DE3246213A1

DE3246213A1 - Regelverstaerker

Info

Publication number: DE3246213A1
Application number: DE19823246213
Authority: DE
Inventors: Veikko Reynold 07762 Spring Lake Heights N.J. Saari
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-12-17
Filing date: 1982-12-14
Publication date: 1983-08-18
Also published as: US4441080A; KR840003162A; NL8204871A; JPS58111416A; CA1187567A; HK7886A; FR2518849B1; GB2111776A; IT8224809A0; IT1154639B; IT8224809A1; GB2111776B; FR2518849A1

Description

Regelverstärker Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Regelverstärker, deren Verstärkung in Abhängigkeit einer an ein ' Rückkopplungsnetzwerk angelegten Steuerspannung verändert werden kann.

Es ist bekannt, einen Verstärker mit· einem Rückkopplungsnetzwerk veränderbaren Gegenwirkleitwertes auszustatten, so daß die Verstärkung des Verstärkers in Abhängigkeit einer an das Netzwerk gelegten Steuerspannung verändert werden kann. Derartige Schaltungsanordnungen werden für gewöhnlich in automatischen Verstärkungsreglungen und in Verstärkern mit programmierbarer Verstärkung verwendet.

In einer in MOS-(Metall-Oxid-Halbleiter-)Technologle ausgelegten Schaltung ist es häufig schwierig, ein Netzwerk mit veränderbarem Gegenwirkleitwert zu erhalten, welches für einen ausreichend großen Verstärkungsreglungsbereich mit ungestörter Signalübertragung einen genügend großen Wertebereich aufweist. Demzufolge weist die Schaltung einen extrem beschränk-' ten Arbeitsbereich auf oder benötigt zuviel Leistung pro Chipflächeneinheit.

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Erfindungsgemäß enthält ein Regelverstärker einen - ersten Verstärker, zwischen dessen Ausgang und .. einem Eingang ein Gegenkopplungsnetzwerk liegt, dessen Gegenwirkleitwert in Abhängigkeit von einem Steuersignal veränderbar ist.' Das Rückkopplungsnetzwerk enthält: einen ersten und einen zweiten Konden- : sator, die in Reihe geschaltet sind, eine erste Schaltvorrichtung zum Verbinden der einen Elektrode des ersten Kondensators mit dem einen Eingang des ersten Verstärkers während erster Phasenzeiträume ₈bzw. mit einem Bezugspotentialanschluß während zweiter Phasenzeiträume, wobei die ersten Phasenzeiträume und die zweiten'Phasenzeiträume sich nicht überlappen, eine zweite Schaltvorrichtung zum Verbinden der einen Elektrode des zweiten Kondensators mit dem Ausgang des ersten Verstärkers während der ersten Phasenzeiträume bzw. mit einem Bezugspotentialanschluß während der zweiten Phasenzeiträume, und eine veränderbare Widerstandsanordnung, die auf das Steuersignal anspricht und wenigstens einen Strompfad von einem gemeinsamen Knoten des ersten, und des zweiten ..Kondensators zu dem Bezugspotentialanschluß schafft. Der erfindungsgemäße Verstärker zeigt eine verbesserte Reglung der Signalbandverstärkung in einem großen Verstärkungsbereich bei relativ geringer Verzerrung, •wobei Bauelemente mit geringer Leistungsaufnahme verwendet werden, die eine relativ kleine Fläche

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auf dem Chip einer integrierten Schaltung benötigen.

In einer Ausführungsforra der Erfindung ist die veränderbare Widerstandsanordnung mit einem Netzwerk zum Unterdrücken von Verzerrungen ausgestattet, wenn der Vorstrom in einem in der veränderbaren Widerstandsanordnung enthaltenen Transistor niedrig ist, was in diesem Fall einem hohen Pegel des an den Verstärker gelegten Eingangssignals entspricht.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Regelverstärkers mit einem geschaltete Kondensatoren aufweisenden RUckkopplungsnetzwerk veränderbaren Gegenwirkleitwerts,

Figur 2 ein Schaltbild eines Kippschalters, der in dem Rückkopplungsnetzwerk des in Figur 1 gezeigten Verstärkers eingesetzt ■ werden kann,

Figur 3 ein Schaltbild des Verstärkers nach Figur 1, wobei dessen Rückkopplungsnetzwerk so modifiziert ist, daß es für hohe Eingangssignalamplituden ein Verzerrungsunterdrückungsnetzwerk aufweist, und

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Figur 4 ein Schaltbild eines weiteren Regelverstärkers nach der Erfindung mit einem veränderbaren Doppel-Widerstandnetzwerk .

