DE3026990A1 - Verstaerker mit steuerbarer toter zone - Google Patents

Description

RCA 74061 Ks/Ki

U.S. Serial No: 58,022

Filed: July 16, 1979

RCA Corporation
New York, N.Y., V. St. v. A.

Verstärker mit steuerbarer toter Zone

Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker und betrifft insbesondere Ausführungsformen mit sogenannter toter Zone.

Verstärker dieser Gattung, die manchmal auch als "mittenbegrenzende" oder "entkernende" Verstärker bezeichnet werden, zeichnen sich dadurch aus, daß sie Eingangssignale unterdrücken, die innerhalb eines gegebenen Bereichs (Tot- oder Unempfindlichkeitszone) liegen, während sie außerhalb dieses Bereichs liegende Signale verstärken. Solche Verstärker sind für verschiedene Anwendungen nützlich. Bei Fernsprech- oder anderen Nachrichtenverkehrssystemen beispielsweise werden sie zur Rauschdämpfung herangezogen. In Servosystemen können sie dazu verwendet werden, übermäßige Regelschwingungen zu verhindern.

In der US-Patentschrift 5 716 726 ist ein Detektor mit Totzone beschrieben, der dazu verwendet wird, einen Schalter in einem Fernsprech-Übertragungskanal zurRauschdämpfung zu be-

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tätigen. Ein vorteilhaftes Merkmal der "bekannten Schaltung besteht darin, daß die Breite der Totzone (und soiüit des Bereichs der Rauschunterdrückung) durch ein einziges Steuersignal gesteuert werden kann, ohne die Lage der Totzone relativ zum erwarteten Bereich der EingangsSignaländerungen zu beeinflussen. Hierzu wird jedoch die ursprüngliche Gleichstromkomponente des Eingangssignals mittels eines Kondensators entfernt, und dem Signal werden durch ein Netzwerk neue, durch eine gemeinsame Quelle gesteuerte Gleichstromkomponenten hinzugefügt, so daß zwei Signale mit unterschiedlichen Gleichstromkomponenten erzeugt werden. Eines dieser Signale wird dann mit einer festen Bezugsspannung und das andere mit einer variablen Bezugsspannung verglichen, wobei letztere ebenfalls durch die Stromquelle gesteuert wird. Die Ausgangssignale der Vergleicher werden dann durch ein logisches Verknüpfungsglied kombiniert, welches den Schalter im Fernsprech-Übertragungskanal steuert. Durch Änderung des Werts des von der Stromquelle erzeugten Stroms werden die Gleichstromkomponenten der beiden abgeleiteten Signale und die variable Bezugsspannung alle geändert, um dadurch die Breite der Totenzone zu steuern. Wegen der Wegnahme der ursprünglichen Gleichstromkomponente des Eingangssignals und ihres Ersatzes durch die von der Stromquelle abgeleiteten neuen Gleichstromkomponente!! ändert sich durch die Breitenänderungen die Lage der toten Zone relativ zum Eingangssignal nicht. Nachteilig ist Jedoch, daß die in " der erwähnten US-Patentschrift gelehrte Methode auf die Verwendung von Wechselstromsignalen beschränkt ist. Die Methode eignet sich z.B. nicht für die Anwendung bei Servosystemen, wo die Gleichstromkomponente des Eingangssignals eine wichtige Rolle spielt.

Ein Verstärker mit Totzone, der sowohl Gleichstrom- als auch. Weohselstromsignale verarbeiten kann, ist in der US-Patentschrift 3 851 259 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird in einem ersten Differenzverstärker eine Bezugsspannung mit der Summe des Eingangssignals, eines ersten Steuersignals und eines Rückkopplungssignals verglichen. In einem zweiten Diffe-

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renzverstärker wird die Bezugsspannung außerdem rait der Summe des Eingangssignals, eines zweiten Steuersignals und eines Rückkopplungssignals verglichen. Die Ausgänge der Differenzverstärker werden dann in einem Diodennetzwerk kombiniert und einem dritten Verstärker angelegt, der das Ausgangssignal der Anordnung und die beiden Rückkopplungssignale liefert. Durch die Verwendung zweier Steuersignale ist es möglich, die oberen und unteren Grenzen des Totzonenbereichs unabhängig voneinander einzustellen. Nachteilig ist jedoch, daß wenn man bei Einhaltung einer gegebenen Breite der Totzone ihre Lage relativ zum Eingangssignal ändern will, man dies indirekt durch Justierung der beiden Steuersignale tun muß. Ein weiteres Problem besteht darin, daß für bestimmte Lagen der Totzone auch die Bezugsspannung geändert werden muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verstärker mit toter Zone zu schaffen, bei welchem die Lage und die Breite der toten Zone unabhängig voneinander und ohne gegenseitige Wechselwirkung gesteuert werden kann und welcher nicht auf Anwendungsfälle beschränkt ist, wo mit Wechselstromkopplung gearbeitet wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Totzonenverstärker gelöst, wie er im Patentanspruch 1 beschrieben ist. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein erfindungsgemäßer Totzonenverstärker enthält eine Eingangsschaltung, die aus einem Eingangssignal und einem Breitensteuersignal ein erstes zusammengesetztes Ausgangssignal erzeugt, welches repräsentativ für die Summe der beiden erstgenannten Signale ist. Die Eingangsschaltung bildet ferner aus dem Breitensteuersignal und einem Positionssteuersignal ein zweites zusammengesetztes Ausgangssignal, das repräsentativ für die Summe dieser beiden Signale ist. Ein erster Differenzverstärker spricht auf das Eingangssignal und das zweite zusammengesetzte Ausgangssignal an und erzeugt einen ersten Ausgangsstrom einer gegebenen Richtung, wenn das Eingangssignal und

