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Geregelte Differenz-Verstärkerstufe
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Die Erfindung betrifft eine geregelte Differenzverstärkerstufe aus
zwei an den Basiselektroden angesteuerten Transistoren, deren Emitter- und/oder
Kollektorelektroden über einen stromabhängig veränderbaren dynamischen Widerstand
miteinander verbunden sind, wobei der durch den dynamischen Widerstand fließende
Strom die Verstärkung der Verstärkerstufe bestimmt. Eine derartige Verstärkerstufe,
wie sie auch in der Figur 2 dargestellt ist, ist beispielsweise im Schaltkreis TDA
440 der Firma Siemens enthalten.
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Hochfrequenzverstärker für amplitudenmodulierte Schwingungen, wie
sie zum Beispiel in den AM-ZF-Verstärkern für Rundfunkempfänger verwendet werden,
werden mit unterschiedlich hohen Eingangssignalen angesteuert. Das Eingangssignal
eines AM-Rundfunkempfängers kann je nach Feldstärke des zu empfangenden Signals
zum Beispiel in einem Bereich von 1 : 1 x 104 entsprechend 80 dB schwanken.
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Daraus ergibt sich, daß ein Verstärker mit einer konstanten Verstärkung
sehr schnell übersteuert würde. Durch die Übersteuerung würde die in der Modulation
der Amplitude des HF-Signals enthaltene Information in unzulässiger Weise verzerrt,
so daß der Verstärker einen nicht mehr vertretbaren hohen Klirrfaktor aufweisen
würde. Zur Vermeidung dieses Effektes werden geregelte Verstärkerstufen verwendet,
deren Verstärkung mit steigender Amplitude des Eingangssignals abnimmt, so daß die
Amplitude des Ausgangssignals einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigt und folglich
Übersteuerungen bzw. Verzerrungen sicher vermieden werden.
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Der gewünschte Verlauf des Ausgangssignals in Abhängigkeit vom Eingangssignal
ist in der Figur 1 im doppeltlogarithischem Maßstab dargestellt. Wie man dem Diagramm
entnehmen kann, ist die Verstärkung bei kleiner Amplitude des Eingangssignals konstant
und nimmt ab einem Wert UINlOO UV ständig in der Weise ab, daß das Ausgangssignal
unabhängig von der Größe des Eingangssignals konstant bleibt.
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In der Figur 2 ist eine bekannte Schaltung, die den gewünschten Regelmechanismus
enthält, dargestellt. Die im Detail gezeigte Verstärkerstufe besteht aus einem Differenzverstärker
mit den Transistoren T1 und T2, wobei den Basiselektroden dieser Transistoren das
Eingangswechselsignal zugeführt wird. Die beiden Transistoren T1 und T2 haben Kollektor-
und Emitterwiderstände R1 bis-R4.
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Zwischen die Emitterelektroden der beiden Transistoren T1 und T2 sind
gegensinnig die Dioden D1 und D2 geschaltet, wobei der Verbindungsstelle zwischen
den beiden Dioden ein vom Ausgang des Verstärkers abgeleitetes Regelsignal IREGEL
über die Widerstände R5 und R6 zugeführt wird. Die Widerstände R5 und R6 können
auch InnenwidersLjnde vorgeschalteter Schaltungsteile innerhalb des Ver5trkCrs V
sein. An den Kollektoren der Transistoren T1 und T2 wird ein Ausgangssignal der
dargestellten ersten Verstärkerstufe abgegriffen, das gegebenenfalls weiteren VeYrstärkerstufen,
die im nicht im Detail dargestellten Schaltungsteil V enthalten sind, zugeführt
wird Vom Allsgangswechselsignal des Verstärkers V wird durch Gleichri<:hLung
das Regelsignal IREGEL abgeleitet, dessen Wert mit zunehmender Größe des Ausgangssignals
abnehmen muß. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß das gleichgerichtete
Ausgangssignal auf einen Transistor gegeben wird, dessen Emitterstrom, der beispielsweise
der Strom IREGEL ist, bei wachsendem Ausgangssignal immer stärker gedrosselt wird.
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Bei der Schaltung gemäß der Figur 2 ist dem die Verstarkung mitbestimmenden
Widerstand R1 der dynamische Widerstand der Diodenstrecke D1, D2, sowie der Emitterbasisstrecke
des Transistors T2 parallel geschaltet. Dieser dynamische Widerstand wird größer,
wenn der Regelstrom 1REGEL auf Grund eines anwachsenden Eingangssignals UIN und
eines damit anwachsenden Ausgangssignals UOUT reduziert wird. Dies liegt an der
in der Figur 5 dargestellten Diodenkennlinie, die die Abhängigkeit des dynamischen
Widerstandes von dem die Diode durchfließenden Strom zeigt.