Gemäß Figur 1 ist ein Regelverstärker 10 mit N-Kanal-MOS-Bauelementen realisiert. Er enthält einen ersten Operationsverstärker 12 mit einem invertierenden Eingang 14, einem nicht-invertierenden Eingang 16 und einem Ausgang 18. Der nicht-invertierende Eingang 16 ist an ein Bezugspotential angeschlossen, in diesem speziellen Fall handelt es sich hierbei um Schaltungsmasse. Der Ausdruck "Bezugspotential" soll hier ein Potential bedeuten, das im Vergleich zu dem Signal-Potential im wesentlichen konstant ist. An den invertierenden Eingang 14 ist ein Eingangswiderstand 20 angeschlossen, der von einer Signalquelle ein Signal 22 empfängt. Die Signalquelle ist nicht dargestellt, und der Widerstand 20 kann auch als geschalteter Kondensator ausgebildet sein. Die spezielle Schaltung des Operationsverstärkers 12 selbst ist hier nicht von Interesse; es kann sich um eine der verschiedenen bekannten Verstärkerschaltungen handeln.

Ein erster durchgeschalteter Kondensator 24 und ein zweiter durchgeschalteter Kondensator 26 sind in Reihe geschaltet.

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ν — ...

Der Ausdruck "durchgeschaltet" bedeutet hler, daß ein mit zwei Anschlüssen versehenes Bauelement einer geschalteten Kondensatoranordnung in einer von zwei Schaltphasen mit keiner Elektrode direkt auf Masse liegt. Ein· erster Kippschalter 28 liegt in Reihe zwischen dem invertierenden Eingang 14 und dem ersten Kondensator 24. Der Kippschalter 28 schaltet die auf der Seite des invertierenden Eingangs 14 liegende Elektrode des ersten Kondensators 24 abwechselnd

an den invertierenden Eingang 14 und auf Masse. Ein in Reihe zwischen dem Verstärkerausgang 18 und dem zweiten Kondensator 26 liegender zweiter Kippschalter 30 schaltet die auf der Seite des Verstärkerausgangs 18 liegende Elektrode des zweiten Kondensators 26 abwechselnd an den Verstärkerausgang 18 und auf Masse.

Der erste Kippschalter 28, der ähnlich ausgebildet ^ ist wie der zweite Kippschalter 30, ist in Fig. 2 im einzelnen dargestellt. Es handelt sich um ein Paar MOS-Transistoren vom Anreicherungstyp, 31 und 32, deren Jeweilige Source 33 bzw. 34 zusammengeschaltet sind, und deren Gates 35 bzw. 36 an eine Taktquelle 38 angeschlossen sind, die sich nicht überlappende Impulszüge einer ersten Phase φ-^ und einer zweiten Phase ?L ^^ei einer Impulsfrequenz von f_Q, die hier

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112 kHz beträgt, an die Gates liefert. Die in der Nähe der ausgezogenen Pfeile in Fig. 1 befindliche Bezeichnung φ-, bedeutet, daß die Schalter 28 und 30 sich in dem φ-, entsprechenden Zustand befinden.

Ein in dem größten gestrichelten Rechteck in Fig. dargestelltes veränderbares Widerstandsnetzwerk 42 verbindet den gemeinsamen Knoten 40 der Kondensatoren 24 und 26 mit Masse. Das Netzwerk enthält als dynamischai .viderstand einem MOS-Transistor 44 vom Anreicherungstyp, dessen Drain und Gate auf Masse liegt/ Seine Source ist an den gemeinsamen Knoten 40 und an den Drainanschluß eines MOS-Transistors vom Anreicherungstyp, 46, angeschlossen, dessen Source an eine negative Versorgungsspannung -V angeschlossen ist und der als. gesteuerte Stromquelle arbeitet. Eine von einer Steuerspannungsquelle 50 abgegebene Steuerspannung V_ wird an das Gate 52 des Stromquellentransistors 46 gelegt, um den Widerstand des veränderbaren Widerstandsnetzwerks 52 durch Ändern des Vorstroms für den Widerstandselement-Transistor 44 zu verändern.

