DE2438472C2

DE2438472C2 -

Info

Publication number: DE2438472C2
Application number: DE2438472A
Authority: DE
Inventors: Takashi Yamato Kanagawa Jp Okada; Kimtake Tokio/Tokyo Jp Utsonomiya
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1973-08-10
Filing date: 1974-08-09
Publication date: 1989-01-19
Also published as: FR2240574B1; ES429115A1; SE7410234L; GB1472206A; NL7410798A; AU7193474A; FR2240574A1; IT1018899B; CA1027193A; DE2438472A1; BR7406580D0; NL189537C; NL189537B; US3935478A; SE405782B

Description

Die Erfindung betrifft einen nichtlinearen Verstärker in zwei Versionen mit einem Eingangs- und einem Ausgangsan schluß, wobei das Ausgangssignal proportional dem mit einem Exponenten potenzierten Eingangssignal ist, mit einem mit dem Eingangsanschluß verbundenen ersten Kanal, der durch in Reihe geschaltete pn-Übergänge gebildet ist, mit einem zweiten Kanal, der durch in Reihe geschaltete Basis-Emitter-Strecken von Transistoren gebildet ist, und mit einem Verstärkungstransistor, der mit dem Ausgangs anschluß verbunden ist. Bei der ersten Version ist der Verstärkungstransistor mit dem zweiten Kanal in Reihe geschaltet. Bei der zweiten Version ist der Verstärkungs transistor mit dem Eingangsanschluß verbunden.

Ein derartiger nichtlinearer Verstärker ist bekannt und in Fig. 1 dargestellt. Bei dem bekannten Verstärker sind die pn-Übergänge des ersten Kanals von Transistoren gebildet, deren Kollektor und Emitter miteinander verbunden sind. Aber auch bei dem zweiten Kanal sind der Emitter und der Kollektor der einzelnen Transistoren miteinander verbunden. Der Verstärkungstransistor ist mit dem zweiten Kanal in Reihe geschaltet und außerdem mit dem Eingangsan schluß und dem Ausgangsanschluß verbunden. Das Ausgangs signal ist bei dem bekannten nichtlinearen Verstärker ebenfalls proportional dem mit einem Exponenten potenzierten Eingangssignal. Obwohl beide Kanäle durch die als pn-Über gänge geschalteten Transistoren im wesentlichen gleiche Eigenschaften haben, kann selbst bei Auswahl eines bestimm ten Verhältnisses der Zahl der Transistoren in dem ersten und dem zweiten Kanal nicht vermieden werden, daß das Ausgangssignal temperaturabhängig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beiden eingangs beschriebenen Versionen für einen nicht linearen Verstärker so zu gestalten, daß sie im wesentlichen temperaturunabhängig sind.

Diese Aufgabe ist für die erste Version erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Exponenten n, der eine ganze Zahl und größer als 1 ist, die Zahl der pn-Übergänge des ersten Kanals gleich n und die Zahl der Transistoren des zweiten Kanals (n-1) ist, daß die Kollektoren der Transistoren des zweiten Kanals an einem gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluß liegen, daß mit dem Emitter jedes Transistors des zweiten Kanals eine Konstantstrom quelle verbunden ist, und daß der zweite Kanal mit dem Eingangsanschluß verbunden ist.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Lösung nach der zweiten Version kann darin bestehen, daß die Basis-Emitter-Strecke des Verstärkungstransistors in Reihe mit den (n-1) Basis- Emitter-Strecken der Transistoren des zweiten Kanals geschaltet ist.

Eine andere Weiterbildung der zweiten Version kann darin bestehen, daß die n pn-Übergänge des ersten Kanals von n als Dioden geschalteten Transistoren gebildet sind.

Für die zweite Version besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß bei einem Exponenten 1/n, wobei n eine ganze Zahl und größer 1 ist, die Zahl der pn-Übergänge des ersten Kanals gleich n und die Zahl der Transistoren des zweiten Kanals gleich (n-1) ist, daß die Kollektoren der Transistoren des zweiten Kanals an einem gemeinsamen Versorgungsanschluß liegen, daß mit dem Emitter jedes Transistors des zweiten Kanals eine Konstantstromquelle verbunden ist, daß der Verrstärkungstransistor mit dem ersten Kanal in Reihe geschaltet ist, und daß der zweite Kanal mit dem Eingangsanschluß verbunden ist.

Eine zweckmäßige Weiterbildung des nichtlinearen Verstärkers nach der zweiten Version kann darin bestehen, daß die n pn-Übergänge des ersten Kanals von (n-1) als Dioden geschalteten Transistoren gebildet sind und daß die Basis-Emitter-Strecke des Verstärkungstransistors mit den als Dioden geschalteten Transistoren in Reihe geschaltet ist.

Eine andere Weiterbildung der zweiten Version kann darin bestehen, daß die Transistoren in Kaskade mit einem zusätzlichen Transitor geschaltet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten nicht linearen Verstärkers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform des nichtlinearen Verstärkers;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines nichtlinearen Verstärkers allgemeiner Art;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines vereinfachten nichtlinearen Verstärkers, bei welchem das Eingangssignal durch eine Potenz von ½ verstärkt wird;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines nichtlinearen Verstärkers allgemeiner Art, bei welchem das Eingangssignal durch eine Potenz von 1/n verstärkt wird, und

Fig. 6 ein Blockschaltbild, welches eine Anordnung zeigt, bei welcher der nichtlineare Verstärker angewendet werden kann.

