DE10050740B4

DE10050740B4 - amplifier

Info

Publication number: DE10050740B4
Application number: DE2000150740
Authority: DE
Inventors: Klaus Danzeisen
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2020-10-14
Also published as: DE10050740A1

Abstract

Gegengekoppelter Verstärker, dessen Verstärkung durch Änderung des Verhältnisses von am Ausgang wirksamen Arbeitswiderstand zu Gegenkopplungswiderstand in einem großen Bereich einstellbar ist, wobei der Gegenkopplungswiderstand zwei Dioden umfaßt, deren Widerstand eine Funktion eines ihnen zugeführten Regelgleichstroms ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dioden (D1, D2) entgegengesetzt gepolt entweder hochfrequenzmäßig parallel oder in Serie geschaltet sind und parallel zu dieser Diodenschaltung eine Kompensations-Induktivität (L1) geschaltet ist, die mit den parasitären Kapazitäten der Diodenschaltung einen Parallelresonanzkreis bildet.Counter-coupled amplifier whose gain is adjustable by varying the ratio of output resistance to negative feedback resistance in a wide range, the negative feedback resistance comprising two diodes whose resistance is a function of a control direct current supplied thereto, characterized in that the two diodes (D1, D2) are oppositely poled either hochfrequenzmäßig connected in parallel or in series and parallel to this diode circuit, a compensation inductance (L1) is connected, which forms a parallel resonant circuit with the parasitic capacitances of the diode circuit.

Description

Die Erfindung betrifft einen gegengekoppelten Verstärker laut Oberbegriff des Hauptanspruches.The The invention relates to a negative feedback amplifier according to the preamble of the main claim.

Gegengekoppelte Verstärker dieser Art sind bekannt. Bei einem dieser bekannten Verstärker ist im Gegenkopplungskreis nur eine Einzeldiode angeordnet ( US-Patent US 5,307,026 ). Bei einem anderen zweistufigen Verstärker sind im Gegenkopplungskreis der ersten Verstärkerstufe zwar zwei parallel geschaltete Dioden vorgesehen, die jedoch in gleicher Richtung gepolt sind (Deutsche Patentschrift DE 39 37 054 C1 ). Bei diesen bekannten Verstärkern besteht ein erheblicher Einfluß der im Gegenkopplungszweig wirksamen Hochfrequenz auf die wirksame Kapazität der Einzeldiode bzw. den in gleicher Richtung gepolt parallel geschalteten beiden Dioden. Es ist auch schon bekannt, zur Erhöhung der für Hochfrequenz wirksamen Emitterimpedanz in Reihe zum Emitterwiderstand eine Induktivität zu schalten ( US-Patent US 5,307,026 ).Back-coupled amplifiers of this type are known. In one of these known amplifiers, only a single diode is arranged in the negative feedback circuit ( U.S. Patent No. 5,307,026 ). In another two-stage amplifier Although two parallel-connected diodes are provided in the negative feedback circuit of the first amplifier stage, but which are poled in the same direction (German Patent DE 39 37 054 C1 ). In these known amplifiers, there is a significant influence of the effective in the negative feedback branch high frequency on the effective capacitance of the single diode or polarized in the same direction in parallel two diodes. It is also already known, in order to increase the effective for high frequency emitter impedance in series with the emitter resistor to an inductance ( U.S. Patent No. 5,307,026 ).

