DE4141016A1

DE4141016A1 - Verstaerkungseinrichtung

Info

Publication number: DE4141016A1
Application number: DE4141016A
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Inohana
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1992-12-24
Also published as: FR2677823A1; JPH04369105A; US5179352A; FR2677823B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkungseinrichtung.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine herkömmliche Verstärkungseinrichtung. In der Verstärkungseinrichtung wird das Ausgangssignal der Signalquelle 1 durch den Eingangsanschluß 2 dem positiven Eingangsanschluß (+) eines Differenzverstärkers 3, welcher einen Verstärkungsfaktor G aufweist, zur Verfügung gestellt, und der Ausgang des Differenzverstärkers 3 wird an den Ausgangspufferverstärker 4, welcher einen Verstärkungsfaktor A aufweist, angelegt. Der Ausgang des Ausgangspufferverstärkers 4 wird durch einen Rückkopplungsschaltkreis 5, welcher einen Verstärkungsfaktor B aufweist, an den negativen Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 3 zurückgespeist und über einen Ausgangsanschluß 6 der Last RL zugeführt.

In einer so angeordneten Verstärkungseinrichtung ist der Anteil der Rückkopplung gleich dem Produkt aus den Verstärkungsfaktoren G, A und B. Wenn der Betrag der Rückkopplung ansteigt, vermindert sich die Verzerrung. Da jedoch eine Verstärkungseinrichtung notwendigerweise eine bestimmte Schwingungsgrenzfrequenz besitzt, gibt es eine obere Grenze für den Anteil der Rückkopplung und dementsprechend ist es schwierig, die Verzerrung in ausreichendem Maße zu vermindern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkungseinrichtung bereitzustellen, in der die Verzerrung in ausreichendem Maße vermindert werden kann.

Eine Verstärkungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Verstärkerschaltkreis, einen Differenzverstärker, um die Differenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal des Verstärkerschaltkreises mit einem Verstärkungsfaktor, welcher in etwa 1 beträgt, zu verstärken, und einen zusätzlichen Schaltkreis, um ein Eingangssignal dem Ausgangssignal des Verstärkerschaltkreises hinzuzuaddieren, und um das Ergebnis dieser Addition dem Eingangsanschluß des Verstärkerschaltkreises zuzuführen.

In der Verstärkungseinrichtung der vorliegenden Erfindung ist das Ausgangssignal des Differenzverstärkers geeignet, die Differenz zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal der Verstärkungseinrichtung zu verstärken, welche an den zusätzlichen Schaltkreis angelegt wird, wo die Differenz einem Eingangssignal hinzuaddiert wird, wobei die Nichtlinearität der Übertragungsfunktion des Verstärkerschaltkreises korrigiert wird und dementsprechend das Ausgangssignal keine Verzerrung enthält.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung näher anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einem Blockdiagramm ein Beispiel für eine Verstärkungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt in einem Schaltdiagramm die Schaltelemente der Verstärkungseinrichtung im Detail.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung für die Beschreibung der Operationsweise der Schaltelemente, welche in Fig. 2 gezeigt sind.

Fig. 4 zeigt in einem Blockdiagramm ein Beispiel einer herkömmlichen Verstärkungseinrichtung.

Ein Beispiel einer Verstärkungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Gemäß Fig. 1 sind ein Differenzverstärker 3, ein Rückkopplungsschaltkreis 5 und eine Last RL in der gleichen Weise miteinander verbunden, wie in Fig. 4 gezeigt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 3 ist an einen der beiden Eingangsanschlüsse des Additionsschaltkreises 8 angelegt, wobei an den anderen Eingangsanschluß das Ausgangssignal des anderen Differenzverstärkers 9 angelegt wird. Der positive Eingangsanschluß (+) des Differenzverstärkers 9 ist mit dem Eingangsanschluß des Ausgangspufferverstärkers 4 verbunden und der negative Eingangsanschluß (-) des Differenzverstärkers 9 ist mit dem Ausgangsanschluß des Ausgangspufferverstärkers 4 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Additionsschaltkreises 8 ist mit dem Eingangsanschluß des Ausgangspufferverstärkers 4 verbunden.