Beim Betrieb des Regelverstärkers 10 bestimmt-die an das Gate 52. des Stromquellentransistors 46

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gelegte Steuerepannung V,, den Vorstrom für den . ■ V/iderstandselement-Transistor 44, um dadurch den ■ V/iderstand zwischen dem gemeinsamen Knoten 40 und Masse zu bestimmen. Da dieser Widerstand die Entladegeschwindigkeit eines konstanten Potentials der Kondensatoren 24 und 26 bestimmt, kann dadurch die zwischen dem Kondensator 24 und dem invertierenden Eingang 14 des Verstärkers 12 in einem Operationszyklus übertragene Ladungsmenge durch die Steuer spannung V_ gesteuert werden. Dieses Ladungspaket wird dem Eingangssignal 22 an einem Summierknoten 54 hinzugefügt, um eine Gegenkopplung zu schaffen, die der Ausgangsspannung des Verstärkers 12 proportional ist.

In einer anderen, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform enthält ein Regelverstärker 56 ein Störungsunterdrückungsnetzwerk 58, das in dem kleineren gestrichelten Rechteck dargestellt ist. Dieses Netzwerk 58 unterdrückt eine Signalverzerrung, die resul- ' tieren könnte aus einem einer hohen Eingangssignal- \ amplitude entsprechenden schwachen Vorstrom in dem Widerstandselement-Transistor 44, indem der Widerstandswert ebereich, den der Widerständselement-Transistor 44 liefern kann, wesentlich ausgedehnt wird, .ohne den Wellenzug des Ausgangssignals, der

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durch den Kondensator 24 zurückgekoppelt wird, ^! unnötig zu verzerren.

Das Netzwerk 58 enthält einen zweiten Operationsverstärker 62. Das Gate des Transistors 44 wird über einen Kippschalter 66 abwechselnd an den Ausgang 64 des zweiten Operationsverstärkers 62 und auf Masse gelegt. Ein Widerstandselement 78 koppelt den Signaleingang 22 an den invertierenden Eingang 70. Der nicht-invertierende Eingang 71 des zweiten Verstärkers 62 liegt auf Masse. Ein zweiter Kippschalter 72 verbindet eine Elektrode der beiden Kondensatoren 74 und 76 abwechselnd mit Masse und dem. invertierenden Eingang 70 des zweiten Verstärkers 62. Die andere Elektrode des ersten Kondensators dieser beiden Kondensatoren ist an den gemeinsamen Knoten 40 angeschlossen, während die entsprechende Elektrode des zweiten Kondensators 76 zwischen dem Ausgangsknoten 64 des Verstärkers 62 und Masse umgeschaltet wird. Der Drainanschluß des V/iderstandselement-Transistors 44 liegt entweder auf Masse oder an einer positiven Versorgungssspannung. Ein nichtgeschalteter Rückkopplungskondensator 68 koppelt den Ausgang 64 an den.invertierenden Eingang 70 des Verstärkers 62, wodurch die Bandbreite des zweiten Verstärkers 62 begrenzt wird» Zu einem ähnlichen Zweck kann auch ein Rückkopplungskondensator an den ersten Verstärker 12 geschaltet sein.

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Das veränderbare Widerstandsnetzwerk 42 enthält einen dritten Transistor 79, der die Aufgabe hat, den Widerstandsbereich für eine gegebene Obergrenze der Steuerspannung auf niedigere Werte zu erstrecken.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Regelverstärkers 80, der ein Doppel-Widerstandsnetzwerk 82 enthält. Das Netzwerk 82 verbindet den gemeinsamen Knoten 40 über einen Widerstandspfad mit Masse. Der Widerstandspfad wird durch einen Transistor 84 gebildet, der einen Widerstand darstellt, welcher abhängig von einer Steuerspannung V„ variiert. Das Netzwerk verbindet außerdem den gemeinsamen Knoten 40 mit dem invertierenden Eingang 14 des Operationsverstärkers 12, und zwar über einen weiteren Widerstandspfad, der durch einen Transistor 86 gebildet wird, welcher einen Widerstand bildet, der ebenfalls in Abhängigkeit des Steuersignals V variiert. Der invertierende Eingang 14 ist insoweit ein Bezugspotentialanschluß, als er ein virtueller Masseknoten ist, der sich potentialmäßig bei kleinen Signalen nicht spürbar ändert.. Die Gateelektroden der Transistoren 84 und 86 sind über einen festen Widerstand 88 an die Steuerspannungsquelle 50 angeschlossen. Zwei gleich große Kondensatoren 90 und 92 dienen zur Verzerrungsunterdrückung in den Transistoren 84 und 86, die durch kleine Signalamplituden entsteht.