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das zweite zusammengesetzte Signal hinsichtlich ihrer Beträge in einer ersten Relation zueinander stehen.. Ein zweiter Differenzverstärker spricht auf das Positionssteuersignal und auf das erste zusammengesetzte Ausgangssignal an und erzeugt einen zweiten Ausgangsstrom einer gegebenen Richtung, wenn das Positionssteuersignal und das erste zusammengesetzte Signal hinsichtlich ihrer Beträge in einer ersten Relation zueinander stehen. Eine Ausgangsschaltung subtrahiert einen der Ausgangsströme von dem anderen, um einen Differenzstrom zur Beaufschlagung einer Last zu erzeugen, so daß die Position und die Breite der Totzone des Verstärkers individuell und ohne gegenseitige Wechselwirkung abhängig von Änderungen des Positionsbzw, des Breitensteuersignals steuerbar sind.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Verstärkers mit toter Zone;

Figur 2 zeigt in einem Schaltbild Abwandlungen des Totzonenverstärkers nach Figur 1 .

Die Anordnung nach Figur 1 hat eine Eingangsschaltung 10, die einen ersten Eingang 11 zum Empfang eines zu verstärkenden Eingangssignal3, einen zweiten Eingang 12 zum Empfang eines Positionssteuersignals, einen dritten Eingang 13 zum Empfang eines Breitensteuersignals und einen vierten Eingang 14 zum Empfang eines Sperrsignals aufweist. Die Eingangsschaltung 10 hat ferner einen ersten Ausgang 15 zur Abgabe eines ersten zusammengesetzten Ausgangssignals, das charakteristisch für die Summe des am Eingang 11 empfangenen Eingangssignals und des am Eingang 13 empfangenen Breitensteuersignals ist, einen zweiten Ausgang 16 zur Abgabe eines zweiten zusammengesetzten Ausgangssignals, das charakteristisch für die Summe des am Eingang 12 empfangenen Po sit ions st euer signals und das am Ein-

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pang 13 empfangenen Breitensteuersignals ist, einen dritten Ausgang 17 und einen vierten Ausgang 18. Die "beiden letztgenannten Ausgänge liefern ausgeglichene oder kompensierte Signale, die den an die Eingänge 12 "bzw. 11 gelegten Signalen entsprechen.

Der Eingang 11 ist über einen ersten Summierwiderstand R1 mit dem Ausgang 15 und über einen ersten Ausgleichs- oder Basisvorstrom-Kompensations-Widerstand B5 mit dem Ausgang 18 gekoppelt. Der Eingang 12 ist über einen zweiten Sumraierwiderstand E2 mit dem Ausgang 16 und über einen zweiten Ausgleichs- oder Basisvorstrom-Kompensations-Widerstand R6 mit dem Ausgang 17 gekoppelt. Der Eingang 13 ist mit den Basiselektroden zweier Stromquellentransistoren Q1 und Q2 verbunden, deren Kollektorelektroden am Ausgang 15 bzw. 16 liegen. Die Emitterelektroden der Transistoren Q1 und Q2 sind über jeweils einen strombegrenzenden Widerstand B3 bzw. R4 mit einer ersten Versorgungsspannungsquelle V. (nicht dargestellt) gekoppelt. Der Emitter jedes der Transistoren Q1 und Q2 ist außerdem mit dem En.itter jeweils eines gesonderten Transistors Q3 bzw. Q4 verbunden, der zur Steuerung der Emittervorspannung dient. Die Basiselektroden der Transistoren Q3 und Q4- sind mit dem Kollektor eines Invertertransistors Q5 verbunden und außerdem über einen Lastwiderstand E7 mit einer zweiten Versorgungsspannungsquelle V^ gekoppelt, die auch mit den Kollektoren der Transistoren Q3 und Q4- verbunden ist. Der Transistor Q5 ist mit seiner Basis über einen strombegrenzenden Widerstand R8 an den Eingang 14 und mit seinem Emitter an die erste Versorgungsspannungsquelle V. angeschlossen.

Die Anordnung nach Figur 1 enthält ferner einen ersten Differenzverstärker 20 mit einem ersten Eingang 21, der zum Empfang des zu verstärkenden Eingangssignals an den Ausgang 18 angeschlossen ist, und mit einem zweiten Eingang 22, der zum Empfang des zweiten zusammengesetzten Ausgangssignals an den Ausgang 16 angeschlossen ist. Der Differenzverstärker 20 hat

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einen Ausgang 23, der mit der Ausgangskiemme 5° der Schaltungsanordnung verbunden ist. Der Differenzverstärker 20 enthält zv/ei emitter gekoppelte Transistoren Q6 und Q7, deren erster an seiner Basis mit dem ersten Eingang 21 und deren zweiter an seiner Basis mit dem zweiten Eingang 22 verbunden ist und deren Emitter mit den Ausgang eines Stromquellentransistors Q8 verbunden sind. Die Basis des Transistors Q8 liegt an einer Vorspannungsquelle V,, und sein Emitter ist über einen strombegrenzenden Widerstand R9 mit der ersten Versorgungsspannungsquelle V^ verbunden. Die Kollektoren der Differenzverstärkertransistoren Q6 und Q7 sind über jeweils einen Lastwiderstand R1O bzw. R11 mit der zweiten Versorgungsspannungsquelle Vq verbunden. Ein Ausgangstransistor Q9 ist mit seinem Kollektor an den Ausgang 23, mit seinem Emitter an den Kollektor des Transistors Q6 und mit seiner Basis an den Kollektor des Transistors Q7 angeschlossen.

