DE2262580C3 - Schaltungsanordnung zur elektronischen Verstärkungseinstellung, insbesondere elektronischer Lautstärkeeinsteller - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur elektronischen Verstärkungseinstellung, insbesondere einem elektronischen Lautstärkeeinsteller gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DT-OS 19 29 253 bekannt. Diese Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß bei vorgegebener Batteriespannung und bei vorgegebener maximaler Eingangs-Signal-Amplitude die mit dieser Schaltungsanordnung erreichbare Verstärkung nach oben begrenzt ist bzw. daß bei vorgegebener maximaler Eingangs-Signal-Amplitude und vorgegebener Verstärkung eine relativ hohe Batteriespannung zugeführt werden muß. Außerdem ändert sich die Ausgangsgleichspannung bei einer Verstärkungsänderung.

Den erstgenannten Nachteil weist auch die aus F i g. 3 der DT-OS 20 60 192 bekannte Schaltung auf. Sie enthält zwei über Kreuz gekoppelte Transistor-Differenzverstärker, d.h. vier Transistoren Tu ... Tu, von denen jeder mit jedem der drei anderen Transistoren jeweils eine andere Elektrode gemeinsam hat (z. B. hat der Transistor 7ii mit dem Transistor Tn den Emitter. mit dem Transistor Γη den Kollektor und mit dem Transistor Γι4 die Basis gemeinsam). Die miteinander verbundenen Kollektoren der Transistoren Tu und Γ13 sind über einen Widerstand Rw, an dem die Ausgangsspannung abgenommen wird, an eine positive Betriebsspannung angeschlossen. Ebenso sind die miteinander verbundenen Kollektoren der Transistoren Γ12 und Tu über einen Widerstand Ä12 an die Betriebsspannung angeschlossen. Die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren Tu und Γ12 sind mit dem Kollektor eines Transistors Γι5 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand An mit Masse verbunden ist und an dessen Bssis eine positive Gleichspannung angelegt ist, weshalb der Transistor Γι5 im folgenden auch als Gleichstrom-Transistor bezeichnet wird. Auf die gleiche Weise ist in die gemeinsame Emitterzuleitung der Transistoren Γι3 und Tu ein Transistor Γι* mit einem Emitter-Widerstand am eingeschaltet, der den gleichen Widerstar.dswert aufweist wie der Widerstand Rn. An die Basis dieses Transistors ist die Summe einer Signalspannung u und einer Gleichspannung U angelegt, die genau so groß ist wie die Gleichspannung an der Basis des Transistors Γ15. Dieser Transistor wird im folgenden auch als Signal-Transistor bezeichnet. Mittels der zwischen den Basen der Transistoren Γ11, Tu einerseits und Γ12, Γι 3 andererseits angelegten Steuergleichspannung usi ist es möglich, die Verstärkung des an die Basis von Γι6 angelegten Signals uzu steuern.

Bei dieser Schaltung ist die Gleichspannung am Ausgang unabhängig von der Steuergleichspannung. Ein Nachteil dieser Schaltung ist jedoch, daß bei vorgegebener Batteriespannung und Eingangssignalverträglichkeit die Verstärkung des Signals u begrenzt ist.

Zur Erläuterung dieses Nachteils sei angenommen, daß die Gleichspannung U = 3,6 V und die Amplitude des Signals u = 0,4 V ist und daß die maximale Verstärkung, die sich dann ergibt, wenn der gesamte Signalstrom des Transistors Γιβ über den Transistor Tn und den Widerstand Ru fließt und die gleich dem Verhältnis Ru/Ru ist, 3 beträgt. Dann beträgt die Spannung am Widerstand Ru ungefähr 4 V und die Spannung am Widerstand An das Dreifache davon, also 12 V. Berücksichtigt man weiterhin, daß die Kollektor-Emitter-Spannungen der Transistoren Γιβ und 713 mindestens so groß sein müssen, daß ihre Kollektor-Basis-Dioden nicht leitend werden, dann ergibt sich, daß die Betriebsspannung größer als 16 V sein muß. Der Ausweg, unter Beibehaltung der Signalamplitude die Gleichspannung am Eingang der Transistoren Tis und Γι6 zu verringern, verbietet sich, weil der Klirrfaktor einer solchen Schaltung um so größer ist, je größer die Wechselspannungsamplitude im Vergleich zur Gleichspannung ist. Die Gleichspannung wird daher im allgemeinen so gewählt, daß die Wechselspannungsamplitude kleiner als etwa 40% der Gleichspannung ist

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine

Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich bei kleinem Eingangssignal und vorgegebener niedriger Batteriespannung eine hohe Verstärkung erzielen läßt, ohne daß bei großem Eingangssignal und herabgesetzter Verstärkung eine > Übersteuerung des Eingangs auftritt

