DE2305291C3 - Regelschaltung zur Regelung der Amplitude eines Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung zur Regelung der Amplitude eines Signals mit zwei Transistoren, bei denen jeweils der Emitter des einen mit dem Kollektor des anderen verbunden ist, wobei der eine Verbindungspunkt über einen Kondensator mit der Signalleitung verbunden ist, der andere Verbindungspunkte an Masse geschlossen ist und das Regelsignal dem gemeinsamen Anschluß der Basen beider Transistoren zugeführt ist.

Zur Regelung der Amplitude von Signalen sind hauptsächlich zwei Vorgehensweisen üblich, und zwar einmal die Verwendung eines Transistorverstärkers,

dessen Verstärkung sich mit dem Arbeitspunkt ändert, und zum anderen die Verwendung von Elementen wie Dioden und Transistoren als Signaldämpfungsglieder, die die verschiedenen Konstanten entsprechend dem Arbeitspunkt liefern. Ein Beispiel für die erste Vorgehensweise stellt ein Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung dar, bei dem die Basisvorspannung des Transistors der ersten Stufe sich entsprechend der gleichgerichteten Spannung des Ausgangssignals ändert. Eine solche Signalregelschaltung hat jedoch viele Nachteile. Wenn eine geringe Verstärkung benötigt wird, erscheint, weil der Transistor nahe dem Abschaltpunkt betrieben wird, in dem Ausgangssignal leicht eine große harmonische Verzerrung. Weiterhin wird der Verstärker sehr unstabil, da die Basisvorspannung sich immer entsprechend der Änderung der Eingangssignalamplitude ändert

Ein Beispiel für die zweite Vorgehensweise stellt ein veränderliches Dämpfungsglied dar, das aus einem festen Widerstand und der Reihenschaltung von zwei Dioden als Element mit veränderlicher Impedanz besteht Auch ein solches veränderliches Dämpfungsglied hat mehrere Nachteile, wenn sich das Regelsignal plötzlich ändert, entsteht ein unerwünschtes Rauschen

im AuEgangssignal durch die Änderung des Regelsignals. Weiterhin wird eine große elektrische Leistung für aas Regelsignal benötigt, da der Regelstrom direkt in die Dioden fließen muß. Bei einer anderen Type eines veränderlichen Dämpfungsgliedes wird der Widerstand zwischen Kollektor und Emitter des Transistors als Element veränderlicher Impedanz verwendet. Auch dieses Dämpfungsglied hat Nachteile. Da gewöhnlich der Kleinstwert des Widerstandes von der Größe des Transistorplättchens abhängt, ist schwer der sehr kleine Sättigungswiderstand in einem Kleinsignaltransistor zu erzielen, insbesondere bei einer monolithisch integrierten Schaltung, bei der viele Elemente auf einem Plättchen ausgebildet sind. Infolgedessen wird es unmöglich, einen zweiten Regelbereich bei dem

■ίο veränderlichen Dämpfungsglied zu erzielen. Da weiterhin die Kennlinie der Spannung Vce zwischen Kollektor und Emitter über dem Kollektorstrom /cim Kleinsignalbereich im Transistorbetrieb nicht exakt linear ist, entsteht eine harmonische Verzerrung.

Ί5 Bei einer bekannten Regelschaltung der eingangs erwähnten Art (US-PS 36 21 284), wie sie in Fi g. 1 der Zeichnungen dargestellt ist, wird das Regelsignal von einem Ausgang einer Konstantspannungsschaltung gebildet und es tritt nur eine verhältnismäßig geringfügige Unterdrückung der harmonischen Verzerrung auf. Diese Regelschaltung weist gemäß Fig. 1 eine Eingangsklemme 1, eine Ausgangsklemme 2, eine Regelklemme 3 und einen Widerstand 4 auf, der zwischen der Eingangsklemme 1 und der Ausgangsklemme 2 liegt. Die Ausgangsklemme 2 liegt am Verbindungspunkt des Kollektors eines Transistors 6 mit dem Emitter eines anderen Transistors 7 über eine Kapazität 5. Der Emitter des Transistors 6 und der Kollektor des Transistors 7 sind gemeinsam geerdet. Die Basiselektroden der Transistoren 6 und 7 sind gemeinsam mit der Regelklemme 3 verbunden.

