DE19742714A1 - Regelverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Regelverstärker mit einem Stellglied, vorzugsweise einem Bipolar-Transistor-Stellglied welches mit einem Stellsignal z. B. einer positi­ ven Regelspannung, angesteuert wird. Solche Regelverstärker bzw. Regelsysteme sind bekannt und kommen häufig bei Audio-Anwendungen zum Einsatz. Ein be­ kannter Regelverstärker ist in Fig. 1 dargestellt. Das dargestellte Regelsystem besteht aus einem Spannungsteiler R1 und Q1 einer Gleichspannungsentkopplung, bestehend aus den Kondensatoren C1 und C2, einem Verstärker X1 mit einem Widerstand R4 zur Arbeitspunkteinstellung, einem Gleichrichter, einem oder mehre­ ren Zeitgliedern zur Bestimmung der Ansprech- und Abfallzeit des Reglers und dem Stellglied Q1, welches zur Entkopplung und zur Reduktion von Klirrprodukten über eine Emitterfolge Q2 angesteuert wird. Es ist auch bekannt eine Zehnerdiode zwischen der Emitterfolge Q2 und der Basis des Transistors Q1 zu schalten.

Regelschaltungen der vorbeschriebenen Art kommen insbesondere bei preiswerten Audio-Geräten zum Einsatz. Sie haben jedoch oft den Nachteil, daß das Audio- Signal am Kollektor von Q1 nur sehr klein sein darf, beispielsweise nur 10 mV, um die Gesamtverzerrung in Grenzen, ca. 1%, zu halten. Dieser kleine Signalpegel bestimmt somit die Gesamtdynamik des Audio-Systems.

Ein weiterer Nachteil der vorbeschriebenen Schaltung ist, daß sich am Kollektor von Q1 eine überlagerte Gleichspannung einstellt, deren Größe umgekehrt propor­ tional zum Strom durch Q1 ist. Setzt nun der Regelvorgang ein, so verringert sich die Gleichspannung mit zunehmendem Stromfluß durch Q1. Dies führt bei Vollweg­ gleichrichtung zu einer Mitkopplung des Regelsystems und verschlechtert das Einschwingverhalten des Regelers beträchtlich, wie beispielhaft in Fig. 2 und 9a dargestellt ist. Aus diesem Grund wird üblicherweise nur eine Einweggleichrichtung benutzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile bekannter Regelverstärker zu vermeiden und die nutzbare Dynamik von preiswerten Regelverstärkern zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Regelverstärker mit den Merkmalen nach Anspruch 1 oder 2 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Wie in Anspruch 1 vorgeschlagen, wird zusätzlich zum ersten Stellglied ein kom­ plementäres Stellglied vorgesehen. Die Ausgänge beider Stellglieder sind miteinander verbunden, und das Komplementärstellglied wird mit einem zum Stellsignal inver­ tierten Stellsignal angesteuert.

Alternativ zu Anspruch 1 wird vorgeschlagen, daß der Regelverstärker Mittel auf­ weist, durch welche die Gleichspannung am Kollektor des Transistorstellglieds kompensiert wird, und somit jegliche Mitkopplung des Reglersystems ausgeschlos­ sen wird.

Die Kompensation der Gleichspannung am Kollektor des Transistors Q1 wird bei­ spielsweise durch einen symmetrischen Stellgliedaufbau erreicht, wobei das zweite Stellglied komplementär zum ersten Stellglied ist und die Regelspannung des zweiten Stellglieds invertiert ist zur Regelspannung des ersten Stellglieds. Kom­ plementär bedeutet, daß wenn das erste Stellglied ein npn-Transistor ist, das zweite Stellglied, also das komplementäre Stellglied, ein pnp-Transistor ist. Invers bzw. invertiert bedeutet, daß wenn die Regelspannung des ersten Stellglieds positiv ist, die Regelspannung des zweiten Stellglieds negativ ist (oder umgekehrt).

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, daß der Regelverstärker eine um etwa 10 db (ca. Faktor 3) höhere Dynamik, bei gleichem Klirrfaktor, aufweist gegenüber einem bekannten Regelverstärker. Aufgrund der Symmetrie stellt sich eine sehr geringe Arbeitspunktverschiebung beim Regeleinsatz ein, so daß letztendlich auch ein erheblich schnelleres Einschwingen des Reglers möglich ist. Die Dynamikerhöhung bedeutet gleichzeitig eine Klirrfaktorverringerung, und durch den Einsatz von Widerständen im Stellsignalweg, wenn Parameterschwan­ kungen der Transistoren ausgeglichen werden, und durch den Abgleich der Stell­ spannungen können geradzahlige Klirrprodukte auf ein Minimum reduziert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Regelver­ stärkers;

Fig. 2 ein Schaltbild eines bekannten Regelverstärkers;

Fig. 3a-c Meßdiagramme bekannter Regelverstärker (Fig. 3a, b) und eines eines erfindungsgemäßen Regelver­ stärkers (Fig. 3c);

Fig. 4a-c Ausschnittsvergrößerungen der Fig. 3a-c;

Fig. 5 Klirrfaktormeßdiagramm eines bekannten Regelver­ stärkers;

Fig. 6 Klirrfaktormeßdiagramm eines bekannten Regelver­ stärkers;

Fig. 7 Klirrfaktormeßdiagramm eines erfindungsgemäßen Regelverstärkers.

