DE3525066C1 - Verstaerker mit steuerbarer Verstaerkung - Google Patents

Description

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

zeichnet, daß für jede Halbwellenpolarität eine gesonderte Erfassungseinrichtung (jR6, Rl) vorgesehen ist, die Zusatzsteuerung aber für beide Halbwellenpolaritäten gleichphasig durch eine gemeinsame Steuergröße (S) oder durch gesonderte Steuergrößen erfolgt.

9. Verstärker, der für positive und negative Halbwellen gesonderte Halbleiterbauelemente (71. . . 73, 72 ... TA) zur Erzeugung der Expansions- bzw. Kompressionskennlinie aufweist, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Halbwellenpolaritäten eine gemeinsame Erfassungseinrichtung (RS, RU) vorgesehen ist und die Zusatzseuerung für beide Halbwellenpolaritäten gleichphasig, wenn auch nicht unbedingt gleich stark erfolgt.

10.Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzsteuerung so ausgeführt ist, daß mit steigendem Strom (I_c) durch das Halbleiterbauelement (71, 72) im Kompressor eine abnehmende Expandierung erfolgt.

- es ist eine Erfassungseinrichtung (5 mit R3 bis RS bzw. R6 bis RIO bzw. .RIl bis R13) für eine Größe vorgesehen, die eine der beiden voneinander abhängigen Variablen (7_C, U_BE) der Kennlinie des Halbleiterbauelementes (71, 72) oder der Kompressionskennlinie repräsentiert,

- eine mit Hilfe dieser Größe gebildete Steuergröße (5) ist zur Zusatzseuerung der Steilheit der Expansionskennlinie vorgesehen,

- die Zusatzsteuerung ist im Sinne einer Reduzierung der Verzerungen dritter Ordnung des Verstärkers ausgelegt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßte Größe der Strom durch ein Halbleiterbauelement ist, dessen Strom mit steigender Spannung exponentiell ansteigt.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement eine Diode (Dl, D2) ist oder eine Steuerelektrode (71, 72 in Fig. 4 bis 6) aufweist.

4. Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterbauelemente einander parallel geschaltet sind.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung einen Vorwiderstand (RS, R6, Rl, RU) oder so einen Stromwandler in einer der Elektrodenzuleitungen des Halbleiterbauelementes (71, 72) aufweist.

6. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Steuergröße (S) ein Hilfsverstärker (5) vorgesehen ist.

7. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße (S) und die Stellgröße (Us) eine Steuer- bzw. Stellspannung ist, wobei diese beiden Spannungen gemeinsam an die Steuerelektrode eines steuerbaren Halbleiterbauelementes (73, TA) mit exponentieller Kennlinie im Expander gelegt sind.

8. Verstärker, der für positive und negative Halbwellen gesonderte Halbleiterbauelemente (71... 73 und 72 ... Γ4) zur Erzeugung der Expansionsbzw. Kompressionskennlinie aufweist, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn-Die Erfindung betrifft einen Verstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der bekannteste Vertreter eines solchen Verstärkers ist der sogenannte VCA (voltage controlled amplifier). Würde er nur für Halbwellen einer Polarität benötigt, so könnte er aus einem Logarithmierer mit nachgeschaltetem Potenzierer (vgl. Tietze, Schenk: »Halbleiter-Schaltungstechnik«, 2. Auflage, Springer-Verlag, 1971, Seiten 282 ff.) bestehen, wobei allerdings dafür gesorgt sein müßte, daß die Steilheit der Kompressions- und/ oder Expansionskennlinie steuerbar ist. Diese Kennlinien geben jeweils den Verlauf des Ausgangspegels in Abhängigkeit vom Eingangspegel wieder.

