DE1156443B

DE1156443B - Steuerschaltung fuer elektrische Signale mit Dioden

Info

Publication number: DE1156443B
Application number: DEN18824A
Authority: DE
Inventors: Gerardus Rosier; Johannes Noordanus; Marie Marcel Antoine; Arnold Ghislain Verstraelen; Johannes Albertus De Gruyl; Johannes Karolus Andrea Koster
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1960-08-26
Filing date: 1960-08-26
Publication date: 1963-10-31

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21 a* 36/14

INTERNATIONALE KL.

H 03h; H 04m

N18824Vffla/21a²

AMMELDETAG: 26. AU G U S T 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 31. OKTOBER 1963

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für elektrische Signale, bei der das in seiner Amplitude zu steuernde Signal einer Wechselstromsignalquelle an die Anschlußpunkte zweier paralleler, je eine Diode enthaltender Zweige gelegt und der innere Widerstand wenigstens einer der Dioden von einer Steuergröße gesteuert wird, wobei der innere Widerstand der Signalquelle, zwischen den erwähnten Anschlußpunkten mit den Parallelzweigen gemessen, einen hohen Wert hat gegenüber dem Widerstand eines jeden dieser Parallelzweige für sich. Solche Steuerschaltungen werden z. B. zur Verstärkungsregelung oder zum Modulieren elektrischer Signale, z. B. für Trägerwellentelephoniezwecke, verwendet.

Es ist bereits bekannt, solche Steuerkreise in einen um 90° phasendrehenden Rückkopplungskreis eines Oszillators aufzunehmen, wobei dann die Frequenz des Oszillators von der Regel-(Modulations)-größe gesteuert (moduliert) wird.

Bei bekannten Steuerschaltungen wird vielfach eine Signalquelle mit einem niedrigen inneren Widerstand verwendet, während zwei Dioden als Potentiometer mit einem einstellbaren Spannungsteilverhältnis geschaltet sind. Auch gibt es vielfach Schaltungen, bei denen die beiden Dioden antiparallel geschaltet sind. Auch sind Schaltungen bekannt, bei denen die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors als Diode wirksam ist bzw. bei denen in Reihe mit wenigstens einer der Dioden oder mit der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors ein Widerstand von der Größen-Ordnung des Diodenwiderstandes geschaltet ist. Es ergibt sich in allen diesen Fällen, daß die Steuerung, wenigstens bei stärkeren Signalen, mit einer beträchtlichen Signalverzerrung einhergeht.

Bei einer anderen bekannten Steuerschaltung wird das zu steuernde Signal einer Wechselstromquelle zwischen die Anschlußpunkte zweier paralleler, je eine Diode enthaltender Zweige angelegt, und es wird der gegenüber dem Widerstand der Diodenzweige große innere Widerstand der Dioden von einer Regelgröße gesteuert.

Demgegenüber geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß die über wenigstens zwei Dekaden eine exponentielle Strom-Spannungs-Kurve aufweisenden Dioden in zwei parallelen Stromzweigen angeordnet werden und die gleiche Durchlaßrichtung aufweisen müssen; durch Änderung des Gleichstrom-Einstellpunktes der Dioden kann dann ein verzerrungsfreier veränderbarer Wechselstrom dem Zweig einer der Dioden entnommen werden. In der bekannten Steuerschaltung sind die Dioden entgegengesetzt gepolt, und benutzt wird die Spannung über der Steuerschaltung für elektrische Signale
mit Dioden

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Gerardus Rosier, Johannes Noordanus,
Marie Marcel Antoine, Arnold Ghislain Verstraelen,

Johannes Albertus de Gruyl
und Johannes Karolus Andreas Koster,

Hilversum (Niederlande),
sind als Erfinder genannt worden

Parallelschaltung. Eine verzerrungsfreie Ausgangsschwingung wird durch die bekannte Schaltung nicht erhalten, und da die positiven und die negativen Scheitel durch die beiden vorhandenen Dioden abgeflacht werden, wird eine beträchtliche dritte Harmonische erzeugt.

