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BESCHREIBUNG zu der Patentanmeldung betreffend Wechselspannungsverstärker
Die Erfindung betrifft einen Wechselspannungsverstärker, der einerseits einen verzerrungsfreien,
d.h. linearen Zusammenhang zwischen dem zu verstärkenden Eingangssignal d dem verstärkten
Ausgangssignal besitzt und der ander:seits einen logaritr.mischen Zusammenhang zwischen
seinem lerstärRungsgrad und einer diesen steuernden Steuerspanung besitzt.
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Es ist bekannt, hierfür eine sogenannte Stromverteilungs-Steuerschaltung
zu verwenden (s. z.B. "Schaltbeispiele mit RCA--inear-IC-ARREYS"), wie sie z.B.
auch als Modulatoren oder Mischer verwendet werden (DT-PSn 1 222 128 und 1 262 372).
Dabei werden gemäss Fig. 1 zwei Transistoren T1 und T2 verwendet, von @@@en der
eine T1 nachfolgend als Bezugstransistor und der anders 2 nachfolgend als Ausgangstransistor
bezeichnet wird. Es wandelt sich hierbei um bipolare Transistoren, die einen wesentlichen
exponentiellen Zusammenhang der Basis-Emittei Spannung und der Transistorsteilheit
besitzen. Die beiden ansistoren
T1 und T2 sind mit ihren Emittern
zusammengeschaltet und werden einerseits über eine Stromquelle dargestellt durch
einen weiteren Transistor T3 mit dem Strom I3 des zu verstörenden Eingangssignals
Ue und andererseits über ihre Basen mit einer den Verstärkungsgrad der Gesamtschaltung
steuernden Steuerspannung Ust angesteuert. Das Ausgangssignal wird als Ausgangsstrom
I2 im Kollektorkreis des Ausgangstransistors T2 entnommen.
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Für die Schaltung nach Fig. 1 gilt folgende Beziehung: I1 + I2 = I3
Aus dem oben erwähnten exponentiellen Zusammenhang zwischen der Basis-Emitter-Spannung
und der Steilheit eines bipolaren Transistors ergibt sich ferner 11 = I2 eist/ +
mit UT = der sog. Temperaturspannung, die bei Transistoren 26 mV bei Raumtemperatur
beträgt. Daraus ergibt sich I3 = I2(1 + eUst/UT)
Aus letzterer Formel ergibt sich, dass der für solche Verstärker geforderte logarithmische
Zusammenhang zwischen Verstärkungsgrad und Steuerspannung nur für Steuerspannungen
Ust gilt, die wesentlich grösser als die Temperaturspannung UT sind. Ein grosser
Dynamikbereich solcher Verstärker kann also nur dadurch erreicht werden, dass die
Steuerspannung sehr gross gewählt wird. Unter diesen Voraussetzungen wird aber dann
der Ausgangsstrom I2 so klein, dass über den Einfluss der Transistorkapazitäten
die Grenzfrequenz des Verstärkers stark herabgesetzt
wird. Daraus
ergibt sich, dass die Forderung einerseits nach hoher Grenzfrequenz und Einhaltung
einer bestimmten Genauigkeit des logarithmischen Zusammenhanges zwischen Verstärkungsgrad
und Steuerspannung mit der bekannten Schaltung nur dadurch erfüllt werden kann,
dass der Dynamikbereich beispielsweise auf nur 10 oder 20 dB eingeschränkt wird.
Ein vorbestimmter grosser Dynamikbereich kann mit der bekannten Schaltung nur durch
schaltungstechnisch sehr aufwendiges Hintereinanderschalten mehrerer solcher Verstärker
realisiert werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen im Aufbau einfachen Wechselspannungsverstärker
mit den oben geschilderten Eigenschaften zu schaffen, der trotz hoher Grenzfrequenz
von bei-und spielsweise 10 WIHz oder mehr trotz Einhaltung einer vorbestimmten Genauigkeit
des logarithmischen Zusammenhanges seines Verstärkungsgrades mit der Steuerspannung
von beispielsweise nur 0,1 dB in einem weiten Dynamikbereich von beispielsweise
60 dB und mehr betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Wechselspannungsverstärker
laut Oberbegriff des Hauptanspruches erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
des erfindungsgemässen Verstärkers ergeben sich aus den Unteransprüchen und der
nachfolgenden Beschreibung.