Für moderne Schaltungskonzepte mit zunehmender digitaler Signalaufbereitung (z. B. Software-Radio) werden immer höhere Anforderungen an die abnehmende Anzahl von analogen Schaltungsteilen gestellt. Ein solches kritisches Schaltungsteil ist beispielsweise der Verstärker vor dem Analog/Digital-Wandler. Dieser Verstärker sollte eine große meist einstellbare Verstärkung bei gleichzeitig hoher Aussteuerbarkeit besitzen und zwar mit der gleichzeitigen Forderung, daß bei starker Abregelung in Folge großer Eingangssignale die Linearität des Verstärkers in einem ausreichenden Maße erhalten bleibt.For modern Circuit concepts with increasing digital signal processing (eg software radio) are becoming increasingly demanding on the decreasing Number of analog circuit parts provided. Such a critical one Circuit part, for example, the amplifier before the analog / digital converter. This amplifier should be a big one mostly adjustable gain possess at the same time high Aussteuerbarkeit and that with the simultaneous Demand that at strong reduction in consequence of large Input signals the linearity of the amplifier to a sufficient extent preserved.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker zu schaffen, der diese Eigenschaften in optimaler Weise erfüllt. It It is therefore an object of the invention to provide an amplifier, this Properties fulfilled in an optimal way.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem gegengekoppelten Verstärker laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.These Task is based on a negative feedback amplifier The preamble of the main claim by its characterizing features solved. Advantageous developments emerge from the subclaims.

Durch die erfindungsgemäße Parallel- bzw. Serienschaltung von zwei entgegengesetzt gepolten Dioden wird der Einfluß der am Gegenkopplungswiderstand anliegenden Hochfrequenz auf die Kapazitäten der beiden Dioden kompensiert, die verbleibenden parasitären Störkapazitäten werden durch die gleichzeitig parallel zu den Dioden geschaltete Kompensations-Induktivität kompensiert. Die minimale Verstärkung wird damit bei einer erfindungsgemäßen Schaltung ausschließlich bestimmt durch den ohmschen Widerstand der Dioden.By the parallel invention or series connection of two oppositely poled diodes is the influence of High frequency applied to the negative feedback resistor to the capacitances of the compensated for two diodes, the remaining parasitic parasitic capacitances compensated by the simultaneously connected in parallel with the diodes compensation inductance. The minimum gain is thus determined exclusively in a circuit according to the invention through the ohmic resistance of the diodes.

Die erfindungsgemäße Kompensationsmaßnahme ist für alle gegengekoppelten Verstärkerschaltungen unabhängig von dem hierbei verwendeten Verstärkerelement anwendbar, deren Verstärkung durch das Verhältnis von Arbeitswiderstand zu Gegenkopplungswiderstand bestimmt ist. Als Verstärkerelemente können beispielsweise Röhren, bipolare Transistoren oder auch Feldeffekttransistoren benutzt werden, ebenso hochfrequente Operationsverstärker. Anstelle der beiden entgegengesetzt gepolten Dioden können auch entsprechend als Dioden geschaltete Transistoren, beispielsweise Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren oder Optokoppler benutzt werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, die Erfindung bei einem Transistorverstärker anzuwenden und Halbleiterdioden zu verwenden. Die Kompensations Induktivität kann als einstellbare Spule ausgebildet werden, sie kann aber auch in gedruckter Schaltungstechnik als Leitungselement ausgebildet sein.The Compensation measure according to the invention is for all counter-coupled amplifier circuits independently of the amplifier element used here, whose reinforcement through the relationship from load resistance to negative feedback resistance. As amplifier elements can for example tubes, bipolar transistors or field effect transistors are used, as well as high-frequency operational amplifiers. Instead of the two opposite polarized diodes can also according to transistors connected as diodes, for example Field effect transistors or bipolar transistors or optocouplers to be used. However, it has proven to be particularly advantageous to apply the invention to a transistor amplifier and semiconductor diodes to use. The compensation inductance can be used as an adjustable coil They can also be trained in printed circuit technology be designed as a conduit element.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The The invention will be described below with reference to schematic drawings embodiments explained in more detail. In show the drawing:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen gegengekoppelten Verstärkers, 1 A first embodiment of the negative feedback amplifier according to the invention,

2 einen Ausschnitt aus einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gegengekoppelten Verstärkers, 2 a detail of a second embodiment of a negative feedback amplifier according to the invention,

3 die Regelcharakteristik des erfindungsgemäßen Verstärkers, 3 the control characteristic of the amplifier according to the invention,

4 einen Vorverzerrer mit nichtlinearer Übertragungskennlinie und 4 a predistorter with nonlinear transfer characteristic and

5 die Verstärkung V als Funktion der Regelspannung U_R. 5 the gain V as a function of the control voltage U _R.