Eine verzerrungsfreie Ausgangsschwingung oder wenigstens eine starke Verzerrungsminderung auf einen Klirrfaktor von wenigstens unter 1 % für Signale bis 8 mA wird bei der eingangs angeführten Steuerschaltung hingegen dann erhalten, wenn gemäß der Erfindung dafür gesorgt wird, daß die beiden Parallelzweige über wenigstens zwei Dekaden eine exponentielle Strom-Spannungs-Kurve aufweisen und die Dioden in den Zweigen die gleiche Durchlaßrichtung haben, so daß durch an sich bekannte Steuerung der Gleichstromeinstellung wenigstens einer der Dioden eine von der Signalamplitude praktisch unabhängige, verzerrungsfreie Stromverteilung des Signalwechselstromes über die beiden Dioden in Abhängigkeit von der Steuergröße erfolgt und das gesteuerte Signal als Signalteilwechselstrom durch eine der Dioden erhalten wird.

Vorzugsweise wird durch die Steuergröße die Gleichstromeinstellung der einen Diode erhöht und gleichzeitig diejenige der anderen Diode herabgesetzt.

In bevorzugter Ausführung ist in Reihe mit einer der Dioden der Eingangskreis eines Transistorver-

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stärkers mit einem Eingangswiderstand geschaltet, betrieb, c eine Naturkonstante, ε die Grundzahl der welcher niedrig gegenüber dem Differentialwiderstand natürlichen Logarithmen und K₀₁ bzw. F₀₂ die Gleichdieser Diode ist. Hierbei ist die Durchlaßrichtung des spannungen an den beiden Dioden darstellen.

Transistoreingangskreises zweckmäßig gleich der- Aus diesen Gleichungen leitet man ab:

jenigen der mit ihm in Reihe liegenden Diode gewählt. 5 ^-

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher Au + h + Z ₁ __ _C(y_n- p_ia)

erläutert, in der in /_{02 +} /_{s +} /~ '

Fig. 1 Strom-Spannungs-Kurven der verwendeten

Dioden dargestellt sind, in wobei das zweite Glied also von der Wechselspannung ν

Fig. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung der Erfindung io unabhängig ist, vorausgesetzt, daß die Trennkonden-

dargestellt ist, in satoren 4 und 6 hinreichend groß sind, so daß an

Fig. 3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele nach der ihnen eine von etwaiger Amplitudenmodulation des

Erfindung und in Stromes Z unabhängige Spannung entsteht. Zwischen

Fig. 5 und 6 zwei weitere Abarten dargestellt sind. den Strömen I₀₁ + Z₅ + Z₁ und Z₀₂ + I₈ H- h besteht

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß 15 daher eine lineare Beziehung. Dies bedeutet, daß sich Halbleiterdioden herstellbar sind, deren Durchlaß- der Wechselstrom / unter den geschilderten Verström / exponentiell mit der Spannung V an der Diode hältnissen verzerrungsfrei über die beiden Diodenzunimmt. Dioden mit einer Strom-Spannungs-Kurve, zweige in einem Verhältnis
die über mehrere Dekaden einen nahezu rein exponen-

tiellen Verlauf aufweisen, werden von einigen Fabri- ao Ί __ Joi_+Js
kanten seit kurzem auf den Markt gebracht. In Fig. 1 / ~ / _i_ j_s
sind die Kurven, welche den Strom / in logarithmischem Maßstab als Funktion der Spannung V verteilt, unabhängig von der Größe von Z.
darstellen, für verschiedene dieser Dioden veran- Statt der Stromquellen Z₀₁ bzw. I₀₂ können auch schauiicht. Wie ersichtlich, sind die Abweichungen 35 Spannungsquellen mit vernachlässigbarer innerer Imvom exponentiellen Charakter über zwei Dekaden pedanz in Reihe mit den Dioden 1 bzw. 2 verwendet weniger als 5%. Es ergibt sich daraus, daß der Ver- werden.

zerrungsprozentsatz bei Verwendung in der Schaltung Auf diesem Prinzip beruhen die nachfolgend zu

nach der Erfindung weit unter 1 % gehalten werden beschreibenden Ausführungsbeispiele der Erfindung,

kann. 30 Naturgemäß ist auch bei den oben beschriebenen

Im allgemeinen hat dagegen der Eingangskreis bekannten Schaltungen in erster Annäherung bei

eines Transistors, und zwar mit Sicherheit, wenn er kleinem Wert von / eine lineare Stromverteilung

in Emitterschaltung betrieben wird, ohne weitere möglich, da die Dioden dann annähernd als lineare

