NL8204871A - Versterker met regelbare versterking, meer in het bijzonder inrichtingen voor het verbeteren van zulk een versterker. - Google Patents

Description

*· VO 3970

Versterker met regelbare versterking, meer in het bijzonder inrichtingen voor het verbeteren van zulk een versterker.

De uitvinding heeft betrekking op versterkers met regelbare versterking in die zin dat de versterking kan worden gevarieerd in afhankelijkheid van een besturingsspanning die wordt toegevoerd aan een terugkoppelnetwerk.

5 Het is bekend om een versterker te voorzien van een terug koppelnetwerk met variabele transconductantie,zodat de versterking van de versterker kan worden gevarieerd in responsie op een bestu-ringsspanrirg die aan dat netwerk wordt aangelegd. Dergelijke inrichtingen worden in de regel toegepast in ketens voor het verkrijgen van 10 een automatische versterkingsregeling, alsook in versterkers met een programmeerbare versterking.

In een keten die is geconstrueerd onder toepassing van MOS-technologie is het veelal moeilijk om een netwerk met variabele transconductantie te realiseren een dusdanig breed bereik van waarden 15 dat een versterklngsregelgebied is gegeven waarbij een in wezen onvervormde signaaltransmissie wordt verkregen. Zulks betekent dat de keten ofwel een sterk beperkt regelbereik heeft, ofwel teveel vermogen of teveel chipoppervlak vereist.

Volgens de uitvinding maken van een versterker met regelbare 20 versterking deel uit een eerste versterker en een netwerk met negatieve terugkoppeling dat is verbonden tussen de uitgang en de ingang van de eerste versterker, waarbij de transconductantie van het terugkoppelnetwerk variabel is in afhankelijkheid van een besturingssignaal, waarbij het terugkoppelnetwerk is voorzien van eerste en tweede condensato-25 ren die in serie zijn verbonden, eerste schakelmiddelen voor het vormen van een verbinding tussen de ene zijde van de eerste condensator en genoemde ingang van de eerste versterker gedurende eerste faze-perioden, en een referentiepotentiaalaansluiting gedurende tweede fazenperioden, waarbij de eerste fazeperioden,de tweede fazeperioden 30 niet overlappen, tweede schakelmiddelen voor het vormen van een verbinding tussen de ene zijde van de tweede condensator en de uitgang van de eerste versterker gedurende de eerste faze perioden, en 8204871 «r ·* -2- een referentiepotentiaalaansluiting gedurende de tweede fazeperioden, en variabele resistieve organen die kunnen reageren op het besturings-signaal en die tenminste een stroompad vormen vanaf een gemeenschappelijk knooppunt van de eerste en tweede condensatoren, naar een referen-5 tiepotentiaalaansluiting. Een versterker die een uitvoeringsvorm is van de uitvinding geeft een verbeterde regeling van de signaalbandverster-king over een breed versterkingsbereik met een betrekkelijk geringe vervorming, terwijl gebruik is gemaakt van inrichtingen met een gering vermogensverbruik en welke versterker een betrekkelijk gering oppervlak-10 tegebied vereist op een voor een geïntegreerde ketenconfiguratie bedoelde chip.

Een uitvoeringsvorm van de variabele resistieve organen is gegeven als een netwerk voor het onderdrukken van vervorming wanneer de hulpstroom in een transistor die deel uitmaakt van de variabele 15 resistieve organen gering is, hetgeen in dit geval overeenkomt met een aan de versterker aangeboden ingangssignaal met een hoog niveau.

Ter nadere toelichting van de uitvinding zal in het onderstaande een uitvoeringsvoorbeeld daarvan worden beschreven met verwijzing naar de tekening, waarin: 20 fig. 1 een schema weergeeft van een keteninrichting die een uitvoeringsvorm is van een versterker met regelbare versterking volgens de uitvinding en die is voorzien van een terugkoppelnetwerk met variabele transconductantie en waarvan een schakelbare condensator deel uitmaakt; 25 fig. 2 geeft een schema van een omschakelaar zoals kan worden toegepast in het terugkoppelnetwerk van de versterker volgens fig.1; fig. 3 geeft een schema van de versterker volgens fig. 1, wanneer het terugkoppelnetwerk daarvan zodanig is gewijzigd dat daarvan een vervorming-onderdrukkend netwerk deel uitmaakt voor 30 ingangssignalen met grote amplitude; en fig. 4 geeft een schema van een andere uitvoeringsvorm van een versterker met regelbare versterking volgens de uitvinding, van welke versterker een duaal, variabel resistief netwerk deel uitmaakt.

