-
Mehrstufiger Transistorbreitbandverstärker Die Erfindung betrifft
einen mehrstufigen gleichstrommäßig stabilisierten Breitbandverstärker mit Transistoren
in Emitterschaltung, denen die Kollektorgleichspannung über einen oder mehrere in
den Kollektorkreisen der Transistoren liegende Widerstände zugeführt ist.
-
Die Betriebseigenschaften von Transistoren sind stark temperaturabhängig.
Bei der in F i g. 1 schematisch dargestellten nicht stabilisierten Transistorstufe
in Emitterschaltung läßt sich der Einfluß einer Änderung der Umgebungstemperatur
um d e durch formale Einführung einer fiktiven »Temperaturspannung« d Uvee
= De - d ?9+Rb - d 1b (1C . d ü) , (1)
in den Basiskreis
beschreiben. Dabei ist D,O der »Temperaturdurchgriff«, der bei fast allen Transistoren
in der Größenordnung von 2 mV/' C liegt, und d 1b ist die durch
A,0 hervorgerufene Änderung des Basistroms. Rb ist der im Basis-Emitter-Kreis
liegende Widerstandswert des Widerstandes 3 der äußeren Schaltung. Die durch
d Ubeb verursachte Änderung des Kollektorstroms um d 1, errechnet
man aus A i, = SA - d ube,, . (2)
SA ist die Arbeitssteilheit
des Transistors im betrachteten Arbeitspunkt.
-
Soll die Transistorschaltung möglichst temperaturunabhängig arbeiten,
ist eine kleine Kollektorstromänderung d 1c notwendig. Durch einen möglichst
kleinen Widerstandswert Rb im Emitterkreis wird man zunächst bestrebt sein, den
zweiten Summanden von d Ube b in Gleichung (1) genügend klein zu halten.
Der erste Summand ist nur vom Transistor und der Änderung der Umgebungstemperatur
d 22 abhängig.
-
Zur Verkleinerung des Kollektorstroms 1, gibt es folgende Methode:
Man führt eine dem Kollektorstrom 1, proportionale Spannung mit geeigneter Polarität
in den Basiskreis zurück. Eine einfache bekannte Schaltung dieser Art zeigt F i
g. 2. Der Transistor 1 arbeitet in Emitterschaltung. über den Widerstand 3 liegt
die Basis dieses Transistors am negativen Pol der Spannungsquelle UFB. Die negative
Kollektorspannung UcB wird dem Kollektor über den Lastwiderstand 2 zugeführt. Im
Basiskreis liegt der Gegenkopplungswiderstand 4. Um eine Verstärkungsverminderung
für die Nutzfrequenzen zu vermeiden, ist ein Kondensator 5 vorgesehen, der die Gegenkopplung
an Widerstand 4 für die Nutzfrequenzen aufhebt.
-
Einen Breitbandverstärker, bei dem das Prinzip der Gegenkopplung verwirklicht
ist, zeigt F i g. 3. Es handelt sich dabei um einen Zweistufigen-Breitbandverstärker,
dessen Transistoren in Emitterschaltung betrieben werden. Im Emitterkreis der beiden
Transistoren sind jeweils die Gegenkopplungswiderstände 8 bzw. 10 und die
zu ihnen parallel liegenden überbrückungskapazitäten 9 bzw. 11 eingeschaltet. Die
Kopplung der beiden Stufen erfolgt über den Kopplungskondensator 12. Die
zu verstärkende Wechselspannung u1 wird über den Kondensator 13 der ersten
Stufe zugeführt, und die verstärkte Wechselspannung u2 wird am Ausgang der zweiten
Stufe abgenommen. Zur Entkopplung von Gleich- und Wechselspannung am Ausgang dient
der Kondensator 22. Die Gleichspannungsversorgung für die Kollektoren der beiden
Transistoren 6, 7 erfolgt mittels einer Batterie Uc 1 über Siebglieder, bestehend
aus den Widerständen 19 bzw. 17 und den Kondensatoren 21
bzw.
15 und über die Lastwiderstände 20 bzw. 16 in den Kollektorkreisen
der beiden Stufen. Das Basispotential des Transistors der ersten Stufe ist durch
den Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 17 und 14 und
das Basispotential des Transistors der zweiten Stufe durch den Spannungsteiler,
bestehend aus den Widerlständen 18 und 34, bestimmt. Soll der Verstärker sehr tiefe
Frequenzen, beispielsweise Fernsehsignale, verzerrungsfrei übertragen, so ist eine
Stabilisierung des Arbeitspunktes des Verstärkers mittels einer Gegenkopplung im
Kollektorkreis der Transistoren äußerst nachteilig. Für den Kopplungskondensator
12 und die Überbrückungskondensatoren 9 und 11, die die Gegenkopplung im Nutzbereich
aufheben, ergeben sich nämlich dann sehr große Kapazitätswerte, im vorliegenden
Fall beispielsweise 10-2 bis 10-3 F, die mit vernünftigem Aufwand nicht mehr realisierbar
sind. Außerdem würden bei Kondensatoren dieser Größenanordnung beim Anlegen der
Betriebsgleichspannung so große Stromstöße auftreten, daß die Transistoren gefährdet
würden.