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Der Zusammenschluß der zwei steuerspannungsabhängigen Widerstandspfade in dem Doppel-Widerstandsnetzwerk 82 gestattet eine gewisse aufgeteilte B'unktion unter wirtschaftlicher Ausnutzung der Bauelemente. Es wäre jedoch ebenfalls möglich, zwei separate Widerstandsnetzwerke zur Schaffung der Verbindungen zu verwenden.. Ferner kann ein Regelverstärker auf verschiedenen Wegen realisiert werden, indem verschiedene steuerspannungsabhängige Widerstandsverbindungen von dem gemeinsamen Knoten 40 zu einer Bezugsspannung derart geschaffen werden, daß der Rückkopplurigsstrom des Verstärkers 12 dadurch von der Steuerspannung V beeinflußt wird. Der Widerstand 8.8 und die übrigen Widerstände können auch in bekannter Weise durch geschaltete Kondensatoranordnungen ersetzt werden.

Eine typische Einsatzmöglichkeit der Verstärker und 56 mit variabler Verstärkung wäre eine automatische Verstärkungsreglung (AGC-Schaltung). In einer solchen Schaltung würde die Steuerspannung V von dem Ausgang 18 des Verstärkers 12 dadurch abgeleitet, daß die Signalspitzen erfaßt und durch ein Tiefpaßfilter mit einer positiven Gle.ich-:Vorspannung und geeignetem Kennlinienanstieg geleitet würden (schnell für das Einschwingen und langsam für die Erholung, d. h. schnell beim Erhöhen der

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Verstärkung und langsam beim Verringern der Verstärkung). Die speziellen Werte der verschiedenen Bauelemente der Schaltung in den eine veränderbare Verstärkung aufweisenden Verstärkern 10 und 56 hängen notwendigerweise von dem speziellen Anwendungsfall ab und können von dem mit dem Entwurf integrierter Schaltungen befaßten Fachmann leicht ermittelt werden.

Die obigen Verstärker 10, 56 veränderbarer Verstärkung könnten auch durch Verwendung von P-MOS-Bauelemente realisiert werden, die im Vergleich zu den Bauelementen der Verstärker 10 und 56 "spiegelbildlich" verschaltet werden müßten, um ihrer entgegengesetzten Polarität Rechnung zu tragen.

Obschon in den Schaltbildern der Verstärker 10, 56 und 80 Massepotehtial und das virtuelle Massepotential am invertierenden Eingang 14 als Bezugspotentiale verwendet werden, kann leicht ein Verstärker entworfen werden, bei dem andere Bezugspotentiale verwendet werden, die in einer speziellen Schaltung verfügbar sind.

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V/eiterhin kann das Rückkopplungsnetzwerk eines Verstärkers auch einen Inverter enthalten und zwischen den Ausgang und den nicht-invertierenden Eingang geschaltet sein.

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Leerseite

Claims

BLUMBACH · ^EOEFf-BERQBN . KRÄMER ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patenlconsult Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsull Patenlconsult Sonnenberger Strafie 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Pätentconsull

Western Electric Company W/Saari

Incorporated

New York N. Y.

Patentansprüche

Regelverstärker, mit einem ersten Verstärker, zwischen dessen Ausgang und einem Eingang ein Gegenkopplungsnetzwerk liegt, dessen Gegenwirkleitwert in Abhängigkeit von einem Steuersignal veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet,

daß das Rückkopplungsnetzwerk folgende Merkmale aufweist:

- einen ersten und einen zweiten Kondensator (24, 26), die in Reihe geschaltet sind,

- eine erste Schaltvorrichtung (28) zum Verbinden der einen Elektrode des ersten Kondensators mit dem einen Eingang (14) des ersten Verstärkers (12) während erster Phasenzeiträume ($-,) bzw. mit einem Bezugspotentialanschluß während zweiter Phasenzeiträume, wobei die ersten Phasenzeiträume

München: R. Kremer DIpI.-Ing. . w. Weser Dipl.-Phys. Or. rer. nst. · E. Hoffmann Dipl.-Ing, Wiesbaden: P. G. Blumbach Olpl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. Jur. Dlpl.-Ing., Pat-Ass., PM.-Änw. bis 1979 · G. Zwirner Dtpl.-lng. Olpl.-W.-Ing.