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Wenn der dynamische Widerstand der Diodenstrecke D1, D2 bei wachsendem
Eingangssignal UIN ansteigt, wächst somit auch der Emitterwiderstand des Transistors
T1, der aus der Parallelschaltung des Widerstands R1 mit dem erwähnten dynamischen
Widerstand besteht. Daraus folgt, daß die Verstärkung'der Differenzverstärkerstufe
reduziert wird.
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Bei der bekannten Schaltung muß zur Verstärkungsregelung aufgrund
der Diodenkennlinie gemäß der Figur 5 ein in einem großen Umfang veränderbarer Regel
strom 1REGEL zur Verfügung gestellt werden. Ferner ist der Bahnwidersta,nd der Dioden
D1 und D2 relativ groß, so daß dieser Diodenbahnwiderstand den maximalen Regelumfang
der Verstärkungsregelung begrenzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Schaltung
so zu verbessern, daß ein größerer Regelbereich zur Verfügung steht und die Regelung
mit kleineren Änderungen der Regelgröße erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird
bei einer geregelten Differenzverstärkerstufe der eingangs beschriebenen Art dadurch
erreicht, daß der veränderbare dynamische Widerstand aus den Kollektor-Emitterstrecken
von zwei an den Emitterelektroden miteinander
verbundenen gleichartigen
Transistoren besteht, deren dynamischer Widerstand am gemeinsamen Basisanschluß
über ein vom Ausgang des Verstärkers abgeleitetes Regelsignal eingestellt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung kann mit sehr kleinen Änderungen
der Regelgröße eine große Veränderung des dynamischen Widerstandes bewirkt werden,
so daß der Regelumfang erheblich ansteigt. Außerdem liegt der kleinstmögliche erreichbare
dynamische Widerstand bei Verwendung der Transistoren wesentlich unter dem von Dioden,
so daß der Verstärkungshub V a gegenüber einer diodenbenutzenmax min den Schaltung
vergrößert werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Verstärkerstufe werden die Emitterelektroden
der beiden Transistoren des Verstärkers über die Kollektoremitterstrecken von zwei
mit: einem gemeinsamen Emitterwiderstand versehenen Transisl:orcn miteinander verbunden.
Vom Ausgang des Verstärkels wird dann ein Regelsignal den Basiselektroden dieser
zusllichen Transistoren zugeführt, das mit zunehmender Amplitude des Eingangssigals
kleiner wird und dadurch derl dynamischen Widerstand der zugeschalteten TransisLoren
vergrößert, so daß die Verstärkung der Verstärkerstufe insgesamt reduziert wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch zwischen die Kollektorelektroden
der beiden Transistoren des Versl,ärkers die Kollektoremitterstrecken von zwei mit
einem gemeinsamen Emitterwiderstand versehenen Transistoren geschaltet werden. Zum
Ausgang des Verstärkers wird dann den nasiselektroden
dieser zusätzlichen
Transistoren ein Regelsignal zugeführt, das mit zunehmender Amplitude des Eingangssignals
gleichfalls anwächst und dadurch den dynamischen Widerstand der Transistorstrecke
verkleinert, so daß die Verstärkung der Verstärkerstufe reduziert' wird. Alle Transistoren
der Verstärkerstufe sind. vorzugsweise gleichartige Transistoren,. z.B. npn-Transistoren.
Das Regelsignal wird in der bereits erwähnten Weise vom Ausgangssignal durch Gleichrichtung
abgeleitet und besteht somit aus einem Gleichstrom bzw. einer Gleichspannung. Die
geregelte Verstärkerstufe wird insbesondere in AM-ZF-Verstärkern eines Rundfunkempfängers
vorteilhaft eingesetzt.
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Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich insbesondere für die Integration
in einem allen Bauteilen der Schaltung gemeinsamen Halbleiterkörper.
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Die Erfindung wird noch anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher
erläutert. So zeigt,die Figur,3 eine Verstärkerstufe, bei der der veränderbare dynamische
Widerstand zwischen die Emitterelektroden der Transistoren der Verstärkerstufe geschaltet
ist.
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Bei der Schaltung gemäß der Figur 4 ist zusätzlich ein veränderbarer
dynamischer Widerstand zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren der VerstärkersL(IEe
geschaltet.
