DE3035286C2 - Verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen, aus der DE-AS 12 49 348 bekannten Verstärkerwerden von der Stromzuführungseinrichtung den ersten und zweiten Transistoren jeweils gleiche Gleichströme zugeführt, so daß die Ruhe- oder Vorströme der beiden Transistoren in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Im Kollektorkreis des ersten Transistors sind mehrere, in Durchlaßrichtung vorgespannte Dioden miteinander und einem Widerstand in Reihe geiihaltet, um die exponentiell Strom-Spannungs-Kennlinie des Basis-Emitter-Übergangs des ersten Transistors im Hinblick des an seinem Kollektor abnehmbaren Ausgangssignals durch die dieser Kennlinie nahezu entsprechende Kennlinie der Dioden zu kompensieren. Diese Kompensation ist so lange ausreichend, wie die am Kollektor abgenommene Ausgangsspannung des ersten Transistors nur mit einer sehr hohen Impedanz belastet wird. Um diese Kompensation auch ohne diese Bedingung wirksam vornehmen zu können, ist mit dem Kollektor des ersten Transistors die Basis des zweiten Transistors verbunden. Im Emitterkreis dieses Transistors liegt ein Widerstand, der gegenüber der Emittereingangsimpedanz des zweiten Transistors groß ist, so daß dieser zweite Transistor als Emitterfolger wirkt. Dieser bekannte Verstärker hat jedoch den Nachteil, daß die Anzahl der im Kollektorkreis des ersten Transistors miteinander in Reihe geschalteten Dioden gleich (n + 1) sein muß, wobei η der Verstärkungsfaktor des ersten Transistors ist. Dieses bedeutet, daß bei einem Verstärkungsfaktor von 100 101 Dioden in den Kolleictorkreis des ersten Transistors geschaltet werden müssen, was die Schaltung sehr aufwendig macht. Zwar ist es bei dem bekannten Verstärkerauch möglich, diese Dioden durch die Kombination von zwei Widerständen und einem Transistor zu ersetzen, wobei das Widerstandsverhältnis dieser Widerstände jedoch gleich dem Verstärkungsfaktor sein muß. Dadurch wird es jedoch schwierig, den bekannten Verstärker mit einem hohen Verstärkungsfaktor auszulegen. Obwohl auch bei diesem bekannten Verstärker zwei Kondensatoren gezeigt sind, die in den Emitterkreisen der ersten und zweiten Transistoren liegende Widerstände überbrücken, dienen diese Kondensatoren offensichtlich lediglich zum Verhindern einer Selbsterregung von Schwingungen in dem Verstärker, jedoch nicht zum Entzerren eines Frequenzgangs des Verstärkers. Bei dem bekannten Verstärker kann daher lediglich eine Verzerrung aufgrund der expotentielle Strom-Spannungs-Kennlinie des Basis-Emitter-Übergangs weitgehend verhindert werden.

AusderDE-AS 15 37 701 ist ein Verstärker mit einem ersten und zweiten Transistor bekannt, die einen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp haben. Bei diesem bekannten Verstärker ist der erste Transistor ein NPN-Transistor, während der zweite Transistor ein PNP-Transistor ist, dessen Basis mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden ist. Ein Eingangssignal wird an die Basis des ersten Transistors gegeben, während ein Ausgangssignal des Verstärkers vom Kollektor und dem Emitter des zweiten Transistors abgenommen wird. Bei diesem bekannten Verstärker steigt der Kollektorstrom des ersten Transistors an, wenn das an die Basis des ersten Transistors gegebene Eingangssignal ebenfalls ansteigt, wodurch jedoch der Kollektorstrom des zweiten Transistors absinkt Wenn also der Kollektorstrom eines der ersten und zweiten Transistoren ansteigt, fallt der Kollektorstrom des jeweils anderen Transistors ab. Damit sind aber die Kollektorströme des ersten und zweiten Transistors nicht jederzeit einander gleich. Vielmehr ändert sich der Kollektorstrom der beiden Transistoren in jeweils zueinander entgegengesetzten Richtungen.

Die DE-OS 28 13 856 beschreibt eine Diffcrenzvurstärkerschaltung, bei der miteinander zu vergleichende Eingangssignale an zwei Eingangsanschlüsse gegeben werden. Das Ausgangssignal wird an zwei Anschlüssen abgenommen, während ein Wechselspannungssteuersignal an zwei weitere Anschlüsse gegeben wird. Die Schaltung umfaßt zwei erste Transistoren sowie drei weitere Transistoren, um die Basis des einen ersten so Transistors und den Emitter des anderen ersten Transistors auf dem gleichen Potential unabhängig von Spannungsänderungen an Speisespannungsanschlüssen zu halten. Bei dieser Schaltung sollen damit Potentialänderungen aufgrund der jeweils vorliegenden Stromstärke und der Temperatur verhindert bzw. kompensiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verstärker der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß in schaltungstechnisch einfacher Weise eine nichtlinenre Verzerrung infolge der Benutzung von Transistoren nicht auftritt und außerdem eine Entzerrung hinsichtlich des Frequenzgangs eines zu verstärkenden Eingangssignals möglich ist.

