DE1200368B

DE1200368B - Control stage for amplifiers and oscillators

Info

Publication number: DE1200368B
Application number: DES92322A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erhard Steiner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-07-29
Filing date: 1964-07-29
Publication date: 1965-09-09

Description

Regelstufe für Verstärker und Oszillatoren Die Erfindung betrifft eine Regelstufe für Verstärker und Oszillatoren, bei der die Regelung durch Verschieben des Gleichstrompunktes eines Transistors erfolgt.Control stage for amplifiers and oscillators The invention relates to a control stage for amplifiers and oscillators, in which the control by shifting of the DC point of a transistor takes place.

An die Konstanz der Ausgangsspannung von Verstärkern und Oszillatoren werden häufig hohe Anforderungen gestellt. Das trifft vor allem für Verstärker und Oszillatoren zu, die bei Trägerfrequenz-Systemen eingesetzt werden. Es handelt sich hierbei meist um Anordnungen, deren aktive Elemente Transistoren sind. Bei den in der Trägerversorgung von Trägerfrequenzsystemen eingesetzten Oszillatoren gewinnt die Verstärkungsregelung als Möglichkeit zur Amplitudenbegrenzung immer mehr an Bedeutung. Dabei werden häufig an die Phasenkonstanz der Regelschaltung höhere Anforderungen gestellt, als an die Regelsteilheit.The constancy of the output voltage of amplifiers and oscillators high demands are often made. This is especially true for amplifiers and Oscillators that are used in carrier frequency systems. It is about in this case mostly to arrangements whose active elements are transistors. The in the carrier supply of carrier frequency systems used oscillators wins the gain control as a possibility to limit the amplitude more and more Meaning. This often places higher demands on the phase constancy of the control circuit than to the steepness of the rule.

Ein für diese Zwecke eingesetzter Verstärker ist in F i g. 1 schematisch dargestellt. Der Transistor 1 ist in Emitter-Schaltung betrieben. Er wird von der Eingangsspannung U 1 über den Übertrager 2 an seiner Basis gesteuert. Die Ausgangsspannung U2 wird am übertrager 3, der im Kollektorkreis des Transistors 1 liegt, abgenommen. Sie wird häufig zur Aussteuerung eines nachgeschalteten Verstärkers verwendet, der die auf einen konstanten Wert zu regelnde Ausgangsgröße liefert. Durch Vergleich dieser Ausgangsgröße mit einer Bezugsspannung gewinnt man in der Gleichrichter-Schaltung 6 die Regelspannung UR, Die Regelspannung UR" ist an die Basis des Transistors 1 geführt und legt dessen Arbeitspunkt im geregelten Zustand fest. Die Polarität der Regelspannung ist so gewählt, daß sie den Transistor in Sperrichtung vorspannt, sobald die zu regelnde Ausgangsgröße ihren Sollwert überschreitet. Im nicht geregelten Zustand, z. B. bei Ausfall der Eingangsausspannung U1 oder vor dem Einsetzen der Regelung ist der Arbeitspunkt des Transistors und damit die Verstärkung der Regelstufen durch den Spannungsteiler, bestehend aus den in Reihe geschalteten ohmschen Widerständen 4 und 5, festgelegt. In diesem Arbeitspunkt hat die Regelstufe ihre größte Verstärkung, und der Transistor wird mit der größten in Betrieb möglichen Verlustspeisung beansprucht.An amplifier used for this purpose is shown in FIG. 1 shown schematically. The transistor 1 is operated in an emitter circuit. It is controlled by the input voltage U 1 via the transformer 2 at its base. The output voltage U2 is taken from the transformer 3, which is located in the collector circuit of the transistor 1. It is often used to control a downstream amplifier that supplies the output variable that is to be regulated to a constant value. By comparing this output variable with a reference voltage, the control voltage UR is obtained in the rectifier circuit 6. The control voltage UR "is fed to the base of the transistor 1 and defines its operating point in the controlled state. The polarity of the control voltage is chosen so that it biases the transistor in the reverse direction as soon as the output variable to be controlled exceeds its setpoint. In the non-controlled state, e.g. if the input voltage U1 fails or before the control starts, the operating point of the transistor and thus the gain of the control stages by the voltage divider, consisting of the series-connected ohmic resistors 4 and 5. At this operating point, the control stage has its greatest gain, and the transistor is subjected to the greatest possible loss of power during operation.

