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Verstärker für hohe Signalfrequenzen mit breitem Frequenzband Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker für hohe Signalfrequenzen mit breitem Frequenzband, der zwei in Kaskade geschaltete Transistoren enthält. Solche Verstärker werden z. B. als Zwischenfrequenzverstärker in Richtfunkverbindungen verwendet, wie diese bei Fernsprech- bzw. Fernsehübertra- gungsystemen verwendet werden, die für einen Tam- peraturbereich von -10 bis +50 C geeignet sein müssen und bei einer Verstärkung von einigen zehn dB innerhalb eines Frequenzbereiches von z. B. 55 bis 85 MHz ein Durchlassband aufweisen, das innerhalb von einigen Zehnteln dB flach (frequenzunabhängig) sein muss.
Bei den Verwirklichung eines solchen Verstärkers mittels Transistoren als Verstärkerelemente ergeben sich ausserordentlich viele Schwierigkeiten. Bekanntlich ändert sich der Arbeitspunkt eines solchen Transistors stark mit der Umgebungstemperatur. Weiter sind die Transistorparameter von der Temperatur und von der Frequenz abhängig. Die verwendete Arbeitsfrequenz ist dabei derart hoch, z. B. in der Nähe von 1/3 der Sperrfrequenz, dass schon eine beträchtliche Schwächung und Phasendrehung durch den Transistor verursacht wind.
In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnungobiger Art dargestellt, mit der versucht wurde, diese Schwierigkeiten zu beheben. Die beiden in Kaskade geschalteten Transistoren 1 und 2 sind mittels einer Gleichstromgegenkopplung über den Widerstand 3 des Emitters des zweiten Transistors zur Basis des ersten Transistors stabilisiert. Bei den genannten hohen Frequenzen verursacht jedoch der Kollektor-BasisStromverstärkungsfaktor der Transistoren eine starke Phasendrehung, so dass es erforderlich wird, mittels einer regelbaren Selbstinduktion 4 im Kollektorkreis des ersten Transistors, bzw. mittels eines regelbaren Kondensators 5 in der Gegenkoppelleitung, einen derartigen Ausgleich der in den Transistoren verursachten Phasendrehungen zu erzeugen, dass eine flache Durchlasscharakteristik erhalten wird.
Es zeigt sich dann jedoch, dass ein solcher Verstärker die obigen Temperaturanforderungen nicht erfüllt, weil die Eingangskapazität des zweiten Transistors zu stark von der Temperatur abhängig ist. Im Verstärker nach der Erfindung wird daher wenigstens der zweite Transistor in Basisschaltung betrieben.
Es ist bekannt, zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und dem Emitter des zweiten Transistors einer solchen Verstärkerkaskade eine Selbstinduktion einzuschalten, die in Kombination mit der Kollektorkapazität des ersten Transistors einen Resonanzkreis mit breitem, Durchlassband bildet. Hiermit kann jedoch noch nicht eine Bandbreite gemäss den obigen Anforderungen unter Beibehaltung einer angemessenen Verstärkung erzielt wenden. Zum Erhalten einer grossen Bandbreite wäre es nämlich erforderlich, in Reihe mit der erwähnten Selbstinduktion einen Widerstand zu schalten, der dann jedoch die Verstärkung verringert.
In Fig. 2 ist eine weitere Versuchsausführung dargestellt, bei der der Kollektor des ersten Transistors über eine Selbstinduktion 9 mit einer geschlossenen Schleife verbunden ist, die die Reihenschaltung einer zweiten Selbstinduktion 10, eines Kondensators 11, eines Widerstandes 12 und der Emitter-Basisstrecke des Transistors 2 enthält.
Die Kapazität 13, die ganz oder im wesentlichen .durch -die iKolle'ktoraBasiskapa- zität,des Transistors 1 gebildet wird, bildet .dabei mit der Selbstinduktion 9 und der Kapazität 11 einen ersten Resonanzkreis, der mit einem zweiten durch die Kapazität @11, die Selbstinduktion 10, den Widerstand 12 und die Em@itter-Basisstrecke des Transistors 2
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gebildeten Resonanzkreis gekoppelt ist. Der Widerstand 12 ist dabei derart gross gewählt, dass die erforderliche hohe, einer Kreisgüte von etwa 2 entsprechende Bandbreite erhalten wird.
Der Widerstand 12 macht es dabei zugleich möglich, Streuungen des inneren Emittereingangswiderstandes des Transistors 2 aufzufangen. Streuungen seiner Eingangsselbstinduktion können mittels der Selbstinduktion 10 weggeregelt werden. Auch jetzt zeigt sich jedoch, dass die A ufschaukelung in den genannten Resonanzkreisen derart klein ist, dass nur eine sehr ungenügende Stromverstärkung erhalten wird.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor des ersten Transistors über eine erste Spule mit einer geschlossenen Schleife verbunden ist, die die Reihenschaltung einer zweiten, mit der ersten Spule induktiv gekoppelten Spule, eines Kondensators, eines Widerstandes und eines herabtransformierenden Transformators enthält, dem die Emitterspannung für den in Basisschaltung betriebenen zweiten Transistor entnommen wird.
Hierbei wird bemerkt, dass die Verwendung von Transformatoren bzw. gekoppelten Spulen zur Verbesserung der Anpassung an sich allgemein bekannt ist. Durch die Kombination der angegebenen Mass- nahmen wird jedoch ein Verstärker erhalten, der sehr hohe Anforderungen erfüllt.
Zwei Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden anhand der Fig. 3 und 4 der Zeichnung näher erläutert. Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel und Fig. 6 ein Detail der Fig. 3.
In Fig. 3 ist der Kollektor des Transistors 1 wieder über eine erste Spule 9 mit einer geschlossenen Schleife verbunden, die die Reihenschaltung der zweiten Spule 10, des Kondensators 11 und des Widerstandes 12 enthält. In diese Schleife ist auch ein herabtransformierender Transformator 14 aufgenommen, dem die Emitterspannung für den Transistor 2 entnommen wird. Dieser Transformator 14 gibt eine merkliche Verbesserung der Verstärkung. Er ist vorzugsweise mit bifilar gewickelten Primarund Sekundärwicklungen ausgebildet, wie diese im Artikel von Ruthroff in Proc. I.R.E. vom. August 1959, Seiten 1337 ff. beschrieben sind, wodurch er für Hochfrequenzsignalübertragung mit breiten Frequenzbändern ohne unerwünschte Reflexionen geeignet ist.
Sollte man nur den Transformator 14 als Koppelelement zwischen dem Kollektor des Transistors 1 und dem Emitter des Transistors 2 verwenden, so wird damit nicht das gewünschte Durchlass- band erhalten, während dann auch keine Korrektionen für die innere Kollektor-Basis-Kapazität des Transistors 1 bzw. der inneren Emitterselbstinduktion des Transistors 2 möglich sind.
Durch genaue Abregelung der Spulen 9 und 10 mittels einstellbarer Pulvereisenkerne 16 (Fig.6), bzw. des Trimmer-Kondensators 11 kann der Ein- fluss dieser Kollektor-Basis-Kapazität des Transistors 1, bzw. dieser Emitterselbstinduktion des Transistors 2 verringert bzw. ausgeglichen und eine flache Übertragungscharakteristik erhalten werden. Es zeigt sich jedoch, dass ohne Kopplung zwischen den Spulen 9 und 10 die Gruppenlaufzeit des erhaltenen Verstärkers angemessene Anforderungen noch nicht erfüllt. Diese Gruppenlaufzeit kann für einen Verstärker für Signale mit einer mittleren Frequenz von 70 MHz mit etwa 2,5 nsek bei einer Verstärkung von etwa 6,5 dB j,e Stufe ansteigen.
Durch Verwendung einer Kopplungsschleife, mittels deren die Spulen 9 und 10 gegenseitig gekoppelt werden, wird es möglich, diese Gruppenlaufzeit bis auf etwa 0,5 nsek zu reduzieren. Die Spulen 9 und 10 sind zu dieseln Zweck nebeneinander auf einem Halter angeordnet (siehe Fig. 6), während die durch einen geschlossenen elektrischen Leiter gebildete Kopplungsschleife 15 um die beiden Spulen 9 und 10 geschoben wird. (Deutlichkeitshalber ist die Kopplungsschleife 15 über den Spulen 9 und 10 dargestellt).
Die Kopplungsschleife 15 wird derart angeordnet, dass ein starker Kopplungsfaktor erhalten wird, während die Spulen 9 und 10 derart angeschlossen sind (ge- mäss Fig. 6 in gleichem Sinne gewickelt), dass die gesamte zwischen dem Kollektor des Transistors 1 und dem Transformator 14 wirksame Reihenselbstin- duktion durch Anordnung der Kopplungsschleife verkleinert wird. An die Spulen 9 und 10 wird nicht, wie beim Transformator 14, die Anforderung einer idealen Transformation gestellt. Im Gegenteil wird mit der Kopplungsschleife 15 bezweckt, den Kopplungsfaktor auf den gewünschten, aber noch merklich unter 1 bleibenden Wert einstellen zu können.
In einem praktischen Ausführungsbeispiel wurden die Schaltungselemente wie folgt gewählt: Transistoren vom Typ AFZ 12 mit einer Sperrfrequenz von 300 MHz, je auf 2 mA Emitter-Kollek- tor-Strom eingestellt.
Kondensator 11 = 12 pF, Kondensator 13 = 5 pF, Spule 9 mit 9,25 und Spule 10 mit 4,25 Windungen, Kopplungsfaktor zwischen 9 und 10 = 0,25, Widerstand 1.2 = 1.20 d2.
Transformator 14 mit zwei Bifilarwicklungen, je von 3 Windungen auf einem 4 mm grossen Ringkern aus Ferroxcube 4E angeordnet (Selbstinduktion etwa 5 ,UH).
Die Verstärkung betrug 6,5 dB mit einer Änderung von nicht mehr als 0,02 dB, gemessen über ein Band von 55 .bis 85 MHz. Die Gruppenlaufzeit war höchstens 0;6 nsek.
In der Abwandlung gemäss Fig.4 haben die Selbstinduktion 10 und der Kondensator 1 ihre Stellen gewechselt, wobei der Kondensator 11 an eine Anzapfung der Spule 9 angeschlossen. ist. Die dabei erhaltene Verstärkung ist noch etwas höher als im Falle der F!.-. 3, allerdings ist auch die Gruppenlaufzeit etwas grösser.
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In Fig. 5 ist eine ausgeführte Verstärkerkaskade mit zwei Stufenverstärkern 19 gemäss Fig. 3 dargestellt.
Diese zwei Stufenverstärker sind über in der Vorwärtsrichtung betriebene Gleichrichter 20 miteinander gekoppelt, deren Einstellpunkt mittels eines automatischen Stärkeregelstromes an der Klemme 21 eingestellt wird, während den Gleichrichtern 20 Gleichrichter 22 in den Querreigen des Übertragungskanals vorangehen, die, wie die Gleichrichter 20, eine streng exponentielle Strom-Spannungs-Cha- rakteristik aufweisen und dadurch eine im wesentlichen verzerrungsfreie Stromverteilung der Signalwechselströme über diese beiden Gleichrichter ermöglich en.