Ein zweiter Differenzverstärker 30, der dem Differenzverstärker 20 im wesentlichen gleicht, empfängt an einem ersten Eingang 31 vom Ausgang 17 der Eingangsschaltung 10 das Positionssteuersignal und an einem zweiten Eingang 32 vom Ausgang 15 der Eingangsschaltung das erste zusammengesetzte Ausgangssignal. Ein Ausgang 33 liefert das Ausgangssignal des Verstärkers 30. Der Verstärker 30 enthält Transistoren Q1O bis 0/13 und Widerstände R12 bis R14, die in der gleichen Weise untereinander verbunden sind wie die entsprechenden Elemente Q6 bis Q9 und R9 bis R11 im Verstärker 20.

Der Ausgang 33 des Verstärkers 30 ist mit dem Eingang 41 eines Stromspiegelverstärkers 40 verbunden, dessen Ausgang 42 an die Ausgangsklemme 50 der Schaltungsanordnung angeschlossen ist. Der Verstärker 40 subtrahiert den Ausgangsstrom des Verstärkers 30 vom'Ausgangsstrom des Verstärkers 20, so daß ein Gegentakt-Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 50 gebildet wird.

Der Stromspiegelverstärker 40 enthält einen Ausgangstransistor Q14, dessen Emitter über einen Widerstand R15 mit der ersten Versorgungsspannungsquelle V^ verbunden ist und dessen Kollek-

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tor mit dem Ausgang 42 und dessen Basis mit dem Eingang 41 verbunden ist. Eine Reihenschaltung eines Widerstandes R16 und einer Diode D verbindet die Basis des Ausgangstransistors Q14 mit der ersten Versorgungsspannungsquelle V^. Die Diode D ist so gepolt, daß sie Strom im gleichen Sinne relativ zur Versorgungsquelle V,- wie der Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q14 leitet; sie sorgt für eine Offsetspannung zwischen ihren Klemmen, welche eventuelle temperaturbedingte Änderungen in der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q14 kompensiert.

Für den Betrieb sind die Versorgungsspannungsquellen so dimensioniert, daß die Spannung Vp positiv gegenüber der Spannung V. ist und daß die Spannung V^ irgendeinen Wert zwischen Y* und Vp hat. Die Absolutwerte der Versorgungsspannungen Yy., Vp und V₃, sind nicht kritisch und können auf irgendein geeignetes Bezugspotential bezogen sein. Beispielsweise können die Spannungen V^, Vp und Y₇. alle negativ sein, vorausgesetzt V. ist negativer als Vp. Es ist auch möglich, daß V. negativ und Vp positiv ist und V₅, irgendeinen Wert dazwischen hat. Für die nachstehende Beschreibung sei jedoch angenommen, daß die Versorgungsspannung V^. dem Massepotential (Null Volt) und die Versorgungsspannung Vp einem positiven Potential entspricht.

Bevor auf die Einzelheiten des Gesamtbetriebs der Schaltung eingegangen wird, sei zunächst kurz darauf eingegangen, welches die Ziele der Erfindung sind und wie die vorstehend beschriebenen Elemente (Eingangsschaltung 10, Verstärker 20 und 30 und Ausgangsschaltung 40) zusammenwirken, um diese Ziele zu erreichen. Das wichtigste Ziel besteht darin, einen Verstärker mit Totzone zu schaffen, der einen Ausgangsstrom in einer gegebenen Richtung an eine Last liefert, wenn ein Eingangssignal oberhalb eines ersten Pegels liegt, und der einen Ausgangsstrom in entgegengesetzter Richtung zur Last liefert, wenn das Eingangssignal unterhalb eines zweiten Pe-r gels liegt. Die genannten Pegel definieren eine tote Zone,

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innerhalb derer kein Ausgangsstrom (weder in der einen noch in der anderen Richtung) zur Last fließt. Um dies zu erreichen (mit dem Vorteil, daß die Position und die Breite der toten Zone unabhängig voneinander und ohne gegenseitige Wechselwirkung abhängig von getrennt angelegten Positionsund Breitensteuersignalen gesteuert werden können), wird die Eingangsschaltung 10 zur Erzeugung zweier zusammengesetzter Signale verwendet, die in den Verstärkern 20 und 30 mit dem Eingangssignal und einem Positionssteuersignal verglichen werden. Die Ausgangsströme der Verstärker 20 und 30 werden dann in der Ausgangsschaltung 40 subtrahiert.

Im einzelnen wird in der Eingangsschaltung 10 am Summierwiderstand R1 dem Eingangssignal ein Spannungsmaß hinzugefügt, das proportional dem am Eingang 13 empfangenen Breitensteuersignal ist, um ein erstes zusammengesetztes Ausgangesignal am Ausgang 15 zu erzeugen. Bei dem hier beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dieses Spannungsmaß dem Eingangssignal in solchem Sinne hinzugefügt, daß es diesem Signal entgegengerichtet ist bzw. sich von ihm subtrahiert, indem es durch den Widerstand R1 einen Strom in Richtung vom Eingang 11 zum Ausgang 15 fließen läßt. Dies wird herbeigeführt durch den Transistor Q1 in der mit zwei Ausgängen versehenen Stromquelle, die aus den Transistoren Q1, Q2 und aus den Widerständen R3 und R4- besteht. Die Transistoren Q1 und Q2 werden beide durch das Breitensteuersignal an der Klemme 13 vorgespannt und liefern jeder an seiner Kollektorelektrode einen Ausgangsstrom, der proportional dem Wert des Breitensteuersignals und umgekehrt proportional dem Wert des betreffenden Emitterlastwiderstandes R3 bzw. R4- ist.

