Linearitätskompensierter Steilheitsmultiplizierer

Abstract

 Eine elektronische Multiplizierschaltung, bei der ein erster Differenz­verstärker in die Gegenkopplung eines Eingangsverstärkers eingebracht ist, ein Eingang des ersten Differenzverstärkers mit einem Eingang eines zweiten Differenzverstärkers verbunden ist und die Kollektoren des zweiten Differenzverstärkers mit einem Ausgangsverstärkers verbun­den sind, weist theoretisch beste Voraussetzungen für eine ideale Mul­tiplizierfunktion auf. Daß dem nicht ganz so ist, hat den bei realen Transistoren vorhandenen, sogenannten Emitterbahnwiderstand als Ur­sache. Dieser bewirkt eine von der Größe der Steuerströme abhängige Gegenkopplung in den beiden Differenzverstärkern.Daher decken sich die Übertragungskennlinien nur dann, wenn die Steuerströme für die beiden Differenzverstärker gleich groß sind und nur dann arbeitet die Schaltung ideal.
Die vorliegende Erfindung schafft hier Abhilfe, indem wie in Fig 1 er­sichtlich, ein Teil der Ausgangsspannung (uA) auf den zweiten Eingang (D) des zweiten Differenzverstärkers (D2) und ein Teil der Eingangs­spannung (uE) auf den zweiten Eingang (B) des ersten Differenzverstär­kers (D1) gekoppelt wird und somit eine ideale Multiplizierschaltung geschaffen ist.

Beschreibung

[0001] Ein großer Teil der heute verwendeten elektronischen Multipliziererschal­tungen basieren im Prinzip auf der Funktion eines Differenzverstärkers mit zwei Transistoren, dessen Größe der Verstärkung theoretisch propor­tional der Summe der Kollektorströme ist (siehe TIETZE und SCHENK: HALB­LEITERSCHALTUNGSTECHNIK, Springer Verlag 6, Auflage Abb 4.41 "1"). Der offensichtlichste Nachteil dieser Schaltung ist die Nichtlinearität der Übertragungskennlinie (Abb. 4.44 in "1"). Diese Fehlerquelle kann behoben werden, wenn ein in die Gegenkopplung eines Verstärkers einge­brachter Differenzverstärker dazu verwendet wird, die Übertragungskenn­linie eines zweiten, gleichartigen Differenzverstärkers zu kompensieren, indem der Eingang jenes zweiten Differenzverstärkers mit dem Eingang des ersten Differenzverstärkers parallelgeschalten ist und das an den Kollektoren des zweiten Differenzverstärkers anliegende Signal mittels eines Ausgangsverstärkers aufbereitet wird. Diese Lösung wurde z.B. im LINEAR DATABOOK 1982 von NATIONAL SEMICONDUCTOR auf Seite 3 170, unten ("2") veröffentlicht. Bei einer nach "2" ausgeführten Schaltung kann der Einfluß der Nichtlinearität tatsächlich sehr klein gehalten werden, allerdings nur, wenn entweder die Steuerströme für die beiden Differ­enzverstärker sehr klein gehalten werden oder die Steuerströme gleich groß sind (Als Steuerströme sind hier die jeweils durch die gemeinsam men Emitteranschlüsse abfließenden und damit die Verstärkung bestimmen den Ströme bezeichnet). Bei größer werdender Abweichung steigt bei höheren Werten für die Steuerströme die Nichlinearität auf ein Viel­faches an.

[0002] Die Ursache für diesen störenden Effekt ist der bei realen Transistoren auftretende innere Widerstand im Emitter, der sogenannte Emitterbahn­widerstand (in der englischsprachigen Literatur als Emitter Bulk Resi­stance bezeichnet). Dieser Widerstand (R-Eb) wirkt im Prinzip wie ein Emitterwiderstand und bewirkt eine vom Produkt aus Steuerstrom mal R-Eb abhängige Gegenkopplung innerhalb der beiden Differenzverstärker aus "2" und damit davon abhängige Übertragungskennlinien. Dies bedeutet, daß sich die Übertragungskennlinien nur dann kompensieren, wenn das Produkt aus Steuerstrom mal R-Eb für beide Differenzverstärker aus "2" gleich groß ist. Andernfalls entsteht eine, von der Größe der Abweichung ab­hängige Nichlinearität, die bei Wechselspannungen als Eingangssignal die Entstehung kubischer Verzerrungen bewirkt.