Das veränderliche Dämpfungsglied aus der Kapazität 5 und den Transistoren 6 und 7 bildet mit dem Widerstand 4 einen Spannungsteiler. Das Eingangswechselsignal wird zwischen der Eingangsklemme 1 und Erde angelegt Das auf die Regelklemme 3 gegebene Regelsignal gelangt auf die Basiselektroden der Transistoren 6 und 7. Der Kleinsignalwiderstand

zwischen Kollektor und Emitter der Transistoren 6 und 7 wird gemäß dem Regelsignai verändert, und die Größe der Dämpfung des veränderlichen Dämpfungsgliedes wird gemäß dem Widerstand der Transistoren 6 und 7 verändert Die Amplitude des Eingangssignals wird deshalb entsprechend dem Regeh.ignal geregelt, und das geregelte Ausgangssignal erscheint an der Ausgangsklemme 2. In dieser Regelschaltung wird die Kapazität 5 zum Abblocken des Gleichstromsignals verwendet, und die Impedanz der Kapazität 5 ist im Vergleich zum Sättigungswiderstand der Transistoren 6 und 7 ausreichend klein gewählt Diese Signalregelschaltung verwendet die Tatsache, daß der Kleinsignalwiderstand zwischen Kollektor und Emitter des Transistors mit dem Basisstrom geregelt werden kann.

Allgemein hat die Vcp/c-Kennlinie (die Kennlinie der Spannung Vce zwischen Kollektor und Emitter über dem Kollektorstrom Ic) im Kleinsignalbereich eine Nichtlinearität, wie sie in F i g. 2 gezeigt wird. Wenn in dem veränderlichen Dämpfungsglied nur ein Transistor verwendet wird, d. h. wenn der TransiScJr 7 in F i g. 1 nicht angeschlossen ist, erzeugt ein solches System eine nichtlineare Verzerrung. Diese nichtlineare Verzerrung entspringt der Tatsache, daß die VorA-Kennlinie im ersten Quadranten unterschiedlich ist von der im dritten Quadranten. Die durch die nichtlineare Kennlinie bewirkte Verzerrungskomponente enthält im wesentlichen zweite Harmonische.

Die in Fig. 1 dargestellte bekannte Regelschaltung kann jedoch die in jedem Transistor erzeugten Harmonischen gerader Ordnung ausschließen, und dadurch kann die nichtlineare Verzerrung merklich verringert werden. Es wird jetzt angenommen, daß ein sinusförmiges Signal an die Eingangsklemme 1 angelegt wird. Während der positiven Halbwelle arbeitet der Transistor 6 im ersten Quadranten der Vce- Ic- Kennlinie der Fig. 2. Da jedoch Kollektor und Emitter des Transistors 7 umgekehrt zum Transistor 6 angeschlossen sind, arbeitet der Transistor 7 im dritten Quadranten. Während der negativen Halbwelle arbeitet der Transistor 6 im dritten und der Transistor 7 im ersten Quadranten. Wenn die Transistoren 6 und 7 identische Kennlinien haben, werden die zusammengesetzten Kennlinien symmetrisch zum Nullpunkt, und es werden keine Harmonischen gerader Ordnung bewirkt. « Dementsprechend sind die zweiten Harmonischen perfekt ausgeschlossen, und die nichtlineare Verzerrung ist merkbar herabgesetzt.

In einem monolithisch integrierten Schaltkreis sind leicht einige Transistoren mit den gleichen Kennlinien zu erreichen, da die Transistoren mit dem gleichen Aufbau an sehr dicht benachbarten Stellen auf einem Plättchen ausgebildet werden können. Deshalb eignet sich die bekannte Regelschaltung gemäß Fig. 1 besonders für monolithisch integrierte Schaltkreise. Weiterhin ist, da der Parallelwideibtand der Transistoren 6 und 7 für die veränderliche Widerstandssch&ltung verwendet wird, der Kleinstwiderstand der veränderlichen Widerstandsschaltung die Hälfte dessen eines einzigen Transistors. Dadurch kann ein großer Regelbereich erzielt werden.