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und die zweiten Phasenzeiträume sich nicht überlappen,

- eine zweite Schaltvorrichtung (30) zum Verbinden der einen Elektrode des zweiten Kondensators mit dem Ausgang des ersten Verstärkers während der ersten Phasenzeiträume bzw. mit einem Bezugspotentialanschluß während der zweiten Phasenzeiträume , und

- eine veränderbare Widerstandsanordnung (42), die auf das Steuersignal (V_) anspricht und wenigstens einen Strompfad von einem gemeinsamen Knoten (40) des ersten und des zweiten Kondensators zu dem Bezugspotentialanschluß schafft.
2. Verstärker nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die veränderbare Widerstandsanordnung einen ersten Transistor (44) enthält, der so geschaltet ist, daß er einen, dynamischen Widerstandspfad zwischen dem gemeinsamen Knoten und einem Bezugspotentialanschluß schafft, sowie einen zweiten Transistor (46) enthält, um dem ersten Transistor einen Vorstrom zuzuführen, der sich in Abhängigkeit des Steuersignals ändert.

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3. Verstärker nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Eingang des ersten Verstärkers ein invertierender Eingang ist* und daß ein Verzerrungsunterdrückungsnetzwerk (58) vorgesehen ist, das auf ein Eingangssignal des Regelverstärkers (10) anspricht und an eine Steuerelektrode des ersten Transistors angeschlossen ist, um bei hohen Eingangssignalpegeln eine Verzerrung der Ausgangssignalwelle zu verringern, daß das Unterdrückungsnetzwerk eine erste Impedanz (20) aufweist, die zwischen den invertierenden Eingang und einen Anschluß zum Empfangen des Eingangssignals geschaltet ist, einen zweiten Verstärker (62) enthält, dessen invertierender Eingang (70) über eine zweite Impedanz (78) an den Eingangssignalanschluß (22) angeschlossen ist, und dessen nicht-invertierender Eingang an einen Bezugspotentialanschluß gekoppelt ist, daß das Unterdrückungsnetzwerk weiterhin einen dritten (74) und einen vierten (76) Kondensator aufweist, die jeweils mit einer Elektrode zusammengeschaltet sind, um einen gemeinsamen Knoten zu bilden, während die andere Elektrode des dritten Kondensators an den gemeinsamen Knoten des ersten und zweiten Kondensators angeschlossen ist und die andere Elektrode des vierten Kondensators an die Steuerelektrode des ersten Transistors angeschlossen ist, daß das Unterdrückungs-

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netzwerk eine dritte Schaltvorrichtung (66) aufweist, um während der ersten Phasenzeiträume die Steuerelektrode des ersten Transistors mit dem Ausgang des zweiten Widerstands zu verbinden und während der zweiten Phasenzeiträume mit einem Bezugspotentialanschluß zu verbinden, daß die Unterdrückungsschaltung eine vierte Schaltvorrichtung (72) aufweist, um den ' gemeinsamen Knoten des dritten und des vierten Kondensators während der ersten Phasenzeiträume mit

ι dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers zu verbinden und während der zweiten Phasenzeiträume mit einem Bezugspotentialanschluß zu verbinden, und daß das Unterdrückungsnetzwerk einen fünften Kondensator (60 aufweist, der zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang des zweiten Verstärkers geschaltet ist.
4. Verstärker nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Transistoren Feldeffekttransistoren sind.
5. Verstärker nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Transistoren MOS-Bauelemente sind.

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6. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des ersten Verstärkers ein invertierender Eingang ist, und daß eine weitere veränderbare. Widerstandsanordnung (86) vorgesehen ist, die auf ein Steuersignal anspricht und einen Strompfad von dem gemeinsamen Knoten des ersten und des zweiten Kondensators zu dem invertierenden Eingang schafft.

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