In den Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen, und insbesondere in Fig. 1 ist sche matisch ein typischer nichtlinearer Verstärker des Standes der Technik dargestellt. Dieser nichtlineare Verstärker besitzt einen Verstärkungstransistor 1, eine erste Reihe von pn-Übergängen 2 und eine zweite Reihe von pn-Übergängen 3. Der Verstärkungstransistor 1 besitzt eine Basiselek trode zur Aufnahme eines Eingangssignals, das dieser durch eine konstante Stromquelle 4 von herkömmlicher Art zuge führt wird. Die Basiselektrode des Verstärkungstransi stors ist ferner über eine Reihe von pn-Übergängen 2 mit einer Bezugsspannungsquelle 5 verbunden. Die Reihe der pn-Übergänge wird hier durch j diodengeschaltete Transistoren gebildet, von denen jeder an seiner Basis- elektrode direkt mit seiner Kollektorelektrode verbunden ist.

Die Emitterrelektrode des Verstärkungstransistors 1 ist durch die Reihe 3 von pn-Übergängen mit einem Bezugspo tential, beispielsweise mit der Erde, verbunden. Die Reihe 3 von pn-Übergängen wird durch (k-1) diodengeschaltete Tran sistoren gebildet, die den diodengeschalteten Transistoren der Reihe 2 ähnlich sind. Die Arbeitsmerkmale der j dioden geschalteten Transistoren der Reihe 2 sowie die Arbeits merkmale der (k-1) diodengeschalteten Transistoren in der Reihe 3 und des Verstärkungstransistors 1 sind im wesent lichen gleich gewählt. Das von dem dargestellten nichtli nearen Verstärker erzeugte verstärkte Ausgangssignal wird von der Kollektorelektrode des Verstärkungstransistors 1 abgeleitet.

Die Arbeitsweise des bekannten nichtlinearen Verstärkers, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, wird nachfolgend mathema tisch beschrieben. Es sei angenommen, daß der Spannungsab fall über jeden pn-Übergang der Reihe 2, d. h. der Basis- Emitter-Spannungsabfall über jeden diodengeschalteten Tran sistor gleich V₁ ist. Es sei ferner angenommen, daß der Spannungsabfall über den Basis-Emitter-Übergang des Ver stärkungstransistors 1 sowie der Spannungsabfall über jeden pn-Übergang in der Reihe 3 gleich V₂ ist. Wenn nun die durch die Bezugsspannungsquelle 5 erzeugte Spannung gleich E ist, kann die Spannung an der Basiselektrode des Verstärkungs transistors 1 wie folgt ausgedrückt werden:

j · V₁ + E = kV₂ (1)

Hierbei ist zu bemerken, daß der Basisstrom I _B, der durch den Verstärkungstransistor 1 fließt, vernachlässigbar ist im Vergleich zu dem Eingangssignalstrom I _o, der von der konstanten Stromquelle 4 geliefert wird, zu dem Strom I _D, der durch die Reihe 2 von pn-Übergängen fließt, zu dem Strom I _E, der durch die Reihe 3 von pn-Übergängen fließt, und zu dem Ausgangsstrom I _C, der im Kollektorkreis des Verstärkungstransistors 1 fließt. Der Basisstrom I _B kann daher zur Ableitung der folgenden gültigen Beziehungen zwischen den jeweiligen Strömen weggelassen werden:

wobei I _{S 1} und I _{S 2} die Eingangsstromkoeffizienten der je weiligen pn-Übergänge in den Reihen 2 und 3 (d. h. die Eingangskoeffizienten der jeweiligen diodengeschalteten Transistoren) sind, q ist die Ladung eines Elektrons, k die Boltzmann′sche Konstante, T die absolute Temperatur in Grad Kelvin und a gleich q/kT.

Bei der Auflösung nach den Spannungen V₁ und V₂ können die Gleichungen (2) und (3) wie folgt angeschrieben wer den:

Die Spannungen V₁ und V₂, wie sie in den Gleichungen (4) und (5) ausgedrückt sind, können nun in die Gleichung (1) substituiert werden, um einen mathematischen Ausdruck für den Ausgangsstrom I _C wie folgt zu erhalten:

Wie ersichtlich, ist der Ausgangsstrom I _C proportionell der Potenz j/k des Eingangsstroms I _o. Mit anderen Wor ten, der in Fig. 1 dargestellte nichtlineare Verstärker kann den Eingangsstrom um eine Potenz von j/k verstärken. Hierbei ist zu bemerken, daß sowohl j als auch k mit je dem gewünschten Betrag gewählt werden können. Daher kann lediglich durch die Wahl der Zahl von pn-Übergängen, die in jeder Reihe enthalten sind, das Verstärkungsvermögen eine ganze Zahl sein, wobei j/k gleich n ist oder es kann als Alternative der Verstärkungsfaktor j/k mit l/n ge wählt werden.

Eine Prüfung der Gleichung (6) zeigt an, daß der Ausgangs strom I _C den Faktor

enthalten, was bedeutet, daß der Ausgangsstrom von der Temperatur T abhängt. Der bekann te nichtlineare Verstärker ist daher in unerwünschter Weise temperaturabhängig, so daß der Ausgangsstrom I _C durch Tempe raturschwankungen nachteilig beeinflußt wird.