[0003] Nun geschieht die Kompensation einer unerwünschten Gegenkopplung logi­scherweise durch eine Mitkopplung mit gleicher Größe, womit das Wesent­liche der vorliegenden Erfindung bereits angesprochen wäre.

[0004] Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Fig 1: Kompensation des Emitterbahnwiderstands für eine Multiplizierer­schaltung nach "2" für niedrige Steuerströme, nichtinvertierende Beschaltung.

Fig 2: Gleich wie Fig 1, jedoch für größere Steuerströme bzw für fix eingestellten Steuerstrom des ersten Differenzverstärkers.

Fig 3: Kompensation des Emitterbahnwiderstandes für einfache Multipli­ziererschaltungen nach Abb 12.37 aus "1".

[0005] Eine der möglichen Ausführungen für die Beseitigung der durch die Emit­terbahnwiderstände verursachten Nichtlinearität bei Multipliziererschal­tungen, bei denen Eingangssignal auf einen Eingangsverstärker ge­geben wird, in dessen Gegenkopplung ein erster Differenzverstärker ange­ordnet ist und ein Eingang des ersten ersten Differenzverstärkers mit einem Eingang des zweiten Differenzverstärkers verbunden ist, weiters die Kol­lektoren des zweiten Differenzverstärkers mit den Eingängen eines Aus­gangsverstärkers verbunden sind und die Multiplikation des Eingangssig­nals mit einem Faktor durch Steuerung des Stromes in den Emmiterzweigen erfolgt, wird nun anhand der Fig 1 näher erläutert. Es wird dort also mittels zweier Spannungsteiler, Rb1, Rb2 und Rd1, Rd2, ein proportio­naler Anteil des Eingangssignals (uE) auf den zweiten Eingang (B) des ersten Differenzverstärkers (D1) und ein proportionaler Anteil des Aus­gangssignals (uA) auf den zweiten Eingang (D) des zweiten Differenzver­stärkers (D2) gegeben. Beim zweiten Differenzverstärker erfolgt die Mit­kopplung abhängig von der Größe des Ausgangssignals und damit vom Steuer­strom ID2 über A2, den zweiten Spannungsteiler Rd1, Rd2 und den Eingang D des Transistors T4. Etwas anders sind die Verhältnisse beim ersten Dif­ferenzverstärker (D1): Dort steigt mit größer werdendem Steuerstrom ID1 die Gegenkopplung über den Eingangsverstärker (A1) an, sodaß die Aus­gangsspannung von A1 bei gleichbleibendem Eingangssignal (uE) sinkt, das am Eingang B des Transistors T2 anliegende Signal jedoch gleich bleibt und somit steigt auch beim D1 das Signal am zweiten Eingang (B) relativ zum am Eingang A anliegenden Signal an, wenn ID1 vergrößert wird. Es ist also für beide Differenzverstärker gewährleistet, daß die Größe der Kompensationsspannungen vom jeweiligen Steuerstrom ID1 bzw ID2 abhängt. Da man auch annehmen kann, daß die Emitterbahnwiderstände weit­gehend unabhängig von den Steuerströmen sind, kann bei richtiger Einstel­lung der beiden Spannungsteiler Rb1, Rb2 und Rd1, Rd2, die durch den R-Eb verursachte schädliche Gegenkopplung praktisch kompensiert werden.

[0006] Folgende Ursache ist dafür verantwortlich, daß die Kompensation des R-Eb nach Fig 1 nicht 100%ig ist: Die störende Gegenkopplung wirkt nicht nur für die an den jeweils ersten Eingängen (A, C) der beiden Differenz­verstärker anliegenden Signale, sondern auch gleichermaßen für die an den jeweils zweiten Eingängen (B, D) anliegenden Kompensationssignale und daher bleibt ein Rest-Verstärkungsfehler ΔV-R übrig. Die Auswirkung des ΔV-R hängt von den jeweiligen Steuerströmen ab, bei denen die beiden Spannungsteiler (Rb1, Rb2 und Rd1, Rd2) auf die niedrigste Nichtlineari­tät eingestellt werden und steigt bei größeren maximalen Werten für die beiden Steuerströme. Aus dem genannten Grund ist dann die in Fig 2 ge­zeigte Kompensation des R-Eb im Vorteil gegenüber der in Fig 1 gezeig­ten, wenn ID1 einen nicht veränderbaren, festen Wert hat. Dann ist näm­lich der ΔV-R für den ersten Differenzverstärker konstant und wenn wie in Fig 2 der Ausgangsverstärker gegenüber Fig 1 invertierend beschalten ist, kann der proportionale Anteil von uA am Eingang B mit dem propor­tionalen Anteil von uE summiert werden. Somit wirkt bei konstantem ID1 für beide Kompensationsspannungen ein gleich großer und konstanter ΔV-R und dieser kann bei der Einstellung von Rb1 und Rb3 mitberücksichtigt werden, womit die Kompensation des R-Eb nun zu 100% erfolgen kann.