Der Kollektorstrom des Transistors Q2 bewirkt am Widerstand R2, daß dort von dem am Eingang 12 zugeführten Positionssteuersignal ein Spannungsmaß subtrahiert wird, das proportional dem am Eingang 13 empfangenen Breitensteuersignal ist, um das zweite zusammengesetzte Ausgangssignal am Ausgang 16 zu erzeugen. Wie

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im Falle des ersten zusammengesetzten Ausgangssignals wird beim hier "beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung das erwähnte Spannungsmaß dem Positionssteuersignal in solchem Sinne zugegeben, daß es letzterem entgegenwirkt bzw. sich von ihm subtrahiert, um das zweite zusammengesetzte Ausgangssignal zu erzeugen.

Die Widerstände R5 und R6 in der Eingangsschaltung 10 erfüllen die Funktion von Ausgleichswiderständen zur Basisvorstrom-Kompensation an den Transistoren Q6 und Q1O in den Verstärkern 20 und 30. Der Grund für die Einfügung von Widerständen R5 und R6 beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt in der Tatsache, daß die Verstärker 20 und 30 bipolare Eingangstransistoren haben, die zwangsläufig ein gewisses Maß an Eingangsvorstrom benötigen. Da zum Zwecke der Addition des Breitensteuersignals mit dem Eingangssignal und mit dem Positionssteuersignal die Widerstände R1 und R2 in Reihe mit den Eingängen der Transistoren Q11 und Q7 in den Verstärkern liegen, gibt es an ihnen zwangsläufig auch einen Spannungsabfall, der proportional dem Basisvorstrom des jeweils angesteuerten Transistors Q11 bzw. Q7 ist. Demgemäß sind in die Basiskreise der Transistoren Q6 und Q10 die Widerstände R 5 und R6 jeweils in Serie eingefügt, um eine Offsetspannung (d.h. einen Spannungsversatz) zu bewirken, die gleich der an den Widerständen R1 und R2 erzeugten Offsetspannung ist. Somit haben im Ruhezustand, wenn ein Gleichtaktsignal gleichzeitig den Eingängen 11 und 12 angelegt ist und die Transistoren Q1 und Q2 nichtleitend sind, die Transistoren Q6, Q7, Q10 und Q11 in den Verstärkern 20 und 30 die gleiche Basisspannung.

Anders betrachtet stellen die Widerstände R5 und R6 sicher, daß die Transistoren Q6 und Q10 aus Quellimpedanzen angesteuert werden, die den gleichen Wert wie die Quell impedanz en zur Basisstromversorgung der Transistoren Q7 und Q11 haben, so daß irgendwelche Offsetfehler, die von den Widerständen R1 und R2 infolge des ELießens von Basisströmen verursacht werden, durch

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gleiche Off set spannung en an den Widerständen RJ? und R6 kompensiert werden. Die Basisvorstrom-Kompensation kann wegfallen, wenn die Eingangsvorströme der Verstärker 20 und 30 vernachlässigbar sind (z.B. wenn Feldeffekttransistoren für die Eingangstransistoren verwendet werden). Die Ausgleichswiderstände können auch dann weggelassen werden, wenn die Grenzen der toten Zone nicht genau definiert zu werden "brauchen.

Die Widerstände R1 bis R4- in der Eingangsschaltung 10 steuern die Symmetrie der toten Zone bezüglich des Werts der am Eingang 12 angelegten Positionssteuerspannung in der nachstehend beschriebenen Weise. Die Summe der an den Widerständen R1 und R2 abfallenden Spannungen definiert die Breite der toten Zone des Verstärkers. Da die individuellen Spannungen an den Widerständen R1 und R2 proportional den Strömen sind, die von der Doppelausgang-Stromquelle geliefert werden, kann man eine bezüglich des Positionssteuersignals symmetrische Totzone dadurch erhalten, daß man das Produkt aus dem Kollektorstrom des Transistors Q1 und dem Wert des Widerstandes R1 gleich dem Produkt aus dem Kollektorstrom des Transistors Q2 und dem Wert des Widerstandes R2 macht. Alternativ kann man eine bezüglich des Positionssteuersignals unsymmetrische Totzone erhalten, indem man die vorstehend genannten Produkte ungleich macht.

Bei der gezeigten speziellen Doppelausgang-Stromquelle (Q1, Q2, R$, R4·) sind die durch die Widerstände R1 und R2 fließenden Ströme umgekehrt proportional den Werten der Widerstände R3 und BM-. Wenn man also eine tote Zone wünscht, die symmetrisch .bezüglich des Positionssteuersignals ist, muß man das Werteverhältnis der Widerstände R1 und R3 gleich dem Verhältnis der Wider stands wer te von R2 und R4- machen.