Dieser Arbeitspunkt muß aus Gründen der Betriebssicherheit so stabilisiert werden, daß unter allen möglichen Betriebsbedingungen die zulässigen Grenzwerte der Regelstufe nicht überschritten werden. Insbesondere muß der Einfluß von Schwankungen der Stromverstärkung auf die Verschiebung des Arbeitspunktes klein gehalten werden, um auch für die kleinste noch zulässige Eingangsspannung eine für das Einsetzen der Regelung ausreichende Verstärkung der Regelstufe zu garantieren. Diese Bedingung legt eine Grenze für die zulässige Verschiebung des Arbeitspunktes in das Gebiet geringerer Steilheit bzw. kleinerer Kollektorströme fest.This operating point must be stabilized for reasons of operational safety that under all possible operating conditions the permissible limit values the control level are not exceeded. In particular, the influence of fluctuations the current gain on the shift of the operating point can be kept small, in order to have one for the onset even for the smallest still permissible input voltage to guarantee sufficient gain of the control stage for the control. This condition sets a limit for the permissible shift of the operating point in the area lower slope or lower collector currents.

Eine Grenze für die Verschiebung des Arbeitspunktes in das Gebiet größerer Steilheit und damit größerer Kollektorströme ist durch die zulässige Verlustleistung und den in der Schaltung maximal zulässigen Stromverbrauch des Transistors gegeben.A limit for the shift of the working point into the area greater steepness and thus greater collector currents is due to the permissible power loss and the maximum permissible current consumption of the transistor in the circuit is given.

Da die Schwankungen der Stromverstärkung, bedingt durch Temperaturänderungen und durch die Exemplarstreuung der Transistoren, beträchtliche Werte annehmen können, wird eine volle Ausnutzung des mit einem gegebenen Transistor erzielbaren Regelbereiches nur bei guter Stabilisierung des Arbeitspunktes im nichtgeregelten Zustand gelingen. In der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 erfordert das eine gegenüber dem Basiseingangswiderstand möglichst große Gleichstromlinearisierung durch den ohmschen Widerstand 7 im Emitterzweig des Transistors 1. Since the fluctuations in the current gain, caused by temperature changes and the variation in the transistors, can only be used to the full if the operating point is well stabilized in the non-regulated state. In the circuit arrangement according to FIG. 1, this requires a direct current linearization as large as possible compared to the base input resistance through the ohmic resistance 7 in the emitter branch of the transistor 1.

Beide Maßnahmen haben den Nachteil, daß je nach ihrer Wirksamkeit eine mehr oder minder große Einbuße an Regelsteilheit und Regelgenauigkeit auftritt. Das überbrücken des Basiseingangswiderstandes durch den ohmschen Widerstand 4 kostet Regelleistung und damit Regelsteilheit, die bei voller Ausnutzung der Hochohmigkeit des Basiswiderstandes gewonnen werden könnte. Andererseits ist ein möglichst hoher Abschlußwiderstand der Regelspannungsquelle für die Stabilität des Regelkreises von besonderem Vorteil, da die durch den Kondensator 8 und die Parallelschaltung aus Basiswiderstand und ohmschen Widerstand 4 gegebene Zeitkonstante einen kritischen Punkt nicht unterschreiten darf. Bei hochohmigem Abschluß der Regelspannungsquelle kommt man daher mit kleineren Kapazitätswerten für den Kondensator 8 aus.Both measures have the disadvantage that, depending on their effectiveness, there is a greater or lesser loss of control steepness and control accuracy. The bridging of the base input resistance by the ohmic resistor 4 costs control power and thus control steepness, which could be obtained with full utilization of the high resistance of the base resistance. On the other hand, the highest possible terminating resistance of the control voltage source is of particular advantage for the stability of the control loop, since the time constant given by the capacitor 8 and the parallel connection of base resistance and ohmic resistance 4 must not fall below a critical point. With a high-resistance termination of the control voltage source, one can manage with smaller capacitance values for the capacitor 8.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen verbesserte Gleichstromarbeitspunktstabilisierung von Transistorverstärkern oder Oszillatoren zu schaffen.The object of the invention is to provide a circuit arrangements that are known in the art improved DC operating point stabilization of transistor amplifiers or To create oscillators.