Für ein an einem Eingang E liegendes Eingangssignal, das beide Polaritäten aufweisen kann, ist in Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines solchen Verstärkers mit nicht steuerbarer Vestärkung angegeben. Es weist zwischen einer Eingangsklemme E und einer Mittenklemme M einen Kompressor mit angenähert logarithmischer Verstärkungskennlinie auf, der aus einem Operationsverstärker 1, einem Eingangswiderstand Rl und antiparallel geschalteten Gegenkopplungsdioden Dl, Dl besteht. Mit linear steigendem Betrag der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 wird über die Gegenkopplungsdioden ein überproportional, nämlich exponentiell steigender Strom auf den Eingang des Operationsverstärkers 1 zurückgeführt, so daß durch den Kompressor größere Amplitudenwerte weniger verstärkt werden als kleinere.

Bei dem nachfolgenden Expander, der zwischen der Mittenklemme M und der Ausgangsklemmen angeordnet ist, liegen die Verhältnisse umgekehrt. Hier verursachen die mit linear steigender Eingansspannung des Expanders exponentiell ansteigenden Ströme durch Eingangsdioden D3 und D4 auch eine entsprechend verstärkte Ausgangsspannung am Ausgang A, verstärkt durch den Operationsverstärker 2 mit dessen Gegenkopplungswiderstand R2.

Um Seuerbarkeit der Verstärkung zu erreichen, sind die Dioden der Fig. 1 in Fig. 2 jeweils durch die Emitter-Kollektor-Strecke von Transistoren 71 bis TA ersetzt (Patent Abstracts of Japan, E-228, 21. Feb. 1984, Vol. 8/Nr. 39 und EP-OS 53 303). Bei einer solchen

Emitter-Kollektor-Strecke steigt nämlich auch deren Strom exponentiell mit der linear steigenden Emitter-Basisspannung an, solange die Basis-Kollektorspannung konstant bleibt. Werden die Potentiale am Stellklemmenpaar 3-4 zunächst einmal konstant gehalten, so· verursachen die Potentialdifferenzen zwischen einerseits den konstanten Basispotentialen und andererseits den halbwellenförmig pulsierenden Emitterpotentialen Kollektorströme in exponentieller Abhängigkeit von den Basis-Emitter-Spannungen.

Eine Steuerung der Verstärkung ist nun dadurch möglich, daß an das Stellklemmenpaar 3-4 eine Stellgröße (Stellspannung) Us angelegt wird, womit sich die Steilheit der Kollektorstrom/Basis-Emitter-Spannungskennlinie jedes der Transistoren verändern läßt, weil sich nämlich durch eine Potentialänderung an den Basen die Kollektor-Basis-Spannung ändert. Dabei ist zu bedenken, daß das Potential an den Kollektoren fast auf Null liegt, weil die Kollektoren jeweils mit einem der sogenannten virtuellen Nullpunkte der Operationsverstärker 1 und 2 verbunden sind. Die Verstärkungssteuerung arbeitet im einzelnen so, daß beispielsweise durch eine Potentialanhebung an der Stellklemme 3 und eine Absenkung an der Stellklemme 4 die Transistoren 73 und 74 besser leitend und die Transistoren 71 und 72 schlechter leitend gesteuert werden mit der Folge, daß der Expansionsgrad im Expander (2, Rl, 73, 74) zunimmt und im Kompressor (1, Rl, 71, 72) weniger komprimiert wird, so daß die Vestärkung zwischen Eingang E und Ausgang A zunimmt.

Bei der Verwendung eines Verstärkers nach Fig. 2 oder eines anderen Verstärkers mit Potenzierer am Ausgang und Logarithmierer am Eingang für Eingangssignale großer Dynamik kann es am Ausgang zu Verzerrungen dritten Grades kommen, obwohl solche Verzerrangen eigentlich nicht auftreten dürften; denn theoretisch führt eine Logarithmierung mit anschließender Delogarithmierung (Potenzierung) (Identität zwischen der Basis des Logarithmus und dem Exponenten beim Potenzieren vorausgesetzt) auch dann nicht zu Verzerrangen, wenn die Kennliniensteilheiten der Transistoren 71, 72 einerseits und 73, 74 andererseits durch die Stellspannung Us unterschiedlich eingestellt sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verzerrungen in Gestalt unerwünschter dritter Harmonischer im Ausgangssignal zu vermindern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Verstärker mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Fig. 3 bis 6 werden die Wirkungsweise der Erfindung und einige Ausführangsbeispiele näher erläutert.