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei einer reinen Wechselstrom-Gegenkopplung kann die Schleifenverstärkung beliebig groß sein. Jedoch läßt sich eine Schaltung mit einer reinen Wechselstrom-Gegenkopplung in integrierter Schaltangstechnik nur schwer realisieren, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, so daß sich auch eine Gleichstrom-Gegenkopplung ergibt. Wenn dann die Verstärkung insbesondere im Gegenkopplungszweig zu groß bemessen wird, kann bei maximaler Signalverstärkung der Gleichstrom des Gleichstrom-Transistors über den Gegenkcpplungszweig den Signal-Transistor sperren. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das dadurch verhindert werden, daß die Bedingung VR1/R1 < 1 erfüllt ist, wobei V die Gleichspannungsverstärkung im Gegenkopplungszweig, /& der Widerstand am Kollektorausgang und Ri der Emitter-Widerstand des Gleichstrom-Transistors sind.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung werden an Hand eines in Fig 2 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. ^₀

Die in F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung kann z. B. als elektronischer Lautstärkeregler im NF-Teil eines Rundfunkgerätes dienen. Sie enthält zwei über Kreuz gekoppelte Transistor-Differenzverstärker mit den Transistoren 71 und Ti, von denen jeder mit jedem ^₅ der drei anderen jeweils eine Elektrode gemeinsam hat (z. B. hat Γι mit Ti den Emitter, mit Ti den Kollektor und mit Τ* die Basis gemeinsam). Die gemeinsame Verbindung der Kollektoren der Transistoren Tj und Ti, an der auch die Ausgangssignale abgenommen werden, ist über einen Widerstand Ri von lOkOhm an die positive Klemme einer Speisespannungsquelle angeschlossen. Die miteinander verbundenen Kollektoren der Transistoren Γ> und Ti sind über die Serienschaltung eines Widerstandes /?2 von lOkOhm und eines als Diode geschalteten Transistors Di, dessen Bedeutung später erläutert wird, an die positive Speisespannungsklemme angeschlossen. An die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren Γι und Ti ist der Kollektor eines Transistors Ts angeschlossen, dessen Emitter über einen Widerstand Ri von lOkOhm mit Masse verbunden ist und an dessen Basis eine Gleichspannung Uanliegt.

Die miteinander verbundenen Emitter der Transistoren Ti und T* sind an den Kollektor eines Transistors Tb angeschlossen, dessen Emitter über die Serienschaltung eines Widerstandes Rs von 33 kOhm und eines Widerstandes Rt von ebenfalls 33 kOhm mit Masse verbunden ist und an dessen Basis die Summe einer Signalspannung und einer Gleichspannung von der gleichen Größe wie die Gleichspannung an der Basis ^ des Transistors Γ5 anliegt

Sieht man einmal davon ab, daß bei der Schaltung gemäß F i g. 2 der Kollektor der Transistoren Ti und T* über die Serienschaltung eines Widerstandes Ri und einer Diode Di mit der positiven Betriebsspannung f,₅ verbunden ist und daß der Emitter des Transistors Te über die Serienschaltung zweier Widerstände Rs und Rt mit Masse verbunden ist, dann entspricht die insoweit beschriebene Schaltung vollständig der Schaltung nach Fig. 1.