Die Regelstufe wird gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß die Basis des Transistors mit dem einen Pol einer Diode verbunden ist, die mit einem in Reihe geschalteten Widerstand einen Teilwiderstand des Basisspannungsteilers überbrückt und daß die Diode im nicht geregelten Zustand in Durchlaßrichtung gepolt ist, so daß dann der Arbeitspunkt durch den Spannungsteiler einstellbar ist, und daß im geregelten Zustand die Diode gesperrt ist.The control stage is designed according to the invention such that the Base of the transistor is connected to one pole of a diode, which is connected to a resistor connected in series a partial resistance of the base voltage divider bridged and that the diode is polarized in the forward direction in the unregulated state is, so that the operating point can then be set by the voltage divider, and that the diode is blocked in the regulated state.

An Hand der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 2 und 3 wird die Erfindung näher erläutert. Die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 lediglich dadurch, daß der ohmsche Widerstand 5 der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 durch eine Reihenschaltung, bestehend aus der Halbleiterdiode 9 und dem ohmschen Widerstand 10, überbrückt ist und daß der Verbindungspunkt dieser beiden Schaltelemente mit dem Wicklungsende der Sekundärwicklung 11 des Eingangsübertragers 2 verbunden ist.On the basis of the exemplary embodiments according to FIGS. 2 and 3 becomes the Invention explained in more detail. The circuit arrangement according to FIG. 2 is different of the circuit arrangement according to FIG. 1 only in that the ohmic resistance 5 of the circuit arrangement according to FIG. 1 by a series connection, consisting of the semiconductor diode 9 and the ohmic resistor 10 is bridged and that the Connection point of these two switching elements with the winding end of the secondary winding 11 of the input transformer 2 is connected.

Der ohmsche Widerstand 10 ist so dimensioniert, daß der übrige an die Basis geführte Strom positiver Polarität auch bei der kleinstmöglichen Stromverstärkung des Transistors 1 für die Aufrechterhaltung des gewünschten Kollektorgleichstromes und damit des gewünschten Arbeitspunktes ausreicht. Praktisch ist dieser Widerstand meist eine Größenordnung höher als der Basiseingangswiderstand, da die für ihn zur Verfügung stehende Spannung ein vielfaches der erforderlichen Basisspannung beträgt.The ohmic resistor 10 is dimensioned so that the rest of the the basis of guided current of positive polarity even with the smallest possible current gain of transistor 1 for maintaining the desired collector direct current and thus the desired working point is sufficient. This resistance is practical usually an order of magnitude higher than the base input resistance, since the for him to Available voltage is a multiple of the required base voltage.