Die Erfindung überwindet das Problem der Temperaturempfind lichkeit eines nicthlinearen Verstärkers, wie sich aus dem Nachfolgenden ergibt. Eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen nichtlinearen Transistorverstärkers ist in Fig. 2 darge stellt, bei welcher das Eingangssignal um eine Potenz 2 ver stärkt wird. Wie gezeigt, wird der vereinfachte nicht lineare Transistorverstärker durch einen Verstärkungs transistor 14, eine Reihe von pn-Übergängen 12 und eine Emitterfolgestufe 13 gebildet. Der Verstärkungstransi stor 14 nimmt ein zu verstärkendes Eingangssignal auf, welches durch eine Eingangsstromquelle 11 geliefert wird, die mit einer Anschlußstelle 16 gekoppelt ist. Die Emitterfolgestufe 17 ist zwischen dem Anschlußpunkt 16 und der Basiselektrode des Verstärkungstransistors 14 geschaltet, so daß das Eingangssignal dem Verstärkungs transistor zugeführt wird. Bei dieser vereinfachten Schal tungsanordnung wird die Emitterfolgestufe 17 durch einen Transistor 13 gebildet, in dessen Emitterkreis eine kon stante Stromquelle 15 geschaltet ist. Der Emitterfolge transitor 13 ist mit einer Speisespannungsquelle 19 ver bunden.

Die Reihe von pn-Übergängen 12 in Fig. 2 weist zwei pn-Übergänge auf, die zwischen der Verbindungsstelle 16 und einem Bezugspotential, beispielsweise der Erde, in Reihe geschaltet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform wird jeder der pn-Übergänge durch einen diodengeschal teten Transistor gebildet, dessen Basis und Kollektorelek trode miteinander verbunden sind. Die Reihe von pn-Über gängen dient zur Lieferung einer Vorspannung für den Ver stärkungstransistor 14, welche Vorspannung durch die Emit terfolgestufe kompensiert wird.

Der Verstärkungstransistor 14 befindet sich in Emitter schaltung, so daß das verstärkte Signal an der Kollektor elektrode abgeleitet und einer Ausgangsklemme 20 zuge führt wird. Wie ersichtlich, ist die Kollektorelektrode des Verstärkungstransistors mit der Speisespannungsquelle 19 über einen Lastwiderstand 18 verbunden.

Die Betriebseigenschaften des Verstärkungstransistors 14 des Emitterfolge-Transistors 13 und der diodengeschalte ten Transistoren in der Reihe von pn-Übergängen 12 sind im wesentlichen die gleichen. Hierbei ist zu bemerken, daß solche übereinstimmende Betriebseigenschaften sich leicht durch herkömmliche integrierte Schaltkreise er zielen lassen. Der dargestellte nichtlineare Verstärker wird daher vorzugsweise als integrierte Schaltung aus gebildet, bei welcher die verschiedenen Transistorbau elemente im wesentlichen die gleichen Betriebseigenschaf ten aufweisen.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise des dargestellten nicht linearen Verstärkers beschrieben. Es sei angenommen, daß der Spannungsabfall über jeden der pn-Übergänge in der Reihe 12 den Wert V _{BE 0} hat. Hierbei ist zu erwähnen, daß, wenn jeder pn-Übergang durch einen diodengeschalteten Tran sistor gebildet wird, der Spannungsabfall über diesen gleich dem Basis-Emitter-Durchlaßspannungsabfall über diesen Tran sistor ist. Wenn ferner der Basis-Emitter-Spannungsabfall über den Emitterfolgetransistor 13 in der Emitterfolgestufe 17 mit V _{BE 1} bezeichnet wird und der Basis-Emitterspannungs abfall über den Verstärkungstransistor 14 mit V _{BE 2}, erhält man, wenn die Spannung am Verbindungspunkt 16 betrachtet wird, die folgende Beziehung:

2 V _{BE 0}=V _{BE 1}+V _{BE 2} (7)

Wenn der Stromverstärkungskoeffizient h _FE des Verstärkungs transistors 14 und des Emitterfolgetransistors 13 verhält nismäßig groß gewählt wird, ist zu beachten, daß die Basis ströme, die in diesen Transistoren fließen, vernachlässig bar sind und für die Zwecke der vorligenden Diskussion ver nachlässigt werden können. Daher können der Eingangs signalstrom I ₀, der von der Eingangsstromquelle 11 er halten wird, der Emitterfolgestufenstrom I₁, der von der konstanten Stromquelle 15 erhalten wird, und der Ausgangsstrom I₂ des Verstärkungstransistors 14 mathe matisch wie folgt ausgedrückt werden:

wobei I _S einen Eingangsstromkoeffizienten der jeweiligen Transistoren darstellt, der, wie ersichtlich, im wesent lichen der gleiche für alle Transistoren in Anbetracht der angenommenen Identität der Betriebseingenschaften ist.

