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Schaltungsanordnung zur durch eine Bezugsschwingung erzwungenen phasenrichtigen
Demodulation eines niederfrequenten Signals, insbesondere zur Verwendung in einem
Gleichspannungsverstärker Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur -durch
eine Bezugsschwingung erzwungenenphasenrichtigen Demodulation eines niederfrequenten
Signals.
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Bekannte Schaltungsanordnungen dieser Art arbeiten nach verschiedenen
Prinzipien, von denen die meistgebräuchlichen in den F i g. 1 bis 3 gezeigt sind.
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F i g. 1 stellt das Prinzipschaltbild eines bekannten Zerhackerverstärkers
dar, mit dem sehr kleine Gleichspannungen polaritätsgetreu und/oder sehr niederfrequente
Schwingungen phasengetreu verstärkbar sind. Die zu verstärkenden Signale werden
den Klemmen 1 und 2 zugeführt und mittels des Relaiskontakts 2 des Relais 3 in eine
meanderförmige, durch den beispielsweise RC-gekoppelten Verstärker 4 verstärkbare
Wechselspannung mit der Frequenz des Relais-Steuergenerators 5 umgeformt. Der Widerstand
6 ist zum Vermeiden eines Kurzschlusses des nicht gezeigten Signalgenerators durch
den Relaiskontakt 2 vorgesehen. Die verstärkte meanderförmige Spannung steht zwischen
den Klemmen 7 und 8 zur Verfügung und ist mittels des Relaiskontakts 9 wieder gleichrichtbar.
Der Relaiskontakt 9 gehört zum Relais 10, das gleichfalls aus dem Relais-Steuergenerator
5 gespeist wird, wodurch der Relaiskontakt 9 synchron mit dem Relaiskontakt 2 arbeitet.
Selbstverständlich ist der Relaiskontakt 9 aber auch mit dem Relaiskontakt 2 als
gesonderter Kontakt auf einem gemeinsamen Relais montierbar, wodurch dann eins der
beiden Relais 3 und 10 eingespart werden kann. Weiterhin sind die Relais 3 und 10
mit ihren Kontakten bei geringeren geforderten Empfindlichkeiten des Verstärkers
auch durch andere an sich bekannte Schaltmittel ersetzbar, beispielsweise durch
Schaltdioden oder Schalttransistoren. Der Widerstand 11 dient zum Vermeiden eines
Kurzschlusses durch den Relaiskontakt 9. Zwischen den Ausgangsklemmen 12 und 13
des gezeigten Zerhackerverstärkers ist die verstärkte Signalspannung abgreifbar;
häufig wird sie anschließend noch durch einen Tiefpaß gefiltert, der beispielsweise
aus dem Kondensator 14 und dem Widerstand 15 besteht. Die gefilterte verstärkte
Signalspannung ist daraufhin an den Klemmen 16 und 17 entnehmbar.
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F i g. 2 zeigt eine weitere bekannte Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art, die an Stelle des Relaiskontakts 9 und des Widerstandes 11 bei der
Anordnung nach F i g. 1 verwendbar ist, wie durch die gleichnumerierten Eingangs-
und Ausgangsklemmen 7, 8 und 12, 13 angedeutet ist, und mit der die Wiedergleichrichtung
durch einen Diodenschalter erfolgt. Dieser Schalter besteht aus zwei gegensinnig
gepolten Dioden 18 und 19, die durch die Ausgangsspannung des Generators 5 abwechselnd
gesperrt und geöffnet werden. Der Generator 5 ist hierzu an die Klemmen 20 und 21
des Gegentakttransformators 22 anschließbar.
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F i g. 3 zeigt die bekannte Möglichkeit der Wiedergleichrichtung der
zwischen den Klemmen 7 und 8 der Anordnung nach F i g. 1 auftretenden Schwingungen
mittels eines Transistorschalters mit dem Transistor 23 und dessen Basis-Vorwiderstand
24. Der Generator 5 ist hierbei zwischen den Klemmen 25 und 26 anschließbar.
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Die nach den bisher beschriebenen bekannten Prinzipien arbeitenden
Anordnungen der eingangs genannten Art sind für viele praktische Anwendungsfälle
zum Demodulieren extrem kleiner Spannungen, insbesondere bei hohen Modulationsfrequenzen,
wegen ihrer nicht ausreichenden Driftfreiheit ungeeignet oder zumindest nachteilig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine diese Nachteile vermeidende
Schaltungsanordnung anzugeben, die außer der Demodulation gleichzeitig eine Signalverstärkung
ermöglicht.
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Die Erfindung besteht bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art darin, daß die Schaltvorrichtung zwei bezüglich ihrer Ausgangsstromstrecken
gegensinnig in Serie geschaltete Transistoren enthält, zwischen deren Kollektoren
die demodulierten Schwingungen abgreifbar sind, daß zwischen die Kollektoren zwei
gleich große ohmsche Widerstände geschaltet sind, daß zwischen die Verbindungspunkte
dieser Widerstände und der Ausgangsstromstrecken
der Transistoren
die Steuerwechselspannung angelegt wird und daß das zu demodulierende Signal den
zwei Transistoren gleichphasig zugeführt wird.