Ist die Stromverstärkung des Transistors größer als der angenommene Minimalwert, so fließt der überflüssige Strom über die Halbleiterdiode 9 zu dem niederohmigen Spannungsteiler, bestehend aus den Ohmschen Widerständen 4 und 5, ab. Da der der differentielle Widerstand der Diode in Durchlaßrichtung klein ist gegenüber dem Basiswiderstand, wird bei Änderung der Stromverstärkung das Basispotential konstant gehalten. Auch eine Arbeitspunktverschiebung durch Ansteigen des Kollektorsperrstromes wird mit der Halbleiterdiode 9 wirksam verhindert. Zusätzlich bewirkt die Halbleiterdiode 9 auch noch eine Temperaturkompensation, da sich ihre Kennlinie über der Temperatur um den gleichen Spannungsbetrag verschiebt, wie die des Transistors. Der Vollständigkeit halber sei noch bemerkt, daß das Abfließen eines positiven Stromes über die Regelleitung durch die Vorspannung der Gleichrichter-Schaltung 6 verhindert wird. Die Polung der Halbleiterdioden und Gleichspannungen in den F i g. 1 und 2 gilt für npn-Transistoren und kehrt sich bei pnp-Transistoren um.If the current gain of the transistor is greater than what is assumed Minimum value, the superfluous current flows through the semiconductor diode 9 to the low-ohmic voltage divider, consisting of ohmic resistors 4 and 5, away. Since the differential resistance of the diode in the forward direction is small compared to the base resistance, when the current gain changes, the base potential becomes kept constant. Also a shift in the operating point due to an increase in the collector reverse current is effectively prevented with the semiconductor diode 9. In addition, the semiconductor diode causes 9 also has a temperature compensation, since its characteristic curve is based on the temperature shifts by the same amount of voltage as that of the transistor. The completeness for the sake of it should be noted that the discharge of a positive current via the control line is prevented by the bias of the rectifier circuit 6. The polarity of the semiconductor diodes and DC voltages in FIGS. 1 and 2 apply to npn transistors and is reversed for pnp transistors.

Die Schaltungsanordnung nach F i g. 3 zeigt in schematischer Darstellung einen auf konstanten Ausgangsstrom IA geregelten Verstärker; der z. B. zur Aussteuerung von Verstärkerdrosseln des Sekundärgruppenerzeugers in TF-Systemen eingesetzt werden kann. Der innerhalb der strichlierten Linie liegende Teil stellt hierbei die Regelstufe und der außerhalb dieser Linie liegende Teil den eigentlichen Verstärker dar.The circuit arrangement according to FIG. 3 shows in a schematic representation an amplifier regulated to a constant output current IA; the z. B. for level control used by amplifier chokes of the secondary group generator in TF systems can. The part lying within the dashed line represents the control stage and the part lying outside this line is the actual amplifier.

Die Bewertung des Ausgangsstromes IA erfolgt über die am Meßkondensator 14 gewonnene Meßspannung UM. Der in den Ausgangskreis eingeschaltete Serienresonanzkreis 13 befindet sich unter Einbeziehung des Kondensators 14 bei der übertragenen Trägerfrequenz in Resonanz, so daß im Verstärker kein Spannungsverlust durch Blindspannungsanteile auftritt. Aus der Meßspannung UM wird in dem als Spannungsverdoppler-Schaltung ausgebildetenGleichrichter 6 die Gleichspannung UG gewonnen. Als konstante Führungsgröße für die Regelung dient die an der Zehner-Diode 15 abfallende Gleichspannung Up. Übersteigt die Spannung UG den Betrag der Gleichspannung von UF, so entsteht als Differenzspannung die Regelspannung UR"" die den Arbeitspunkt des Transistors 1 so lange in Sperrichtung verschiebt, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt.The evaluation of the output current IA takes place via the measuring voltage UM obtained at the measuring capacitor 14. The series resonant circuit 13 connected to the output circuit is in resonance with the inclusion of the capacitor 14 at the transmitted carrier frequency, so that no voltage loss occurs in the amplifier due to reactive voltage components. The direct voltage UG is obtained from the measurement voltage UM in the rectifier 6, which is designed as a voltage doubler circuit. The DC voltage Up dropping across the Zener diode 15 serves as a constant reference variable for the regulation. If the voltage UG exceeds the amount of the direct voltage of UF, the control voltage UR "" arises as the differential voltage, which shifts the operating point of the transistor 1 in the reverse direction until a state of equilibrium is established.

