DE2648577A1

DE2648577A1 - Elektrisch veraenderbare impedanzschaltung

Info

Publication number: DE2648577A1
Application number: DE19762648577
Authority: DE
Inventors: Kenneth James Gundry
Original assignee: Dolby Laboratories Inc
Current assignee: Dolby Laboratories Licensing Corp
Priority date: 1975-10-31
Filing date: 1976-10-27
Publication date: 1977-05-12
Also published as: GB1568056A; NL7612075A; US4066914A; NL189638C; JPS6210047B2; NL189638B; JPS5257753A; DE2648577C2

Description

Reichel u. Reichel

6 Frankfurt a. M. 1
Parksirai3s 13

8602

DOLBY LABORATORIES INC., New York, N.Y., VStA

Elektrisch veränderbare Impedanzschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch veränderbare Impedanzschaltung, wie sie im einzelnen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Es ist bekannt, in Vorwärtsrichtung vorgespannte Halbleiterübergänge zur Herstellung von elektrisch veränderbaren Impedanzen zu benutzen. Wenn man die Übergänge in aneinander angepaßten Paaren in Gegentaktanordnung benutzt, ist es möglich, im großen ganzen zu verhindern, daß das elektrische Signal, welches die Impedanz steuert, sich mit den Signalen vermischt, die der veränderbaren Impedanz zugeführt werden.

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Ausführungsbeispiele für derartige bekannte Schaltungen sind in der US-Patentschrift 3 761 741 beschrieben. Diese bekannten Schaltungen können zwar unter idealen Bedingungen zufriedenstellend arbeiten, jedoch treten zwei Schwierigkeiten auf, die diesen idealen Betrieb verhindern können. Die erste Schwierigkeit kann auftreten, wenn der zweite Anschluß mit einem Verstärker oder einer anderen Schaltung verbunden wird, die einen nicht vernachlässigbaren Vorspannungsstrom benötigt. Dieser Strom erzeugt eine Abweichung zwischen den Potentialen der ersten und zweiten weiteren Anschlüssen, wobei die Potentialabweichung durch das Produkt des Eingangsstromes und den Wert der gesteuerten Impedanz bestimmt ist. Das Abweichungspotential ändert sich, wenn die gesteuerte Impedanz durch den Steuerstrom verändert wird und die Unabhängigkeit zwischen dem Steuerstrom und dem an dem zweiten weiteren Anschluß zugeführten Signal wird hierdurch beeinträchtigt. Die Schaltung befindet sich nicht mehr richtig im Gleichgewicht und ist unsymmetrisch.

Diese Schwierigkeit wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen beseitigt. Insbesondere kann die erste weitere Halbleitervorrichtung an den Eingang des Verstärkers oder der anderen Schaltung, die mit der Eingangsklemme verbunden ist, angepaßt werden, so daß die von der Eingangsstufe und von der ersten weiteren Vorrichtung geführten Ströme stets mindestens annähernd gleich sind.

Hierbei entsteht jedoch eine weitere Schwierigkeit, wenn der Steuerstrom auf einen niedrigen Wert abgesenkt wird. Die Wirkung der Stromausgleichsschaltung kann dann verlorengehen. Diese weitere Schwierigkeit wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 3 angegebenen Maßnahmen behoben. Wenn die an die Eingangsklemme angeschlossene Schaltung keinen nennenswerten Strom ver-

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braucht, sollten die von der ersten und zweiten weiteren Halbleitervorrichtung benötigten Ströme einander gleich sein. Wenn der Strom, der an die Eingangsklemme angeschlossenen Schaltung nicht vernachlässigbar klein ist, dann sollte der von der ersten weiteren Vorrichtung aufgenommene Strom gleich der Summe der Ströme sein, die von der betreffenden Schaltung und der zweiten weiteren Vorrichtung aufgenommen werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben, wobei sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild an sich bekannter Art, Fig. 2 bis 4 zeigen Schaltbilder gemäß der Erfindung.

Eine aus der US-Patentschrift 3 761 741 bekannte Schaltung ist in Fig. 1 angegeben. In der folgenden kurzen Beschreibung wird angenommen, daß die Stromverstärkung der Transistoren hoch ist und daß daher die Kollektorströme gleich den Emitterströmen sind, während die Basisströme vernachlässigt werden können. Es wird ferner angenommen, daß der Transistor Q3 identisch mit dem Transistor 04 ist und der Transistor Q1 identisch mit Transistor Q2.

