DE3101846A1

DE3101846A1 - Programmierbarer steilheitsverstaerker

Info

Publication number: DE3101846A1
Application number: DE19813101846
Authority: DE
Inventors: Philip Stephen 97219 Portland Oreg. Crosby
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1980-01-21
Filing date: 1981-01-21
Publication date: 1981-12-17
Also published as: CA1160752A; FR2474253A1; US4335356A; JPH0217963B2; JPS56110314A; NL8100150A; GB2068186A; GB2068186B

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen programmierbaren Steilheitsverstärker, insbesondere einen programmierbaren Zweiquadranten-Steilheitsverstärker.

Digitalprogrammierbare Verstärker werden in der Elektronik in zunehmendem Umfang verwendet. Sie werden beispielsweise zur Steuerung der Signalamplitude in programmierbaren Signalform-Generatoren benutzt. Weiterhin können sie auch zur Erzeugung spezieller Signalformen, wie beispielsweise Stufen-, Sägezahn- oder Dreieckssignale, mit steuerbarer Amplitude und Frequenz verwendet werden. Wird ein Regenerationszähler zur Ansteuerung des Steuereingangs des Verstärkers benutzt, so kann ein durch seine parametrische Zeitgleichung repräsentiertes parabelförmiges Signal erzeugt werden. Dieses grundlegende parabelförmige Signal kann sodann zur Erzeugung anderer konischer Abschnitte für graphische Anzeigen verwendet werden. Weitere Anwendungsfälle sind die Steuerung digitaler Filter sowie parametrische Schaltung und Optimierung.

Gemäß konventionellen Techniken werden Verstärker mit gesättigten TransistorSchaltungen verwendet, bei denen jedoch eine genaue Steuerung der Nullpunktverschiebungs-Spannungen (Offset-Spannungen) erforderlich ist. Derartige Verstärker sprechen jedoch nur langsam auf Steuereingangssignale an und sind schwierig abzugleichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere in Zweiquadranten arbeitenden digitalprogrammierbaren Steilheitsverstärker anzugeben, dessen Frequenzcharakteristik sich mit der programmierten Verstärkung nicht ändert.

Diese Aufgabe wird bei einem programmierbaren Steilheitsverstärker der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

Eine Empfangsstufe zum Empfang eines zu verstärkenden Signals,

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eine Verstärkerstufe zur Erzeugung zweier Ausgangsströme, die zueinander um 180° in der Phase verschoben sind, eine erste Schaltung zur Umwandlung eines digitalen Steuersignals in ein Analogsignal mit einem an einen Ausgang der Empfangsstufe angekoppelten Referenzeingang, mit einem an einen Eingang der Verstärkerstufe angekoppelten analogen Ausgang und mit digitalen Steuersignaleingängen, und eine zweite Schaltung zur Umwandlung eines digitalen Steuersignals in ein Analogsignal mit einem an einen weiteren Ausgang der Empfangsstufe angekoppelten Referenzeingang, mit . ■ einem an einen weiteren Eingang der Verstärkerstufe angekoppelten analogen Ausgang und mit digitalen Steuersignaleingängen, die jeweils an einen unterschiedlichen digitalen Steuersignaleingang der ersten Wandlerschaltung angekoppelt sind.

Bei dem vorstehend definierten erfindungsgemäßen Steilheitsverstärker sind gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zwei konventionelle Digital-Analog-Wandler, welche normalerweise zur überführung eines Digital-Kodes in einen Analogstrom verwendet werden, zur digitalen Wichtung eines Analogsignals vorgesehen, um einen steuerbaren Ausgangsstrom zu erzeugen. Der Verstärker wirkt als rückgekoppelter Verstärker mit einer sehr, großen Bandbreite. Darüber hinaus ist seine Frequenzcharakteristik unabhängig von der digital gewählten Verstärkung. ·

Weitere Ausgestaltungen des Erfindüngsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden gemäße den Figuren der Zeichnung anhand eines bekannten Verstärkers sowie einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstärkers näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten digitalprogrammierbaren

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Verstärkers, anhand dessen die-durch die Erfindung erzielbaren Vorteile erläuterbar sind; und

Fig. 2 ein teilweise in Blockform ausgebildetes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Verstärkers.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten bekannten digitalgesteuerten Verstärker ist die Steilheit bzw. die Verstärkung durch ein in die Basen von Schalttransistoren 10 bis 80 eingespeiste. 8-Bit-Digitalsteuersignal A -A_ wählbar.

