (20) angeordnet ist.
7· Schaltung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung in einer Schaltungsanordnung zur wahlweisen Dynamik-Kompression oder-Expansion in der einen Betriebsart im Gegenkopplungsweg eines Verstärkers (20) und in der anderen Betriebsart im Signalweg angeordnet ist.

030027/0426

- 2 - H 78/64
8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung bei Kompression im Gegenkopplungsweg und bei Expansion im Signalweg dss Verstärkers (20) angeordnet ist.
9. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung bei Expansion im Gegenkopplungsweg und^Kompression im Signalweg des Verstärkers (20) angeordnet ist. ·
10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet , daß dem nichtinvertierenden Eingang (10) der Schaltung wenigstens zwei Eingangsgrößen zugeführt sind und der Eingang (lO) als Stromsummenpunkt für diese Eingangsgrößen dient.
11. Schaltung nach einem der Ansprüche 7-9» dadurch gekennzeichnet , daß mit dem nichtinvertierenden Eingang (10) der Schaltung die Ausgänge von steuerbaren frequenzselektiven Filtern (33i^7) verbunden sind.

030027/Q42Ö