Für eine so angeordnete Verstärkungseinrichtung sind die folgenden Gleichungen I und II gültig:

Vi′ = (Vi′-Vo) C+Vi (I)

Vo = A Vi′ (II)

worin A der Verstärkungsfaktor des Ausgangspufferverstärkers 4, C der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers 9, Vi das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 3, Vi′ das Ausgangssignal des Additionsschaltkreises 8 und Vo das Ausgangssignal ist, welches an den Ausgangsanschluß 6 angelegt wird.

Wenn die Gleichung (I) nach Vi′ aufgelöst wird, erhält man die folgende Gleichung (III):

Vi′ = (Vi-Vo C) / (1-C) (III)

Durch das Einfügen der Gleichung (III) in die Gleichung (II) erhält man die folgende Gleichung (IV):

Vo = A (Vi-Vo C) / (1-C) (IV)

Durch die Modifikation der Gleichung (IV) entsteht die folgende Gleichung (V):

Vo / Vi = A / (1-C+A·C) (V)

Wenn der Verstärkungsfaktor C des Differenzverstärkers in der Gleichung (V) eins beträgt, dann ist das Verhältnis Vo/Vi=1. In diesem Fall ist die Verzerrung, welche zu dem Verstärkungsfaktor A des Ausgangspufferverstärkers hinzugefügt wird, Null. In der Verstärkungseinrichtung, welche in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Verzerrung, wenn der Schaltkreis durch den Differenzverstärker 3, den Additionsschaltkreis 8, den Ausgangspufferverstärker 4 und den geöffneten Rückkopplungsschaltkreis 5 gebildet wird auf den Betrag 1/1 + (Betrag der Rückkopplung) vermindert, wenn die Rückkopplungsschleife geschlossen ist. Infolgedessen kann der Verzerrungsfaktor durch das Erhöhen des Rückkopplungsanteils vermindert werden. Jedoch ist es nicht möglich, den Verzerrungsfaktor mit der oben beschriebenen Rückkopplungsschleife in ausreichendem Maße zu verringern, da mit dem Ansteigen des Betrags der Rückkopplung die Schwingungsgrenzfrequenz erniedrigt wird. Jedoch kann, da die Verzerrung des Ausgangspufferverstärkers theoretisch zu Null gemacht werden kann, der Betrag der Verzerrung weitgehend vermindert werden, wenn die Rückkopplungsschleife geöffnet wird. Daher kann der Verzerrungsfaktor der Verstärkungseinrichtung der Fig. 1 in ausreichender Weise verringert werden, ohne den Betrag der Rückkopplung stark zu erhöhen.

Fig. 2 ist ein Schaltdiagramm, welches einen Teil der Verstärkungseinrichtung der Fig. 1 im Detail zeigt.

Insbesondere zeigt die Fig. 2 den Additionsschaltkreis 8, den Ausgangspufferverstärker 4, den Differenzverstärker 9, den Ausgangsanschluß 6 und die Last 7. In Fig. 2 ist das Eingangssignal Vi an einen Anschluß des Widerstands R1 des Additionsschaltkreises angelegt. Der andere Anschluß des Widerstands R1 ist mit der Basiselektrode eines NPN-Transistors Q3 verbunden und mit dem Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers 9, welcher zur Verstärkung der Eingangs/Ausgangspotentialdifferenz des Ausgangspufferverstärkers 4 vorgesehen ist. Mit Hilfe des Widerstands R1 wird das Eingangssignal Vi zu dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 9 hinzuaddiert.

Eine Versorgungsspannung +V_CC wird an die Kollektorelektrode des Transistors Q3 angelegt. Eine Konstantstromquelle I3 ist zwischen der Emitterelektrode des Transistors Q3 und einer Versorgungsleitung mit der Versorgungsspannung -V_EE vorgesehen. Der Transistor Q3 und die Konstantstromquelle I3 bilden einen Emitterfolgerverstärker. Dieser Emitterfolgerverstärker führt das Ausgangssignal der Addition über den Widerstand R1 dem Pufferverstärker zu. Der Ausgang des Emitterfolgerverstärkers wird an den Ausgangspufferverstärker 4 angelegt.