Die Schaltung enthält eine Steuerstromquelle 10, Strom I auf zwei Zweige 11 und 12 aufg< die die NPN-Transistören Q1 und 02 enthalten.

deren Strom I auf zwei Zweige 11 und 12 aufgeteilt ist,

Die Transistoren 03 und 04 bilden eine Gegentaktschaltung, in der der von dem Transistor 03 aufgenommene Strom einen im wesentlichen gleichen Strom durch den Transistor 04 ergibt, weil gemeinsame Basis- und Emitteranschlüsse für 03 und 04 vorgesehen sind. In der Praxis wer-

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den auch kompliziertere Gegentaktschaltungen benutzt, jedoch bleibt das Arbeitsprinzip unverändert (siehe die obengenannte US-Patentschrift).

Wenn ein Steuerstrom I_v von den Emittern der Transistoren Q1 und 02 aufgenommen wird, ergibt sich ein Strom I * in dem Transistor Q3, und infolge der Gegentaktschaltung ist der Strom I_c2 in dem Transistor Q4 und Q2 gleich I₁. Da Q1 und Q2 gleiche Kollektorströme führen, müssen auch ihre Basis-Emitterpotentiale die gleichen sein. Beim Fehlen eines von außen zugeführten Signals führt die Eingangsklemme 13 (die Basis von 02) Erdpotential unabhängig von dem Wert des Steuerstromes I_v, wenn man annimmt, daß das Bezugspotential an der Basis von Q1 das Erdpotential ist, wie in der Zeichnung angegeben.

Wenn eine Signalspannung v_ der Eingangsklemme 13 zugeführt wird, fließt ein Signalstrom i . Das Verhältnis von ν zu i bestimmt die Impedanz R^ an der Eingangsklemme und ist durch die in Vorwärtsrichtung .vorgespannten Basis-Emitterübergänge von Q1 und Q2 gegeben. Diese Impedanz ist annähernd umgekehrt proportional dem Steuerstrom

Es kann insbesondere bei integrierten Schaltungen notwendig sein, die Eingangsklemme 13 einer derartigen gesteuerten Impedanz direkt mit dem Eingang eines Verstärkers zu verbinden und dieser Verstärker kann der Eingangsklemme einen Vorspannungsstrom I„ entnehmen. Dieser Vorspannungsstrom erzeugt eine Spannungsabweichung der Größe vom Erdpotential und da R^. sich mit dem Steuerstrom

I ändert, verändert sich auch die Abweichung. Die Unabhängigkeit zwischen dem Steuerstrom I und dem am Eingang zugeführten Signal geht daher verloren und die Schaltung befindet sich nicht mehr im Gleichgewicht.

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In einer integrierten Schaltung nach Fig. 1 oder auch komplizierteren Beispielen sind in der Gegentaktschaltung gewöhnlich Halbleitervorrichtungen wie PNP-Transistören vorgesehen, deren Anpassung bezüglich der Stromverstärkung bei sehr kleinen Emitterströmen zu wünschen übrig läßt. Bei sehr kleinen Steuerströmen, z.B. von 1/uA oder weniger, hört die Ausgleichswirkung auf und die Eingangsklemme bleibt nicht mehr auf Erdpotential. Wiederum geht die Unabhängigkeit zwischen dem Steuerstrom und dem an der Eingangsklemme zugeführten Signal verloren.

Wenn ein derartiges Ungleichgewicht oder eine Abweichung durch den Strom I_ß, der von der Eingangsklemme aufgenommen wird, auftritt, sei es als Verstärkereingangsstrom oder anderweitig, kann diese Unsymmetrie durch die Erfindung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 behoben werden, indem ein gleicher Strom am Punkt 14 im Zweig entnommen wird. Der Steuerstrom I erzeugt an Q1 einen Kollektorstrom I^, jedoch ist nun der Strom in Q3 gleich ■Γ 1 + Ig. Dies wird spiegelbildlich ausgeglichen in Q4, so daß

^Jc2 ⁼ ^¹Ci ^{+ 1}B^ " ¹B ⁼

Die Ströme durch Q1 und Q2 sind wie vorher einander gleich und das Potential an der Eingangsklemme 13 befindet sich auf Erdpotential·

Der Strom I_ß, der die ursprüngliche Abweichung hervorruft, ist der Eingangsbasisstrom eines Verstärkers mit einer Eingangsstufe, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die paarweise Anordnung kann Transistoren in Darlington-Schaltung Q5 und Q6 enthalten, um die Größe des Basisstromes zu vermindern und den Eingangswiderstand (nach Fig. 3) zu erhöhen. Die an den Punkt 14 angeschlossene