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Für die erfindungsgemässe, in Fig. 2 an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläuterte Schaltung gilt folgende Beziehung: I1 + I2 = I3 + I4, wobei I4
der zusätzlich zum Eingangsstrom I3 noch hinzugefügte weitere Stromanteil ist. Die
Beziehung I1 = I2 eUst/UT eingesetzt in diese Gleichung ergibt:
I2
(1 + eUst/UT) - I3 + I4 Nachdem gemäss der Erfindung der Strom I4 dem Ausgangsstrom
I2 proportional ist, also I4 = k s I2 gilt, ergibt sich I2 (1 - k + eUst/UT) = I3
und
Aus letzterer Beziehung ist ersichtlich, dass mathematisch genau ohne zusätzliche
Bedingungen eine exakte exponentielle Abhängigkeit des Ausgangsstromes I2 von der
Steuerspannung Ust besteht, wenn unter Voraussetzung idealer Transistoren und ohne
Berücksichtigung weiterer nachfolgend noch erläuterter Komponenten der Schaltung
k = 1 wird, also unmittelbar der Ausgangsstrom I2 dem Eingangsstrom I3 überlagert
wird. Aus dieser Beziehung ergibt sich auch, dass durch die erfindungsgemässe Massnahme
der am Emitter wirksame Widerstand des Transistors T1 unabhängig von der Stromverteilung
in den beiden Transistorzweigen T1 und T2 konstant gehalten wird.
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Weitere vorteilhafte Bein---essungsvorschriften und zusätzliche Schaltungsmassnahmen
zur Beseitigung des Einflusses der Bab-nwiderstände der beiden Transistoren, von
Temperaturschwankungen und dergleichen werden im folgenden an Hand schematischer
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemässen Wechselspannungsverstärkers,
dessen eigentlicher Stromverteilungszweig mit den Transistoren T1, T2 und T3 mit
der bekannten Schaltung nach Fig 1 übereinstimmt. Erfindungsgemäss wird aus dem
Kollektorkreis des Ausgangs transistors T2 über eine Stromumkehrstufe
mit
den Transistoren T4 und T5, den zugehörigen Kompensationsdioden D und den Widerständen
R der Ausgansstrom I2 dem Emitterverbindungspunkt P der beiden Transistoren Tl und
T2 zugeführt, und zwar als Strom I4. Unter Ausserachtlassung der oben bereits erwähnten
zusätzlichen Störeinflüsse beispielsweise der Bahnwiderstände der Transistoren,
des Innenwiderstandes der Steuerspannungsquelle Ust und der Temperatureinflüsse
ergibt sich im Idealfall, dass I4 = dem Ausgangsstrom I2 ist. In diesem Fall ist
der Übertragungsfaktor k der Stromumkehrstufe k = 1.
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Wie in Fig. 3 im Detail dargestellt ist, besitzen die Transistoren
T1 und T2 jeweils Bahnwiderstände, die in der Praxis einen störenden Einfluss auf
die oben erwähnten Idealverhältnisse besitzen. So haben beispielsweise die Bahnwiderstände
des Transistors T1 zusammen mit dem Innenwiderstand Rst der Steuerspannungsquelle
Ust einen Einfluss auf die Linearität der Gesamtverstärkung. Bei grosser Aussteuerung
des Transistors T1 und damit geringer Aussteuerung des Transistors T2 rufen die
Bahnwiderstände des Transistors T1 zusammen mit dem Innenwiderstand der Steuerspannungsquelle
Verzerrungen des Ausgangssignals hervor, die dadurch entstehen, dass das Verhältnis
von dynamischem Anteil des Innenwiderstandes zu ohmschem Anteil des Innenwiderstandes
beim Transistor T2 wesentlich grösser wird als beim Transistor T1.