Fig. 3 zeigt ein Kennlinienfeld für die verwendeten Transistoren, die

Fig. 4 bis 6 stellen unterschiedliche Ausführangsbeispiele dar.

Es hat sich herausgestellt, daß für die oben erwähnten Verzerrungen Abweichungen des Verlaufes der Kollektorströme der Transistoren 71, 72 (Fig. 2) von dem idealen Verlauf (α in Fig. 3) einer e-Funktion in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung U_BE verantwortlich sind. Der tatsächliche und in Fig. 3 dargestellte Verlauf b des Kollektorstromes I_c als Funktion von Übe weicht um eine Summe von Spannungsabfällen von der idealen Kennlinie a ab.

Diese Summe setzt sich zusammen aus Spannungsabfällen an äußeren und inneren Widerständen der Strompfade, die in die Basen und Emitter der Transistoren 71 und 72 führen. Es ist ersichtlich, daß die Abweichung zwischen den Kennlinien α und b mit zunehmendem Kollektorstrom und damit auch mit zunehmendem Basis- und Emitterstrom wachsen. Damit stimmt die Beobachtung überein, daß der Klirrfaktor dritter Ordnung, der bei der Schaltung nach Fig. 2 festgestellt werden kann, mit großen Eingangsspannungen am Eingang E zunimmt.

Durch die Erfindung werden solche Verzerrungen reduziert. Sie ist daher besonders für Verstärker mit gesteuerter Verstärkung für Eingangssignale großer Dynamik geeignet.

Die Ausführangsbeispiele nach den Fig. 4 bis 6 stimmen mit Fig. 2 bezüglich des eingangsseitigen Kompressors mit seinen Teilen 1, 71, 72 usw. und bezüglich des ausgangsnahen Expanders mit seinen Teilen 2, 73, 74 usw. überein. Der eingangsnahe Kompressor weist jeweils für Halbwellen derselben Polarität eine angenähert logarithmische Kompressionskennlinie und der ausgangsnahe Expander eine angenähert exponentielle Expansionskennlinie auf. Zur Erzeugung der Kennlinien dienen die Halbleiterbauelemente 71 bis TA, von denen die Transistoren 73, TA übrigens dieselben Schwächen bezüglich ihrer an Hand von Fig. 3 erläuterten Kennlinie aufweisen wie die Transistoren 71 und 72; jedoch machen sich diese Fehler bei den Transistoren T3 und TA weniger bemerkbar.

In den Fig. 4 bis 6 ist nun jeweils eine Erfassungseinrichtung mit einem Hilfsverstärker 5 vorgesehen. Sie dient zur Erfassung einer Größe, die eine der beiden Variablen I_c oder U_BE repräsentiert, und zwar insbesondere den Kollektorstrom Ic- Mit Hilfe dieser erfaßten Größe wird am Ausgang des Hilfsverstärkers 5 eine Steuergröße 5 gebildet, die zur Zusatzsteuerung der Steilheit der Expansionskennlinie den Basen der Transistoren 73, T4 zugeführt wird, und zwar im Sinne einer Reduzierung der Verzerrungen dritter Ordnung der in den Fig. 4 bis 6 gezeigten Verstärker.

Zur Erfassung derjenigen Größe, welche den Kollektorstrom der Transistoren 71, 72 repräsentiert, sind im einzelnen vorgesehen:

in Fig. 4: die Widerstände R3, RA, R5 zur Erfassung der Basisströme der Transistoren 71, 72,
in Fig. 5: die Widerstände R6 bis RIO zur Erfassung der Emitterströme und

in Fig. 6: die Widerstände RU bis i?13 zur Erfassung der Summe der Kollektorströme. Die jeweiligen Spannungsabfälle an den Widerständen RS, R6, Rl und i?ll werden von dem Hilfsverstärker 5 verstärkt und gleichphasig den Basen der Transistoren 73, TA zugeführt, um deren Kennlinie nach Fig. 3 in der Tendenz abzuflachen, wie die Kennlinie b gegenüber α abgeflacht ist. Dadurch ist sichergestellt, daß die Expansion im Expander 73, TA, 2 nach denselben Gesetzmäßigkeiten erfolgt wie die Kompression im Kompressor 1, 71, 72.