Allgemein verläuft die VrWc-Kennlinie für jeden in F i g. 2 gezeigten Basisstron . -abe dem Ursprungspunkt, so daß das Rauschen im Ausgangssignal nicht erzeugt wird, auch wenn sich die Regelspannung plötzlich &5 ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelschaltung gemäß der eingangs erwähnten Art derart zu gestalten, daß die Amplitude der Wechselsignale entsprechend dem Regelsignai bei weitgehender Unterdrückung der harmonischen Verzerrung regelbar ist, wobei die Gesichtspunkte eines weiten Regelbereiches, der Vermeidung eines Rauschens bei einer plötzlichen Änderung des Regelsignals sowie die Erfordernisse geringer elektrischer Leistung sowie niedriger Spannung für das Regelsignal berücksichtigt werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Konstantstromschaltung zum Umformen der Regelspannung in ein Konstantstromsignal, welche zwischen Regelspannungsquelle und dem gemeinsamen Anschluß der Basen beider Transistoren eingefügt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Regelschaltung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Regelschaltung erweist sich insbesondere dadurch als vorteilhaft daß die harmonische Verzerrung am Ausgang der Regelschaltung weitgehend unterdrückbar ist

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Regelschaltung werden anhand nachfolgender Figuren der Zeichnungen erläutert. Hierbei ist

F i g. 3 eine Darstellung der Kennlinie der zweiten harmonischen Verzerrung der Regelschaltung zur Erläuterung der Arbeitsweise letzterer,

Fig.4 ein Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelschaltung und

F i g. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelschaltung.

F i g. 3 zeigt die Kennlinie der zweiten harmonischen Verzerrung, basierend auf experimentellen Ergebnissen, wobei die vertikale Achse das Verhältnis der zweiten Harmonischen zur Grundkomponente zeigt und die Horizontalachse die Amplitude des Ausgangssignals, d. h. die Amplitude über dem veränderlichen Widerstand zeigt. Die Kurve (a) ist die Kennlinie in dem Fall, daß nur ein Transistor für den veränderlichen Widerstand verwendet wird. In diesem Fall ist die zweite harmonische Verzerrung proportional zur Amplitude, die zwischen Kollektor und Emitter des Transistors für den veränderlichen Widerstand angelegt wird. Die Kurve (b) ist die Kennlinie für den Fall, bei dem die Regelklemme von einer konstanten Spannung getrieben wird, wie es in Fig. 1 gezeigt wird. Es ist zu sehen, daß die zweite harmonische Verzerrung abnimmt im Vergleich zur Kurve (a), obwohl sie noch nicht perfekt ausgeschlossen ist. Die Kurve (c) ist die Kennlinie für den Fall, daß die Regelklemme mit Konstantstrom betrieben wird. Es ist zu sehen, daß in diesem Fall die zweiten Harmonischen beinahe perfekt ausgeschlossen sind, etwa 0,2% die Komponente des verbleibenden Rauschens im Meßinstrument ist.

Die in F i g. 4 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelschaltung ist geeignet, wenn die zwei den veränderlichen Widerstand bildenden Transistoren voneinander unterschiedliche Kennlinien haben. Die Schaltung der Fi g. 4 gleicht der der Fig. 1, mit der Ausnahme, daß die Widerstände 9 und 10 zwischen der Regelklemme 3 und den Basiselektroden der Transistoren 6 bzw. 7 liegen. Mit dieser erfindungsgemäßen Regelschaltung ist es möglich, selbst wenn die Kennlinie der Transistoren 6 und 7 nicht miteinander identisch sind, eine solche Einstellung vorzunehmen, daß die h?^rmonische Verzerrung einen Minimalwert erreicht, indem ein geeigneter Wert für die Widerstände 9 und 10 ausgewählt wird.