Der Ausgangspufferverstärker 4 ist ein Gegentakt-Verstärker, welcher einen NPN-Transistor Q1 einen PNP-Transistor Q2, Konstantstromquellen I1 und I2 und Dioden D1 und D2 umfaßt. Die Emitterelektroden des NPN-Transistors Q1 und des PNP-Transistors Q2 sind mit dem Ausgangsanschluß 6 und dem negativen Eingangsanschluß (-) des Differenzverstärkers 9 verbunden. Die Versorgungsspannung +V_CC wird an die Kollektorelektrode des Transistors Q1 angelegt, während die Versorgungsspannung -V_EE dem Kollektor des Transistors Q2 zugeführt wird. Die Serienschaltung der Dioden D1 und D2 zur Bereitstellung einer Basisvorspannung ist zwischen den Basiselektroden der Transistoren Q1 und Q2 verbunden. Die Konstantstromquelle I1 ist zwischen der Basiselektrode des Transistors Q1 und der Versorgungsleitung der Versorgungsspannung V_CC verbunden, während die Konstantstromquelle I2 zwischen der Basiselektrode des Transistors Q2 und der Versorgungsleitung der Versorgungsspannung -V_EE verbunden ist. Mit Hilfe der Dioden D1 und D2 und den Konstantstromquellen I1 und I2 werden die Vorspannungen an die Basiselektroden der Transistoren Q1 und Q2 angelegt, um den Fluß von Ruheströmen in den Transistoren Q1 und Q2 zu bewirken. Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D1 und D2 ist der Eingangsanschluß des Ausgangspufferverstärkers 4. Das Ausgangssignal des Additionsschaltkreises 8 ist dem Verbindungspunkt zwischen den Dioden D1 und D2 sowie dem positiven Eingangsanschluß (+) des Differenzverstärkers 9 zugeführt.

Der Differenzverstärker 9 hat eine Spannung/Stromumwandlungsfunktion und ist so ausgeführt, daß er die folgende Gleichung erfüllt:

gm1 · R1 = 1,

worin mit gm1 die Steilheit des Differenzverstärkers ist und mit R1 ist der Wert des Widerstands R1 des Additionsschaltkreises bezeichnet ist. Daher ist die Betriebsweise, in Abhängigkeit von der Steilheit gm, im wesentlichen derjenigen gleich, wenn der Differenzverstärker 9 keine Spannung/ Stromumwandlungsfunktion besitzt und sein Verstärkungsfaktor 1 beträgt.

Im folgenden wird für eine so gestaltete Verstärkungsschaltung angenommen, daß die Eingangsspannung, welche an den Eingangsanschluß des Ausgangspufferverstärkers 4 angelegt wird, mit Vi′, die Emitterströme durch die Transistoren Q1 und Q2 mit ie1 und ie2 resp. und der Strom, welcher durch die Last RL fließt, mit io bezeichnet ist. Die Verhältnisse zwischen Vi′, ie1, ie2 und io sind der graphischen Darstellung in Fig. 3, zu entnehmen. In Fig. 3 ist die durchgezogene Linie eine Kennlinie, welche die Beziehung zwischen Vi′ und ie1 kennzeichnet, die durchgezogene Linie b ist eine Kennlinie, welche die Verhältnisse zwischen Vi′ und ie2 zeigt und die gebrochene Linie c ist eine charakteristische Kurve, welche die Verhältnisse zwischen Vi′ und io zeigt. Darüber hinaus kennzeichnen in Fig. 3 die Runkte P1 und P2 die Ruheströme, für die entsprechenden Emitterströme ie1 und ie2. Die Ruheströme besitzen die gleiche Amplitude, aber unterschiedliche Richtungen. Wenn die Ruheströme einen kleinen Wert besitzen, beeinflußt die Nichtlinearität der Kennlinie, welche die Verhältnisse zwischen Vi′ und ie1 sowie zwischen Vi′ und ie2 anzeigen, die Kennlinie, welche die Verhältnisse zwischen Vi1 und io anzeigt, was bedeutet, daß eine sogenannte Gegentakt-(cross-over)Verzerrung zunimmt, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Wenn jedoch der Differenzverstärker 9 und der Additionsschaltkreis 8 hinzugefügt wird, kann die Gegentaktverzerrung vollständig unterdrückt werden.