Die Transistoren Q3 "bis Q5 und die Widerstände R7 und R8 bilden eine Sperrschaltung, die im Falle ihrer Aktivierung die Breite der toten Zone auf KuIl vermindert, und zwar unabhängig

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■vom Wert des Breitensteuersignals. Dies geschieht dadurch, daß auf ein am Eingang 14 angelegtes Sperrsignal hin jeweils Sperrspannung gleichzeitig an ein ausgewähltes Ende der Stromleitungsstrecke jedes der Transistoren Q1 und Q2 in der Doppelausgang-Stromquelle gelegt wird. Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß die Versorgungsspannung Vp positiv gegenüber V₁ ist und daß das Breitensteuersignal eine Spannung mit einem Wert irgendwo zwischen V. und V₂ ist. Wenn die Spannung des Sperrsignals am Eingang 14 positiv gegenüber V. ist, dann fließt Strom durch den strombegrenzenden Widerstand E8, wodurch der Transistor Q5 eingeschaltet wird, was zur Folge hat, daß die Basiselektroden der Transistoren Q3 und Q4 auf das Potential V^ geklemmt werden. Da das Breitensteuersignal positiv gegenüber V. ist, spannen die an den Emittern von Q1 und Q2 vorhandenen Spannungen die Basis-Emitter-Übergänge des Transistoren Q3 und Q4 in Sperrichtung, so daß unter dieser ersten Bedingung die Sperrschaltung unwirksam ist und die Transistoren Q1 und Q2 Breitensteuerströme an die Summierwiderstände K1 und K2 liefern.

Es sei nun angenommen, daß sich das Sperrsignal am Eingang 14 auf einen Wert ändert, der gleich V^ oder negativ gegenüber V^. ist. Unter dieser Bedingung wird der Transistor Q5 gesperrt, und der Lastwiderstand R7 legt eine Spannung, die gleich Vp ist, an die Basiselektroden der Transistoren Q3 und Q4. Hiermit werden die Transistoren Q3 und Q4 eingeschaltet, so daß die Spannung V₂ an die Emitter der Transistoren Q1 und Q2 gelegt wird. Die Basiselektroden der Transistoren Q1 und Q2 sind jedoch auf dem Potential der Breitensteuerspannung, die im angenommenen Fall zwischen V. und V₂ liegt. Somit werden die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren Q1 und Q2 in Sperrichtung gespannt, womit diese Transistoren gesperrt werden, so daß keine Breitensteuerströme zu den Summierwiderständen R1 und E2 gelangen. Somit ist in diesem gesperrten Zustand das erste zusammengesetzte Signal gleich dem Eingangssignal und das zweite zusammengesetzte Signal gleich dem Positionssteuersignal, und keines dieser Signale enthält eine dem Brei-

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tensteuersignal proporationale Komponente. Daher wird die Breite der toten Zone auf Null vermindert.

Bis hierher zusammenfassend ist also folgendes zu sagen: Wenn die Sperrschaltung unwirksam ist, dann ist das erste zusammengesetzte Signal (S-W) am Ausgang 15 der Eingangsschaltung 10 gleich dem Eingangssignal (S) abzüglich der am Widerstand R1 entwickelten Breitensteuerspannung (W). Das zweite zusammengesetzte Signal (P-W) am Ausgang 16 ist gleich dem Positionssteuersignal (P) abzüglich der am Widerstand R2 entwickelten Breitensteuerspannung (W). Die übrigen beiden Ausgänge 17 und 18 der Eingangsschaltung 10 liefern das Positionssteuersignal (P) und das Eingangssignal (S). Die vier Ausgangssignale P, S, P-W und S-W werden nun derart verglichen, daß ein Ausgangsstrom erhalten wird, der in einer ersten Sichtung zu einer an die Ausgangsklemme 50 angeschlossenen Last (nicht dargestellt) fließt, wenn dac Eingangssignal positiver als die Summe des Positionssteuersignals und der durch das Breitensteuersignal bewirkten Spannung W ist (S > P + W), und der in einer zweiten Richtung zur Last fließt, wenn das Eingangssignal negativer ist als das Positionssteuersignal minus dem Breitensteuersignal (S< P - W), und der ansonsten im wesentlichen gleich Mull ist.

Der Verstärker 20 liefert Ausgangsstrom zur Ausgangsklerame 50, wenn das Eingangssignal niedriger (d.h. negativer) als das zweite zusammengesetzte Ausgangssignal ist (S< P - W). Andernfalls liefert der Verstärker 20 keinen Ausgangsstrom. Zur Erläuterung sei wiederum angenommen, daß die Versorgungsspannung V₂ positiv gegenüber der Vers or gungs spannung V^ ist und daß die Vorspannung V^ genügend positiv bezüglich V^ ist, um den Transistor Q8 so zu konditionieren, daß er an die Emitter der Transistoren Q6 und Q7 einen Betriebsstrom lief er t, ^eIy pro^?- portional dem Wert des Widerstandes R9 ist. Wenn unter dieser Bedingung die Eingangssignalspannung am Eingang 21 negativer ist als der Spannungswert des zweiten zusammengesetzten Sig-

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nals (P - W) am Eingang 22, dann leitet der Transistor Q6 einen geringeren Kollektorstrom als der Transistor Q7, so daß der Spannungsabfall am Lastwiderstand R10 geringer ist als der Spannungsabfall am Lastwiderstand E11. Somit wird der Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q9 in Durchlaßrichtung gespannt, so daß dieser Transistor an die Ausgangsklerame 50 einen Ausgangsstrom liefert, der proportional der Differenz zwischen den Spannungen an den Klemmen 21 und 22 ist. Es sei nun der Fall betrachtet, daß das Eingangssignal am Eingang 21 positiver ist als das zweite zusammengesetzte Signal am Eingang 22, so daß der Transistor Q6 einen größeren Teil des Kollektorstroms des Transistors Q8 leitet, als es der Transistor Q7 tut. Unter dieser Bedingung ist der Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q9nicht in Durchlaßrichtung gespannt, und es fljäät kein Kollektorstrom zur Ausgangsklemme 50.