In Fig.5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelschaltung gezeigt, wobei die Regelklemme 3 mit der Basis des Transistors 11 verbunden ist Der Emitter des Transistors 11 ist über einen Emitterwiderstand 12 geerdet, und der Kollektor liegt über eine Diode 13 an einer äußeren Gleichspannungsquelle + £ Der Kollektor des Transistors 11 ist auch mit der Basis eines anderen Transistors 14 verbunden. Der Emitter des Transistors 14 ist mit der äußeren Gleichspannungsquelle + £ verbunden, und der Kollektor liegt an den Basiselektroden der Transistoren 6 und 7. In F i g. 5 wird das Regelsignal in die Basis des Transistors 11 von der Regelklemme 3 angelegt, und es wird ein Kollektorstrom geliefert. Die Amplitude dieses Kollektorstromes ist durch die Regelspannung, die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 11 und die Größe des Widerstandes 12 bestimmt. Dieser Kollektorstrom ist deshalb proportional zur Regelspannung, da die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 11 einen konstanten Wert hat und der Widerstand 12 fest ist. Über der Diode 13 erscheint eine Spannung entsprechend dem Kollektorstrom. Basis und Emitter des pnp-Transistors 14 liegen über der Diode 13.

Der Kollektorstrom des Transistors 14 ist proportional dem Kollektorstrom des Transistors 11. Wenn die Diode 13 und der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 14 von identischem Aufbau sind, wird der Kollektorstrom des Transistors 14 praktisch gleich dem des Transistors 11. Infolgedessen ist der Basisstrom der Transistoren 6 und 7 proportional dem Regelsignal, und damit wird die Größe der Dämpfung des veränderlichen Dämpfungsgliedes gemäß dem Regelsignal geregelt

Ein besonderer Vorzug dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelschaltung liegt darin, daß die zweite harmonische Verzerrung fast perfekt ausgeschlossen wird, da die Ausgangsimpedanz des Kollektors des Transistors 14 sehr groß ist und die Basiselektroden der Transistoren 6 und 7 mit Konstantstrom betrieben werden. Weitere besondere Vorzüge sind, daß die Dämpfung durch ein Regelsignal mit kleiner elektrischer Leistung geregelt werden kann, weil die Eingangsimpedanz an der Regelklemme 3 groß genug ist, denn der Transistor 11 hat einen Emitterwiderstand 12. Weiterhin braucht das Regelsignal keine hohe Spannung aufzuweisen, weil der Transistor 11 arbeitet, wenn mindestens 0,7 Volt an der Basis liegen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Regelschaltung zur Regelung der Amplitude eines Signals mit zwei Transistoren, bei denen jeweils der Emitter des einen mit dem Kollektoi des anderen verbunden ist, wobei der eine Verbindungspunkt über einen Kondensator mit der Signalleitung verbunden ist, der andere Verbindungspunkt nach Masse geschlossen ist und das Regelsignal dem gemeinsamen Anschluß der Basen beider Transistoren zugeführt ist, gekennzeichnet durch eine Konstantstromschaltung (11, 12, 13, 14) zum Umformen der Regelspannung in ein Konstantstromsignal, welche zwischen Regelspannungsquelle (3) und dem gemeinsamen Anschluß der Basen der beiden Transistoren (6,7) eingefügt ist

2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromschaltung (11,12,13,14) eine Diode (13), einen Widerstand (12) sowie einen dritten und vierten Transistor (14 bzw. 11) umfaßt, wobei der Emitter des dritten Transistors (14) mit einer Gleichspannungsquelle (E) verbunden ist, der Kollektor des dritten Transistors (14) mit dem Anschlußpunkt der Basen des ersten und des zweiten Transistors (6 und 7) verbunden ist, die Diode (13) zwischen der Basis und dem Emitter des dritten Transistors (14) liegt, der Kollektor des vierten Transistors (11) mit der Basis des dritten Transistors (14) verbunden ist, der Emitter des vierten Transistors (11) über den Widerstand (12) geerdet ist und die Basis des vierten Transistors (11) mit der Regelspannung von der Regelspannungsquelle (3) gespeist wird.

3. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors (6 und 7) mit ihrem gemeinsamen Anschluß über einen anderen Widerstand (9 bzw. 10) verbunden ist.

4. Regelschaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei Widerstände (27 und 28), von denen einer zwischen dem Emitter des dritten Transistors (14) und der Gleichspannungsquelle (E) und der andere zwischen einem Ende der Diode (13) und der Gleichspannungsquelle fliegt.

5. Regelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen fünften Transistor (30), dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Transistors (14) verbunden ist, dessen Kollektor mit der Gleichspannungsquelle (E) verbunden ist und dessen Emitter mit dem gemeinsamen Anschluß der Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors (6 und 7) verbunden ist.