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Dieser störende Einfluss lässt sich einerseits durch einen kleinen
Innenwiderstand Rst für die Steuerspannung verringern. Vollständig eliminieren lässt
sich dieser Einfluss jedoch dadurch, dass ein Teil der Eingangsspannung Ue so der
Basis diesesTransistors T1 zugeführt wird, dass der an den Bahnwiderständen und
Rst entstehende Spannungsabfall, der durch den diesem Transistor T1 zugeführten
Signalstromanteil I1 entsteht, kompensiert wird.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Eingangsspannung Ue
über den Emitter des Transistors T3 und einen Widerstand RB
der
Basis des Transistors T1 zugeführt. Dieser Widerstand RB bildet zusammen mit dem
Innenwiderstand Rst der Steuerspannungsquelle einen Spannungsteiler, der so bemessen
wird, dass der Basis dieses Transistors T1 eine Kompensationsspannung in einer Grösse
zugeführt wird, die dem Spannungsabfall entspricht, der durch den Signalstrom 11
an der Serienschaltung reb1 + (rbb1 + Rst)/ß1 entsteht wobei reb1 und rbb1 jeweils
die Bahnwiderstände und 1 die Stromverstärkung des Transistors T1 sind. Auch die
Bahnwiderstände des Transistors T2 haben einen störenden Einfluss auf die geforderten
Linearitätsbedingungen.
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Der Ausgangsstrom I2 erzeugt an den Bahnwiderständen des Transistors
T2 ebenfalls einen störenden Spannungsabfall, der gemäss einer Weiterbildung der
Erfindung dadurch ausgeglichen werden kann, dass der Ausgangsstrom I2 nicht, wie
im Zusammenhang mit dem Idealbeispiel nach Fig. 2 beschrieben, mit dem Faktor k
= 1 dem Funkt P zugeführt wird, sondern mit einem Faktor k = 1 bis 2.
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Der zusätzliche Strom I4 ist also bis zweimal grösser gewählt als
der Ausgangsstrom I2. Dies kann beispielsweise einfach dadurch eingestellt werden,
dass der eine Widerstand k # R der Stromumkehrstufe grösser als die übrigen Widerstände
R gewählt wird. Eine vollständige Kompensation für diese störenden Bahnwiderstände
des Transistors T2 wird erreicht, wenn k folgender Beziehung genügt:
wobei reb1 und rbbl sowie 1 jeweils den Bahnwiderständen bzw.
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der Stromverstärkung des ersten Transistors und reb2, rbb2 und ß2
wiederum den Bahnwiderständen und der Stromverstärkung des zweiten Transistors T2
entsprechen. Aus dieser Beziehung ergibt sich, dass für den Innenwiderstand Rst
= 0 sich der Wert k = 2 ergibt. Nachdem dieser Innenwiderstandswert aber immer einen
endlichen Wert besitzt, ergibt sich in der Praxis ein Wert k zwischen 1 und 2.
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Wegen dieser von k = 1 abweichenden grösseren Dimensionierung des
zurückgeführten Stromes I4 tritt eine Überkompensation der im Zusammenhang mit Fig.
2 beschriebenen Schaltung auf. Um diesen störenden Einfluss zu beseitigen, wird
gemäss einer Weiterbildung der Erfindung zusätzlich auch noch der im Strom I1 enthaltene
Ruhestrom I10 des Transistors T1 über einen diesem Transistor konstant zugeordneten
Regelkreis gehalten. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird über
ein Integrationsglied der am Widerstand Rc abfallende Spannungswert des Kollektorkreises
dem einen Eingang eines Differenzverstärkers K zugeführt, dessen anderem Eingang
ein Referenzspannungssignal zugeführt ist. Dieser Differenzverstärker K steuert
einen weiteren parallel zum Transistor T1 geschalteten Transistor T6 derart, dass
über diesen Transistor T6 jeweils soviel Strom vom Verbindungspunkt P abgezogen
bzw. zugeführt wird, dass die Spannung am Widerstand Rc und damit auch der Ruhestrom
I10 konstant bleibt.