Ferner besitzen Kondensatoren dieser Größenordnung eine sehr große Eigeninduktivität
die sich bei höheren Frequenzen sehr störend bemerkbar macht.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der vorgenapnten Nachteile
einen arbeitspunktstabilisierten Verstärker zu schaffen.
-
Gemäß der Erfindung wird der mehrstufige Breitbandverstärker so ausgebildet,
daß die Basis eines in bezug auf die in den Verstärkerstufen eingeschalteten Transistoren
komplimentären Regeltransistors direkt und sein Emitter über ein Stabilisationselement
an denjenigen Pol der Versorgungsspannungsquelle geführt ist, der auch mit den Widerständen
in den Kollektorkreisen der Transistoren der beiden Verstärkerstufen verbunden ist,
daß der Kollektor des Regeltransistors sowohl über einen Widerstand mit dem anderen
Pol der Versorgungsspannungsquelle als auch mit der Basis des Transistors der ersten
Verstärkerstufe verbunden ist und daß den Emitter der beiden Transistoren der Verstärkerstufen
eine solche Spannung zugeführt ist, daß sie im Verstärkungsbereich arbeiten.
-
Dabei läßt sich als Stabilisierungselement im Emitterkreis des Regeltransistors
eine Zenerdiode verwenden. Ein weiteres Stabilisierungselement, welches ebenfalls
eine Zenerdiode sein kann, kann in dem Emitterkreis des Transistors der zweiten
Verstärkerstufe eingeschaltet sein.
-
Ferner läßt sich der mehrstufige gleichstrommäßig stabilisierte Breitbandverstärker
auch so ausbilden, daß die als Lastwiderstände dienenden Widerstände in den Kollektorkreisen
veränderbar und jeweils mit einem Abgriff, der mit dem Widerstandsanfang verbunden
ist, versehen sind und daß die Basis des Regeltransistors an diesen Abgriff geführt
ist.
-
Die Kollektorgleichspannung wird den Kollektoren der Transistoren
der Verstärkerstufe über die jeweiligen Widerstände in den Kollektorkreisen der
Transistoren beider Verstärkerstufen und über je ein diesen Widerständen vorgeschaltetes
Siebglied, bestehend aus einem ohmschen Widerstand und einer Kapazität, zugeführt.
Zweckmäßig sind dabei die Kapazitäten der Siebglieder so bemessen, daß ihr Wechselstromwiderstand
im Nutzfrequenzgebiet klein ist. Vorteilhaft ist es weiter den ohmschen Widerstand
des Siebgliedes der zweiten Widerstandsstufe mittels eines Abgriffs veränderbar
auszubilden und die Basis des Regeltransistors an den Abgriff dieses Widerstandes
zu führen und den Wiederstandsanfang mit dem Abgriff zu verbinden.
-
Durch die Maßnahmen nach der Erfindung entfallen gegenüber der Schaltungsanordnung
nach F i g. 3 sowohl der Kopplungskondensator als auch die für den Nutzbereich vorgesehenen,
die Gegenkopplung aufhebenden Überbrückungskondensatoren, wodurch derartige Nachteile,
wie sie bei den eingangs beschriebenen bekannten Schaltungen auftreten, vermieden
werden.
-
An Hand der F i g. 4 soll die Erfindung näher erläutert werden.
-
F i g. 4 zeigt einen Breitbandverstärker, der ähnlich aufgebaut ist
wie der Breitbandverstärker nach F i g. 3. Er besitzt jedoch eine zusätzliche Regeleinrichtung
und eine Gleichstromkopplung der beiden Verstärkerstufen. Die Transistoren
24 und 25
arbeiten in Emitterschaltung. Die Gleichstromversorgung erfolgt
durch eine mit einer Anzapfung versehenen Batterie B mit den beiden Teilspannungen
Uz und U1. Der Emitter des pnp-Transistors 24 der ersten Verstärkerstufe ist direkt,
der Emitter des pnp-Transistors 25 der zweiten Verstärkerstufe ist über eine Zenerdiode
mit der Anzapfung der Batterie B verbunden. Der negative Pol der Versorgungsspannungsquelle
führt einmal über den veränderbaren Widerstand 27 des Siebgliedes der zweiten Verstärkerstufe
und den Lastwiderstand 33 an den Kollektor des Transistors 25 der zweiten Verstärkerstufe,
zum anderen über den Widerstand 29 des Siebgliedes der ersten Verstärkerstufe und
den Lastwiderstand 30 an den Kollektor des Transistors 24 der ersten
Verstärkerstufe und weiterhin über die Zenerdiode 26 an den Emitter des Regeltransistors
23, der im Gegensatz zu den beiden anderen Transistoren ein npn-Typ ist. Der Verbindungspunkt
des Widerstandes 33 mit dem Widerstand 27 sowie des Widerstandes 30 mit dem Widerstand
29 ist über den Kondensator 27 bzw. 28 an Erde geführt. Der Kollektor des Regeltransistors
23 liegt sowohl über den Widerstand 31 am positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle
als auch über eine Leitung an der Basis des Transistors 24 der ersten Verstärkerstufe.
Die Basis des Regeltransistors 23 ist zugleich mit dem Anfang und dem Abgriff des
veränderbaren Widerstandes 27 und dem negativen Pol der Batterie B verbunden. Die
zu verstärkende Wechselspannung wird zwischen Basis 24 der ersten Verstärkerstufe
und dem Emitter dieses Transistors dem Verstärker zugeführt, und die verstärkte
Spannung U., ist zwischen Kollektor des Transistors 25 der zweiten Verstärkerstufe
und der Anzapfung der Batterie B abnehmbar. Die Kondensatoren 35 und 36 dienen der
Entkopplung von Gleich- und Wechselspannung am Ein- bzw. Ausgang.
-
Der Regeltransistor 23 hat die Aufgabe den vom Kollektorstrom 1C2
an den Widerständen 33 und 27 hervorgerufenen Spannungsabfall mit der als Sollwert
dienenden Spannung an der Zenerdiode 26 zu vergleichen. Wird beispielsweise der
Kollektorstrom des Transistors 25 der zweiten Verstärkerstufe auf Grund von Temperatureinwirkung
größer, so wird das Potential an der Basis des Regeltransistors 23 positiver, so
daß sein Kollektorstrom Ics ansteigt. Der wachsende Kollektorstrom verursacht einen
höheren Spannungsabfall am Widerstand 31, wodurch das Potential der Basis
des Transistors 24 der ersten Verstärkerstufe in bezug auf seinen Emitter negativer
wird. Dadurch steigt der Kollektorstrom Icl dieses Transistors, da es sich ja um
einen pnp-Transistor handelt, an, wodurch das negative Potential an seinen Kollektor
und damit auch das Potential der Basis des Transistors 25 der nachfolgenden Verstärkerstufe
abgesenkt wird. Das hat zur Folge, daß nun mehr der Kollektorstrom 1C2 verringert,
d. h. entgegen seiner ursprünglichen Änderung beeinflußt wird.
-
Ändert sich der Kollektorstrom 1c1, so tritt ebenfalls eine Arbeitspunktstabilisierung
ein. Nimmt man z. B. an, daß nunmehr der Kollektorstrom Icl größer wird, so senkt
sich das negative Potential am Kollektor des Transistors 24 ab. Dadurch wird das
Potential an der Basis des Transistors 25, verglichen mit dem Spannungsabfall
an der Zenerdiode 34, geringer, und der Kollektorstrom 42 wird kleiner. Das
Basispotential des Regeltransistors 3 wird in bezug auf seinen Emitter negativer,
und der Kollektorstrom ICs
sowie der durch den Kollektorstrom hervorgerufene
Spannungsabfall am Widerstand 31 wird verringert. Dieser Spannungsabfall bewirkt
wiederum eine Verringerung der negativen Basis-Kollektor-Spannung des Transistors
24, so daß der Kollektorstrom Ici dieses Transistors kleiner und damit sein Arbeitspunkt
stabilisiert wird. Die Änderungen der Gleichströme werden also durch diese Regelschaltung
um den durch die Ringverstärkung gegebenen Faktor reduziert. Der Sollwert des Kollektorstroms
42 läßt sich durch den veränderbaren Widerstand 27 einstellen. Im Nutzfrequenzbereich
wird dieser Widerstand durch die Kapazität 32 überbrückt, so daß die Regelschaltung
nur bei Gleichstrom und sehr tiefen Frequenzen in Betrieb ist. Es kann infolgedessen
für den Regeltransistor 23 ein Transistor mit niedriger Grenzfrequenz verwendet
werden.