Fig. 1 zeigt einen Regelverstärker mit symmetrischen Bipolartransistoren Q1 und Q3 als Stellglied. Das gesamte Regelsystem besteht aus einem Spannungsteiler R1 und Q1, einer Gleichspannungs(DC)-Entkopplung C1 und C2, einem Verstärker X1 mit einem Widerstand R4 zur Arbeitspunkteinstellung, einem Gleichrichter, wenig­ stens einem Zeitglied zur Bestimmung der Ansprech- und Abfallzeit des Reglers und dem Stellglied, bestehend aus zueinander komplementären bzw. symmetrischen Bipolartransistoren Q1 und Q3. Der erste Transistor Q1 wird regelmäßig zur Entkopplung und zur Reduktion von Klirrprodukten über einen Emitterfolger Q2 angesteuert. Es kann auch eine Zehnerdiode zwischen dem Emitter Q2 und der Basis Q1 geschaltet werden.

Der zweite Transistor Q3 wird mit einer invertierten Regelspannung über ein Invertierungsglied *-1 angesteuert. Die invertierte Regelspannung kann mittels eines invertierenden Verstärkers oder eine Stromspiegelung und zusätzlichen Zeitgliedern erzeugt werden. Durch die komplementäre Anordnung NPN//PNP des Stellglieds wird die Gleichspannung an den Kollektoren der einzelnen Transistoren Q1 und Q3 kompensiert und die Mitkopplung des Reglersystems ausgeschlossen. Dieser Effekt wird später anhand der Fig. 3c und 4c näher erläutert.

Desweiteren verringert sich bei dem beschriebenen Regelverstärker der Klirrfaktor um etwa 10 db, wie in Fig. 7 dargestellt ist, wodurch sich ein nutzbarer Dynamik­ gewinn von etwa 10 db ergibt. Durch Hinzufügen von Widerständen R5 und R6 in die Regelschleifen vor den Transistoren Q2 und Q4 werden Parameterschwankun­ gen der Transistoren Q2 und Q4 ausgeglichen. Durch Abgleich einer Stellspannung können darüber hinaus geradzahlige Klirrprodukte auf ein Minimum reduziert werden.

Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie der Regelverstärker in Fig. 1, jedoch besteht das Stellglied lediglich aus einem einzigen Transistor Q1. Eine wie in Fig. 2 dargestellte Regelschaltung kommt in vielen preiswerten Audiogeräten zum Einsatz. Eine solche Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß das Audiosignal am Kollektor von Q1 nur sehr klein - typischerweise 10 mV - sein darf, um die Ver­ zerrung in Grenzen - z. B. 1% - zu halten. Dieser kleine Signalpegel bestimmt die Dynamik des gesamten Audiosystems. Ein weiterer Nachteil derartiger Schaltungen ist, daß sich am Kollektor von Q1 eine überlagerte Gleichspannung einstellt, deren Größe umgekehrt proportional zum Strom durch Q1 ist. Setzt nun der Regelvorgang ein, so verringert sich die Gleichspannung mit zunehmendem Stromfluß durch Q1. Dies führt bei Vollweggleichrichtung zu einer Mitkopplung des Regelsystems und verschlechtert das Einschwingverhalten des Reglers beträchtlich -siehe Fig. 3a und 4a. Aus diesem Grund wird üblicherweise nur eine Einweggleichrichtung benutzt, deren Verhalten in Fig. 3b und 4b dargestellt ist.

Fig. 3a und in Ausschnittsvergrößerung Fig. 4a zeigen in Diagrammdarstellung das Einschwingverhalten der bekannten Regelschaltung nach Fig. 2 bei Zweiweg­ gleichrichtung. Es ist hierbei deutlich zu erkennen, daß bedingt durch den Offset­ sprung am Kollektor des Stelltransistors Q1 eine Mitkopplung des Regelsystems erfolgt und somit diese Schaltungskonfiguration praktisch unbrauchbar ist.

Fig. 3b und in Ausschnittsvergrößerung Fig. 4b zeigen in Diagrammdarstellung das Einschwingverhalten der bekannten Regelschaltung nach Fig. 2 bei Einweggleich­ richtung. Diese Regelschaltung ist weit verbreitet und kommt insbesondere in preisgünstigen Audiogeräten zum Einsatz. Nachteilig ist jedoch, daß bedingt durch den Offsetsprung des Stelltransistors Q1 sich eine überlagerte Gleichspannung zeigt, die für den Gleichrichter gleichbedeutend mit einer sehr viel höheren Signal­ spannung ist. Daher liefert der Gleichrichter eine wenn nicht zu hohe, so doch beträchtliche Ausgangsspannung an die Zeitglieder, was dazu führt, daß das Stellglied mit einem zu hohen Stellsignal beaufschlagt wird. Dies führt - untech­ nisch ausgedrückt - zu einem "Verschlucken" des Regelverstärkers. Wie aus Fig. 3b ersichtlich, hat sich der Regelverstärker erst nach 175 mSek erholt, was durch die Abfallzeit des Regelverstärkers bedingt ist. Das "Verschlucken" des Regelver­ stärkers kann durch eine größere Ansprechzeitkonstante verhindert werden, was jedoch ein schnelles Ansprechen - welches regelmäßig gewünscht ist - verhindert.