Die Hälfte eines Eingangssignals V . wird über einen Spannungsteiler 100, 110 in einem nicht-invertierenden Eingang eines Verstärkers 120 eingespeist. Ein invertierender Eingang dieses Verstärkers ist über einen Widerstand 105 an die Signalquelle angekoppelt. Der Wert dieses Widerstandes ist gleich dem Wert eines Widerstandes 115. Weiterhin ist der invertierende Eingang über die durch das 8-Bit-Digitalsteuersignal gesteuerten Transistorschalter 10 bis 80 und eine Folge von acht binär gewichteten Widerständen 5 bis 75 an Masse gekoppelt.

Von primärer Bedeutung bei der Auslegung des Verstärkers nach Fig. 1 ist die Einführung eines genauen Schaltersystems. Die Schalter müssen eine sehr kleine Spannung im geschlossenen Zustand und einen sehr kleinen Strom im offenen Zustand ermöglichen. Daher wird jeweils ein invers geschalteter und in Sättigung betriebener bipolarer Transistor als Schalter verwendet. In Schaltungen dieser Art kann der Prozentsatz des Fehlers im Ausgangssignal jedoch für Eingangsspannungen unterhalb von 10 Millivolt 10 % übersteigen. Dieser Fehler stellt den Prozentsatz der Abweichung von einer idealen Transferfunktion dar. Eine vollständige Beschreibung der vorstehend erläuterten bekannten Schaltung findet sich in "Electronic Engineering", März 1969, Seiten 362 bis 365.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform eines er-

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3 IUΊ

findungsgemäßen Verstärkers wird das Eingangssignal V . für den Verstärker auf die Basis eines PNP-Transistors 150 gekoppelt. Der Kollektor dieses Transistors 150 liegt über einen Widerstand 155 an einer Quelle negativen Potentials. Der Emitter des Transistors 150 ist an den Emitter eines PNP-Transistors 160 gekoppelt. Der Verbindungspunkt dieser beiden Emitter liegt an einer Klemme einer Konstantstromquelle 170. Die andere Quelle dieser Konstantstromquelle liegt an Masse. Der Kollektor des Transistors 160 ist über einen Widerstand 165, dessen Wert gleich dem des Widerstandes 155 ist, an die Quelle negativen Potentials angekoppelt. Damit sind die Transistoren 150 und 160 als Transistorpaar nach Art eines Differenzverstärkers geschaltet. Die Ausgangsklemme dieses Differenzverstärker-Paars, d.h. die Kollektoren sind jeweils an eine Referenzschleife eines gesonderten vervielfachenden Digital-Analog-Wandlers angekoppelt.

Die mit 200 bzw. 300 bezeichneten Digital-Analog-Wandler sind als konventionelle Schaltungen, in denen geschaltete Stromquellen verwendet werden, in Blockform dargestellt. Digital-Analog-Wandler dieser Art sind an sich bekannt. Sie erzeugen als Funktion eines digitalen Eingangssteuersignals einen analogen Ausgangsstrom. Für jedes Bit des Digital-Analog-Wandlers ist natürlich ein Stromschalter vorgesehen. Abhängig vom Pegel von SteuereingangsSignalen A-A schaltet der Stromschalter einen binärgewichteten Strom entweder auf eine Referenzklemme 130 oder eine Ausgangssammelleitung. Eine logische Null bewirkt dabei die Schaltung des Stroms auf eine Klemme 130. Eine detaillierte Beschreibung einer Analog-Digital-Wandlung findet sich in "Analog-Digital Conversion Handbook", herausgegeben von D.H. Sheingold, 1972 durch Analog Devices, Inc.

Im Digital-Analog-Wandler 200 bilden Transistoren 210 und sowie Widerstände 205 und 225 die Referenzschleife. Die Referenzschleife wird jeweils durch Stufen 220, 230, 240 usw.

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gebildet. Speziell entspricht der Transistor 210 den Stromschaltern und der Transistor 215 sowie der Widerstand 225 den binärgewichteten Stromquellen. Der Digital-Wandler 300 ist mit dem Digital-Analog-Wandler 200 identisch, wobei Stufen 305 bis 340 den Stufen 205 bis 240 entsprechen. Weiterhin sind die Steuereingänge der Digital-Analog-Wandler 200 und 300 so geschaltet, daß sie jeweils das gleiche digitale Steuersignal aufnehmen.