Aus den Gleichungen (8), (9) und (10) läßt sich der je weilige Basis-Emitter-Spannungsabfall wie folgt ableiten:

Die Gleichungen (11), (12) und (13) können in die obige Gleichung (7) eingesetzt werden, um das Folgende zu er halten:

Aus der Gleichung (13A) läßt sich der Ausgangsstrom I₂ ma thematisch wie folgt ausdrücken:

Hierbei ist zu bemerken, daß unter der Bezeichnung I₁ der Strom zu verstehen ist, der durch die Emitterfolgestufe 17 fließt und ein konstanter Strom ist, der von der Strom quelle 15 abgeleitet wird. Der Faktor 1/I₁ ist daher ein konstanter Faktor. Hieraus ergibt sich, daß der Ausgangs strom proportional dem Eingangsstrom verstärkt um eine Potenz 2 ist. Die nichtlineare Verstärkerschaltung, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, arbeitet daher als nichtlinearer Verstärker von der zweiten Potenz.

Eine Ausführungsform eines gewöhnlichen erfindungsgemäßen nichtlinearen Verstärkers von der n-ten Potenz wird nach folgend in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben. Der Verstär kungsfaktor n des dargestellten nichtlinearen Verstärkers ist gleich oder größer als 3. Hieraus ergibt sich natürlich, daß, wenn n gleich 2 ist, die bevorzugte Ausführungsform wie in Fig. 2 dargestellt ist. Daher ermöglicht gewöhnlich und wie ersichtlich der in Fig. 3 allgemein dargestellte nichtlineare Verstärker eine Verstärkungspotenz gleich n, wobei n eine ganze Zahl ist, die größer als 1 ist.

Der nichtlineare Verstärker mit der n-ten Potenz ist im wesentlichen ähnlich dem vereinfachten Schaltbild von Fig. 2 insofern, als ein Verstärkungstransistor 14 vorgesehen ist, der einen Eingangssignalstrom aufnimmt, welcher diesem über eine Emitterfolgestufe 17 von einer Verbindungsstelle 16 aus zugeführt wird. Die Verbindungsstelle 16 ist ferner mit einer Reihe von pn-Übergängen 12 verbunden. Außerdem wird das Eingangssignal der Verbindungsstelle 16 durch eine Eingangsstromquelle 11 zugeführt. Im besonderen wird die Emitterfolgestufe 17 durch (n-1) Emitterfolgetransistoren in Kaskadenschaltung gebildet, wobei jeder Emitterfolge transistor eine konstante Stromquelle umfaßt, die in seinen Emitterkreis geschaltet ist. Für die Zwecke der Beschreibung sind die konstanten Stromquellen mit I₁, I₂ . . . I _(n-1) für die (n-1) Emitterfolgetransistoren bezeichnet. Der Ausgang des (n-1)ten Emitterfolgetransistors ist, wie ersichtlich, der Ausgang der Emitterfolgestufe 17 und mit der Basis elektrode des Verstärkungstransistors 14 gekoppelt.

Die Reihe von pn-Übergängen 12 wird hier durch n pn-Über gänge gebildet, von denen jeder die Form eines diodengeschal teten Transistors hat.

Zur mathematischen Beschreibung der Arbeitsweise des nicht linearen Verstärkers von der n-ten Potenz sein angenommen, daß der Durchlaßspannungsabfall über jeden der pn-Übergänge in der Reihe 12 mit V _{BE 0} bezeichnet ist und daß der Basis emitterspannungsabfall über die jeweiligen Emitterfolge transistoren in der Emitterfolgestufe 17 mit V _{BE 1}, V _{BE 2} . . . V _BE(n-1) bezeichnet sind. Der Basisemitterspannungsab fall des Verstärkungstransistors 14 ist mit V _BEn bezeich net. Die Spannungsbeziehung an der Verbindungsstelle 16 kann daher wie folgt ausgedrückt werden:

n V _BE²=V _{BE 1}+V _{BE 2}+ . . . V _BEn (15)

Wie dies bei der Ausführungsform nach Fig. 2 der Fall war, sind die durch die jeweiligen Basiselektroden der darge stellten Transistoren fließenden Ströme vernachlässigbar, so daß der Eingangssignalstrom I ₀, der durch die Reihe von pn-Übergängen 12 fließt, sowie der Kollektor-Emitter-Strom, der durch jeden der Emitterfolgetransistoren in der Emitter folgestufe 17 fließt, und der Kollektor-Emitter-Strom I _n, der durch den Verstärkungstransistor 14 fließt, gegeben sind durch:

Durch Ordnen der Glieder der Gleichungen (16) können die jeweiligen Spannungen wie folgt ausgedrückt werden:

Wenn nun die Gleichungen (17) in die Gleichung (15) sub stituiert werden, wird folgendes erhalten:

Durch Auflösen nach dem Ausgangsstrom I _n läßt sich der Ausgangsstrom wie folgt definieren:

Hierbei ist zu bemerken, daß die Glieder I₁, I₂ . . . I _(n-1) die jeweiligen konstanten Ströme sind, welche durch die konstanten Stromquellen erzeugt werden, die in die Emitter kreise der jeweiligen Emitterfolgetransistoren der Emit terfolgestufe 17 geschaltet sind. Diese Glieder sind kon stant, so daß der Faktor

ein konstan ter Faktor ist. Die Gleichung (18) stellt daher dar, daß der Eingangsstrom I ₀ durch eine Potenz von n verstärkt wird, um den Ausgangsstrom I _n zu er halten, und daß der Ausgangsstrom I _n proportional dem Ein gangsstrom I _o verstärkt zur n-ten Potenz ist. Daher er gibt sich, daß die in Fig. 3 schematisch dargestellte Schaltung als nichtlinearer Verstärker von der n-ten Potenz betrieben werden kann.