Fig. 3c und in Ausschnittsvergrößerung Fig. 4c zeigen in Diagrammdarstellung das Einschwingverhalten der erfindungsgemäßen Regelschaltung nach Fig. 1 bei Zweiweggleichrichtung. Durch die symmetrische Anordnung der Transistorstell­ glieder Q1 und Q3 wird die Offsetspannung an den Kollektoren der Stelltransisto­ ren Q1 und Q3 kompensiert. Der Gleichrichter kann nun in Vollwegschaltung arbeiten, ein wie in Fig. 3b und 4b gezeigtes "Verschlucken" des Regelverstärkers ist ausgeschlossen. Der gesamte Einschwingvorgang ist bereits nach 20 mSek abgeschlossen.

Somit ist durch die in Fig. 1 gezeigte Regelschaltung ein schnelles Ansprechen der Regelung zur Vermeidung von Übersteuern realisiert, und auch ein langsames Abfallen der Regelung, was regelmäßig zur Kompression des Audiosignals führt, kann vermieden werden.

Fig. 5 zeigt den Klirrfaktor der Regelschaltung nach Fig. 2 nach Einschwingen des Reglers bei Einweggleichrichtung.

Fig. 6 zeigt den Klirrfaktor des eingeschwungenen Reglers nach Fig. 2 bei Zwei­ weggleichrichtung.

Fig. 7 zeigt den Klirrfaktor des eingeschwungenen, erfindungsgemäßen Reglers nach Fig. 1 bei Zweiweggleichrichtung. Der Klirrfaktor 3K ist bei der Regelschal­ tung nach Fig. 1 um ca. den Faktor 3 kleiner als bei der Regelschaltung nach Fig. 2. Auch der Klirrfaktor 2K ist bei der Regelschaltung nach Fig. 1 deutlich geringer als bei der Einweg- bzw. Zweiweggleichrichtung der Regelschaltung nach Fig. 2.

Zusammenfassend läßt sich mit der Regelschaltung nach Fig. 1 ein erheblich schnelleres Einschwingen als bei bisher bekannten preiswerten Regelschaltungen erreichen, wodurch die Regelschaltung nach Fig. 1 unter anderem auch als preis­ werter Hubbegrenzer nach ETSI geeignet ist. Der Klirrfaktor wird deutlich verringert und es wird eine um mehr als 10 db größere Dynamik im Vergleich zu bisher bekannten Regelschaltungen erreicht. Der Mehraufwand an Material und Bestüc­ kung bei der Regelschaltung nach Fig. 1 gegenüber der Regelschaltung nach Fig. 2 fällt demgegenüber kaum ins Gewicht und wird durch die Qualitätsverbesserung des Reglers überkompensiert.

Claims (5)

1. Regelverstärker mit einem Stellglied (Q1), vorzugsweise einem Bipolar- Transistor als Stellglied, welches mit einem Stellsignal, z. B. einer positiven Regel­ spannung, angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Stellglied ein Komplementärstellglied (Q2) vorgesehen ist, daß die Ausgänge beider Stellglieder (Q1, Q2) miteinander verbunden sind, und daß das Komplementärstellglied (Q2) mit einem zum Stell­ signal invertierten Stellsignal angesteuert wird.

2. Regelverstärker mit einem Bipolar-Transistor-Stellglied (Q1), welches mit einem Stellsignal, z. B. einer positiven Regelspannung, angesteuert wird, wobei sich am Kollektor des Stellglieds eine überlagerte Gleichspannung einstellt, deren Größe umgekehrt proportional zum Basisstrom durch das Bipolar-Transistor-Stellglied (Q1) ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (Q2) vorgesehen sind, mittels der die Gleich­ spannung am Kollektor des Bipolar-Transistor-Stellglieds (Q1) kompensiert wird.

3. Regelverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsmittel aus einem Komplementär- Bipolar-Transistor-Stellglied (Q1) besteht, welches symmetrisch zum Stellglied (Q1) aufgebaut ist und durch ein zum Stellsignal invertiertes Stellsignal angesteuert wird.

4. Regelverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das invertierte Stellsignal mittels eines invertierenden Verstärkers (*-1) oder durch eine Stromspiegelung erzeugt wird.

5. Regelverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalweg des Stellsignals und des invertierten Stellsignals jeweils ein Widerstand (R5, R6) angeordnet ist.