Als einzige weitere Eingangsbedingung für den Verstärker 20 bleibt nun noch der Fall zu betrachten, daß das Eingangssignal gleich dem zweiten zusammengesetzten Ausgangssignal ist. Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß der Transistor Q9 in diesem Fall genau an die Schwelle seiner Leitfähigkeit vorgespannt ist. Eine Möglichkeit zur Schaffung dieser Bedingung besteht darin, den vom Transistor Q8 gelieferten Vorstrom und die Werte der Widerstände R10 und R11 so zu wählen, daß das Produkt der Hälfte des Vorstroms multipliziert mit dem Wert des Widerstandes E11 gleich ist dem Produkt der Hälfte des Vorstroms multipliziert mit dem Wert des Widerstandes R10 plus einer Konstanten, die gleich der Leitfähigkeitsschwelle des Transistors Q9 ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Widerständen R10 und E11 gleichen Widerstandswert zu geben und eine Diode in Reihe mit dem Widerstand R11 zu schalten, womit man ein gleiches Ergebnis erzielt. (Dieser letztgenannte Weg wird weiter unten in Verbindung mit Figur 2 beschrieben.)

Der Verstärker 30 arbeitet ähnlich wie der Verstärker 20, wobei er jedoch das an seinem Eingang 31 erscheinende Positionssteuersignal (P) mit dem an seinem Eingang 32 erscheinenden

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ersten zusammengesetzten Signal (S-W) vergleicht, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der nur dann fließt, wenn das erste zusammengesetzte Signal positiver als das Positionssteuersignal ist. Der vom Verstärker 30 erzeugte Ausgangsstrom fließt in der gleichen relativen Richtung wie der vom Verstärker 20 gelieferte Ausgangsstrom. Um die Ausgangsströme im Gegentakt an die Last zu legen, ist der Ausgang des Verstärkers 30 mit dem Eingang des Stromspiegelverstärkers 40 verbunden, der die Richtung des Ausgangsstroms bezüglich der Last umkehrt. Im einzelnen geschieht dies so: wenn Strom zum Eingang 4-1 des Stromspiegelverstärkers 4-0 fließt, wird an der Diode D und am Widerstand R 16 eine Spannung entwickelt, die den Transistor Q14- in Durchlaßrichtung spannt,so daß dieser einen Kollektorstrom leitet, der proportional dem Verhältnis der Widerstände R15 und R16 ist. Unter der Annahme, daß die Widerstände R15 und R16 einander gleich sind und daß die Halbleiter üb er gangs fläche der Diode D gleich der Basis-Emitter-Übergangs fläche des Transistors Q14- ist, hat der resultierende Kollektorstrom des Transistors Q14- einen Betrag gleich dem Ausgangsstrom des Transistors Q13, aber entgegengesetzte Richtung, so daß aus der Ausgangsklemme 50 ein Strom weggezogen wird, der proportional dem Kollektorstrom des Transistors Q ist.

Bei der Ausführungsform nach Figur 2 ist die Eingangsschaltung 10 dahingehend abgewandelt, daß die npn-Transistoren Q1 bis Q5 durch pnp-Transistoren Q15 bis Q19 ersetzt sind und die Polarität der Ver s orgungs spannung en V_x, und V^ umgekehrt ist. Infolge dieser Modifikation fließen die von der Doppelausgang-Stromquelle gelieferten Ströme in solchem Sinne durch die Widerstände R1 und R2, daß der Beitrag des Breitensteuersignals additiv (d.h. aufbauend oder unterstützend) mit dem Eingangssignal und'dem Po sit ions steiEr signal kombiniert wird und somit das erste zusammengesetzte Ausgangssignal den Ausdruck S + W und das zweite zusammengesetzte Ausgangssignal den Ausdruck P + W bekommt. Da das Vorzeichen der vom Breitensteuersignal

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herrührenden Komponente der zusammengesetzten Ausgangssignale nun anders ist, sind auch die Verbindungen der Ausgänge der
Eingangsschaltung 10 mit den Eingängen der Verstärker 20 und 30 geändert. Im einzelnen empfängt der Verstärker 20 nun das zweite zusammengesetzte Ausgangssignal (P + W) an seinem ersten Eingang 21 und das Eingangssignal (S) an seinem zweiten Eingang 22, und der Verstärker 30 empfängt das erste zusammengesetzte Ausgangssignal (S + W) an seinem ersten Eingang 31 und das Positionssteuersignal (P) an seinem zweiten Eingang 32.
Wie weiter oben bereits angedeutet, ist im Verstärker 20 der Ausführungsform nach Figur 2 eine Diode D1 in Reihe mit dem
Lastwiderstand E11 geschaltet, um für die Kompensation der
Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors Q9 zu sorgen.
Der Verstärker 30 enthält ebenfalls eine Diode D2 in Reihe
mit dem Lastwiderstand R14- zum Zwecke der Kompensation der
Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors Q13. Ein weiterer Unterschied der Anordnung nach Figur 2 gegenüber der Ausführungsform nach Figur 1 besteht darin, daß die Anschlüsse der Ausgangsschaltung 40 vertauscht sind und die Ausgangskletnme 50 nunmehr mit dem Ausgang des Verstärkers 30 verbunden ist.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform nach Figur 2 ist im
wesentlichen die gleiche, wie sie vorstehend in Verbindung
mit Figur 1 beschrieben wurde. Die zusätzlichen Dioden D1 und D2 in den Verstärkern 20 und 30 machen es nicht mehr notwendig, die Werte der Lastwiderstände für bestimmte Werte der
den Eingangstransistoren angelegten Emitterströme zu berechnen. Die Verbindungen der Ausgangsschaltung sind vertauscht, damit der Ausgangsstrom in der selben Richtung wie beim vorangegangenen Beispiel zur Ausgangsklemme 50 fließt. Der Ersatz der npn-Transistoren durch pnp-Transistoren in der Eingangsschaltung 10 soll veranschaulichen, daß dem Eingangssignal und dem Positionssteuersignal positive Spannungsmaße, die dem Breitensteuersignal proportional sind, statt negative Spannungsmaße hinzugefügt werden, um die zusammengesetzten Ausgangssignale S + W und P + W zu erzeugen.