[0007] Als willkommener zusätzlicher Effekt vermindern bzw beseitigen die in Fig. 1 und Fig 2 abgebildeten Emitterbahnwiderstands-Kompensationen auch noch die Nichtlinearität der Steuerstrom-Gesamtverstärkungskennlinie, die ihre Ursache ebenfalls in der, bei steigenden Steuerströmen steigen den Gegenkopplung in den beiden Differenzverstärkern hat.

[0008] Es gibt Anwendungen, bei denen nicht eine Reduktion, sondern eine gezielte Anhebung der kubischen Verzerrungen erwünscht ist. Bei Musiker­verstärkern wird dies zur Erzielung eines besseren Klanges sehr oft angewandt. Wenn nun ein proportionaler Anteil von uE auf den Eingang D gegeben wird, so kann bei dementsprechendem Anteil von uE der kubische Verzerrungsgrad so eingestellt werden, daß das "weiche" Übersteuerungs­verhalten von Röhrenverstärkern nachgebildet werden kann. Zusätzlich zur Anwendung der Schaltung zur Beeinflussung des Dynamikverhaltens der verschiedensten Signalquellen kann mit demselben Baustein auch das kubi­sche Klirrverhalten beliebig beeinflußt werden.

[0009] Schließlich ist aus Fig 3 ersichtlich, wie auch die Eigenschaften von einfachen Multipliziererschaltungen nach Abb 12.37 aus "1" durch die Kompensation des R-Eb verbessert werden können: Gleich wie beim zweiten Differenzverstärker (D2) in Fig 1 wird in Fig 3 die schädliche Gegen­kopplung durch eine Mitkopplung über den Spannungsteiler Rd1, Rd2 kom­pensiert und damit die Steuerstrom-Gesamtverstärkungsskennlinie lineari­siert.

[0010] Bauteilewerte (Beispiel) zu Fig 1:
RE1 = RE2 = RA1 = RA2 = 1 kOhm
Rb2 = Rd2 = 10 Ohm
Rb1 = Rd1 = ca 40 kOhm (R-Eb von T1-4 = ca 0.5 Ohm)

Ansprüche

1.: Elektronische Multiplizierschaltung, bei der ein Eingangssignal an einen Eingangsverstärker gelegt wird, in dessen Gegenkopplungszweigen ein erster Differenzverstärker angeordnet ist und ein Eingang des ersten Differenzverstärkers mit einem Eingang eines zweiten Differenzverstär­kers verbunden ist, die Kollektoren des ersten Differenzverstärkers mit den Eingängen des Eingangsverstärkers und die Kollektoren des zweiten Differenzverstärkers mit den Eingängen eines Ausgangsverstärkers verbun­den sind, an dessen Ausgang ein Ausgangssignal abgenommen wird und die Multiplikation des Eingangssignals mit einem Faktor durch Steuerung des Stromes in den Emitterzweigen vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Eingangsverstärkers (A1) mit den ersten Eingängen (A, C) des ersten und des zweiten Differenzverstärkers (D1, D2) verbun­den ist, daß ein proportionaler Anteil des Eingangssignals (uE) am zwei ten Eingang (B) des ersten Differenzverstärkers (D1) und/oder am zweiten Eingang (D) des zweiten Differenzverstärkers (D2) anliegt und/oder ein proportionaler Anteil des Ausgangssignals (uA) am zweiten Eingang (B) des ersten Differenzverstärkers (D1) und/oder am zweiten Eingang (D) des zweiten Differenzverstärkers (D2) angelegt ist.

2.: Elektronische Multiplizierschaltung, bei der ein Eingangssignal auf den Eingang eines Differenzverstärkers gelegt wird, die Kollektoren des Differenzverstärkers mit den Eingängen eines Ausgangsverstärkers verbun­den sind und die Multiplikation des Eingangssignals mit einem Faktor durch Steuerung des Stromes im Emitterzweig des Differenzverstärkers vor­genommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal an den ersten Eingang (C) des Differenzverstärkers (D2) gelegt wird und ein pro­portionaler Anteil des Ausgangssignals (uA) am zweiten Eingang (D) des Differenzverstärkers (D2) anliegt.

Zeichnung