Bei einem Verstärker der genannten Art ist diese Aufgäbe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verstärker wird in schaltungstechnisch einfacher Weise eine Kompensation der durch die exponentiell Strom-Spannungs-Kennlinie in des Basis-Emitter-Übergiags von Transistoren bewirkten Verzerrung dadurch erreicht, daß die beiden Transistoren unterschiedlichen LeHfähigkeitstyps unabhängig von der Aussteuerung des Verstärkers immer unter den gleichen Bedingungen betrieben werden. Dieses wird durch eine derartige Ausbildung der Stromzuführungseinrichtung erreicht, daß die an die ersten und zweiten Transistoren von ihr abgegebenen Ströme immer ein konstantes Verhältnis zueinander haben. Dieses kann z. B. durch eine Realisierung der Stromzufuhrungsein- to richtung in Form einer sogenannten Strom-Spiegel-Sehaltung erreicht werden. Um einen möglichen Frequenzgang des vom Verstärker zu verstärkenden Eingangssignals entzerren zu können, weist mindestens eines der Impedanzelemente eine Blindwiderstands-es komponente auf, mit der in Abhängigkeit von der Frequenz des zu verstärkenden Eingangssignals der Verstärkungsfaktor des Verstärkers in gewünschter Weise geändert werden kann.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen Stromlaufplan eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen entzerrenden Verstärkers,

Fig. 2 die Verstärkungskennlinien des entzerrenden Verstärkers der Fig. 1 und

Fig. Z einen Stromlaufplan eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen entzerrenden Verstärkers.

Fig. 1 dieut zur Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen entzerrenden Verstärkers. Ein Eingangssignal V_m wird an die Basis eines PNP-Transistors Q₁ gegeben, der als ein Emitterfolger geschaltet ist, wobei das Emitterfolgerausgangssignal an die Basis eines verstärkenden NPN-Transistors Q₂ gegeben wird. Der Emitter des Transistors Q₂ ist über ein entzerrendes Element 1 geerdet. Beispielsweise ist eine Stromspiegel«agsschaltung zum Zuführen von Strömen I₁ und I₂ an die lransistoren Q₁ und Q₁ vorgesehen, wobei das Verhältnis Z₁ /I₂ konstant ist (/, /I₂ = I/a, wobei α eine Konstante ist). Die Sfromspiegelungsschaltung wird von PNP-Transistoren Q₃ und Q₄ e'ebildet, deren Basen miteinander verbunden sind, wie dieses in Fig. 1 gezeigt ist. Die Basis und der Kollektor des Transistors Q₄ sind miteinander verbunden, d. h., der Transistor Q₄ ist als Diode geschaltet. Der Emitter des Transistors Q₃ ist über einen Widerstand R₃ mit einer positiven Spannungsquelle Vcc verbunden, und die Emitter des Transistors Q₄ ist über einen Widerstand A₂ mit der positiven Spannungsquelle Vcc verbunden. Das Entzerrungselement 1, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, ist aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes A₁ „ und einer Wicklung L_{1 e}, die einer Reihenschaltung aus einem Widerstand R_{1 b} und einer Wicklung L_{x b} parallelgeschaltet ist, gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Ausgangssignal V_0UTan\ Emitter des Transistors Q₄ erzeugt.

Bei der so ausgebildeten Verstärkerschaltung wird die folgende Gleichung (1) erfüllt:

h =

(D

wobei V_BEX und V_BE2 die Basis-Kollektor-Spannungen der Transistoren Q₁ und Q₂ jeweils sind und Z die Impedanz des Entzerrerelementes 1 ist.

Allgemein ist die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom I_c und der Basis-Emitter-Spannung eines Transistors durch die folgende Gleichung (2) auszudrücken:

r_A-JL_1n

(2)

wobei q die Elektronenladung, k die Boltznjannsche Konstante, 7* die absolute Temperatur und I_s der Basis-Emitter-Rückwärtssättigungsstrom sind.
Aus der Gleichung (2) ergibt sich durch Einsetzen

von (V_BE: - V_BE1) in die Gleichung (1):

(3)

wobei T_x und 7"₂ die Basis-Ernitter-Verbindungstemperaturen der Transistoren Q₁ und Q₂ jeweils sind. Als

Wert /_s wird für jeden Transistor eine feste Konstante benutzt, f_S2 =ßk\, wobeij?eine Konstante ist. Wenn /_ssehr klein ist, dann gilt/_c/4 > 1. Dadurch kann die folgende Gleichung (4) erhalten werden:

'BEI

(4)

Wenn in der Gleichung (4) die Transistorverbindungsstemperatur konstant ist, gilt:

ίο

kT

^rBF-1

\n(ßla).