Wie oben beschrieben, wird in der Verstärkungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung das Ausgangssignal des Differenzverstärkers, welcher geeignet ist, die Differenz zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen des Verstärkerschaltkreises zu verstärken, mit Hilfe des Addierers dem Eingangssignal hinzuaddiert, wodurch die Verzerrung des Verstärkerschaltkreises verschwindet. Folglich ist es in der Verstärkungseinrichtung, um den Betrag der Verzerrung zu vermindern, unnötig, den Betrag der Rückkopplung zu erhöhen, was die Schwingungsgrenzfrequenz erniedrigt. Darüber hinaus kann in der Verstärkungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung die Verzerrung vermindert werden, ohne die Ruheströme in dem Gegentakt-Verstärker zu erhöhen. Dadurch kann die Verstärkungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung sehr gut bei einem Gegentakt-Verstärker angewandt werden, der wegen der Wärmeabstrahlung bezüglich der Verwendung von Strömen begrenzt ist.

Claims

1. Verstärkungseinrichtung mit einem Verstärkerschaltkreis (4), einem Differenzverstärker (9), um die Differenz zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal des genannten Verstärkerschaltkreises (4) mit einem Verstärkungsgrad, welcher ungefähr 1 ist, zu verstärken, dadurch gekennzeichnet, daß ein Additionsschaltkreis (8) vorgesehen ist, um ein Eingangssignal einem Ausgangssignal des genannten Verstärkerschaltkreises (4) hinzuzuaddieren, und das Ergebnis der Addition dem Eingangsanschluß des genannten Verstärkerschaltkreises (4) zuzuführen.

2. Verstärkungseinrichtung nach Anspruch 1, worin der genannte Differenzverstärker eine Spannungs/Stromumwandlungsfunktion und eine vorbestimmte Steilheit besitzt, um eine Eingangsspannung in einen Strom umzuwandeln; und der genannte Additionsschaltkreis (8) umfaßt: einen Widerstand (R1), dessen einer Anschluß mit dem Ausgangsanschluß des genannten Differenzverstärkers (9) und mit dem Eingangsanschluß des genannten Verstärkerschaltkreises (4) verbunden ist, wobei das Produkt aus der Steilheit und dem Widerstandswert des genannten Widerstands in etwa gleich eins ist.

3. Verstärkungseinrichtung nach Anspruch 1, worin der genannte Verstärkerschaltkreis (4) einen Gegentakt-Ver stärker umfaßt, mit einem NPN-Transistor (Q1), einem PNP-Transistor (Q2), einer ersten und zweiten Konstantstromquelle (I1, I2) und einer ersten und zweiten Diode (D1, D2), welche seriell miteinander verbunden sind.

4. Verstärkungseinrichtung nach Anspruch 3, worin die Emitterelektroden des NPN-Transistors (Q1) und des PNP-Transistors (Q2) mit dem Ausgangsanschluß (6) und mit dem negativen Eingangsanschluß (-) des Differenzverstärkers (9) verbunden sind, eine Kollektorelektrode des NPN-Transistors (Q1) mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist, während die Kollektorelektrode des PNP-Transistors (Q2) mit der negativen Versorgungsspannung verbunden ist, der Serienschaltkreis der Dioden zwischen den Basiselektroden des NPN- und PNP-Transistors verbunden ist, die erste Konstantstromquelle (I1) zwischen der Basiselektrode des NPN-Transistors und der positiven Versorgungsspannung verbunden ist, während die zweite Konstantstromquelle (I1) zwischen der Basiselektrode des PNP-Transistors und der negativen Versorgungsspannung verbunden ist, und ein Verbindungspunkt zwischen der ersten und zweiten Diode der Eingangsanschluß des Verstärkerschaltkreises (4) ist.