Zusätzlich ist hier jedoch der andere Kollektor-Ausgang, d. h. der Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren Ti und Ti mit der Basis eines Transistors Ti verbunden, der als einziger Transistor vom pnp-Typ ist, während alle anderen Transistoren npn-Transistoren sind. Der Emitter dieses Transistors ist über einen Widerstand Ra von lOkOhm mit der positiven Speisespannungsklemme verbunden. Da der Spannungsabfall an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Ti praktisch dem Spannungsabfall an der Diode Di entspricht ist der Spannungsabfall und — da der Widerstand A4 die gleiche Größe (10 kOhm) hat wie der Widerstand Ri — auch der Strom durch den Widerstand R* genau so groß wie der Spannungsabfall an bzw. der Strom durch den Widerstand Rl Der Kollektor des Transistors Ti ist mit der Basis eines Transistors Ts verbunden, dessen Kollektor seinerseits mit dem Emitter des Transistors Ti verbunden ist. Der Emitter des Transistors Tt ist über die Serienschaltung eines Widerstandes Ri von 6,8 kOhm und einer Diode Di. die ebenso wie die Diode Di durch einen Transistor gebildet wird, dessen Kollektor und Basis kurzgeschlossen sind, mit Masse verbunden. Mit dem Emitter des Transistors Ts ist die Basis eines Transistors Γ« verbunden, dessen Emitter an den Verbindungspunkt der Widerstände Rs und Rb angeschlossen ist und dessen Kollektor mit der positiven Speisespannungsklemme verbunden ist. Auch hier wird wieder durch den Einsatz der Diode D? erreicht, daß der Spannungsabfall am Widerstand Rb gleich dem Spannungsabfall am Widerstand Ri ist.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung sei zunächst angenommen, daß eine solche Steuerspannung usi an die Basen der Transistoren Γι... T* angelegt sei, daß nahezu der gesamte Strom des Signal-Transistors Te über den Transistor T* und den Widerstand R2 sowie die Diode Di fließt und nur ein geringer Teil über den mit dem^Ausgang verbundenen Widerstand R\. Dann fließt nahezu der gesamte Gleichstrom des Gleichstrom-Transistors Ts über den Transistor Γι und den Widerstand Äi, so daß am Widerstand R\ ein Gleichspannungsabfall auftritt, der ungefähr gleich der an die Basis des Transistors Ts angelegten Gleichspannung U ist, wei! Rj und R\ die gleiche Größe haben. Am Widerstand Ri hingegen fällt dieselbe Gleichspannung ab, da der Gleichstrom durch den Transistor Ti dem Gleichstrom durch den Transistor Ts entspricht, und außerdem ein der Signalspannung u entsprechender Signalanteil. Die Spannung am Widerstand Ri wird durch die Transistoren Ti, Ts und T) verstärkt und über den Widerstand Rs auf den Emitter des Transistors Te zurückgeführt, so daß sich eine Gegenkopplung ergibt, durch die bewirkt wird, daß bei der gegebenen Bemessung der Widerstände R2 und /?4 bis Ri die Spannung am Widerstand Ri gleich der Spannung am Eingang des Transistors Te ist. Bei der beschriebenen Stromverteilung wirkt daher die Schaltung nach F i g. 2 im Hinblick auf die Verstärkung der angelegten Gleich- und Wechselspannungen wie eine Schaltung nach Fig. 1, bei der die Widerstände Rw bis /?m die gleiche Größe haben.

Bei dieser Einstellung der Stromverteilung, bei der die Verstärkung gering ist, ergibt sich wegen der starken Gegenkopplung eine große Eingangssignalverträglichkeit und eine besonders geringe Rauschspannung am Ausgang.

Ist hingegen die Steuerspannung us< so gewählt, daß

der gesamte Strom des Transistors Tb über den Transistor Tj und den Widerstand R\ fließen kann, während der Gleichstrom des Transistors Ti über den Transistor T2 und den Widerstand R2 sowie die Diode Di fließt, ist der Signalanteil am Kollektor der Transistoren Ti und Ta Null, so daß die von dem Gegenkopplungsverstärker Ti. Ti und Ti auf den Emitter des Transistors Tt gegengekoppelte Signal-Spannung ebenfalls Null ist.

Bei dieser Stromverteilung bleibt das Potential am Emitter des Transistors 79 wegen des geringen differentiellen Emitter-Ausgangswiderstandes konstant, während am Emitter des Transistors Tt der volle Wechselspannungsanteil anliegt. Es ergibt sich bei dieser Einstellung hinsichtlich der Signalverstärkung somit die gleiche Wirkung als wenn der Widerstand Ri direkt an Masse läge:

Die Signalspannungsverstärkung ist in diesem Fall also gleich dem Verhältnis R\/Rs gleich 3.

Hingegen bleibt auch bei dieser Einstellung der Gleichstrom über den Widerstand R\ unverändert. Der Gleichstrom des Transistors Ti erzeugt nämlich am Widerstand R2 eine Gleichspannung, die entsprechend dem Verhältnis Ri/R* verstärkt wird und am Emitter des Transistors 79 erscheint. Der Widerstand Rs von 3,3 kOhm ist so bemessen, daß die Differenz der Spannungen an den Emittern der Transistoren 71 und Γ9 einen Strom durch den Widerstand Ri und den Transistor Tb treibt, der dem Gleichstrom durch den Transistor Ts entspricht.

Je größer die Spannung am Emitter des Transistors T<> ist, die sich aus dem Produkt der Spannung U an der Basis des Transistors 7s und des Quotienten RiRi/RzR* ergibt, um so kleiner muß der Widerstand Ri sein, damit der Gleichstrom durch den Transistor Tb gleich dem Gleichstrom durch den Transistor 7s ist. Wenn die Gleichspannung am Emitter des Transistors T9 größer wäre, als die Gleichspannung an der Basis bzw. am Emitter des Transistors Tb, dann würde der Transistor Tb gesperrt. Der Quotient RiRiIRiR* muß daher kleiner als 1 sein, wobei es sich empfiehlt, einen Wert zu wählen.

der nicht zu dicht bei 1 liegt, weil dann Streuungen der Widerstände sich stark auf den Gleichstrom auswirken (beim Ausführungsbeispiel beträgt dieser Quotient 0,68).