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Vie erwähnt, arbeitet die Anordnung nach Figur 2 im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Anordnung nach Figur 1. Beim vorliegenden Beispiel liefert der Verstärker 30 Ausgangsstrom zur Last, wenn das Positionssteuersignal positiver ist als das erste zusammengesetzte Ausgangssignal. Dies entspricht dem Fall, daß das Eingangssignal S negativer (oder weniger positiv) ist als P - V/. Der Verstärker 20 liefert Ausgangsstrom zur Ausgangsschaltung 40, um diese Schaltung Strom aus der Last ziehen zu lassen, wenn das Eingangssignal S positiver als das zweite zusammengesetzte Signal P + W ist; andernfalls liefert der Verstärker 20 keinen Ausgangsstrom.

Bei "beiden dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird die Lage (Position) der toten Zone des Verstärkers eindeutig und allein durch ein einziges Signal (das Positionssteuersignal) gesteuert, und die Breite der toten Zone wird ebenfalls eindeutig durch ein einziges Signal (das Breitensteuersignal) bestimmt. Ferner kann die tote Zone in einfacher Weise ganz zum Verschwinden gebracht werden.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   f1., Verstärker mit toter Zone, der Ausgangsstrom in einer gegebenen Eichtung durch eine Last fließen läßt, wenn ein Eingangssignal oberhalb eines ersten Pegels liegt, und der Ausgangsstrom in der entgegengesetzten Eichtung durch die Last fließen läßt, wenn das Eingangssignal unterhalb eines zweiten Pegels liegt, wobei die beiden Pegel eine tote Zone definieren, innerhalb derer kein Ausgangsstrom, weder in der einen noch in der anderen Eichtung, zur Last fließt, gekennzeichnet durch:

   eine Eingangsschaltung (10), die auf ein Eingangssignal (S) und ein Breitensteuersignal (V) anspricht,

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   - 2 —

   ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT · PROFESSIONAL REPRESENTATlVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

   BAD ORlGINAl

   um ein für eine Kombination dieser beiden Signale repräsentatives erstes zusammengesetztes Ausgangssignal (15) zu liefern, und die außerdem auf das Breitensteuersiecnal und ein Positionssteuersignal (P) anspricht, um ein für eine Kombination dieser beiden Signale repräsentatives zweites zusammengesetztes Ausgangssignal (16) zu erzeugen;

   einen ersten Differenzverstärker (20), der auf das Eingangssignal (S) und das zweite zusammengesetzte Ausgangssignal (16) anspricht und einen ersten Aus— gangsstrom (2p) einer gegebenen Richtung liefert, wenn das Eingangssignal und das zweite zusammengesetzte Ausgangssignal in einer ersten Größenrelation zueinander stehen, andernfalls der erste Ausgangsstrom gleich Null ist;

   einen zweiten Differenzverstärker (30), der auf das Posilionssteuersignal (P) und das erste zusammengesetzte Ausgangssignal (15) anspricht und einen zweiten Ausgangsstrom der gegebenen Richtung liefert, wenn das Positionssteuersignal und das erste zusammengesetzte Ausgangs signal in einer ersten Grö'ßenrelation zueinander stehen, andernfalls der zweite Ausgangsstrom gleich Null ist;

   eine Ausgangsschaltung (40), die den einen Ausgangsstrom vom anderen Ausgangsstrom subtrahiert, um einen Differenzstrom (50) zur Beaufschlagung der Last zu erzeugen, wobei die Position und die Breite der toten Zone unabhängig voneinander und ohne gegenseitige Wechselwirkung abhängig von Änderungen des Positionssteuersignals und des Breitensteuersignals steuerbar s ind.
2. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung (10) folgendes aufweist:

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   eine mit zwei Ausgängen versehene Stromquelle (Q1, Q2, R3, R4-; Q15, Q16, H$, R4), die einen Eingang zusi Empfang des Breitensteuersignals, einen ersten Ausgang zur Lieferung eines ersten Ausganpsstroms einer gegebenen Richtung und einen zweiten Ausfang zur Lieferung eines zweiten Ausgangsstrοms der gegebenen Richtung hat, wobei die Ausgangsströrne proportional dem Breitensteuersignal sind;

   eine erste Summierschaltung (Ri), die auf den ersten Ausgangsstrom anspricht und eine erste, diesem Strom proportionale Spannung erzeugt und die erste Spannung in einem gegebenen Sinn zum Eingangssignal fügt, um das erste zusammengesetzte Ausgangssignal zu bilden;

   eine zweite Summierschaltung (R2), die auf den zweiten Ausgangsstrom anspricht und eine zweite, diesem Strom proportionale Spannung erzeugt und diese Spannung im besagten gegebenen Sinn zum Positionssteuersignal fügt, um das zweite zusammengesetzte Ausgangssignal zu bilden.
3. 3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Summierschaltung einen ersten Widerstand (R1) enthält, durch den der erste Strom fließt, und daß die zweite Summierschaltung einen zweiten Widerstand (R2) enthält, durch den der zweite Strom fließt, und daß das Produkt des ersten Stroms multipliziert mit dem Wert des ersten Widerstandes im wesentlichen gleich ist dem Produkt des zweiten Stroms multipliziert mit dem Wert des zweiten Widerstandes.
4. 4. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Summierschaltung einen ersten Widerstand (R1) enthält, durch den der erste Strom fließt, und daß die zweite Sum mierschaltung einen zweiten Widerstand (R2) enthält, durch den der zweite Strom fließt, und daß in der Stromquelle ferner ein dritter und ein vierter Widerstand (RJ und R4)