Thans wordt verwezen naar fig. 1 waarin een versterker 10 35 met regelbare versterking is weergegeven, welke versterker is gerealiseerd met N-kanaal MOS-inrichtingen; deze versterker omvat een pri- 8204871 * ·—»*· -3- inaire operationele versterker 12 met een inverterende ingangspoort 14, een niet-inverterende ingangspoort 16 en een uitgangspoort 18.

De niet-inverterende ingangspoort 16 is verbonden met een referentie-potentiaal die in dit bepaalde geval is weergegeven als aardpotentiaal.

5 De uitdrukking "referentiepotentiaal" zoals deze in de beschrijving is gebruikt doelt op middelen voor het afgeven van een potentiaal die in hoofdzaak constant is in vergelijking met de signaalpotentiaal.

Een ingangsweerstand 20, die een vanaf een signaalbron afkomstig signaal 22 ontvangt ,i& verbonden met de inverterende poort 14. De 10 signaalbron is niet weergegeven en de weerstand 20 kan ook worden gerealiseerd in de vorm van een schakelbare condensator. De specifieke constructie van de operationele versterker 12 is op zichzelf genomen van geen belang en deze versterker kan zijn uitgevoerd volgens eéh van verschillende inrichtingen die voor de vakman op dit 15 gebied algemeen bekend zijn.

Een eerste ingeschakelde condensator 24 en een tweede inge-schakelde condensator 26 zijn in serie verbonden.

De uitdrukking "ingeschakeld" zoals in deze beschrijving is gebruikt, doelt op een van twee aansluitingen voorziene component 20 van een schakelbare condensatorketen waarvan geen enkele aan^ sluiting rechtstreeks met aarde is verbonden in een van de twee schakeltoestanden. Een eerste omschakelaar 28 die in serie is verbonden tussen de inverterende ingangspoort 14 en de eerste condensator 24 is ingericht om de naar de inverterende ingangspoort 14 25 toegekeerde zijde van de eerste condensator 24 afwisselend te schakelen tussen de inverterende ingangspoort 14 en aarde. Een tweede omschakelaar 30 die in serie is verbonden tussen de uitgangspoort 18 van de versterker en de tweede condensator 26, is ingericht om de naar de uitgangspoort 18 toegekeerde zijde van de tweede 30 condensator 26 afwisselend te schakelen tussen de versterkeruitgangs-poort 18 en aarde.

De eerste omschakelaar 28, die soortgelijk van uitvoering is als de tweede omschakelaar 30, is nader gedetailleerd weergegeven in fig. 2, Een dergelijke schakelaar omvat een paar verrijkingsmodus-35 MOS transistors 31,32 waarvan de desbetreffende bronnen 33, 34 met elkaar, en waarvan de desbetreffende poorten 35, 36 met een klok- 8204871 -4- • Ί· signaalbron 38 zijn verbonden, welke kloksignaalbron eerste-faze 0^ en tweede-faze 0^, niet-overlappende pulstreinen daaraan toevoert, met een pulsherhalingsfrequentie f welke frequentie hier een gekozen waarde heeft van 112 kHz. De 0^-faze aanduiding bij de als getrokken 5 lijnen getekende pijlen in fig. 1 geeft aan dat de schakelaars 28,30 zich in de ^-toestand bevinden.

Een als variabele weerstand fungerend netwerk 42, dat in fig. 1 binnen het grootste kader is getekend, vormt een koppeling tussen 40 het gemeenschappelijke knooppunt van de condensatoren 24, 26, en aarde.