Der Kollektor des Transistors 150 ist mit der Referenzschleir fe des Digital-Analog-Wandlers 200 und der Kollektor des Transistors 160 mit der Referenzschleife des Digital-Analog-Wandlers 300 gekoppelt. Die Klemme 130 liegt an einer mit V_REF bezeichneten Quelle für ein stabiles Gleichspannungs-Referenzpotential sowie an den beiden Referenzschleifen.

Eine Ausgangs-Sammelleitung 250 des Digital-Analog-Wandlers 200 sowie eine Ausgangs-Sammelleitung 350 des Digital-Analog-Wandlers 300 sind an einen Stromspiegelverstärker 400 angekoppelt, welcher ermöglicht, daß der Verstärker in zwei Quadranten arbeiten kann. Der Begriff "Stromspiegelverstärker" bezieht sich hier auf Transistorverstärker mit einer invertierenden Stromverstärkung, welche unabhängig von der einzelnen Vorwärtsstromverstärkung von Transistoren in Emitterschaltung ist. Dies erfolgt in konventioneller Weise auf der Basis des Verhältnisses der Steilheiten eines ersten und eines zweiten Transistors. Die beiden Transistoren liegen mit ihren Emittern an einer gemeinsamen Klemme des Stromspiegelverstärkers, während die Kollektoren an die Eingangsklemme bzw. die Ausgangsklemme des Stromspiegelverstärkers angekoppelt sind. Die Basen dieser Transistoren sind an den Kollektor des ersten Transistors angekoppelt. Der erste Transistor ist durch Kopplung seines Kollektors mit seiner Basis mit einer direktgekoppelten Kollektor-Basis-Rückkopplung versehen, wodurch sein Basis-Emitter-Potential so justiert wird, daß dieser erste Transistor im wesentlichen den gesamten Eingangsstrom des

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Stromspiegelverstärkers als Kollektorstrom führt. Wegen der gleichartigen Basis-Emitter-Potentiale des ersten und des zweiten Transistors ist der über die Ausgangsklemme des Stromspiegelverstärkers fliessende Kollektorstrom des zweiten Transistors im gleichen Verhältnis auf den Eingangsstrom bezogen, wie die Steilheit des zweiten Transistors auf die des ersten Transistors bezogen ist.

Der Stromspiegelverstärker 400 stellt eine Verbesserung gegenüber der oben beschriebenen Schaltung dar. Eine solche Schaltung ist in der US-PS 3 939 434 beschrieben.

Das Eingsngssignal wird über eine Leitung 140 in den Verstärker eingegeben, welche mit dem Eingang des nach Art eines Differenzverstärkers geschalteten Transistorpaars 150, 160 gekoppelt ist. Die Polarität des am Widerstand 155 auftretenden Signals ist der Polarität des Eingangssignals entgegengerichtet. Dieses Signal wird auf die Basis des Transistors 160 gekoppelt (welcher die andere Hälfte des nach Art eines Differenzverstärkers geschalteten Transisterpaars bildet) . Dabei ist vom Kollektor des Transistors 150 auf die Basis des Transistors 160 ein Gegenkopplungszweig vorhanden (welcher über einen Widerstand 225, einen Transistor 215, einen Transistor 210 und einen Widerstand 205 führt). Der Strom in der Referenzschleife des Digital-Analog-Wandlers 200 kann durch folgende Beziehung ausgdrückt werden:

¹REF " ^VREF -^Vein
R

darin bedeutet:

R den Wert des Widerstandes 205.

In den Referenzschleifen der Digital-Analog-Wandler 200 und 300 wird somit ein Gegentaktstrom erzeugt. Da diese Digital-

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Analog-Wandler identisch sind und der Wert des Widerstandes 205 gleich dem Wert des Widerstandes 305 ist, sind die Referenzströme gleich und gegensinnig. Daher ist der Strom durch die Referenzschleife des Digital-Analog-Wandlers 300 durch folgende Beziehung definiert:

"¹REF ⁼ "⁽ⁱREF^{) (2)}

Der Strom durch den Stromschalter für jedes Bit der Digital-Analog-· Wand ler 200 und 300 ist entweder ein Vielfaches des entsprechenden Referenzstromes oder Null. Wenn die Spannung am Steuereingang eine logische Eins ist, so ist mit anderen Worten der durch den Schalter fließende Strom der mit der binären Wichtung des Bits multiplizierte Referenzstrom. Ist die Spannung am Steuereingang gleich einer logischen Null, so ist der Strom durch den Schalter gleich Null. Die Ausgangsströme der Digital-Analog-Wandler können durch folgende Beziehungen ausgedrückt werden:

1₁ = i_REFKP (3)

1₂ = i_REFKP (4) darin bedeutet:

K eine die schrittweise Änderung der Verstärkung repräsentierende Konstante und P das dezimale Äquivalent des digitalen Steuersignals. Für ein n-Bit-Binär-Signal ist P durch folgende Beziehung gegeben:

P = 2° + 2¹ + 2² ₊ ... 2ⁿ"¹ (5)

^Ao ^A1 ^A2 n-1

Damit wird die Transferfunktion des Verstärkers durch das in die Eingänge A -A eingespeiste digitale Steuersignal gewählt. Ein Betrieb in Zweiquadranten wird durch die Stromspiegelwirkung von Transistoren 440 und 450 gewährleistet, wie dies in der vorgenannten US-PS 3 939 434 beschrieben ist. Der Ausgangsstrom auf einer Leitung 500 ist durch folgende

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JIUI ö<*0

- 10 Beziehung gegeben:

"""aus " ~¹2 ^{+ 1}1 (6)

Im Bedarfsfall kann der Ausgangsstrom i in konventioneller Weise in eine Spannung überführt werden. Eine derartige Spannung kann beispielsweise an einem Lastwiderstand oder an einem Summationsknoten eines rückgekoppelten Operationsverstärkers erzeugt werden. Die resultierende Schaltung erzeugt dann eine programmierbare Ausgangsspannung.

Die vorstehenden Ausführungen zum Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verstärkers sollten nicht durch detaillierte Ausführungen hinsichtlich Schaltungseinzelheiten, wie beispielsweise Vorspannungen und ähnliches kompliziert werden, da derartige Sachverhalte an sich bekannt sind.

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Claims

Patentanwälte Di?l.-Ixg. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. ß. Huber Dr. Ing. H. Liska IQOj 8000 MÜNCHEN 86, DEN 2 1, J POSTFACH 860 820 Tektronix, Inc. möhlstrasse 22, rufnummer 983921/22 S.W. Griffith Drive, Beavertpn, Oregon 97005, V.St.A. Programmierbarer Steilheitsverstärker Patentansprüche

1./ Programmierbarer Steilheitsverstärker, insbesondere programmierbarer Zweiquadranten-Steilheitsverstärker, gekennzeichnet durch eine Empfangsstufe (150, 160, 155, 165, 170) zum Empfang eines zu verstärkenden Signals,

eine Verstärkerstufe (400) zur Erzeugung zweier Ausgangsströme, die zueinander um 180° in der Phase verschoben sind,

eine erste Schaltung (200) zur Umwandlung eines digitalen Steuersignals in ein Analogsignal mit einem an einen Ausgang der Empfangsstufe (150, 160', 155, 165, 170) angekoppelten Referenzeingang, mit einem an einen Eingang der Verstärkerstufe (400) angekoppelten analogen Ausgang und mit digitalen Steuersignaleingängen, und eine zweite Schaltung (300) zur Umwandlung eines digitalen Steuersignals in ein Analogsignal mit einem an einen weiteren Ausgang der Empfangsstufe (150, 160, 155, 165, 170) angekoppelten Referenzeingang, mit einem an einen weiteren Eingang der Verstärkerstufe (400) angekoppelten analogen Ausgang und mit analogen Steuersignaleingängen, die jeweils an einen unterschiedlichen digitalen Steuersignal-

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JIUI

eingang der ersten Wandlerschaltung (200) angekoppelt sind.

2. Steilheitsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangsstufe (150, 160, .155, 165, 170) ein Paar nach Art eines Differenzverstärkers geschaltete Transistoren (150, 160) aufweist.

3. Steilheitsverstärker nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Wandlerschaltung (200) als vervielfachender Digital-Analog-Wandler ausgebildet ist.

4. Steilheitsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Wandlerschaltung (300) als vervielfachender Digital-Analog-Wandler ausgebildet ist.

5. Steilheitsverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Verstärkerstufe (400) als Stromspiegelverstärker ausgebildet ist.

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