Der hochohmige Abschluß der Regelspannungsquelle macht es möglich, ohne wesentlichen Verlust an Regelsteilheit noch den Vorwiderstand 16 in die Regelleitung zu schalten und so die für die Stabililtät gegen Regelschwingungen erforderliche Regelzeitkonstante mit einem gegenüber der Schaltungsanordnung nach F i g.1 erheblich kleineren Kapazitätswert des Kondensators 8 zu realisieren, so daß der Einsatz eines Elektrolytkondensators, wie bereits erläutert, vermieden werden kann. Bei voller Ausnutzung des Regelbereiches in einem großen Temperaturbereich können mit der erläuterten Arbeitspunktstabilisierung für den Transistor 1 die Exemplarstreuungen ohne zusätzlichen Prüffeldabgleich aufgefangen werden.The high-impedance termination of the control voltage source makes it possible to switch the series resistor 16 into the control line without any significant loss of control slope and thus the control time constant required for stability against control oscillations with a capacitance value of the capacitor 8 that is considerably smaller than that of the circuit arrangement according to FIG to be realized so that the use of an electrolytic capacitor, as already explained, can be avoided. With full utilization of the control range in a large temperature range, with the explained operating point stabilization for the transistor 1, the specimen deviations can be absorbed without additional test field adjustment.

Ein Vorteil der Ausbildung der Regelstufe nach F i g. 3 liegt noch darin, daß der Arbeitspunkt des Transistors auch über den B-Bereich hinaus in den C-Bereich verschoben werden kann, so daß die Regelung auch noch bei übereinstimmung der Regelstufe einwandfrei arbeitet. Bei Verwendung von Silizium-Transistoren ist es möglich, mit der beschriebenen Regelstufe einen einstufigen Verstärker wirksam zu regeln. Im Vergleich zu bekannten Begrenzer-Schaltungen, bei denen sich abhängige von der Aussteuerung der Grundwellenanteil der Ausgangsspannung ändert, erzielt man mit der beschriebenen Regelstufe eine bessere Konstanz der Ausgangsspannung U2 und eine geringere Aussteuerungsabhängigkeit der Phasendrehung zwischen Ausgangs- und Eingangsaussparung. Diese Eigenschaft ist besonders auch für den Anwendungsbereich bei der Trägerversorgung für Trägerfrequenzsysteme von größtem Vorteil, da hier eine Umwandlung von Amplitudensprüngen in Phasensprünge wegen der hohen Anforderungen an die Phasenstabilität der Träger vermieden werden soll.An advantage of the design of the control stage according to FIG. 3 is still lying in the fact that the operating point of the transistor is also beyond the B range in the C-area can be shifted so that the regulation is still in agreement the control stage is working properly. When using silicon transistors is it is possible to use the described control stage to effectively use a single-stage amplifier to regulate. Compared to known limiter circuits in which there are dependent from the modulation of the fundamental wave component of the output voltage changes, achieved the described control stage provides a better constancy of the output voltage U2 and a lower level dependence of the phase rotation between output and entrance recess. This property is also particularly important for the area of application in the carrier supply for carrier frequency systems of the greatest advantage, because here a conversion of amplitude jumps into phase jumps because of the high requirements to the phase stability of the carrier should be avoided.

Claims

Control stage for amplifiers and oscillators, in which the control takes place by shifting the direct current operating point of a transistor, characterized in that the base of the transistor is connected to one pole of a diode (9) which has a resistor (10) connected in series Partial resistance (5) of the base voltage divider (4, 5) bridged, and that the diode is polarized in the forward direction in the non-regulated state, so that the operating point can then be set by the voltage divider, and that the diode is blocked in the regulated state.