Ergänzend sei noch vermerkt, daß durch die Stellspannung Us nicht unbedingt sowohl der Kompressor als auch der Expander in seiner Verstärkung gesteuert werden muß. Es könnte beispielsweise der Kompressor nach Fig. 1 aufgebaut und somit nicht steuerbar sein. Dann wäre das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 nicht anwendbar, aber es könnten wie in den Fig. 5 und 6 Widerstände R6, R7 bzw. RU in die Zuleitungen von Dioden Dl, Dl (Fig. 1) eingefügt werden.

Der schädliche Einfluß der Abweichung der Kennlinie b in Fig. 3 von der Kennlinie α könnte auch dadurch reduziert werden, daß die Transistoren 71 und 72 nicht

bis in Gebiete hoher Kollektorströme ausgesteuert werden. Dementsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß parellel zu den Transistoren Tl bzw. 72 weitere Transistoren vorgesehen sind. Durch diese Parallelschaltung wird die Strombelastung jedes einzelnen Transistors reduziert, die Verzerrungen nehmen ab. Diese Maßnahme kann zusätzlich zu der in Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung ergriffen werden. Das Parallelschalten allein (ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen) würde allerdings weit weniger bewirken, als es mit der Erfindung möglich ist. Statt der Vorwiderstände R3 bis Rl und All in den Elektrodenzuleitungen der Halbleiterbauelemente 71, 72 kann dort auch ein Stromwandler vorgesehen werden, sofern der damit verbundene Aufwand in Kauf genommen werden kann.

Wie die Fig. 4 bis 6 zeigen, ist es möglich, entweder die Summe von Transistorströmen zu erfassen (z. B. durch den Vorwiderstand RU in Fig. 6) oder eine Einzelerfassung der Ströme (beispielsweise der Emitterströme durch die Vorwiderstände R6 bzw. Rl in Fig. 5) vorzunehmen. Die Einzelerfassung ermöglicht die gesonderte Berücksichtigung unterschiedlicher Eigenschaften der Transistoren 71, 72 entweder durch unterschiedliche Bemessungen der Widerstände R6 und Rl in Fig. 5 oder R3 und A4 in Fig. 4 oder noch konsequenter dadurch, daß statt eines Hilfsverstärkers 5 zwei vorgesehen sind, einer für positive und einer für negative Halbwellen des Eingangssignals, einer also angeordnet zwischen den Transistoren 71 und 73 und der andere zwischen 72 und 74.

Um eine Ausgleichsmöglichkeit für bauteilbedingte Unterschiede zwischen den Transistoren 71, 73 für positive Halbwellen und den Transistoren 72, 74 für negative Halbwellen zu schaffen, ist es möglich, die Vorwiderstände Ä14 und R15 in Fig. 4 unterschiedlich zu bemessen und/oder eine Möglichkeit zur Potentialverschiebung der Stellspannung Us in die positive oder in die negative Richtung vorzusehen.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verstärker mit steuerbarer Verstärkung und folgenden Merkmalen:

- Er weist eingangsnah einen Kompressor (1, 71, 72) auf mit angenähert logarithmischer Kompressionskennlinie,

- er weist ausgangsnah einen Expander (73, TA, 2) auf mit angenähert exponentieller Expansionskennlinie,

- der Kompressor weist wenigstens ein Halbleiterbauelement (71, 72) mit angenähert exponentieller Kennlinie auf, die zur Erzeugung der logarithmischen Kompressionskennlinie herangezogen ist,

- mit Hilfe einer Stellgröße ( Us) ist die Verstärkung durch Steuerung der Steilheit der Expansions- und/oder Kompressionskennlinie steuerbar,