Maßnahmen in nur unzureichendem Maße diesen Widerstände mit von der Regelgröße gesteuertem

exponentiellen Verlauf. Auch durch Zuschaltung 35 Wert aufgefaßt werden können. Nach dem oben

nicht vernachlässigbarer Widerstände oder Impe- erwähnten Prinzip wird aber eine lineare, also ver-

danzen oder weiterer auf einen anderen Gleichstrom zerrungsfreie Stromverteilung bei willkürlicher Größe

eingestellter Dioden in Reihe mit den erwähnten des Stromes /, also auch, wenn die Dioden nicht mehr

Dioden wird der exponentiell Charakter beein- als lineare Widerstände aufgefaßt werden dürfen,

trächtigt oder sogar völlig aufgehoben. 40 möglich gemacht.

Die Erfindung beruht auf folgendem, an Hand In Fig. 3 ist eine Verstärkerschaltung mit regel-

der Fig. 1 und 2 erläutertem Effekt. Wird der Strom barer Verstärkung dargestellt. Der Verstärker besitzt

einer Wechselstromquelle / zwei parallel geschalteten mehrere Verstärkerstufen 11 bis 16 in Kaskade, von

Dioden 1, 2 mit gleicher Durchlaßrichtung und mit denen die Stufen 12 und 14 mittels des Reglers 17

exponentieller Strom-Spannungs-Kurve zugeführt, 45 in der Verstärkung einstellbar sind. Der Regler 17

welche durch Gleichströme Z₀₁ bzw. I₀₂ auf verschiedene liefert eine einstellbare Spannung, die über einen

Punkte der Kennlinie eingestellt werden, so erfolgt verhältnismäßig hohen Widerstand 18 der Diode 2

ungeachtet der Amplitude des Wechselstromes Z eine in der Stufe 12 und über einen verhältnismäßig hohen

praktisch verzerrungsfreie Stromverteilung des Widerstand 19 der Diode 22 in der Stufe 14 zugeführt

Stromes / über die beiden Dioden 1 und 2 entsprechend 50 wird. Der letzte Transistor 7 der Stufe 11 hat eine

den Einstellstrcmen I₀₁ und Z₀₂. Bedingung dabei ist, hochohmige Ausgangsimpedanz 8. Die Diode 1 ist

daß die die Ströme Z bzw. Z₀₁ bzw. Z₀₂ liefernden mittels des Widerstandes 20 in Durchlaßrichtung

Quellen eine hohe Impedanz gegenüber den an- vorgespannt.

geschlossenen Diodenkreisen aufweisen. Die Dioden Die Dioden 1 und 2 liegen in zwei Parallelkreisen dürfen daher vom Wechselstrom nicht so weit aus- 55 zwischen dem mit der Kollektorelektrode des Trangesteuert werden, daß diese Bedingung nicht mehr sistors 7 verbundenen Punkt 3 und Erde, wobei die erfüllt werden würde, was in der Praxis meist bedeutet, Impedanz in Reihe mit der Diode 2, welche vom daß die Amplituden der durch die Dioden fließenden Trennkondensator 4 und dem Eingangswiderstand des Wechselströme nicht höher als die Einstellströme J₀₁ Transistors 5 gebildet wird, gegenüber dem Differentialbzw. Z₀₂ werden dürfen. 60 widerstand der Diode 2 vernachlässigbar klein ist. Wird die Spannung am Anschlußpunkt 3 der Durch Verwendung von Dioden 1 und 2 mit exponenbeiden Parallelkreise mit ν bezeichnet, so gelten für tieller Strom-Spannungs-Kurve, z. B. Dioden des die Ströme Z₀₁H-Z₁ bzw. Z₀₂+/₂ durch die beiden Typs 15P2 von Thomson—Houston, ergibt sich Dioden 1 und 2 folgende Gleichungen eine nahezu verzerrungsfreie Stromverteilung des Z A-i=i · (ε^€ <^F"i + ') — I) ⁶5 Kollektorwechselstromes des Transistors 7 über die j¹ , -¹ _ / / _c(Vm + v) i\' beiden Dioden 1 und 2. Da der Transistor 5 in Basis-A>2 H- h — As · (ε "² —l), schaltung betrieben wird und die gleiche Emitterwobei Z₆ den Sättigungsstrom der Dioden im Sperr- Basis-Durchlaßrichtung aufweist wie die Diode 2, ist