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Korrekturstromentnahme kann dann einen weiteren im wesentlichen identischen Verstärker enthalten, der Transistoren verwendet, die an die Gegenstücke im ersten Verstärker angepaßt sind und daher gleiche Eingangsströme haben. Eine solche komplizierte Schaltung ist Jedoch gewöhnlich nicht erforderlich und die Korrekturschaltung kann daher der Hälfte der Eingangsstufe des Verstärkers ähneln wie dies in Fig. 2 dargestellt ist; Q7 sollte an Q5 und Q6 von Fig. 2 angepaßt sein und einen Strom I_T/2 von Q5 führen, d.h. die Hälfte des Gesamtstromes 1™» der von Q5 und Q6 geführt wird.

Wenn der Abweichungsstrom die entgegengesetzte Polarität hat, z.B. infolge der Verwendung von PNP-Transistören in der Verstärkereingangsstufe, kann das gleiche Verfahren zur Wiederherstellung der Symmetrie verwendet werden, jedoch mit entgegengesetzter Polarität der Kompensationsschaltung.

Wenn eine Unsymmetrie bei niedrigen Werten des Steuerstromes Ι_γ auftritt, dadurch daß die Stromausgleichsschaltung Q3, Q4 unwirksam ist, ist es möglich, die Symmetrie dadurch zu verbessern, daß die Minimalströme durch die Transistoren Q3 und Q4 angehoben werden, indem sie gleiche, normalerweise jedoch nicht notwendigerweise feste Ströme I_ß den Punkten 13 und 14 entnehmen, indem ein Transistor Q8 an den Punkt 13 angeschlossen ist. Da der Wert der veränderbar» Impedanz R„ von den Strömen in den Transistoren Q1 und Q2 abhängt und nicht von den Strömen in der Stromausgleichsschaltung abhängig ist, beeinflussen die Extrastromentnahmen nicht den Wert von R . Da die Minimalströme in der Ausgleichsschaltung nunmehr gleich oder größer als I_ß sind, arbeitet die Stromausgleichsschaltung niemals mit so kleinen Strömen, daß ihre Wirkungsweise verlorengeht.

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Es sei darauf hingewiesen, daß wenn keine Schwierigkeiten bezüglich kleiner Ströme in Q3 und Q4 bestehen, es nicht notwendig ist, den Transistor Q8 vorzusehen. Diese Alternative ist in Fig. 3 dargestellt. Wenn der Transistor Q8 verwendet wird, sollte der von Q7 aufgenommene Strom Ig gleich dem Gesamtstrom duroh Q8 und einer eventuellen weiteren Schaltung, z.B. 05, sein, die an die Klemme 13 angeschlossen ist. Wenn die an die Klemme 13 angeschlossene Schaltung keinen Strom aufnimmt, dann führen 07 und Q8 gleiche Ströme I_ß. Diese Alternative ist in Fig. 4 dargestellt.

In der in Fig. 3 dargestellten Schaltung ist der an die Eingangsklemme 13 angeschlossene Verstärker, der den Eingangsvorspannungsstrom I_ß aufnimmt, als paarweise ausgeführter Verstärker dargestellt, dessen kombinierter Emitterstrom Im durch einen Transistor Q9 und seinen Emitterwiderstand R1 bestimmt ist. Die beiden Hälften der paarweisen Schaltung (long-tailed pair) werden durch Transistorpaare Q5A, Q5B und Q6A, QöB in Darlington-Schaltung gebildet. Der Kompensationsstrom I_ß an dem Punkt 14 ist der Basisvorspannungsstrom, der von einem weiteren Darlington-Paar Q7A, Q7B aufgenommen wird, das an Q5A, Q5B angepaßt ist und bei dem der Emitterstrom Im/2 durch einen Transistor Q10 und seinen Emitterwiderstand R2 bestimmt ist.

Um einen höheren Wert der gesteuerten Impedanz zu erhalten, kann jeder Zweig 11 und 12 mehrere Übergänge in Reihe mit den Basis-Emitterübergängen Q1 und 02 enthalten, wobei die zusätzlichen Übergänge als Dioden D dargestellt sind, obwohl in der Praxis auch Transistoren in Diodenschaltung verwendet werden können, wie sich aus der oben erwähnten US-Patentschrift ergibt. Infolge der erhöhten Anzahl von Übergängen (vier pro Zweig in Fig. 3 und fünf pro Zweig in Fig. 4) ist es nicht langer ange-

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zeigt, die Bezugsspannung an der Basis von Q1 auf Erdpotential zu legen. Die Spannung kann etwa die Hälfte der Betriebsspannung +V betragen. Die Stromausgleichsschaltung ist bei 15 angedeutet.