(5)

Die Gleichung (5) hat einen konstanten Wert. Wenn der konstante Wert durch γ dargestellt wird, kann die Gleichung (1) in die folgende Gleichung (6) umge-

SCf!neuen WcTucil:

h = (V,„+y)/Z_t.

(6)

M ft

Im mittleren Frequenzbereich können die Induktivitäten der Wicklungen I, „ und L_{1 b} des Entzerrerelementes 1 nicht vernachlässigt werden, so daß damit der Verstärkungsfaktor mit ansteigender Frequenz allmählich vermindert wird. Im hohen Frequenzbereich, wenn die Induktivitäten einen höheren Wert bekommen als die Widerstände R_{1 a} und A₁₄, wird die Verstärkung auf einen im wesentlichen konstanten Wert vermindert Eine Darstellung der Verstärkung oder des Verstärkungsfaktors für die gezeigte Verstärkerschaltung ist in Fig. 2 gezeigt.

Das Ausgangssignal kann auch in anderer Weise als zuvor beschrieben gebildet werden. Wenn ein Widerstand zwischen die Kollektoren der Transistoren Q₂ und Q₄ geschaltet ist, wird die über dem Widerstand erzeugte Spannung als Aasgangssignal benutzt Da das Stromverhältnis in den Transistoren Q_x und Q₂ konstant ist, können die Stromänderungen im Transistor Q₁ in dec gleichen Weise benutzt werden. Andererseits kann, wenn der Emitter des Transistors Q₂ über einen Widerstand geerdet ist, und ein Entzerrerelement, das durch eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand gebildet ist, zwischen die Kollektoren der Transistoren-Q₂ und Q₄ geschaltet ist, die über der Parallelschaltung erzeugte Spannung als Ausgangssignal benutzt werden. In diesem FaH wird ebenfalls ein entzerrender Verstärker geschaffen, der eine Frequenz abhängigkeit hat, die gleich der in Fig. 2 gezeigten ist.

Fig. 3 zeigt einen Stromlaufplan eines Ausführungsbeispiels der Verstärkerschaltung, bei der der Verstärkungsfaktor der in Fig. 1 gezeigten Schaltung weiter vergrößert ist. In den Fig. 1 und 3 sind gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Wie sich aus einem Vergleich der Fig. 3 und 1 ergibt, ist ein PNP-Transistor Q₅ zu der Stromspiegelungsschaltung zum weiteren Vergrößern des Verstärkungsgrades hinzugefügt. Ein Impedanzelement Z₅ ist zwischen den Kollektor des Transistors Q₅ und Erde und ein Widerstand R₄ ist zwischen den Emitter des Transistors Q, und die positive Spannungsquelle Vcc geschaltet, und die über dem Impedanzelement Z₅ erzeugte Spannung wird als das Ausgangssignal benutzt. In Fig. 3 ist das mit dem Emitter des Transistors Q₂ verbundene Impedanzelement mit Z₁ bezeichnet.

Das Verhältnis des Stromes /₃ im Transistor Q₅ zum Strom I₂ in dem Transistor Q₄ wird auf Ma ähnlich dem Fs!! in Fig.! eingestellt. Die Koüektorspannung Y_s des Transistors Q₁ ist daher gleich:

Das Ausgangssignal V_0VT kann dann durch die folgende Gleichung (7) ausgedrückt werden:

(7)

Wird angenommen, daß jede der Wicklungen Z., „und L₁ j des Entzerrerelements 1 eine ausreichend kleine Induktivität im niedrigen Frequenzbereich hat, wird aus Gleichung (7) klar, daß ein Ausgangssignal mit einem Verstärkungsfaktor A₂//?, erhalten wird, das unabhängig von V_BE im niedrigen Frequenzbereich ist. Das heißt, es wird ein verzerrungsloses Ausgangssignal erzeugt. In diesem Fall ist

Vcc-V_tEi~ I₂ R₂.