* 10 Dit netwerk omvat een verrijkingsmodus-MOS transistor 44 die als een dynamisch weerstandselement werkzaam is en waarvan de afvoer en poort zijn geaard. De bron van deze transistor is verbonden met het genoemde gemeenschappelijke knooppunt 40 en met de afvoer van een verrijkingsmodus-MOS transistor 46, waarvan de bron is gekoppeld met een negatieve 15 voedingsspanning -V , en welke transistor werkzaam is als een bron bb voor het afgeven van een geregelde stzocm.Vanaf een besturingsspannings-bron 50 afkomstige besturingsspanning wordt toegevoerd aan de poort 52 van de stroombrontransistor 46 teneinde de weerstand van het als variabele weerstand fungerende netwerk 42 te veranderen en wel door 20 verandering van de hulpstroom voor de als weerstandelement werkzame transistor 44.

Gedurende de werking van de versterker 10 met regelbare versterking, bepaalt de besturingsspanning V die wordt aangelegd aan de poort 52 van de stroombrontransistor 46, de hulpstroom voor de als 25 weerstandselement werkzame transistor 44, waardoor de weerstand tussen het gemeenschappelijke knooppunt 40 en aarde wordt bepaald. Aangezien deze weerstand bepalend is voor het tempo waarmee de condensatoren 24,26 zich ontladen tot een constante potentiaal, kan het ladingspakket dat tijdens één operatiecyclus wordt getransporteerd tussen de con-30 densator 24 en de inverterende ingangspoort 14 van de versterker 12, door de besturingsspanning V worden geregeld. Dit ladingspakket wordt bij een sommeerknooppunt 54 opgeteld bij het ingangssignaal 22 zodat een negatieve terugkoppeling wordt verkregen die evenredig is met de uitgangsspanning van de versterker 12.

35 Bij een andere uitvoeringsvorm, zoals weergegeven in fig. 3 omvat een versterker 56 met regelbare versterking een vervorming-onder-drukkend netwerk 58 dat is getekend binnen het door dit verwijzings- 8204871 -5- cijfer aangeduide kader. Dit netwerk 58 onderdrukt signaalvervorming die kan ontstaan als gevolg van een situatie waarbij een geringe hulpstroon vloeit in het door de transistor 44 gevormde weerstands-element, en welke situatie zich voordoet wanneer ingangssignalen met 5 een sterke amplitude aanwezig zijn; een dergelijke vervorming-orider-drukkende werking wordt verkregen door een wezenlijke uitbreiding van het gebied van weerstandswaarden die de als weerstandselement werkzame transistor 44 kan aannemen, zonder de golfvorm van het uitgangssignaal dat via de condensator 24 wordt teruggekoppeld onnodig 10 te vervormen.

Het netwerk 58 omvat een tweede operationele versterker 62.

De poort van de transistor 44 wordt via een omsdiakelaar 66 afwisselend verbonden met de uitgangspoort 64 van de tweede operationele versterker 62 en met aarde. Een weerstandslement 78 koppelt de signaalingang 22 15 met een inverterende ingangspoort 70. De niet-inverterende ingangspoort 71 van de tweede versterker 62 is geaard. Een tweede omschakelaar 72 verbindt een zijde van twee condensatoren 74,76 afwisselend met aarde en met de inverterende ingangspoort 70 van de tweede versterker 62.

De andere zijde van de eerste condensator 74 van dit tweetal is ver-20 bonden met het gemeenschappelijke knooppunt 40, terwijl die van de tweede condensator afwisselend wordt geschakeld tussen het uitgangs-knooppunt 64 van de versterker 62 en aarde. De afvoer van de als weerstandselement fungerende transistor 44 is verbonden ofwel met aarde, ofwel met een positieve voedingsspanning. Een niet-schakelbare terug-25 koppelcondensator 68 koppelt de uitgangspoort 64 met de inverterende ingangspoort 70 van de versterker 62 en beperkt de bandbreedte van de tweede versterker 62. Evenzo kan een terugkoppelcondensator worden aangesloten over de primaire versterker 12 om datzelfde doel te bereiken.

Het als variabele weerstand fungerende netwerk 42 omvat een 30 derde transistor 79 die dienst doet om dat gebied van weerstandswaarden wat lagere waarden betreft uit te breiden voor een gegeven bovengrens ten aanzien van de besturingsspanning.

Een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding is gegeven als de in fig. 4 getekende versterker 80 met regelbare versterking; 35 deze versterker omvat een duaal als weerstand fungerend netwerk 82.