Der Gleichstrom durch den Transistor Tb fließt über den Widerstand R=, und den Widerstand Rb nach Masse. Über den Widerstand Rb fließt gleichzeitig ein vom Transistor 7"9 gelieferter Gleichstrom von solcher Größe, daß die Gleichspannung am Widerstand Rb der Gleichspannung am Widerstand Ri entspricht. Die Summe der Widerstände Ri + Rb muß kleiner oder gleich dem Widerstand /?) sein. Außerdem soll Rb kleiner als Ri sein; zweckmäßig ist Rb = Ri/2.

Da der Gleichstrom durch den Transistor Tb dem Gleichstrom durch den Transistor Ts entspricht, ist bei dieser Stromverteilung der Gleichspannungsabfall am Widerstand R\ nicht größer als bei der zuerst beschriebenen Stromverteilung. Legt man eine Gleichspannung U = 3,6 V und eine Amplitude der Signalspannung u von 0,40 V zugrunde, dann ergibt sich am Widerstand Ri ein maximaler Spannungsabfall von 3 χ 0,4 V + 3,6 V = 4,8 V. Hinzu kommen

0.4 V + 3.6 V am Emitter des Transistors Tb. so daß diese Schaltung mit dreifacher Signalverstärkung mit einer Betriebsspannung von weniger als 15 V betrieben werden kann, während bei einer Schaltung nach F i g. 1 bei dieser Verstärkung und diesen Spannungen hierfür eine Gleichspannung von mehr als 16 V erforderlich ist. wie einleitend ausgeführt. Bei einer Gleichspannung von 3.6 V kann bei hoher Verstärkung (hier maximal 3) ein Ausgangssignal mit 1,4 V Signalamplitude erhalten werden. Bei geringer Verstärkungseinstellung kann ein Eingangssignal von 1,4 V Signalamplitude verarbeitet werden.

Das Rauschen ist bei dieser Stromverteilung zwar stärker als bei der zuerst genannten Verteilung, fällt jedoch weniger ins Gewicht, da bei dieser Einstellung die Signal-Amplituden am Ausgang größer sind. Außer einer Herabsetzung der Betriebsspannung bei gleichbleibender Verstärkung ergibt die erfindungsgemäße Schaltung also verbesserte Rauscheigenschaften.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur elektronischen Verstärkungseinstellung, insbesondere elektronischer Lautstärkeeinsteller, mit wenigstens einem Transistor-Differenzverstärker, in dessen Emitterzuleitung ein Transistor eingeschaltet ist, der einen Gleichstrom und einen Signalstrom führt, insbesondere mit zwei kollektorseitig über Kreuz gekoppelte Transistör-Differenzverstärker, die je einen Transistor in der Emitterzuleitung enthalten, von denen der eine (Gleichstrom-Transistor) einen Gleichstrom und der andere (Signal-Transistor) einen entsprechenden Gleichstrom sowie den Signalstrom führt, wobei die Verstärkungseinstellung mittels einer an die Basen der Transistoren des Differenzverstärkers angelegten Steuerspannung erfolgt und das Ausgangssignal an einem der beiden Kollektorausgänge abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gegenkopplung von dem anderen KoJJektorausgang über einen Gleichspannungsverstärker (Ti, Ts, T)) mit niedrigem differentiellen Ausgangs-Widerstand erfolgt, dessen Ausgang über einen Widerstand (Ri) mit dem Emitter des Signal-Transistors (Tb) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingung VRiIRi < 1 erfüllt ist, wobei V die Gleichspannungsverstärkung im Gegenkopplungszweig, R2 der Widerstand am jo anderen Kollektorausgang und Rs der Emitter-Widerstand des Gleichstrom-Transistors (Ti) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (Rs) zwischen dem Ausgang des Gleichspannunj'sverstärkers (Tr, 7s, 7s) und dem Emitter des Signal-Transistors (T*,) so bemessen ist, daß bei den Gleichspannungsverhältnissen, die sich ergeben, wenn der Strom des Gleichstrom-Transistors (T>) vollständig über den anderen Kollektorausgang (R2) geführt wird, der Gleichstrom durch den Signal-Transistor (Tb) gleich dem Gleichstrom durch den Gleichstrom-Transistor (7i)ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des Gleichspannungsverstärkers (Ti, Ti, T<>) ein Widerstand (Rt) parallel geschaltet ist, der so bemessen ist, daß die Summe der Widerstandswerte dieses Widerstandes (Rb) und des Widerstandes (Rs) zwischen dem Ausgang des Gleichspannungsverstärkers (Ti, Ts, T>) und dem Emitter des Signal-Transistors (Te) kleiner ist als der Emitter-Widerstand (Ri) jes Gleichstrom-Transistors (7~5).