Durch Einsetzen der Gleichung (6) in die Gleichung (8) wird erhalten:

Vr

Das Ausgangssignal V₀₁₃J kann in diesem Fall durch die folgende Gleichung (10) ausgedrückt werden:

VovT - 4Z$ - ^ (+ Kk- V_BE5 - V_B). (10)

Durch Einsetzen der Gleichung (9) in die Gleichung (10) kann die folgende Gleichung (11) erhalten werden:

j;{

^yBE* -

^ (V_1n + y)}

Da (V_BE4 - V_BE5) als ein konstanter Wert y' eingestellt werden kann, kann die Gleichung (11) in die folgende Gleichung (12) umgeschrieben werden:

(12)

Der Verstärkungsfaktor ist daher gleich

R₄ Z₁'

Wenn daher mindestens eines der Impedanzelemente Z_x und Z₅ als das Entzerrerelement benutzt wird und das andere als Widerstandselement benutzt wird, kann die gewünschte Entzerrerkennlinie erhalten werden, und das Ausgangssignal ist unabhängig von den Basis-Emitter-Spannungen V_BE der Transistoren. Auf diese Weise wird ein im wesentlichen verzerrungsfreies Entzerrerausgangssignal erhalten.

Bei den zuvor beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen wird eine Stromspiegelungsschaltuag zur Stromzuführung benatzt Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt Es kann jede Schaltung dafür benatzt wer-

den, die die gleiche Funktion erfüllt.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist der erfindungsgemäße entzerrende Verstärker sehr einfach in seiner Anordnung, und er hat die gewünschte Entzerrerkennlime und den Verstärkungsfaktor, wodurch er ein Ausgangssignal erzeugt, das einen sehr niedrigen Verzerrungsfaktor hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verstärker mit

einem ersten Transistor, dessen Basis ein Eingangssignal zugeführt wird, einem zweiten Transistor, dessen Basis ein Ausgangssignal des ersten Transistors zugeführt wird und der einen entgegengesetzten Leitungstyp hat als der erste Transistor,

einer Stromzuführeinrichtung zum Zuführen von Strömen zu den ersten und zweiten Transistoren, wobei die Ströme in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen,

einer Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignal in Abhängigkeit von Änderungen des Stroms, der in einem der ersten und zweiten Transistoren fließt, und

mehreren Impedanzelementen zum Bestimmen eines Verstärkungsfaktors des Verstärkers, der im Strompfad von mindestens einem der ersten und zweiten Tjansistoren auftritt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungseinrichtung (Q₃, Q₄, R₂, Λ3) so ausgebildet ist, daß das Verhältnis der zugeführten Ströme (Λ, I₁) konstant ist, und daß mindestens eines der Impedanzelemente (L_u, L_n, Zi) eine sich mit der Frequenz ändernde Blindwiderstandskomponente zum Entzerren eines Frequenzgangs des Eingangssignals hat.

2. Verstärker nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (Q₁) als Emitterfolger geschaltet ist.

3 Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dali der esate Transistor ein PNP-Transistor (Q₁) ist, dessen Kollektor mit Erde verbunden ist, daß die Stromz_führungseinrichtung (Qh Qa-, ^ri, Ry) einen dritten PNP-Transistor (Q₁), dessen Kollektor mit dem Emitter des ersten Transistors (Qi) und dessen Emitter mit einem positiven Spannungsanschluß (Vcc) über einen ersten Wider- -»ο stand (R₃) verbunden sind, und einen vierten PNP-Transistor (Q₄) aufweist, dessen Basis mit der Basis des dritten Transistors (Q₃) und dem Kollektor dss zweiten Transistors (Q₂) verbunden ist, und dessen Emitter über einen zweiten Widerstand (R₁) mit -»5 dem positiven Spannungsanschluß verbunden ist, und daß der zweite Transistor ein NPN-Transistor (Q₂) ist, dessen Basis mit dem Emitter des ersten Transistors (Qi) und dessen Kollektor mit dem Kollektor und der Basis des vierten Transistors (Q₄) verbunden sind.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement in einer ersten und zweiten Reihenschaltung (Λ|_β, L_la\R\_b, L₁₄) liegt, die zueinander parallel zwischen den Emitter des zweiten Transistors (Q₂) und Erde geschaltet sind.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Reihenschaltungen eine Induktivität (I₁₀, L_ib) hat, die mit einem Widerstand &o (R_u, R\_b) in Reihe geschaltet ist, wobei mindestens die Werte der Induktivitäten in den Reihenschaltungen unterschiedlich sind.

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Emitter &5 des zweiten Transistors (Q₂) und Erde ein erstes Impedanzelement (Z₁) geschaltet ist, daß ein fünfter Transistor (Q₅) mit seiner Basis mit den Basen der dritten und vierten Transistoren (Q₃, Q₄) und seinem Emitter über einen dritten Widerstand (A₄) mit einem positiven Spannungsanschluß (Vcc) verbunden ist und daß ein zwischen den Kollektor des fünften Transistors (Qs) und Erde ein zweites Impedanzelement (Z₅) geschaltet ist, dessen Bildwiderstandskomponente sich in Abhängigkeit von der Frequenz ändert.

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzabhängigkeit des ersten Impedanzeleinents (Z₁) zu der des zweiten Impedanzelements (Z₅) unterschiedlich ist