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Bei der Erfindung wird der bekannte Vorteil in Gegentakt- oder Differentialverstärkern
gegeneinandergeschalteter Transistoren ausgenutzt, der in der kompensierenden Wirkung
auf deren Temperaturverhalten besteht. Gegenüber dem Stand der Technik treten als
hervorstechende Vorteile des Erfindungsgegenstandes eine weitgehende Kompensation
der Restspannungen der Transistoren, eine extrem kleine Drift und ein Verstärkungsgrad
auf, der wesentlich über demjenigen liegt, den bekannte Anordnungen nach Art der
in F i g. 3 gezeigten besitzen.
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An Hand der F i g. 4 und 5 seien im folgenden Ausführungsbeispiele
der Erfindung zu deren näheren Erläuterung beschrieben.
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Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung nach F i g. 4 sind zwei Transistoren
27 und 28 vorgesehen, die bezüglich ihrer Ausgangsstromstrecken -
im gezeigten Beispielsfall bezüglich ihrer Emitter-Kollektor-Strecken - gegensinnig
in Serie geschaltet sind und deren Außenwiderstände 29 und 30 gleich groß gewählt
sind. Als Steuerwechselspannung wird diesen Transistoren die Spannung eines an die
Klemmen 31 und 32 anschließbaren, nicht gezeigten Bezugsschwingungsgenerators über
einen Transformator 33 zugeführt. Der Bezugsschwingungsgenerator ist bei Verwendung
der Anordnung nach F i g. 4 in einer Anordnung nach F i g. 1 (dort an Stelle der
Bauelemente 9 und 11) der Generator 5. Mit 34 und 35 sind beim Ausführungsbeispiel
der Erfindung nach F i g. 4 zwei in Serie liegende Spannungsteilerwiderstände bezeichnet,
die der Erzeugung der Basisvorspannungen für die Transistoren 27 und 28 dienen.
Die Basis des Transistors 27 ist mit dem Verbindungspunkt der Spannungsteilerwiderstände
über den Widerstand 36 verbunden, während die Basis des Transistors 28 mit dem Verbindungspunkt
der Spannungsteilerwiderstände direkt verbunden ist.
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In F i g. 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das
weitgehend mit demjenigen nach F i g..4 übereinstimmt, zu dessen Weiterbildung jedoch
zusätzliche Elemente vorgesehen sind und die deshalb eine geringfügige Schaltungsabänderung
enthält. So ist in an sich bekannter Weise zwischen den Transistoren 27 und 28 ein
Symmetrierwiderstand 37 zum Ausgleich von Exemplarstreuungen bezüglich der elektrischen
Eigenschaften der Transistoren 27 und 28 und der Toleranzen der übrigen Bauelemente
vorgesehen, wodurch die Restspannungen der Transistoren und der Schaltungsunsymmetrien,
die besonders bei Temperaturschwankungen störend auftreten, noch besser kompensiert
werden als bei der Anordnung nach F i g. 4.
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Um die Basisvorspannung der Transistoren 27 und 28 weitgehend von
den Schwankungen der synchron mit der Bezugsschwingung variierenden Steuerwechselspannung
unabhängig zu machen, ist bei der Anordnung nach F i g. 5 eine zusätzliche Halbleiterdiode
38 eingefügt. Außerdem ist der Spannungsteilermittelpunkt der Widerstände 34 und
35 durch einen Kondensator 39 abgeblockt.
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Bei einem in der Praxis bewährten Ausführungsbeispiel der Erfindung
nach F i g. 5 sind als Transistoren 27 und 28 solche des Typs 0C 602 vorgesehen,
deren Außenwiderstände 29 und 30 sind je 5 kS2 groß. Als Diode 38 ist eine Halbleiterdiode
vom Typ A0 1$0 vorgesehen. Der Symmetrierwiderstand 37 hat eine Größe von 200
9. Die gleich großen Widerstände 35 und 36 sind je 5 k9 groß, während der
Widerstand 34 500 S2 besitzt und die Kapazität des Kondensators 39 bei einer Betriebsfrequenz
des Bezugsschwingungsgenerators von 50 kHz etwa 10 000 pF beträgt. Die Größe dieses
Kondensators ist abhängig von der gewählten Betriebsfrequenz immer so zu wählen,
daß der Spannungsteilermittelpunkt wechselspannungsmäßig praktisch geerdet ist.
Die Aussteuergrenze dieses erprobten Ausführungsbeispiels der Erfindung liegt bei
größenordnungsmäßig ± 5 V Gleichspannung zwischen den Klemmen 12 und 13. Die Frequenz
der Bezugsschwingung ist zu 50 kHz gewählt. Hierbei ergibt sich eine Verstärkung,
die größer als 5 ist im Vergleich zum Diodenschalter nach F i g. 2. Die Drift wurde
mit kleiner als 5 mV/' C bestimmt.
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Besonders vorteilhaft ist die Erfindung als Demodulator in einem Gleichspannungsverstärker
an sich bekannter Art verwendbar, bei dem eingangsseitig die zu verstärkende Gleichspannung
mit der Frequenz der Steuerwechselspannung zerhackt, darauf in einem Wechselspannungsverstärker
verstärkt und anschließend in einem durch die Steuerwechselspannung gesteuerten
Demodulator polaritätsgetreu wieder gleichgerichtet wird.