1 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Kompensationsmaßnahme bei einem gegengekoppelten Transistorverstärker mit einem bipolaren Transistor H als Verstärkerelement. Das zu verstärkende Eingangssignal wird über einen Trennkondensator C1 der Basis B des Transistors H zugeführt, die Basisvorspannung wird bestimmt durch die an der Basis B angeschalteten Widerstände R1 und R2. Die Auskopplung des verstärkten Signals erfolgt am Kollektor C über einen Trennkondensator C2, im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Auskopplung über einen HF-Übertrager T1, dem ein ohmscher Widerstand R3 parallel geschaltet ist. Die Kollektorspannung V_c wird über den Übertrager T1 und den Widerstand R3 zugeführt, der Rückkopplungswiderstand R1 ist mit dem Widerstand R3 des Auskoppelkreises verbunden. Am Emitter E ist über einen Widerstand R4 und einen Trennkondensator C6 ein Stellglied in Form von zwei antiparallel geschalteten Pin-Dioden D1 und D2 angeschaltet, dem über einen Widerstand R5 aus einer Regelspannungsquelle U_R der Regelgleichstrom zugeführt wird. Die Kondensatoren C3, C4 und C7 sind jeweils HF-Kurzschlüsse. Die Verstärkung des Transistors H wird bestimmt durch das Verhältnis von HF-Arbeitswiderstand am Kollektor C zu dem HF- Gegenkopplungswiderstand am Emitter E. Der Gleichstrom-Arbeitspunkt des Transistors H ist definiert durch den Gleichstrom-Widerstand R4 am Emitter E und die Basisvorspannung resultierend aus dem Verhältnis der Widerstände R1 und R2. Über den Auskoppel-Kondensator C2 ist die nachfolgende Stufe der Schaltung angeschlossen, beispielsweise ein analog-digital-Wandler. Durch den Widerstand R3 wird ein definierter Quellwiderstand für die nachfolgende Stufe erzeugt. 1 shows the application of the compensation measure according to the invention in a counter-coupled transistor amplifier with a bipolar transistor H as an amplifier element. The input signal to be amplified is supplied through a separating capacitor C1 to the base B of the transistor H, and the base bias voltage is determined by the resistors R1 and R2 connected to the base B. The amplified signal is decoupled from the collector C via a separating capacitor C2. In the exemplary embodiment shown, the decoupling takes place via an HF transformer T1, to which an ohmic resistor R3 is connected in parallel. The collector voltage V _c is supplied via the transformer T1 and the resistor R3, the feedback resistor R1 is connected to the resistor R3 of the Auskoppelkreises. At the emitter E via a resistor R4 and a separator capacitor C6 is an actuator in the form of two antiparallel connected Pin diodes D1 and D2 turned on, which is supplied via a resistor R5 from a control voltage source U _R, the control DC current. The capacitors C3, C4 and C7 are RF shorts, respectively. The gain of transistor H is determined by the ratio of the RF load at collector C to the RF negative resistance at emitter E. The DC operating point of transistor H is defined by the DC resistance R4 at emitter E and the base bias resulting from Ratio of resistors R1 and R2. About the decoupling capacitor C2, the subsequent stage of the circuit is connected, for example, an analog-to-digital converter. The resistor R3 generates a defined source resistance for the subsequent stage.

Die Verstärkung der Schaltung nach 1 wird bestimmt durch das Verhältnis aus dem HF-Arbeitswiderstand unter Berücksichtigung des Trans formationsverhältnisses des Übertragers T1 und dem HF-Gegenkopplungswiderstand am Emitter E, der seinerseits bestimmt wird durch folgende zwei Parameter:

a) durch die Art des den Gegenkopplungswiderstand am Emitter E bestimmenden Stellgliedes (im Ausführungsbeispiel nach 1 durch die antiparallel geschalteten PIN-Dioden D1/D2) und
b) durch die am Emitter E wirksamen parasitären Kapazitäten (in 1 symbolisch dargestellt durch die Kapazität C5).