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Bei der Schaltung gemäß der Figur 3 ist die Diodenstrecke, die in
der Schaltung nach Figur 2 enthalten war, durch die Transistoren T3 und T-4 ersetzt
worden. Diese Transistoren sind an der Basiselektrode miteinander verbunden und
weisen einen gemeinsamen Emitterwiderstand RE auf. Den Basiselektroden der Transistoren
T3 und T4 wird die vom Ausgangssignal UOUT durch Gleichrichtung abgeleitete Regelgröße,
nämlich der Gleichstrom IREGEL zugeführt. Bei einer kleinen Amplitude des Eingangssignals
UIN liegt somit an den beiden miteinander verbundenen Basisanschlüssen der Transistoren
T3 und T4 eine relativ hohe Gleichspannung, was relativ
große Kollektorströme
durch die Transistoren T3 und T4 bedingt. Dadurch werden die Kollektoremitterstrecken
der Transistoren T3 und T4 in den Sättigungsbereich gesteuert, so daß der dynamische
Widerstand der Kollektoremitterstrecken der Transistoren T3 und T4 extrem klein
ist. Der niederohmige dynamische Widerstand der Transistoren T3 und T4 liegt zusammen
mit dem Widerstand der Emitterbasisstrecke des Transistors T2 parallel zum Emitterwiderstand
R1 des Transistors T1, , so daß bei kleinstem Eingangssignal UIN und damit bei größtem
Wert der Regelgröße der kleinste Gesamtwiderstand im Emitter des Transistors T1
liegt. Daraus ergibt sich, daß die Verstärkung der: Verstärkerstufe- dann am größten
ist, wenn das Eingangssignal UIN seinen kleinsten Wert hat.
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Bei steigender Amplitude des Eingangssignals nimmt die Regelspannung
an der Basiselektrode der Transistoren T3 und T4 ab, so daß auch die Kollektorströme
durch diese Transistoren absinken. Dadurch steigt der dynamische Widerstand der
Kollektoremitterstrecken der Transistoren T3 und T an,' so daß auch der Gesamtwiderstand
im Emitter des Transistors T anwächst und damit die Verstärkung der Verstärker-1
stufe reduziert wird.
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In Figur 4 ist noch ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem auch
zwischen die Kollektoren der Transistoren T1 und T2 ein veränderbarer dynamischer
Widerstand aus den Kollektoremitterstrecken der Transistoren T5 und T6 geschaltet
ist. Diese Transistoren T5 und T6 sind an ihrer Basiselektrode miteinander verbunden,
denen das durch Gleichrichtung aus dem Ausgangssignal gewonnene Regelsignal IR2
zugeführt wird. Das Regelsignal 1R1 wird - wie bei der Schaltung gemäß Figur 3 -
den Basiselektroden der Transistoren und T4 zugeführt, die zwischen die Emitterelektroden
der Transistoren T1 und T2 geschaltet sind. Die Transistoren T5 und T6 weisen gleichfalls
einen
gemeinsamen Emitterwiderstand auf, der mit, RE2 bezeichnet ist.
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Da die Verstärkung der Verstärkerstufe proportional dem Verhältnis
des Kollektorwiderstands von T1 zum Emitterwiderstand von T1 ist, muß der Verlauf
der Regelgröße IR2 entgegengesetzt zu dem der Regelgröße IR1 sein. Bei steigender
Amplitude des Eingangssignals UIN muß somit IR2 gleichfalls anwachsen, wodurch der
dynamische Widerstand der Kollektoremitterstrecken der Transistoren T5 und T6 reduziert
wird. Bei wachsendem Eingangssignal UIN sinkt somit der wechselstrommäßige Kollektorgesåmtwiderstand
des Transistors T1, so daß die Verstärkung der Verstärkerstufe reduziert wird. Bei
dem entgegengerichteten Verlauf der Regelgrößen 1R1 und IR2 wird somit die Verstärkung
der Verstärkerstufe mit wachsendem Eingangssignal in einem noch größeren Umfang
reduziert als dies bei der Schaltung gemäß Figur 3 der Fall war.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wurde R1 = R3 = 10 k REl = RE2 = 6 kA
und R2 = R4 = 10 kJQ gewählt.
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In Figur 5 ist noch der Verlauf des dynamischen Widerstandes der Kollektoremitterstrecke
eines Transistors in Abhängigkeit vom Transistorstrom dargestellt, Daraus ergibt
sich, daß der Widerstandsverlauf wesentlich steiler ist, wie der einer Diode, so
daß mit einer geringen Stromveränderung ein wesentlich größerer Widerstandsbereich
gegenüber den Verhältnissen bei einer Diode durchlaufen werden kann. Außerdem wird
der Transistor im Sättigungsbereich mit einer extrem niedrigen Kollektoremittergleichspannung
betrieben, die wesentlich unter der am unvermeidbaren
Bahnwiderstand
einer Diode abfallenden Spannung ist. Auch dadurch wird der Regelbereich der Verstärkerstufe
erheblich vergrößert.