Was die Verbindungsstelle 16 in Fig. 2 und 3 betrifft, so ergibt sich, daß parallele Wege mit mehreren pn-Über gängen vorgesehen sind. Die Zahl der pn-Übergänge in jedem parallelen Weg ist gleich. So wird in Fig. 2 ein erster Weg aus der Reihe von pn-Übergängen 12 gebildet, und umfaßt zwei pn-Übergänge, von denen jeder durch den Basis-Emitter-Übergang eines diodengeschalteten Transi stors gebildet wird. In dem anderen parallelen Weg wird ein erster pn-Übergang durch den Basis-Emitter-Übergang des Emitter-Folgetransistors 13 in der Emitterfolge stufe 17 gebildet und ein zweiter pn-Übergang wird durch den Basis-Emitter-Übergang des Verstärkungstransistors 14 gebildet. In Fig. 3 umfaßt der erste Weg wieder die Rei he von pn-Übergängen und enthält n pn-Übergänge, von denen jeder durch den Basis-Emitter-Übergang eines diodengeschal teten Transistors gebildet wird. Der andere parallele Weg weist, wie ersichtlich (n-1) pn-Übergänge auf, von denen jeder durch einen Basisemitterübergang in der Emitterfolge stufe 17 und den n-ten Basis-Emitter-Übergang des Ver stärkungstransistors 14 gebildet wird. Da die Zahl von pn-Übergängen, die in jedem parallelen Weg enthalten sind, gleich ist und es sich hier um einen Basis-Emitterübergang handelt, läßt sich feststellen, daß Spannungsschwankungen über diese, welche Temperaturschwankungen zuzuschreiben sind, aufgehoben werden. Der erfindungsgemäße nichtline are Verstärker mit n-ten Potenz ist daher für Temperatur schwankungen unempfindlich. Das Eingangssignal wird daher um eine Potenz n verstärkt und das resultierende Ausgangs signal wird durch Temperaturveränderungen nicht nachteilig beeinflußt.

In Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines verein fachten nichtlinearen Verstärkers gegeben, bei welchem ein Eingangssignal um die Potenz ½ verstärkt. Die Schaltung umfaßt einen Verstärkertransistor 22, eine Reihe von pn- Übergängen 23 und eine Emitterfolgestufe 29. Der Verstär kertransistor 22 nimmt ein Eingangssignal auf, das seiner Basiselektrode zugeführt wird und erzeugt ein Ausgangs signal an seiner Kollektorelektrode. Die Kollektorelektrode des Verstärkertransistors ist daher mit einer Speisespannungs quelle 25 durch einen Belastungswiderstand 24 gekoppelt und ein Ausgangsanschluß 26 ist von der Kollektorelektrode ab gezweigt. Das dem Verstärkertransistor zugeführte Eingangs signal wird diesem über die Eingangsstromquelle 21 zuge führt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten vereinfachten Ausführungs form wird die Reihe von pn-Übergängen 23 durch einen ein zigen pn-Übergang gebildet, der die Form eines diodenge schalteten Transistors hat. Diese Reihe von pn-Übergängen dient zur Kopplung der Emitterelektrode des Verstärker transistors 22 mit einem Bezugspotential, beispielsweise mit der Erde.

Eine Verbindungsstelle 27, über welche das Eingangssignal der Basiselektrode des Verstärkungstransistors 22 zuge führt wird, ist zusätzlich mit der Emitter-Folgestufe 29 verbunden. Bei der hier dargestellten vereinfachten Aus führungsform wird die Emitterfolgestufe 29 durch einen Emitter-Folgetransistor 28 mit einer konstanten Strom quelle 31 gebildet, die in seinen Emitterkreis geschaltet ist. Der Ausgang der Emitter-Folgestufe, d. h. die Emitter- Elektrode des Emitter-Folgetransistors 28, ist mit der Basis-Elektrode eines weiteren Transistors 30 ver bunden, von welch letzterem die Emitter-Elektrode mit der Erde verbunden ist. Die Kollektor-Elektrode des weiteren Transistors ist unmittelbar mit der vorerwähn ten Verbindungsstelle 27 verbunden.

Die jeweiligen Transistor-Bauelemente werden so gewählt, daß ihre Betriebseigenschaften und insbesondere ihre pn-Übergangs-Charakteristik alle gleich sind. Dies läßt sich natürlich ohne weiteres mit Hilfe herkömmlicher integrierter Schaltkreise erreichen.

Die Arbeitsweise der in Fig. 4 dargestellten vereinfach ten Schaltung wird nachfolgend mathematisch beschrieben. Die Basis-Emitter-Spannung des weiteren Transistors 30 sei nachfolgend mit V _{BE 0} bezeichnet, die Basis-Emitter- Spannung über den Emitter-Folgetransistor 28 in der Emitter-Folgestufe 29 mit V _{BE 1} und der Spannungsabfall über den pn-Übergang in der pn-Übergangsreihe 23 mit V _{BE 2}. Zusätzlich wird der Basis-Emitter-Spannungsabfall des Verstärkertransistors 22 gleich dem pn-Übergangs- Spannungsabfall angenommen und daher mit V _{BE 2} bezeichnet. Daher stellt mit Bezug auf die Verbindungsstelle 27 der folgende Ausdruck die Spannungsbeziehung an diesem dar:

V _{BE 0}+V _{BE 1}=2 V _{BE 2} (19)

Wenn nun die durch die jeweiligen Basiselektroden der dargestellten Transistoren fließenden Ströme als ver nachlässigbar angenommen werden, können diese Ströme bei der weiteren Betrachtung weggelassen werden, so daß der durch den weiteren Transistor 30 fließende Strom I ₀, der durch die Emitter-Folgestufe 29 fließende Strom I₁ und der durch den Verstärkertransistor 22 und die pn-Über gangsreihe 23 fließende Strom I₂ wie folgt ausgedrückt werden kann:

Durch Ordnen der Glieder lassen sich die jeweiligen in den Gleichungen (20) ausgedrückten Spannungen wie folgt ermitteln:

Die in den Gleichungen (21) dargestellten Spannungen kön nen in die Gleichung (19) substituiert werden, um folgendes zu erhalten:

Durch Auflösen nach dem Ausgangsstrom I₂ läßt sich der Ausgangsstrom wie folgt darstellen:

I₂=I₁½ · I ₀½ (22)

Hierzu ist zu bemerken, daß das Glied I₁ in der Gleichung (22) den konstanten Strom darstellt, der durch die Emit ter-Folgestufe 29 fließt und durch die konstante Strom quelle erzeugt wird, die in den Emitterkreis des Emitter folgetransistors 28 geschaltet ist. Das Glied I₁^½ ist ein konstanter Faktor. Daher wird, wie in der Gleichung (22) ausgedrückt, der Eingangsstrom I ₀ durch die Potenz ½ verstärkt, um den Ausgangsstrom I₂ zu erzielen. Mit an deren Worten, der Ausgangsstrom ist proportional dem Eingangsstrom mit der Potenz ½. Das in Fig. 4 dargestellte vereinfachte Schaltbild stellt daher einen nichtlinearen Verstärker mit der Potenz ½ dar.

In Verbindung mit Fig. 5 wird nachfolgend eine allgemeine Ausführungsform eines nichtlinearen Verstärkers mit der Potenz 1/n beschrieben. Der nichtlineare Verstärker mit der Potenz 1/n wird durch einen Verstärkertransistor 22, eine Reihe von pn-Übergängen 23, eine Emitterfolgestufe 29 und einen weiteren Transistor 30 gebildet, wie voran gehend in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben. Bei der in Fig. 5 dargestellten allgemeinen Ausführungsform wird jedoch die Reihe von pn-Übergängen 23 durch (n-1) reihen geschaltete pn-Übergänge gebildet, von denen jeder die Form eines diodengeschalteten Transistors hat, so daß der pn-Übergang durch den Basis-Emitter-Übergang jedes Transistors gebildet wird. In ähnlicher Weise wird die Emitter-Folgestufe 29 durch (n-1) Emitterfolgetransi storen in Kaskadenschaltung gebildet, wobei die Basis- Emitter-Übergänge der Emitter-Folgetransistoren in Reihe geschaltet sind. In jeden der jeweiligen Emitterkreise der Emitter-Folgetransistoren ist eine konstante Strom quelle geschaltet. Wie dargestellt, ist der Ausgang der Emitter-Folgestufe 29, d. h. der Ausgang des (n-1)ten Emit ter-Folge-Transistors mit der Basiselektrode des weiteren Transistors 30 verbunden, von welch letzterem der Basis- Emitter-Übergang geerdet ist.

Entsprechend der vorangehend erläuterten mathematischen Analyse des dargestellten nichtlinearen Verstärkers, kann die Spannungsbeziehung bezogen auf die Verbindungsstelle 27 wie folgt ausgedrückt werden:

V _{BE 0}+V _{BE 1}+V _{BE 2}+ . . . + V _BE(n-1)=n V _BEn (23)

wobei V _{BE 1}, V _{BE 2} . . . V _BE(n-1) der Basis-Emitter-Spannungs abfall über den jeweiligen Emitter-Folgetransistor in der Emitter-Folgestufe 27 ist; V _{BE 0} ist die Basis-Emitter- Spannung des weiteren Transistors 30 und V _BEn ist die Basis-Emitter-Spannung des Verstärkertransistors 22 oder jedes der diodengeschalteten Transistoren in der Reihe von pn-Übergängen 23.

Wenn die vernachlässigbaren Ströme, die durch die jeweilige Transistor-Basis-Elektrode fließen, weggelassen werden, können die Kollektor-Emitter-Transistorströme wie folgt ausgedrückt werden:

wobei die Ströme I₁, I₂, . . . I _(n-1) die Ströme sind, welche durch die jeweilige konstante Stromquelle erzeugt werden, die in den Emitterkreis der Emitterfolgetransistoren der Emitterfolgestufe 29 geschaltet sind und der Strom I _n ist der Ausgangsstrom, der durch den Verstärkertransistor 22 fließt und zusätzlich durch die Reihe von pn-Übergängen 23.