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Ein weiterer störender Einfluss ist die Temperaturabhängigkeit der
Temperaturspannung UT. Diese Abhängigkeit kann gemäss einer Weiterbildung der Erfindung
dadurch beseitigt werden, dass die beiden Transistoren T1 und T2 im Sinne des Ausführungsbeispieles
nach Fig. 3 auf einem gemeinsamen gut wärmeleitenden Träger S aufgebaut werden,
z.B. auf dem selben Kristall. Über einen diesem Träger S zugeordneten Temperaturfühler
F, der unmittelbar auf Temperaturänderungen des Trägers und damit auch der Transistoren
T1 und T2 anspricht, wird über einen Regelkreis R ein diesem Träger S zugeordnetes
Heizelement H derart beeinflusst, dass sowohl Temperaturänderungen hervorgerufen
durch Umwelteinflüsse als auch Temperaturänderungen in den Transistoren T1 und T2
hervorgerufen durch unterschiedliche Signalleistungen sofort ausgeregelt werden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird als Temperaturfühler F vorzugsweise ein
weiterer auf dem gleichen Träger S aufgebrachter Transistor T7 verwendet, als Heizelement
können
ebenfalls auf dem Träger aufgebrachte weitere Transistoren T8 und T9 verwendet werden.
Damit kann eine erfindungsgemässe Verstärkerschaltung mit zugeordnetem Temperaturregelkreis
sehr einfach und billig aus einem üblichen monolithischen Fünf-Transistor-Baustein
aufgebaut werden.
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Die erfindungsgemässe Schaltung kann wegen der allein verwendeten
Standardbauteile und der Gleichspannungskopplung im Signalweg sehr einfach und billig
auch in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut werden. Ein solcher integrierter
Aufbau könnte durch Konstanthalten der Temperatur der gesamten Schaltung neben der
Verbesserung der Stabilität auch zur Verringerung von Eigenfehlern führen. Die geringen
Kapazitäten und Induktivitäten bei einem solchen integrierten Aufbau würden zusätzlich
noch den Frequenzbereich erweitern.
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Durch jede der oben aufgezeigten zusätzlichen erfindungsgemässen Einzelmassnahmen
kann bei einem Verstärker der bezeichneten Art eine. wesentliche Verbesserung des
Frequenzbereiches, der Dynamik und der Genauigkeit erzielt werden. Insbesondere
durch das funktionelle Zusammenwirken der erfindungsgemässen Massnahme, dem Eingangsstrom
einen dem Ausgangsstrom proportionalen Zusatzstrom hinzuzuaddieren, und einer oder
mehreren der weiteren erfindungsgemässen Zusatzmassnahmen zur Eliminierung der Bahnwiderstände
bzw. des Innenwiderstandes der Transistoren und des Temperatureinflusses kann ein
Wechselspannungsverstärker realisiert werden, der in einem breiten Frequenzbereich
bis 10 MHz und mehr und einem Dynamikbereich von 70 dB oder mehr eine Genauigkeit
von 0,1 dB und darunter besitzt. Ein Wechselspannungsverstärker mit solch guten
Gesamteigenschaften eignet sich beispielsweise zum Aufbau eines automatisch arbeitenden
Spannungsmessers mit direkter logarithmischer Anzeige eines auf einen festen oder
variablen Wert bezogenen Eingangssignals, bei dem der Wechselspannungsverstärker
über
seine Steuerspannung derart in einem Regelkreis betrieben wird, dass der von der
Ausgangsgrösse des Verstärkers abgeleitete Spitzenwert, Mittelwert oder Effektivwert
gleich einem vorgegebenen Sollwert ist und die Grösse der Steuerspannung unmittelbar
als Messweitangezeigt wird.
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Patentansprüche