Die Transistoren Q9 und Q10 der Stromquelle sind aneinander angepaßt und mit ihren miteinander verbundenen Basen an ein Vorspannungspotential gelegt, das etwa zwei Übergangsspannungen gegen Erde beträgt. Damit der Kollektorstrom Im von Q10 gleich der Hälfte desjenigen von Q9 ist, hat der Widerstand R2 etwa den zweifachen Wert wie R1.

In Fig. 4 wird angenommen, daß die an die Klemme angeschlossene Schaltung keinen Vorspannungsstrom führt, sondern daß es wünschenswert ist, einen Strom L_n von z.B. 4/uA an den Punkten 13 und 14 zu entnehmen, um die richtige Wirkungsweise der Ausgleichsschaltung 15 sicherzustellen. Stromableitungen mit einer Größe von 4 λιΑ sind an die Punkte 14 und 13 angeschlossen und werden durch NPN-Transistoren Q11 und Q12 gebildet, deren Basisanschlüsse miteinander verbunden sind und an ein kleines festes Vorspannungspotential (etwa 2Vv ) angeschlossen sind, während die Emitter über angepaßte Widerstände R3 und R4 von 150 kÖ an Erde liegen.

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Claims

Patentansprüche

1 J Elektrisch veränderbare Impedanzschaltung, die zwei Zweige aufweist, welchen ein veränderbarer Steuerstrom zugeführt wird, und die mit einer Ausgleichsschaltung für die in den Zweigen fließenden Ströme verbunden sind, mit mindestens einer dreipoligen Halbleitervorrichtung in jedem der Zweige, die mit zwei Anschlüssen in den betreffenden Zweigen liegen, während weitere Anschlüsse mit den Übergängen der beiden Halbleitervorrichtungen und einem gemeinsamen Punkt der beiden Zweige verbunden sind, bei der ferner die Übergänge gegeneinander geschaltet und durch den Steuerstrom veränderbar in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind, so daß eine gesteuerte Impedanz zwischen einem ersben der weiteren Anschlüsse, der dem ersten Zweig zugeordnet ist und als Bezugsspannungspunkt dient^und einem zweiten Anschluß der weiteren Anschlüsse liegt, der dem zweiten Zweig zugeordnet ist und als Eingangsklemme dient,

dadurch gekennzeichnet, daß eine erste weitere Halbleitervorrichtung (Q7 oder Q11) mit dem ersten Zweig derart verbunden ist, daß sie einen vorbestimmten Strom durchläßt, der einen Ausgleich zwischen dem Strom in diesem Zweig in Abhängigkeit von der Stromausgleichsschaltung (Q3, Q4) und dem Strom herstellt, der zwischen dem ersten und zweiten Anschluß der Halbleitervorrichtung (Q1) in dem ersten Zweig fließt.
2. Impedanzschaltung nach Anspruch 1, bei der die Eingangsklemme mit der Eingangsstufe einer Schaltung verbunden ist, die einen Vorspannungsstrom aus der Eingangsklemme entnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste weitere Halbleitervorrichtung (Q7) an die Eingangsstufe (Q5) angepaßt ist, so daß sie im wesentlichen den gleichen Strom aus dem ersten Zweig entnimmt.

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3. Impedanzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite weitere Halbleitervorrichtung (Q8 oder Q12) an die Eingangsklemme angeschlossen ist und einen Vorspannungsstrom entnimmt, während die zwei weiteren Vorrichtungen (Q7 oder Q11 und Q8 oder Q12) den Strom in der Stromausgleichsschaltung (Q3, Q4) gegenüber dem Strom durch die Halbleitervorrichtungen (Q1, Q2) in den beiden Zweigen (11, 12) erhöhen.
4. Impedanzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden weiteren Vorrichtungen (Q11, Q12) so ausgebildet sind, daß sie gleiche Ströme entnehmen.
5. Impedanzschaltung nach Anspruch 3» bei der die Eingangs klemme mit der Eingangsstufe einer Schaltung verbunden ist, die aus der Eingangsklemme einen Vorspannungsstrom entnimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste weitere Vorrichtung (Q7) einen Strom aufnimmt, der gleich den kombinierten Strömen ist, die von der Eingangsstufe (Q5) und der zweiten weiteren Vorrichtung (Q8) entnommen wird.

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