Die in den Gleichungen (24) ausgedrückten Spannungen können wie folgt dargestellt werden:

Wenn nun die Gleichungen (25) in die Gleichung (23) eingesetzt werden, wird folgendes erhalten:

Durch Ordnen der Glieder kann der Ausgangsstrom I _n wie folgt ausgedrückt werden:

I _n=(I₁ · I₂, . . . . I _n-1)1/n · I ₀1/n (26)

Hierbei ist zu bemerken, daß der Faktor (I₁. I₂, . . . I _n-1)1/n allein von den konstanten Stromquellen abhängt und daher ein konstanter Faktor ist. Der durch den in Fig. 5 dargestellten nichtlinearem Verstärker erzeugte Ausgangsstrom ist daher proportional dem Eingangsstrom mit der Potenz 1/n. Mit anderen Worten, der nichtlineare Verstärker dient zur Verstärkung des Eingangsstroms I ₀ um die Potenz 1/n.

Hierbei ist zu erwähnen, daß bei der dargestellten Aus führungsform jeder Basis-Emitter-Übergang der Emitterfolge transistoren in der Emitterfolgestufe 29 ein pn-Übergang ist. Daher ist die Zahl der pn-Übergänge in der Reihe von pn-Übergängen 23 gleich der Zahl der pn-Übergänge, die in der Emitterfolgestufe 29 in Kaskade geschaltet sind.

Spannungsschwankungen in diesen pn-Übergängen, die Tempe raturschwankungen zuzuschreiben sind, werden daher auf gehoben, so daß die Basisemitterspannung des Verstärker transistors 22 im wesentlichen konstant gehalten wird.

Die Verstärkung mit einer Potenz 1/n wird daher unab hängig von Temperaturschwankungen erzielt. Die in Fig. 5 beispielsweise dargestellte Ausführungsform arbeitet daher als nichtlinearer Verstärker mit der Potenz 1/n, d. h. temperaturstabil, wobei n größer als 1 ist.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer typischen Anwen dung der erfindungsgemäßen Lehren. Im besonderen zeigt Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Bandgerätes und ins besondere eines Video-Bandaufzeichnungs- und Wiedergabe gerätes, bei welchem ein nichtlinearer Verstärker von n-ter Potenz sowie ein nichtlinearer Verstärker von der 1/n-ten Potenz zur Verarbeitung der Informationssig nale verwendet werden. Bei der dargestellten Ausführungs form umfaßt eine Signalaufzeichnungsschaltung zur Aufzeich nung von Signalen auf enem magnetischen Medium, beispiels weise auf einem Magnetband einen Entzerrungskreis 42 und einen Modulator 43. Die zur Wiedergabe der Signale aus dem magnetischen Medium verwendete Schaltung besitzt einen Demodulator 46 und ein Anhebungsfilter 47.

Der Entzerrungskreis 42 enthält einen nichtlinearen Ver stärker von 1/n-ter Potenz von der vorangehend in Ver bindung mit Fig. 5 beschriebenen Art und weist einen Ein gang auf, der mit einem Signaleingangsanschluß 41 gekoppelt ist. Dieser nichtlineare Entzerrungskreis kann das ihm zu geführte Signal verdichten, so daß auf dem magnetischen Medium ein verdichtetes Signal aufgezeichnet wird. Nachdem das Eingangssignal auf den gewünschten Grad verdichtet worden ist, wird der Ausgang des nichtlinearen Entzerrungs kreises dem Modulator 43 zugeführt. Dieser Modulator ist ein Frequenzmodulator zur Frequenzmodulation des verdich teten Signals und für die Zufuhr desselben zu einem mag netischen Aufzeichnungskopf 44, durch welchen das verdich tete frequenzmodulierte Signal auf dem magnetischen Medium aufgezeichnet wird.

In der Signalwiedergabeschaltung liefert ein Wieder gabe-Magnetkopf 45 aufgezeichnete Signale an den Demo dulator 46. Hierbei ist zu bemerken, daß der Demodula tor durch einen Frequenzdemodulatorkreis gebildet wird, der an seinem Ausgang ein verdichtetes Signal erzeugen kann, welches dem Signal im wesentlichen ähnlich ist, das dem Modulator 43 zugeführt worden ist. Dieses demo dulierte verdichtete Signal wird dem Anhebungsfilter 47 zugeführt, welches den vorangehend in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen nichtlinearen Verstärker von der n-ten Potenz enthält. Das nichtlineare Anhebungsfilter (emphasis) dient zur Dehnung des wiedergegebenen Signals auf einem gewünschten Pegel. Das gedehnte Signal wird von dem Signalausgangsanschluß 48 abgeleitet, der mit dem nichtlinearen Anhebungsfilter (emphasis circuit) gekoppelt ist.

