Raucharme Verstärkerstute
Die vorliegende Erfindung betrifft eine rauscharme Verstärkerstufe mit parallelgeschalteten aktiven Verstärkerelementen.
Zur Anpassung der Eingangsimpedanz von Transistorverstärkerstufen an vorangehende Schaltkreise wurden in bekannten Schaltungen zwei oder mehrere Transistoren parallelgeschaltet. Es wurde damit entweder eine optimale Leistung - oder eine optimale Rauschanpassung angestrebt, wobei letztere diejenige Anpassung bedeutet, bei der die kleinste Rauschzahl erreicht wird. Bei den bekannten Schaltungen wurden keine Feldeffekttransistoren verwendet. Die durch die Parallelschaltung erreichte Verbesserung der Rauschzahl ist ausschliesslich auf die Optirnalisierung der Rauschanpassung zurückzuführen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Verstärkerstufe, die gegenüber den bisher bekannten Schaltungen eine kleinere Rauschzahl aufweist.
Die erfindungsgemässe Verstärkerstufe ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei parallelgeschaltete Feldeffekt-Transistoren vorgesehen sind.
Durch das Parallelschalten einer Anzahl n gleicher aktiver Verstärkerelemente erhöhte sich deren Stromverstärkung und an einer gemeinsamen Lastimpedanz Z somit die Spannungsverstärkung gegenüber einem einzelnen Element auf den n-fachen Wert. Ein Nutzsignal wird daher in einer solchen Verstärkerstufe auf den n v-fachen Wert verstärkt.
Im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen erhöht sich bei der erfindungsgemässen Verstärkerstufe die Rauschspannung durch das Parallelschalten von n Verstärkerelementen nicht ebenfalls um diesen Faktor n, sondern um einen kleineren Wert. Dieser Effekt kommt folgendermassen zustande: Bei parallelgeschalteten Verstärkerelementen, welche vom Ausgang zum Eingang praktisch keine Rückwirkung zeigen, sind die Rauschspannungen nicht kohärent. Diese Rausehspannungen UNI, UN2 bis UNn addieren sich daher nicht direkt, sondern werden auf folgende Weise zusammengesetzt:
EMI1.1
UN <SEP> total <SEP> = <SEP> lUNI1+CN,'fbiEUNn'
<tb>
Bei der Annahme, dass die Rauschspannungen der einzelnen Verstärkerelemente ungefähr gleich gross sind, ergibt sich ein Xn-facher Wert.
Die Rauschleistung nimmt also bei der Parallelschaltung mehrerer Verstärkerelemente nicht im selben Masse zu wie die Nutzleistung, so dass eine Verbesserung der Rauschzahl erzielt wird.
Wie aus obigem hervorgeht, kann eine Verbesserung der Rauschzahl nur zustande kommen, sofern die Rauschspannungen an den Verstärkerelementen nicht kohärent sind, d. h. dass vom Ausgang zum Eingang der Verstärkerstufe keine Rückwirkung bestehen darf. Diese Forderung ist insbesondere bei MOS-Feldeffekt-Transistoren erfüllt. Da bei diesen Transistoren das Eigenrauschen zur Hauptsache in der Quelle-Senkstrecke entsteht und eine sehr kleine Rückwirkung auf die Steuerelektroden besteht, weisen die Rauschspannungen parallelgeschalteter MOS-Feldeffekt-Transistoren nur eine schwache Kohärenz auf. Diese Transistoren sind daher für die erfindungsgemässe Verstärkerstufe speziell geeignet.
Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine rauscharme Verstärkerstufe. In Fig. 2 sind die Rauschspannungen am Eingang und am Ausgang der Verstärkerstufe dargestellt.
In der in Fig. 1 dargestellten Verstärkerstufe sind zwei parallelgeschaltete Feldeffekt-Transistoren 1 und 2 vorhanden. Die Quelleanschlüsse Q1, Q2 der beiden Transistoren 1, 2 sind über je einen Widerstand 3, 4 an einer Speisequelle -UB angeschlossen und sind mittels je eines Kondensators 7, 8 wechselstrommässig an Erde gelegt. Die in den Transistoren 1, 2 erzeugten Rauschspannungen UN1, UN2 sind als Rauschquellen in den Quellenzuführungen angedeutet. Je eine Steuerelektrode Kl, K2 ist zur Einstellung des Arbeitspunktes der Transistoren 1, 2 über einen einstellbaren Spannungsteiler 5 an eine Spannungsquelle -UB gelegt Diese Steuerelektroden Kl, K2 sind über einen Kondensator 6 gegen Erde abgeblockt.
Die zusammengeschalteten zweiten Steuerelektroden Gi, G2 stellen den Eingang und die zusammengeschalteten Senkeanschlüsse stellen den Ausgang der Verstärkerstufe dar. An den Ausgangsklemmen ist eine Lastimpedanz Z angeschlossen.
In Fig. 2a ist die Grösse der Eingangsnutzspannung Ue und der Eingangsrauschspannung USe aufgezeichnet. Die Fig. 2b zeigt die Verhältnisse am Ausgang der Verstärkerstufe für den Fall, dass nur ein Feldeffekttransistor 1 mit einer Spannungsverstärkung von v = 3 vorhanden ist. Die verstärkte Nutzspannung ist mit Ua, die verstärkte Rauschspannung ist mit USa und die in der Verstärkerstufe erzeugte Rauschspannung ist mit UNI bezeichnet.
In Fig. 2c sind die Verhältnisse am Ausgang der Verstärkerstufe bei der Parallelschaltung zweier Feldeffekt-Transistoren dargestellt. Die Nutzspannung und die am Eingang bereits vorhandene Rauschspannung sind gegenüber der Verstärkerstufe mit nur einem Feldeffekt-Transistor auf den 2fachen Wert angestiegen. Die in der Verstärkerstufe erzeugte Rauschspannung ist dagegen nur um den 72fachen Wert grösser geworden.
Die Rauschzahl Fb für das in Fig. 2b dargestellte Zahlen- beispiel mit nur einem Feldeffekt-Transistor beträgt:
Fb = Pe/PSe Ue2iUSe2
Pai(PSa + PNI) UaV(USa2 + UN2) 22wo,52 = 2,78 621(1,52 + 22)
Die verbesserte Rauschzahl Fc für das in Fig. 2c dargestellte Zahlenbeispiel mit zwei parallelgeschalteten Feldeffekt-Transistoren beträgt:
Fc = 2210,52
1221(32 + 2,832) = 1,89
Zur weiteren Verbesserung der Rauschzahl der Verstärkerstufe können, wie in Fig. 1 angedeutet, weitere Feldeffekt-Transistoren parallelgeschaltet werden.