Het netwerk 82 verbindt het gemeenschappelijke knooppunt 40 met aarde via een resistief pad dat is gevormd door de transistor 84 die 8204871 -6- een weerstand vormt die varieert in responsie op een besturings-spanning V . Het netwerk verbindt tevens het gemeenschappelijke v knooppunt 40 met de inverterende ingang 14 van de operationele versterker 12 , via een ander weerstandspad dat is gevormd door een 5 transistor 86 die een weerstand vertegenwoordigt die eveneens varieert in responsie op de besturingsspanning V . De inverterende ingang 14 ligt op een referentiepotentiaal in die zin dat dit knooppunt is te beschouwen als een virtuele aarde, waarvan de potentiaal niet noemenswaardig verandert bij kleine signalen. De poortelektroden van de 10 transistor 84 en 86 zijn via een vaste weerstand 88 gekoppeld met de besturingsspanningsbron 50. De twee gelijkwaardige condensatoren 90 en 92 doen dienst om vervorming in de transistors 84 en 86 als gevolg van grote signaalamplitudes, te onderdrukken.

Doordat de twee besturingsspanningsafhankelijke weerstands paden 15 in het geheel van het duale weerstandsnetwerk 82 zijn opgenomen,

kunnen elementen door functiedeling wat economischer worden gebruikt. Verschillende uitvoerings vermen van een versterker met regelbare versterking zijn echter mogelijk, wanneer verschillende besturings-spanningsafhankelijke weerstandsverbindingen vanaf het gemeenschappelijke 20 knooppunt 40 en naar een referentiespanning zodanig zijn aangebracht dat de terugkoppe1stroom van de versterker door de besturingsspanning V

w daardoor wordt beïnvloed. De weerstand 88, alsook andere weerstanden kunnen volgens op zichzelf bekende technieken worden vervangen door keteninrichtingen met schakelbare condensatoren.

25 Een typerende toepassing van de versterkers 10,56 met regelbare versterking kan zijn een AVE (automatische versterkingsregeling).

In een dergelijke keteninrichting zou de besturingsspanning V worden afgeleid vanaf de uitgang 18 van de versterker 12 door detectie van de signaaltoppen die worden geleid door een laag-doorlatend filter met 30 een positieve hulpgelijk/'spanning aan de uitgang en met geschikte responsie-eigenschappen (snel opkomen en langzaam afvallen, d.w.z. snel reagerend tijdens het proces van toenemende versterking en traag reagerend tijdens een proces van afnemende versterking).

De desbetreffende waarden van de verschillende ketencomponenten 35 van de versterkers 10,56 met regelbare versterking, zijn vanzelfsprekend specifiek voor het beoogde toepassingsgebied en deze waarden kunnen zonder meer worden vastgesteld door de gemiddelde vakman op het gebied 8204871 -7- van het ontwerpen van een in geïntegreerde ketenvorm uitgevoerde versterker.

De in het voorafgaande behandelde versterkers 10, 56 met regelbare versterking zouden ook· kunnen worden gerealiseerd onder 5 gebruikmaking van P-type MOS inrichtingen die zijn aangesloten volgens een "spiegelbeeld" configuratie in vergelijking met de inrichting van de versterkers 10,56, als reflectie van inrichtingen met omgekeerde polariteiten.

Alhoewel in de schema's voor de versterkers 10, 56, 80 aardpoten-10 tiaal en de virtuele aardpotentiaal van de inverterende ingangspoort 14 zijn gebruikt als referentiepotentialen, kan een versterker door de gemiddelde vakman op het gebied van het ontwerpen van versterkers op eenvoudige wijze worden gerealiseerd onder gebruikmaking van andere referentiepotentialen, die voor een desbetreffende toepassing 15 beschikbaar zouden kunnen zijn.

Het terugkoppelnetwerk van een versterker kan tevens een inverter bevatten en zulk een netwerk kan zijn aangesloten tussen de uitgang en de niet-inverterende ingang.