der von der Eingangsimpedanz des Transistors 5 auf den exponentiellen Charakter der Strom-Spannungs-Kurve des von den Schaltelementen 2, 4, 5 gebildeten Zweiges ausgeübte Einfluß auch bei Einstellung der Diode 2 auf einen verhältnismäßig niedrigen Differentialwiderstand noch vernachlässigbar. In der Praxis werden die Dioden 1 und 2 bei einem niedrigeren Diflferentialwiderstand als 75 Ω betrieben. Der Eingangswiderstand des Transistors 5 war auf 8 Ω eingestellt.

Auf ähnliche Weise wird eine verzerrungsfreie, mittels des Reglers 17 einstellbare Stromverteilung des Kollektorstromes des letzten Transistors 27 der Stufe 13 über die Dioden 21 und 22 mit exponentieller Strom-Spannungs-Kurve in der Stufe 14 erzielt. Da die Regelströme durch die Widerstände 18 bzw. 19 ihren Weg durch die Widerstände 20 bzw. 30 fortsetzen, wird in einfacher Weise bewerkstelligt, daß bei Zunahme des Einstellstromes durch die Dioden 2 bzw. 22 der Einstellstrom durch die Dioden 1 bzw. 21 abnimmt und umgekehrt, wodurch eine verstärkte Regelwirkung erzielt wird.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, bei dem die Dioden 31 und 32 bzw. 33 und 34 die gleiche Stromverteilungsrolle wie die Dioden 1 und 2 in Fig. 2 spielen, bildet die Stufe mit den Dioden 31 bis 34 ein regelbares Dämpfungsglied in Gegentaktausführung. Der Regelstrom ergibt sich durch Gleichrichtung des nach erfolgter Verstärkung in der Stufe 35 erzielten Signals in einer Stufe 36, worauf die erzielte Gleichspannung in einer Stufe 37 in einen entsprechenden Gleichstrom umgesetzt wird. Dieser Strom bedingt nur die Einstellströme durch die Diode 31 und 33, da die Dioden 32 und 34 im Gegensatz zu der Schaltung nach Fig. 3 nicht unmittelbar, sondern über Trennkondensatoren 38 bzw. 39 mit den Dioden 31 bzw. 33 verbunden sind.

Fig. 5 zeigt eine Vereinfachung der Stufe 12 von Fig. 3. Die Funktion der Diode 2 ist hier vom Emitter-Basis-Kreis des Transistors 5 übernommen. Die beiden Parallelzweige mit exponentieller Strom-Spannungs-Kurve werden jetzt von der Diode 1 in Reihe mit dem Trennkondensator 41 bzw. vom Trennkondensator 42 in Reihe mit dem Emitter-Basis-Kreis des Transistors 5 gebildet. Durch die Gleichstromverbindung derDiodel über die Widerstände 43 und 44 mit der Emitterelektrode des Transistors 5 und durch Einschaltung eines verhältnismäßig hochohmigen Widerstandes 45 vom Verbindungspunkt der Widerstände 43 und 44 zu einem Punkt positiven Potentials wird wieder erreicht, daß der Regelstrom I_r gleichzeitig die Differentialwiderstände der Diode 1 und des Eingangskreises des Transistors 5 gegensinnig steuert.

Einfachheitshalber können gegebenenfalls die Schaltelemente 42, 43 und 44 unter Überbrückung weggelassen werden. Für sorgfältig ausgewählte Grenzschichttransistoren gilt beim Betrieb in Basisschaltung eine den Anforderungen entsprechende exponentielle Strom-Spannungs-Kurve, so daß auch dann wieder eine nahezu verzerrungsfreie Stromverteilung über die Diode 1 und den Transistor 5 erzielt werden kann. Bei Transistoren in Emitterschaltung ergab sich, daß die Kennlinie bereits innerhalb einer Dekade die zulässigen Abweichungen von der exponentiellen Funktion überschritt.