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   vorgesehen sind, um den Betrag des ersten bzw. des zweiten Ausgangsstroms zu steuern, und daß das Verhältnis der Widerstandswerte des ersten und dritten Widerstandes im wesentlichen gleich ist dem Verhältnis der Widerstandswerte des zweiten und vierten Widerstandes.
5. 5. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Stromquelle eine Sp err schaltung (Q3, Q4-, Q5; Q 17» Q18, Q19) gekoppelt ist, die auf ein Sperrsignal anspricht und beim Vorhandensein dieses Sperrsignals die Beträge des ersten und des zweiten Ausgangsstrοms gleichzeitig auf praktisch Null vermindert, um die Breite der toten Zone auf im wesentlichen Null zu reduzieren.
6. 6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle einen ersten (Q1; Q15) und einen zweiten (Q2; Q16) Transistor enthält, deren Steuerelektroden mit dem das Breitensteuersignal empfangenden Eingang (13) verbunden sind und die jeder einen Stromweg aufweisen, von denen der eine den ersten Ausgangsstrom und der andere den zweiten Ausgangsstrom leitet, und daß die Sperrschaltung eine Anordnung enthält, die als Antwort auf das Sperrsignal an ein ausgewähltes Ende des Stromweges jedes der Transistoren jeweils eine Sperrspannung legt.
7. 7. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung (4-0) einen Stromspiegelverstärker aufweist, dessen Eingang mit einem Ausgang eines der Differenzverstärker und dessen Ausgang mit einem Ausgang des anderen Differenzverstärkers verbunden ist, sowie eine Anordnung (50) zum Anschließen der Last an den Ausgang des Stromspiegelverstärkers.
8. 8. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Differenzverstärker (20, 30) folgendes aufweist: einen Ausgangsanschluß (23, 33); zwei Schaltungsknoten,

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   an denen gegenphasige Ausgangsspannungen erzeugt werden; einen Transistor (Q9; Q13), dessen Steuerelektrode mit einem der Schaltungsknoten gekoppelt ist und dessen Stromleitungsstrecke zwischen den anderen der Schaltungsknoten und die Ausgangsklemme geschaltet ist, um zwischen diesen Punkten einen einseitig gerichteten Ausgangsstrom zu leiten, wenn die Werte der dem betreffenden Differenzverstärker angelegten Eingangssignale in einer ersten Relation zueinander stehen, und um die Ausgangsklemme von dem "besagten anderen Schaltungsknoten zu entkoppeln, wenn die Werte der dem betreffenden Verstärker angelegten Eingangssignale in einer zweiten Relation zueinander stehen.
9. 9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenphasigen Ausgangssignale jedes der Differenzverstärker (20 bzw. 30) an zwei Lastwiderständen (R10, R11 bzw. R13, H14) erzeugt werden, wobei die Werte dieser Lastwiderstände so gewählt sind, daß sich die gegenphasigen Ausgangssignale in der Spannung um ein vorbestimmtes Maß unterscheiden, wenn die dem betreffenden Verstärker angelegten Eingangssignale im wesentlichen gleich sind..
10. 10. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung (10) folgendes aufweist:

    eine erste Klemme (11) zum Empfang des Eingangssignals;

    eine erste Ausgangsklemme (15) zur Lieferung des ersten zusammengesetzten Ausgangssignals;

    einen ersten Summierwiderstand (R1), der zwischen die erst· Eingangsklemme und die erste Ausgangsklemme geschaltet ist;

    •ine zweite Eingangskiemaie (12) zum Empfang des Positionssteuersignals;

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    eine zweite Ausgangsklemme (16) zur Lieferung des zweiten zusammengesetzten Ausgangssignals;

    einen zweiten Summierwiderstand (£2), der zwischen die zweite Eingangsklemme und die zweite Ausgangsklemme geschaltet ist;

    eine dritte Eingangsklemme (13) zum Empfang eines Breitensteuersignals;

    einen ersten Transistor (Q1; Q15)i dessen Steuerelektrode mit dem dritten Eingang gekoppelt ist und dessen Stromleitungsstrecke mit ihrem einen Ende an die erste Ausgangsklemme angeschlossen ist;

    einen dritten Widerstand (R3), der zwischen das andere Ende' der Stromleitungsstrecke des ersten Transistors und einen Bezugspotential führenden Punkt geschaltet ist;

    einen zweiten Transistor (Q2; Q16), dessen Steuerelektrode mit der dritten Eingangsklemme verbunden ist und dessen Stromleitungsstrecke mit ihrem einen Ende an die zweite Ausgangsklemme angeschlossen ist;

    einen vierten Widerstand (R4-), der zwischen das andere Ende der Stromleitungsstrecke des zweiten Transistors und den Bezugspotentialpunkt geschaltet ist.

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