Obwohl der erfindungsgemäße nichtlineare Verstärker ohne weiteres für verschiedene Anwendungsfälle verwendet werden kann, ermöglicht seine Anwendung zur Bandaufzeichnung und insbesondere auf ein Videobandaufzeichnungssystem die Aufzeichnung und Wiedergabe eines Signals mit einem ver hältnismäßig hohen Pegel ohne gleichzeitige Bandsättigung. Außerdem zeigen die Signalverarbeitungsschaltungen eines solchen Video-Bandaufzeichnungsgerätes relative stabile und zuverlässige Betriebseigenschaften und sind nicht temperaturempfindlich.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß der erfindungsgemäße nichtlineare Verstärker von der n-ten Potenz und der 1/n- ten Potenz leicht hergestellt werden kann, wobei n eine ge wünschte ganze Zahl, die größer als 1 ist, sein kann. Wie ersichtlich, wird das zu verstärkende Eingangssignal parallelen Leitungswegen zugeführt, von denen jeder n pn-Übergänge aufweist. In dem einen Leitungsweg werden die in Reihe geschalteten pn-Übergänge beispielsweise durch diodengeschaltete Transistoren gebildet. In dem anderen Leitungsweg werden die pn-Übergänge durch in Kaskadenschaltung befindliche Emitterfolgetransistoren gebildet, deren Basis-Emitter-Übergänge den pn-Übergängen entsprechen. Bei dem nichtlinearen Verstärker von n-ter Potenz ist der Verstärkertransistor in den Leitungsweg geschaltet, der die Emitterfolger enthält, so daß der Basis-Emitter-Übergang des Verstärkertransistors einen der pn-Übergänge in diesem Leitungsweg bildet. Bei dem nichtlinearen Verstärker von 1/n-ter Potenz ist der Ver stärkertransistor in den anderen Leitungsweg geschaltet, d. h. in den Leitungsweg, der die Reihe von pn-Übergängen enthält, die beispielsweise durch diodengeschaltete Tran sistoren gebildet werden. Nichtsdestoweniger ist zu be achten, daß die Gesamtzahl von pn-Übergängen in jedem Leitungsweg gleich ist. Hieraus ergibt sich, daß der Ex ponentialfaktor n in einfacher Weise dadurch gewählt wer den kann, daß die Zahl der in den jeweiligen parallelen Leitungswegen enthaltenen pn-Übergänge gewählt wird. Auf diese Weise kann die Exponentialbeziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal gewählt werden. Die die Verstärkung des nichtlinearen Verstärkers darstellende Exponentialkurve kann daher leicht gewählt werden.

Die vorangehend beschriebenen und gezeigten verschiedenen Ausführungsformen des nichtlinearen Verstärkers enthalten, wie erkennbar, lediglich ein einziges Widerstandselement, d. h. den Verstärkertransistor-Lastwiderstand. Der erfindungs gemäße nichtlineare Verstärker läßt sich daher leicht zur Fertigung integrierter Schaltkreise verwenden.

Claims

1. Nichtlinearer Verstärker mit einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluß, wobei das Ausgangssignal propor tional dem mit einem Exponenten potenzierten Eingangssignal ist, mit einem mit dem Eingangsanschluß verbundenen ersten Kanal, der durch in Reihe geschaltete pn-Übergänge gebildet ist, mit einem zweiten Kanal, der durch in Reihe geschaltete Basis-Emitter-Strecken von Transistoren gebildet ist, und mit einem Verstärkungstransistor, derr mit dem zweiten Kanal in Reihe geschaltet und mit dem Ausgangsanschluß verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Exponenten n, der eine ganze Zahl und größer als 1 ist, die Zahl der pn-Übergänge des ersten Kanals (12) gleich n und die Zahl der Transistoren (z. B. 13) des zweiten Kanals (17) gleich (n-1) ist, daß die Kollek toren der Transistoren (z. B. 13) des zweiten Kanals (17) an einem gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluß (19) liegen, daß mit dem Emitter jedes Transistors (z. B. 13) des zweiten Kanals (17) eine Konstantstromquelle (z. B. 15) verbunden ist, und daß der zweite Kanal (17) mit dem Eingangsanschluß (16) verbunden ist. (Fig. 2 und 3)

2. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Emitter-Strecke des Verstär kungstransistors (14) in Reihe mit den (n-1) Basis-Emitter- Strecken der Transistoren (z. B. 13) des zweiten Kanals (17) geschaltet ist. (Fig. 2 und 3)

3. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die n pn-Übergänge des ersten Kanals (12) von n als Dioden geschalteten Transistoren gebildet sind (Fig. 2 und 3)

4. Nichtlinearer Verstärker mit einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluß, wobei das Ausgangssignal propor tional dem mit einem Exponenten potenzierten Eingangssignal ist, mit einem mit dem Eingangsanschluß verbundenen ersten Kanal, der durch in Reihe geschaltete pn-Übergänge gebildet ist, mit einem zweiten Kanal, der durch in Reihe geschaltete Basis-Emitter-Strecken von Transistoren gebildet ist, und mit einem Verstärkungstransistor, der mit dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Exponenten 1/n wobei n eine ganze Zahl und größer als 1 ist, die Zahl der pn-Übergänge des ersten Kanals (23) gleich n und die Zahl der Transistoren (z. B. 28) des zweiten Kanals (29) gleich (n-1) ist, daß die Kollektoren der Transistoren (z. B. 28) des zweiten Kanals (29) an einem gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluß (25) liegen, daß mit dem Emitter jedes Transistors (z. B. 28) des zweiten Kanals (29) eine Konstantstromquelle (z. B. 31) verbunden ist, daß der Verstärkungstransistor (22) mit dem ersten Kanal (23) in Reihe geschaltet ist, und daß der zweite Kanal (29) mit dem Eingangsanschluß (27) verbunden ist. (Fig. 4 und 5)

5. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die n pn-Übergänge des ersten Kanals (23) von (n-1) als Dioden geschalteten Transistoren gebildet sind, und daß die Basis-Emitter-Strecke des Verstärkungstransistors (22) mit den als Dioden geschalteten Transistoren in Reihe geschaltet ist. (Fig. 4 und 5)

6. Nichtlinearer Verstärker nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (z. B. 28) in Kaskade mit einem zusätzlichen Transistor (30) geschaltet sind. (Fig. 4 und 5)