Die Schaltung nach Fig. 6 stellt eine Abart dar, bei der der in Reihe mit der Diode 2 liegende Transistor 5 in Fig. 3 durch die an sich bekannte Gleichstromkaskadenschaltung zweier Transistoren 49 und 50 in Emitterschaltung mit Arbeitspunktstabilisierung und Herabsetzung der Eingangsimpedanz durch Gleichstrom- und Signalgegenkopplung von der Emitterelektrode des zweiten Transistors 50 zur Basiselektrode des ersten Transistors 49 ersetzt ist. Der Eingangswiderstand der Kaskadenschaltung kann dann auf z. B. 5 Ω herabgesetzt werden. Der Regelstrom wird von einem Hilfstransistor 51 geliefert. Auch jetzt ist die Durchlaßrichtung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 49 gleich der der Diode 2 gewählt, um auch bei Regelung des Differentialwiderstandes der Diode 2 auf niedrigere Werte (und gleichzeitig der Diode 1 auf höhere Werte) die von der Reihenschaltung des Transistors 49 und der Diode 2 verursachte Abweichung von der exponentiellen Kurve möglichst gering zu halten. Wird der Regelstrom nur der Diode 1 zugeführt und hat die Diode 2 eine konstante Einstellung, so ist es theoretisch denkbar, daß durch richtige Einstellung des nächsten Transistors der exponentielle Verlauf des betreffenden Zweiges sogar noch etwas verbessert werden kann. Für ein zuverlässiges Funktionieren, wobei die Dioden bzw. die Transistoren auch ohne viel Nachregelung (Trimmen) umgetauscht werden können, wird bevorzugt, daß die Eingangsimpedanz der Transistorschaltung klein ist gegenüber dem Differentialwiderstand der betreffenden Diode.

Im vorhergehenden wurde immer über den Regelstrom I₀ (bzw. die Regelspannung K₀) gesprochen, mit dessen bzw. deren Hilfe die Einstellung der Dioden 1 und 2 geändert werden kann. Es ist einleuchtend, daß diese Regelgröße sich auch in einem gewissen Rhythmus ändern darf, in welchem Falle sich ein verzerrungsfreier Modulator ergibt. Ist dann dieser Modulator in einen phasendrehenden Rückkopplungskreis eines Oszillators geschaltet, so bewirkt die Regelgröße eine Frequenzänderung bzw. Modulation des Oszillators.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Steuerschaltung für elektrische Signale, bei der das in seiner Amplitude zu steuernde Signal einer Wechselstromsignalquelle an die Anschlußpunkte zweier paralleler, je eine Diode enthaltender Zweige gelegt und der innere Widerstand wenigstens einer der Dioden von einer Steuergröße gesteuert wird, wobei der innere Widerstand der Signalquelle, zwischen den erwähnten Anschlußpunkten mit den Parallelzweigen gemessen, einen hohen Wert hat gegenüber dem Widerstand eines jeden dieser Parallelzweige für sich, dadurch ge kennzeichnet, daß die beiden Parallelzweige über wenigstens zwei Dekaden eine exponentielle Strom-Spannungs-Kurve aufweisen und die Dioden in den Zweigen die gleiche Durchlaßrichtung haben, so daß durch an sich bekannte Steuerung der Gleichstromeinstellung wenigstens einer der Dioden eine von der Signalamplitude praktisch unabhängige, verzerrungsfreie Stromverteilung des Signalwechselstromes über die beiden Dioden in Abhängigkeit von der Steuergröße erfolgt und das gesteuerte Signal als Signalteilwechselstrom durch eine der Dioden erhalten wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuergröße die Gleichstromeinstellung der einen Diode erhöht und

gleichzeitig diejenige der anderen Diode herabgesetzt wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit einer der Dioden der Eingangskreis eines Transistorverstärkers mit einem Eingangswiderstand geschaltet ist, welcher niedrig gegenüber dem Differentialwiderstand dieser Diode ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßrichtung des Transistoreingangskreises gleich derjenigen der mit ihm in Reihe liegenden Diode gewählt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Funkschau«, 1955, H. 17, S. 376 bis 378.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen