DE1033262B

DE1033262B - Transistorverstaerker mit automatischer Verstaerkungsregelung

Info

Publication number: DE1033262B
Application number: DET13074A
Authority: DE
Inventors: Roger Robinson Webster
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1956-01-10
Filing date: 1957-01-08
Publication date: 1958-07-03
Also published as: BE553540A; FR1164111A; US3014186A; CH347549A

Description

DEUTSCHES

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T13074VIIIa/21a²

ANMELDETAG: 8. JANUAR 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

3. JULI 1958

Die Erfindung bezieht sich auf Transistorverstärkungsschaltungen, insbesondere für Hochfrequenz, mit automatischer Verstärkungsregelung, die zugleich konstante Bandbreitencharakteristiken aufweisen.

Es ist bekannt, daß, obwohl das Stromkreisverhalten von Transistoren und Vakuumröhren in vieler Hinsicht ähnlich ist, z. B. der Triodentransistor keineswegs in seinem Verhalten der üblichen Triodenröhre vollständig analog ist. Viele der besonderen Probleme bei Transistorschaltungen, die bei Röhrenschaltungen nicht angetroffen werden, haben ihren Ursprung in einem Kopplungseffekt zwischen Eingangs- und Ausgangskreis des Transistors, in der verhältnismäßig niedrigen Eingangsimpedanz im Vergleich zur Ausgangsimpedanz und in dem Umstand, daß ein Transistor in erster Linie mehr eine strombetätigte als eine spannungsbetätigte Vorrichtung ist.

Diese Eigenschaften der Transistoren ergeben eine Schwierigkeit bei der automatischen Verstärkungsregelung eines Transistorkaskadenverstärkers, bei dem die Verstärkungsregelung dadurch erzielt wird, daß eine an eine oder mehrere der Verstärkerstufen angelegte Gleichvorspannung gemäß dem Ausgangspegel irgendeiner späteren Stufe geändert wird. Die die automatische Verstärkungsregelung bewirkende Spannung, die der normalen Vorspannung des Transistors überlagert wird, beeinträchtigt nun die Verstärkung der Stufe auf zweierlei Weise: Erstens ist die Verstärkung des Transistors unmittelbar von seinen Vorspannungsströmen (Ruheströmen) abhängig, und jede Änderung dieser Ruheströme ändert die Verstärkung. Zweitens rufen Änderungen in den Ruheströmen des Transistors Änderungen sowohl in der Widerstands- als auch in der Reaktanzkomponente seiner Eingangsimpedanz hervor, wodurch schlechte Impedanzübereinstimmung zwischen dem Transistoreingang und der vorangehenden Stufe verursacht wird. Schlechte Impedanzübereinstimmungen erniedrigen aber die Verstärkung der beeinträchtigten Stufen, sie bewirken außerdem eine Verstimmung und Dämpfung der Kopplungskreise, so daß sowohl die Abstimmungs- als auch die Bandbreitenverhältnisse des Verstärkers eine Funktion der automatischen Verstärkungsregelung oder letzten Endes eine Funktion der Eingangssignalstärke werden. Dies ist aber bei Verstärkern für eine große Anzahl von Anwendungen sehr unerwünscht.

Demgemäß ist es der Zweck der Erfindung, eine Transistorverstärkerschaltung zur Verwendung insbesondere bei Hochfrequenzen zu schaffen, bei welcher Abstimmung und Bandbreite über einen weiten Bereich der Spannungen für die automatische Verstärkungsregelung im wesentlichen konstant bleiben. Damit wird also erreicht, daß der Bereich der Transistorverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung

Anmelder:

Texas Instruments, Incorporated, Dallas, Tex. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. E. Wiegand, München 27,

und Dipl.-Ing. W. Niemann, Hamburg 1, Ballindamm 26,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 10. Januar 1966

Roger Robinson Webster, Dallas, Tex. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

automatischen Verstärkungsregelung im Vergleich zu bisher bekannten Transistorverstärkerschaltungen für eine gegebene Bandbreite beträchtlich erweitert ist bzw. daß die Eingangsimpedanzänderungen, die durch die automatische Verstärkungsregelung erzeugt werden, auf ein Minimum herabgesetzt sind.

Die in Rede stehende Stabilisierung einer Transistorverstärkerstufe mit automatischer Verstärkungsregelung durch eine von der Signalspannung abgeleitete zusätzliche Gleichvorspannung wird gemäß der Erfindung mittels eines nur in einer Richtung leitenden Elementes erreicht, das derart in den Eingangskreis der Stufe geschaltet und in Abhängigkeit vom sich mit der Verstärkungsregelung ändernden Transistorruhestrom vorgespannt ist, daß es eine die Eingangsimpedanz der Verstärkerstufe konstant haltende Parallelimpedanz bildet.

Die Schaltungsmerkmale gemäß der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Schaltungsbeispiel für hinsichtlich der Bandbreite stabilisierte Transistorverstärker gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, in welcher Weise die Transistoreingangsimpedanz sich mit dem Emitterstrom ändert, und zwar sowohl für einen gewöhnlichen Transistorverstärker als auch für den hinsichtlich der Bandbreite stabilisierten Transistorverstärker gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist teilweise schematisch eine Stufe eines typischen n-p-n-Transistorverstärkers mit automa-

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tischer Verstärkungsregelung gezeigt, die einen Transistor 10 enthält, dessen Emitter über einen Vorspannungwiderstand 11 mit Erde verbunden ist und dessen Kollektor an die B Λ—Spannung angeschlossen und außerdem mit einem Impedanzanpassungskreis 12 verbunden ist, welcher diese Stufe mit der nächsten Stufe koppelt, während an seine Basis über einen Widerstand 13 eine die automatische Verstärkungsregelung bewirkende Spannung gelegt ist, die von

chung der Eingangsimpedanz des Transistors um jeweils 15% von der mittleren Impedanz und die Grenzen, innerhalb welcher die Bandbreite sich nicht mehr als etwa 7V2°/o mit einem doppelt abgestimmten 5 Eingangskopplungskreis ändert, wie er bei einer beispielsweisen Schaltung benutzt wurde. Man kann daraus sehen, daß die Spannungsänderungen für die Verstärkungsregelung der Stufe innerhalb des Bereiches gehalten werden müssen, in welchem die ihnen

dem Ausgangssignal einer späteren Stufe des Ver- io entsprechenden Emitterströme keine Eingangsimpestärkers abgeleitet ist. Ein üblicher Überbrückungs- danzänderung von mehr als 15% der mittleren Imkondensator 9 ist parallel zu dem Emitterwider- pedanz bewirken, wenn nachteilige Änderungen der stand 11 geschaltet. Das Eingangssignal wird der Bandbreite von mehr als den willkürlich angenomme-Basis des Transistors 10 von der vorhergehenden Stufe nen 7V2% vermieden werden sollen. Dieser Emitterdes Verstärkers über den Impedanzanpassungs- und 15 Strombereich ist in der graphischen Darstellung gemäß Kopplungskreis 14 zugeführt. Der bisher beschriebene Fig. 2 durch die Linie 18 (Emitterstrom ohne ange-Verstärkerkreis betrifft die wesentlichen Teile, die legte Spannung zur automatischen Verstärkungsregeüblicherweise in einer Transistorverstärkerstufe be- lung) und die Linie 29 (Emitterstrom, der eine 15%ige nutzt werden. Änderung der Eingangsimpedanz erzeugt) begrenzt.

Die beiden Kopplungskreise 12 und 14 können aus 20 Als Verstärkung ausgedrückt umfaßt dieser Bereich irgendwelchen der vielen bekannten Zwischenstufen- nur wenige Dezibel.

Impedanzanpassungsnetzwerke bestehen, z, B. doppelt Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Transistorein-

odereinzelnabgestimmtenTransformatorenoderT-oder gangskreis gemäß der Erfindung zusätzlich ein TT-Netzwerken mit induktiver, kapazitiver oder induk- Diodenelement 19 aufweist, dessen Kathode über einen tiver und kapazitiver Kopplung, die auf die Arbeits- 25 Widerstand 20 mit dem Emitter des Transistors 10

frequenz abgestimmt und zur Impedanzanpassung der gekoppelten Stufen vorgesehen sind. Der Kopplungskreis ist jeweils ein Reaktanzkreis und so bemessen, daß er eine gewisse gewünschte Bandbreitencharakteristik

und über einen Kondensator 21 mit Erde verbunden ist, während seine Anode über einen Kondensator 22 mit der Basis und außerdem mit der Verbindungsstelle zweier Widerstände 23 und 24 verbunden ist.

zusammen jeweils mit der Eingangsimpedanz des 30 Die Kondensatoren 9 und 22 besitzen einen solchen Transistors bedingt. Da es nur eine günstige Einstel- Wert, daß sie keine wahrnehmbare Impedanz bei der lung des Kopplungskreises zur Impedanzanpassung zu verstärkenden Frequenz darstellen. Wenn die für jeden Wert der Transistorvorspannung gibt, wird Diode 19 leitend ist, ist die von dem Kopplungskreis die Einstellung des Kopplungskreises gewöhnlich bei 14 aus gesehene Impedanz aus zwei parallelen Wegen einem optimalen Vorspannungszustand des Transi- ₃₅ aufgebaut, von denen der eine über den Transistor stors gewählt. Um jedoch die Verstärkung der Stufe selbst von der Basis durch den Emitter zur Erde verzu regeln, muß einer der Ruheströme geändert wer- läuft, während der andere von der Basisleitung durch den. Eine Änderung eines der Ruheströme bewirkt die Diode 19 und den parallel zum Widerstand 20 aber eine Änderung sowohl der Widerstands- als liegenden Kondensator 21 zur Erde verläuft. Wenn auch der Reaktanzkomponente der Eingangsimpedanz 40 die Diode 19 nichtleitend ist, ist die Kreiseingangsdes Transistors. Die damit bedingte schlechte Impe- impedanz lediglich durch die Eingangsimpedanz des danzübereinstimmung zwischen dem Transistorein- Transistors gegeben. Indem nun die Größe der Widergang und dem Kopplungskreis ergibt eine abweichende stände 23 und 24, welche einen Spannungsteiler zwi-Belastung des Kopplungskreises und der vorhergehen- sehen der B+-Spannung und Erde bilden, so gewählt den Stufe und dementsprechend eine unerwünschte 45 wird, daß die Spannung an ihrer Verbindungsstelle Änderung in der Bandbreitencharakteristik des Ver- und daher die Spannung an der Anode der Diode 19 stärkers. Ferner kann die Reaktanzänderung zusatz- etwas kleiner als die normale Gleichvorspannung am lieh zu einer ernsthaften Verstimmung führen. Emitter des Transistors ist, ist die Diode für den ge-Die Verstärkungsregelung wird bei der in Fig. 1 sperrten Zustand vorgespannt. Die Diode bleibt geveranschaulichten Schaltung dadurch bewerkstelligt, 50 sperrt, bis die an der Basis des Transistors liegende daß der im Emitter-Basis-Kreis fließende Ruhegleich- Spannung für die automatische Verstärkungsregelung strom durch Änderungen der Basisvorspannung des den Emitterruhestrom auf den Wert herabsetzt, bei dem Transistors über den Widerstand 13 variiert wird. der Spannungsabfall an dem Widerstand 11, welcher Die Wirkungen der Änderungen des Emitterstromes die Spannung an dem Emitter und der Diodenkathode auf die Eingangsimpedanz des Transistors sind gra- 55 bestimmt, sich auf einen Wert erniedrigt hat, der phisch in Fig. 2 dargestellt, in welcher die Eingangs- weniger positiv als die Spannung an der Anode der impedanz in Abhängigkeit vom Emitterstrom für Diode ist. Bei dieser Spannung wird die Diode leitend, einen n-p-n-Transistor mit geerdetem Emitter aufge- und die Eingangsimpedanz des Kreises ist nun durch zeichnet ist. Die waagerechte Linie 15 stellt die Ein- die parallelen Impedanzwege zwischen der Basisleigangsimpedanz des Transistors dar, wenn die Ruhe- 60 tung und Erde bestimmt. Da die Impedanz der Diode ströme für optimale Wirkung der Schaltung eingestellt eine Funktion des durchfließenden Stromes ist, ersind. Der Eingangskopplungskreis des Transistors ist reicht die Eingangsimpedanz der Verstärkerstufe ein so bemessen, daß er die gewünschte Bandbreite ergibt, Maximum bei einem gewissen Wert des Emitterstro-

wenn man diesen Wert der Impedanz des Transistors zugrunde legt.

Die Kurve 16 veranschaulicht die Änderung der Widerstandskomponente der Transistoreingangsimpedanz, wenn der Emitterstrom durch die Spannung für die automatische Verstärkungsregelung (AVR) geän-

mes und nimmt dann mit einer Abnahme des Emitter-65 stromes ab. Da die Eingangsimpedanz des Transistors sowohl eine Widerstands- als auch eine kapazitive Komponente aufweisen kann, ist der Kondensator 21 so bemessen, daß er die Reaktanz am Eingang wirksam konstant hält, so daß auf diese Weise sowohl eine

dert wird. Die Linien 17,17 definieren eine Abwei- 70 Verstimmung mit der automatischen Verstärkungsrege-

lung vermieden als auch eine Stabilisierung der Bandbreite erhalten wird.

Die Wirkungen des gerade beschriebenen Stabilisierungskreises auf die Eingangsimpedanz der Verstärkerstufe sind in Fig. 2 durch die Kurve 25 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die Kurve 25 der Kurve 16 für den Emitterstrombereich, innerhalb dessen die Diode gesperrt ist, folgt, d. h. von dem normalen Emitterruhestrom bei 26 bis herab zu dem Emitterruhestrom, der die willkürlich gewählte zulässige Impedanzänderung erzeugt (Punkt 27). Von dem Punkt 27 an bewirkt jede weitere Abnahme des Emitterstromes, z. B. infolge der AVR-Spannung, eine vorwärts gerichtete Vorspannung an der Diode, wodurch diese leitend wird. Wie durch den übrigen Teil der Kurve 25 angezeigt ist, bewirkt die weitere Abnahme des Emitterstromes, daß die Diode noch stärker leitend wird, so daß die Eingangsimpedanz des Kreises ebenfalls abnimmt. Durch richtige Wahl des Wertes des Widerstandes 20 und des Kondensators 21 kann die Eingangsimpedanz z. B. innerhalb eines kleinen Bereichs von ± 15% der normalen Eingangsimpedanz gehalten werden, für welche der Kopplungskreis 14 bemessen war. In manchen Fällen ist der Widerstand der Diode

19 ausreichend, und der Widerstand 20 kann durch eine Hochfrequenzdrosselspule, die eine hohe Impedanz gegenüber der Arbeitsfrequenz hat, jedoch einen Gleichstromweg schafft, ersetzt werden. Der wirksame Stabilisierungsweg bei hohen Frequenzen geht dann durch die Diode 19 und den Kondensator 21. Auf diese Weise ist der Bereich der automatischen Verstärkungsregelung, der weniger als etwa 7¹A⁰A Bandbreitenänderung bewirkt, bis zu der Linie 28 ausgedehnt. Dies bedeutet einen Bereich von annähernd 25 db oder eine Erhöhung des Bereiches der automatischen Verstärkungsregelung um annähernd

20 db für den stabilisierten gegenüber dem unstabilisierten Transistorverstärker.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß der vorstehend beschriebene geerdete n-p-n-Emitterkreis lediglich als spezielles Beispiel gezeigt ist und daß die Grundsätze der Bandbreitenstabilisierung gemäß der Erfindung ebensogut auf Schaltungen, bei denen andere Transistorarten, wie p-n-p-, p-n-i-p-, n-p-i-n-Transistoren, benutzt werden, sowie auf Transistorenschaltungen mit geerdeter Basis oder geerdetem Kollektor anwendbar sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Transistorverstärkerstufe mit automatischer Verstärkungsregelung durch eine von der Signalspannung abgeleitete zusätzliche Gleichvorspannung, insbesondere in Hochfrequenzverstärkern, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite bzw. Abstimmung des Verstärkers weitgehend mittels eines nur in einer Richtung leitenden Elementes stabilisiert ist, das derart in den Eingangskreis der Stufe geschaltet und in Abhängigkeit vom sich mit der Verstärkungsregelung ändernden Transistorruhestrom vorgespannt ist, daß es eine die Eingangsimpedanz der Verstärkerstufe konstant haltende Parallelimpedanz bildet.

2. Verstärkerstufe nach Anspruch 1 mit einem Transistor in geerdeter Emitterschaltung, dessen Basis die Spannung zur automatischen Verstärkungsregelung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basis und Erde des Transistors (10) in Reihe mit zwei Kondensatoren (21., 22) einer Diode (19) geschaltet ist, die einerseits über einen Widerstand (20) mit dem Vorwiderstand (11) in der Emitterzuleitung und andererseits über einen Spannungsteiler (23, 24) mit der Speisespannung derart verbunden ist, daß sie bei mit der Verstärkungsregelung abnehmendem Emitterstrom bzw. zunehmender Eingangsimpedanz leitend wird.

3. Verstärkerstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Bemessung insbesondere des Kondensators (21) zwischen Diode und Erde die Reaktanzkomponente der Eingangsimpedanz der Stufe weitgehend konstant gehalten ist.

4. Verstärkerstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungswiderstand (20) zwischen Diode und Emitter des Transistors durch eine Spüle mit hoher Impedanz bei den mittleren Signalfrequenzen ersetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen