Stromfolger für Spannungssteuerung von OTAs

[Jobst Q. (joquis)]

Bin gerade wieder am Experimentieren zur Analogen Klangerzeugung. Das 
geht hervorragend mit OTAs wie dem LM13700.

Doch dabei gaibt es ein Problem: Ein OTA braucht einen Steuerstrom Iabc. 
Bei den Beispielschaltungen im Datenblatt ist da einfach ein Widerstand 
zur positiven Versorgungsspannung. Per Handbedienung kann man da ein 
Poti nehmen.

Wenn man aber mit einer Spannung gegen Masse steuern will, ist das 
Problem der Bezugspunkt von Iabc in der Nähe der negativen 
Spannungsversorgung. Einige Zeit war ich am Grübeln, wie man mit Op-Amps 
den Bezugspunkt ändern kann, ohne von der Versorgungsspannung abhängig 
zu sein.

Zum Glück hatte ich mich schon 30 Jahre früher schon mal mit OTAs 
beschäftigt, und beim Betrachten eines früheren Werkes fiel mir eine 
sehr einfache Lösung auf, die ich schon mal gefunden hatte.

Ein simpler PNP-Transistor mit Basis an Masse, Kollektor zum Iabc und 
der Emitter über einen Widerstand als Eingang.

Die Basisschaltung eines Transistors ist ein Stromfolger wie die 
Kollektorschaltung ein Spannungsfolger ist. Da der Kollektorstrom bis 
auf 1/Beta dem Emitterstrom entspricht. Damit kann man den Bezugspunkt 
beliebig verlegen.

Verwunderlich finde ich, dass man in den Weiten des Internets so gut wie 
nichts über die Stromfolgerfunktion der Basisschaltung findet und immer 
nur die Vorteile in HF-Schaltungen erwähnt werden.

[Mark S. (voltwide)]

Das wäre die erste Hälfte der Lösung. Die zweite bestehet darin ein OPV 
um den pnp herum zu bauen. Wie z.B. in dieser Kompressorschaltung
https://www.valvewizard.co.uk/engineersthumb4.html

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Jobst Q. schrieb:
> Die Basisschaltung eines Transistors ist ein Stromfolger wie die
> Kollektorschaltung ein Spannungsfolger ist. Da der Kollektorstrom bis
> auf 1/Beta dem Emitterstrom entspricht. Damit kann man den Bezugspunkt
> beliebig verlegen.

Nur näherungsweise. Beta ist nicht stabil (exemplar- und stromabhängig). 
U_be ist temperaturabhängig. Der Bezugspunkt ist also auch nicht stabil.

> Verwunderlich finde ich, dass man in den Weiten des Internets so gut wie
> nichts über die Stromfolgerfunktion der Basisschaltung findet

In der Praxis benutzt man eher einen OPV als spannungsgesteuerte 
Stromquelle. Bei den Strömen von denen wir hier reden, kann der OPV den 
Strom auch direkt liefern.

[Mani W. (e-doc)]

Jobst Q. schrieb:
> Ein simpler PNP-Transistor mit Basis an Masse, Kollektor zum Iabc und
> der Emitter über einen Widerstand als Eingang.

Am besten beheizt wegen Temperaturdrift...

[Jobst Q. (joquis)]

Axel S. schrieb:
> Nur näherungsweise. Beta ist nicht stabil (exemplar- und stromabhängig).
> U_be ist temperaturabhängig. Der Bezugspunkt ist also auch nicht stabil.

U_be und damit die Temperaturabhängigkeit spielt in der Basisschaltung 
kaum eine Rolle, da der Strom I_e durch den vorgeschalteteten Widerstand 
bestimmt wird, der gegenüber dem Eingangswiderstand in Basisschaltung 
riesig ist.

Die Abweichung zwischen I_c und I_e ist I_b, also 1/beta. Bei einem beta 
von 450 wäre I_c 99,78% von I_e bzw U_ein/R_ein. Stabil genug für die 
meisten Zwecke.

> In der Praxis benutzt man eher einen OPV als spannungsgesteuerte
> Stromquelle.
Der Ausgang eines OPV ist aber eine Spannungsquelle und keine 
Stromquelle.

[Mani W. (e-doc)]

Jobst Q. schrieb:
> U_be und damit die Temperaturabhängigkeit spielt in der Basisschaltung
> kaum eine Rolle, da der Strom I_e durch den vorgeschalteteten Widerstand
> bestimmt wird, der gegenüber dem Eingangswiderstand in Basisschaltung
> riesig ist.

Für Musikzwecke spielt das schon eine Rolle, siehe FORMANT...

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> Bin gerade wieder am Experimentieren zur Analogen Klangerzeugung. Das
> geht hervorragend mit OTAs wie dem LM13700.

Haette ich jetzt nicht gedacht. Rauscht das nicht extrem?

Vanye

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Jobst Q. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Nur näherungsweise. Beta ist nicht stabil (exemplar- und stromabhängig).
>> U_be ist temperaturabhängig. Der Bezugspunkt ist also auch nicht stabil.
>
> U_be und damit die Temperaturabhängigkeit spielt in der Basisschaltung
> kaum eine Rolle, da der Strom I_e durch den vorgeschalteteten Widerstand
> bestimmt wird

Es ist aber gar keine wirkliche Basisschaltung, sondern eine 
Stromquelle. Und da spielt U_be eben doch eine Rolle, weil sie den 
Nullpunkt verschiebt. Gerade für musikalische Zwecke muß das 
bombenstabil sein. Und der Strom variiert exponentiell (Verdopplung pro 
Oktave).

> Die Abweichung zwischen I_c und I_e ist I_b, also 1/beta. Bei einem beta
> von 450 wäre I_c 99,78% von I_e bzw U_ein/R_ein. Stabil genug für die
> meisten Zwecke.

Aber nicht für diesen Zweck! Zum ersten ist ein Beta von 450 vollkommen 
illusorisch, rechne mal eher mit 100. Und zum zweiten ist Beta nicht 
konstant. Schau mal in das Datenblatt deines hypothetischen Beta=450 
Transistors, wo die Stromverstärkung bei I_c=10µA liegt. Für einen VCO 
mit OTA ist ein Steuerstrom von 10µA vollkommen normal. Sagen wir von 
10µA bis 1.28mA = 7 Oktaven.

>> In der Praxis benutzt man eher einen OPV als spannungsgesteuerte
>> Stromquelle.
> Der Ausgang eines OPV ist aber eine Spannungsquelle und keine
> Stromquelle.

Howland-Schaltung: https://www.ti.com/lit/an/snoa474a/snoa474a.pdf

[Arno R. (arnor)]

Axel S. schrieb:
> Zum ersten ist ein Beta von 450 vollkommen
> illusorisch, rechne mal eher mit 100.

Naja, es gibt schon eine Menge Transistoren die 450-fach oder mehr 
verstärken, sowohl als einzelne, als auch als duale.

Axel S. schrieb:
> Schau mal in das Datenblatt deines hypothetischen Beta=450
> Transistors, wo die Stromverstärkung bei I_c=10µA liegt. Für einen VCO
> mit OTA ist ein Steuerstrom von 10µA vollkommen normal. Sagen wir von
> 10µA bis 1.28mA = 7 Oktaven.

Ein paar Beispiele im Anhang.

[Arno R. (arnor)]

Jobst Q. schrieb:
> Ein simpler PNP-Transistor mit Basis an Masse, Kollektor zum Iabc und
> der Emitter über einen Widerstand als Eingang.

Dieser simple PNP erzeugt aber, wie oben schon gesagt wurde, einen 
Versatz von Ube. Das kann man weitgehend vermeiden, wenn man einen NPN 
davorschaltet. Die Steuerspannung muss nun negativ sein, aber dafür 
bekommt man eine fast perfekte Kennlinie.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Arno R. schrieb:
> Jobst Q. schrieb:
>> Ein simpler PNP-Transistor mit Basis an Masse, Kollektor zum Iabc und
>> der Emitter über einen Widerstand als Eingang.
>
> Dieser simple PNP erzeugt aber, wie oben schon gesagt wurde, einen
> Versatz von Ube. Das kann man weitgehend vermeiden, wenn man einen NPN
> davorschaltet. Die Steuerspannung muss nun negativ sein, aber dafür
> bekommt man eine fast perfekte Kennlinie.

Ist aber nicht optimal temperaturkompensiert; I_c und damit P_tot für 
die Transistoren ist unterschiedlich. Dadurch erwärmen sie sich 
unterschiedlich und die Spannung läuft weg. Wenn es nur um den 
statischen Einfluß von U_be ginge, den könnte man auch wegbekommen indem 
man die Basis des PNP um eine Flußspannung unter GND legt. Eine Diode 
reicht ja. Ist aber eben auch nicht temperaturkompensiert.

[Arno R. (arnor)]

Axel S. schrieb:
> Ist aber nicht optimal temperaturkompensiert

Ah, doch noch ein Haar in der Suppe gefunden ;-)

Die gezeige Schaltung/Dimensionierung sollte nur das Prinzip 
verdeutlichen. Durch geeignete Dimensionierung kann man das noch 
optimieren. Das ist aber ggfs. Aufgabe des TO.

[Thomas R. (analogfreak)]

Siehe z.B. unter
https://web222.webclient5.de/prj/MusicEl/UBZR1/modules/Out

für den Stromeingang eines CA3080. Der ist mit LM13700 vergleichbar.

Ich habe auch mehrere LM13700 verwendet:
- https://web222.webclient5.de/prj/MusicEl/UBZR1/modules/VCO
- https://web222.webclient5.de/prj/MusicEl/UBZR1/modules/ADSR

aber mit exponentieller Abhängigkeit.

Wurde hier schon geschrieben: für höchste Anforderungen muss man die 
Temperatur-Abhängigkeit ausgleichen.
Siehe Heizung des uA726 im VCO. Andere Möglichkeit ist ein NTC im 
Spannungsteiler.

[Mani W. (e-doc)]

Thomas R. schrieb:
> Andere Möglichkeit ist ein NTC im
> Spannungsteiler.

Reicht aber nicht für 2 oder 3 VCOs...

[Jobst Q. (joquis)]

Axel S. schrieb:
> Howland-Schaltung: https://www.ti.com/lit/an/snoa474a/snoa474a.pdf

Danke für den Link. Ist schon interessant. Der einfache Transistor in 
Basisschaltung ist mir aber gut genug.

Selbst wenn beta bei 10µA nur 100 wäre und bei 1,28mA 450 wäre es 
musikalisch gesehen nur eine Abweichung von 13,8 Cent der niedrigsten 
Oktave zur höchsten.

Nach den Datenblättern von Arno wäre die beta-Differenz aber nur etwa 50 
und die musikalische Abweichung 4,8 Cent.Und schon ab 20 µA wäre beta 
sogar gleichbleibend, dh nur die tiefste Oktave wäre betroffen.