-Sb 8204871

Claims (6)

1. Versterker met regelbare versterking en omvattende een eerste versterker en een voor het introduceren van negatieve terugkoppeling dienend netwerk dat is verbonden tussen de uitgang en een ingang van de eerste versterker, waarbij de transconductantie van het terugkoppel-5 netwerk variabel is in afhankelijkheid van een besturingssignaal, met het kenmerk, dat het terugkoppelnetwerk omvat eeraie en tweede condensatoren (24,26) die in serie zijn verbonden? eerste schakel-middelen (28) die zijn ingericht om een zijde van de eerste condensator gedurende eerste-faze periodes ( $^) te verbinden met genoemde ingang 10 (14) van de eerste versterker (12) , alsook om deze zijde gedurende ' tweede-faze periodes (^) te verbinden met een referentiepotentiaal-aansluiting, waarbij de eerste-faze periodes^de tweede-faze periodes niet overlappen? tweede schakelmiddelen (30) die zijn ingericht cm een zijde van de tweede condensator gedurende de· eerste-faze periode 15 te verbinden met de uitgang (18) van de eerste versterker, alsook om deze zijde gedurende de tweede-faze periode te verbinden met een referentiepotentiaal-aansluiting? en als variabele weerstand fungerende organen (42) die kunnen reageren op het besturingssignaal (V^)j alsook tenminste één stroompad vormen vanaf een gemeenschappelijk 20 knooppunt (40) van de eerste en tweede condensatoren, naar een re ferentiepotenti aalaanslui ting.

2. Versterker volgens conclusie 1, met het kenmerk^ dat de als variabele weerstand werkzame organen omvatten een eerste transistor (44) die tussen het gemeenschappelijke knooppunt en een referentiepoten-25 tiaalaansluiting is aangesloten; alsook een pad daartussen met dynamische weerstand vormt? en een tweede transistor (46) die vsor de eerste transistor een hulpstroom beschikbaar stelt die varieert in afhankelijkheid van het besturingssignaal.

3. Versterker volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de ingang 30 van de eerste versterker een inverterende ingang is? en met een be- sturingselektrode van de eerste transistor een vervorming onderdrukkend netwerk (58) is verbonden dat kan reageren op een aan de versterker (10) met regelbare versterking aangeboden ingangssignaal en dat dient om vervorming van de uitgangssignaalgolfvorm bij hoge 8204871 -9- -'—"TPr·-— - -·, —- -- ingangssignaalniveaus te verminderen^ van welk onderdrukkings-r netwerk deel uitmaken een eerste impedantie (20) die is aangesloten tussen de inverterende ingang en een aansluiting voor het ontvangen van het ingangssignaal, een tweede versterker (62) waarvan een inver-5 terende ingang (70) is verbonden met de ingangssignaalaansluiting (22) via een tweede impedantie (78), en waarvan een niet-inverterende ingang is verbonden met een referentiepotentiaalaansluiting, derde (74) en vierde (76) condensatoren die aan éen zijde met elkaar zijn verbonden, zodat een gemeenschappelijk knooppunt is gevormd, 10 waarbij de andere zijde van de derde condensator is verbonden met het gemeenschappelijke knooppunt van de eerste en de tweede condensator waarbij de andere zijde van de vierde condensator is verbonden met de besturingselektrode van de eerste transistor, derde schakelmiddelen (66) dienende om de besturingselektrode van de eerste transistor 15 gedurende de eerste-faze periodes te verbinden met de uitgang van de tweede versterker, alsook om deze besturingselektrode gedurende de tweede-rfaze periodes te verbinden met een referentiepotentiaal-aansluiting, vierde schakelmiddelen (72) dienende om het gemeenschappelijke knooppunt van de derde en vierde condensator gedurende de 20 eerste-faze periodes te verbinden met de inverterende ingang van de tweede versterker, alsook om dit knooppunt gedurende de tweede-faze periodes te verbinden met een referentie-potentiaalaansluitingj en een vijfde condensator (68) die is aangesloten tussen de inverterende ingang en de uitgang van de tweede versterker.

4. Versterker volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de transis tor veld-effecttransistors zijn.

5. Versterker volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de transistorsMOS-inrichtingen zijn.

6. Versterker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde 30 ingang van de eerste versterker een inverterende ingang is, en verdere als variabele weerstand werkzame middelen (86) zijn aangebracht die kunnen reageren op het besturingssignaal, alsook een stroompad beschikbaar stellen vanaf het gemeenschappelijke knooppunt van de eerste en tweede condensator, naar de inverterende ingang. 8204871