The gain of the circuit after 1 is determined by the ratio of the RF load resistance, taking into account the trans tion ratio of the transformer T1 and the RF negative feedback resistance at the emitter E, which in turn is determined by the following two parameters:

a) by the nature of the negative feedback resistor at the emitter E determining actuator (in the embodiment according to 1 by the antiparallel-connected PIN diodes D1 / D2) and
b) by the effective at the emitter E parasitic capacitances (in 1 symbolically represented by the capacitance C5).

Zu a:To a:

Als Stellglieder werden meist Halbleiterdioden, vorzugsweise PIN-Dioden benutzt, deren HF-Widerstand eine Funktion des in ihnen fließenden Regel-Gleichstromes ist. Für hohe Anforderungen an die Linearität empfiehlt sich bei relativ hochohmigen Dioden Antiparallel-Schaltung von zwei Dioden D1 und D2, damit bei der Einstellung der maximalen Verstärkung der Absolutwert der Verstärkung ausreichend hoch wird.When Actuators are usually semiconductor diodes, preferably PIN diodes used, whose RF resistance is a function of the current flowing in them direct current is. For high demands on linearity are recommended for relative high-impedance diode anti-parallel circuit of two diodes D1 and D2, so that when setting the maximum gain of Absolute value of the gain becomes sufficiently high.

Für den Fall relativ niederohmiger Dioden D1 und D2 empfiehlt sich gemäß 2 zur Sicherstellung eines ausreichenden Regelbereiches bei hohem Linearitätsbereich die antiserielle Schaltung der Dioden D1 und D2. Der Regelstrom aus den Dioden D1/D2 wird in 1 und in 2 jeweils über einen Widerstand R4 dem Emitter E des Transistors H zugeführt. Anstelle der Dioden D1 und D2 können auch andere Halbleiter-Elemente wie FETs oder elektrooptische Koppler benutzt werden.For the case of relatively low-resistance diodes D1 and D2, it is recommended according to 2 to ensure a sufficient control range at high linearity range, the antiserial circuit of the diodes D1 and D2. The control current from the diodes D1 / D2 is in 1 and in 2 each supplied via a resistor R4 to the emitter E of the transistor H. Instead of the diodes D1 and D2, other semiconductor elements such as FETs or electro-optical couplers may also be used.

Zu b)To b)

Die minimale Verstärkung Wird bestimmt durch die Parallelschaltung des ohmschen Widerstandes des Stellgliedes (D1 und D2). Dieser ist stromabhängig und hat einen durch den Sperrstrom begrenzten endlichen Wert. Parallel zu diesem ohmschen Widerstand des Stellgliedes liegt jedoch noch die Summe aus allen parasitären Störkapazitäten wie Dioden-Chipkapazität, Diodengehäusekapazität, Transistor-Kapazität, Layout-Kapazität und dergleichen. Der daraus resultierende kapazitive Blindwiderstand ist in seiner Summe bei einem üblichen Aufbau und bei Frequenzen im Bereich größer als 10 MHz niederohmiger als der ohmsche Widerstand der Stellglieder (Dioden) und bestimmt daher im wesentlichen die maximale Abregelung des Verstärkers, also die minimale Verstärkung.The minimal reinforcement Is determined by the parallel connection of the ohmic resistance of the actuator (D1 and D2). This is current-dependent and has a limited by the reverse current finite value. Parallel However, for this ohmic resistance of the actuator is still the Sum of all parasitic Interference capacitances such as diode chip capacitance, diode package capacitance, transistor capacitance, layout capacitance and the like. The resulting capacitive reactance is in its Sum at a usual Structure and at frequencies in the range greater than 10 MHz low impedance as the ohmic resistance of the actuators (diodes) and determined therefore essentially the maximum reduction of the amplifier, so the minimum gain.

Um diese störende Wirkung der parasitären Kapazitäten zu vermeiden, wird parallel zu dem die parasitären Kapazitäten erzeugenden Stellglied (Dioden) eine Induktivität L1 geschaltet, die vorzugsweise abgleichbar ist und die mit der parasitären Kapazität C5 einen Parallelresonanzkreis bildet. Die Leerlaufgüte dieser Induktivität L1 sollte möglichst hoch sein, da ja der Kreisverlustwiderstand ebenfalls parallel zu dem ohmschen Widerstand der Stellglieder liegt.Around this disturbing To avoid the effect of parasitic capacitances becomes parallel to which the parasitic capacities generating actuator (diodes) an inductance L1 connected, preferably is tunable and with the parasitic capacitance C5 a parallel resonant circuit forms. The idling quality this inductance L1 should be as possible be high, since the circuit loss resistance is also parallel to the ohmic resistance of the actuators is.

3 zeigt die Regelcharakteristik des so ergänzten Verstärkers. Die prinzipbedingte Reduzierung der Betriebsbandbreite bei Abregelung (minimale Verstärkung V_min) kann für manche Anwendungen ein wesentlicher Vorteil sein, da hierdurch beispielsweise bei Anwesenheit von vielen Signalen die Amplitude entsprechend reduziert wird. 3 shows the control characteristic of the thus supplemented amplifier. The principle-based reduction of the operating bandwidth during downshifting (minimum amplification V _min ) can be a significant advantage for some applications since, in the presence of many signals for example, the amplitude is correspondingly reduced.

4 zeigt eine Ergänzung der Schaltung nach 1 bzw. 2, die Zufuhr der Regelspannung U_R über den Widerstand R5 zu dem Stellglied D1/D2 erfolgt über einen Vorverzerrer Z mit nichtlinearer Übertragungskennlinie, die so gewählt ist, daß zwischen der linear steuernden Regelspannung U_R und dem im Vorverzerrer Z geformten Ausgangsstrom I_R eine logarithmierte Verstärkung mit linearem Zusammenhang zwischen Regelspannung U_R und Verstärkung V des Verstärkers besteht (dB – lineare Verstärkung). Dieser Zusammenhang ist in 5 dargestellt. 4 shows a supplement to the circuit 1 respectively. 2 , the supply of the control voltage U _R via the resistor R5 to the actuator D1 / D2 via a predistorter Z with non-linear transfer characteristic, which is chosen so that between the linearly controlled control voltage U _R and the Z formed in the predistorter Z output current I _R logarithmierte Gain with linear relationship between control voltage U _R and gain V of the amplifier (dB - linear gain). This connection is in 5 shown.

Claims

Counter-coupled amplifier whose gain is adjustable by changing the ratio of output resistance to negative feedback resistance in a wide range, the negative feedback resistance comprising two diodes whose resistance is a function of a control direct current supplied thereto, characterized in that the two diodes (D1, D2) are oppositely poled either hochfrequenzmäßig connected in parallel or in series and parallel to this diode circuit, a compensation In inductance (L1) is connected, which forms a parallel resonant circuit with the parasitic capacitances of the diode circuit.

amplifier according to claim 1, characterized in that the reinforcing element is a transistor (H) and the negative feedback resistance is opposite to the two polarized diodes (D1, D2) and the parallel-connected compensation inductance (L1) in Emitter circle are arranged.

amplifier according to one of the preceding claims, characterized that the Compensation inductance (L1) is calibratable.

amplifier according to one of the preceding claims, characterized that the Compensation inductance (L1) has a high idling quality.

Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the control direct current (I _R ) from a control DC voltage (U _R ) via a predistorter (Z) to the diodes (D1, D2) is supplied and the predistorter (Z) has such a non-linear transfer characteristic in that a linear relationship between the control direct voltage (U _R ) and the gain (V) is achieved.

amplifier according to one of the preceding claims, characterized that the Compensation inductance (L1) formed in printed circuit technology as a line element is.

amplifier according to one of the preceding claims, characterized that the Diodes (D1, D2) are PIN diodes.