DE1180803B - Broadband transistor amplifier - Google Patents

Broadband transistor amplifier

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Publication number
DE1180803B
DE1180803B DET24337A DET0024337A DE1180803B DE 1180803 B DE1180803 B DE 1180803B DE T24337 A DET24337 A DE T24337A DE T0024337 A DET0024337 A DE T0024337A DE 1180803 B DE1180803 B DE 1180803B
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DE
Germany
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amplifier
frequency
transistors
lines
gain
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Pending
Application number
DET24337A
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German (de)
Inventor
Dipl-Ing Horst Klink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Telefunken Patentverwertungs GmbH
Original Assignee
Telefunken Patentverwertungs GmbH
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Publication date
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/60Amplifiers in which coupling networks have distributed constants, e.g. with waveguide resonators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: H03fBoarding school Class: H03f

Deutsche Kl.: 21 a4- 29/01 German class: 21 a4- 29/01

Nummer: 1180 803Number: 1180 803

Aktenzeichen: T 24337IX d / 21 a4File number: T 24337IX d / 21 a4

Anmeldetag: 20. Juli 1963 Filing date: July 20, 1963

Auslegetag: 5. November 1964Opening day: November 5, 1964

Die Erfindung befaßt sich mit einem mehrstufigen Breitbandverstärker für hohe Frequenzen mit Transistoren in Emitterschaltung.The invention is concerned with a multistage broadband amplifier for high frequencies with transistors in emitter circuit.

Unter Breitbandverstärkern sollen hier Verstärker verstanden werden, deren nutzbare Bandbreite mehrere hundert MHz beträgt und deren obere Grenzfrequenz im Dezimeterwellenbereich liegt.Broadband amplifiers are to be understood here as amplifiers and their usable bandwidth is several hundred MHz and its upper limit frequency is in the decimeter wave range.

Derartige Verstärker sind geeignet als Antennenverstärker oder als Verstärker für Impulse mit sehr steilen Anstiegsflanken, da sie kleine Eigenanstiegszeit besitzen und deshalb die Flanke des zu verstärkenden Impulses nur wenig verzerren.Such amplifiers are suitable as antenna amplifiers or as an amplifier for impulses with very steep rising edges, since they have a small self-rising time and therefore only slightly distort the edge of the pulse to be amplified.

In der Röhrentechnik hat sich zum Bau solcher Verstärker das Prinzip des Kettenverstärkers durchgesetzt. Der Aufwand hierfür ist jedoch erheblich, da das Produkt aus Bandbreite und Verstärkung moderner Röhren nur etwa 200 bis 300 MHz beträgt.In tube technology, the principle of the chain amplifier has established itself for the construction of such amplifiers. However, the effort for this is considerable, since the product of bandwidth and gain modern tubes is only about 200 to 300 MHz.

Bei speziellen Impulsverstärkern ist es ferner bereits bekannt, diese mit Transformatorkopplung zwischen den einzelnen Stufen aufzubauen. Da hierbei das untere Frequenzband stark beschnitten wird, ist dieser Verstärkeraufbau oft von Nachteil.In the case of special pulse amplifiers, it is also already known to use them with transformer coupling between to build up the individual levels. Since the lower frequency band is severely cut here, is this amplifier design is often a disadvantage.

Bei der Verwendung von Transistoren sind die Verhältnisse günstiger. Es lassen sich damit Verstärker bauen, welche aus mehreren in Kaskade geschalteten Stufen bestehen und Bandbreiten von mehreren hundert MHz besitzen. In Schaltungen mit kleinen Arbeitswiderständen, wie sie in der Breitbandtechnik üblich sind, ist die Frequenz, bei welcher die Stromverstärker des in Emitterschaltung arbeitenden Transistors eins wird, eine mit dem Produkt aus Verstärkung und Bandbreite in der Röhrentechnik analoge Größe. Die erwähnte Frequenz wird im allgemeinen als /^-Grenzfrequenz bezeichnet. Da heute bereits Transistoren auf dem Markt erhältlich sind, deren /^-Grenzfrequenz größer als 1 GHz ist, kann man unter Verwendung der aus der Röhrentechnik her bekannten Mittel Breitbandverstärker bauen, welche bis zu hohen Frequenzen verwendbar sind. Die Bandbreite einer solchen Transistorstufe beträgt jedoch nur einen Bruchteil der /S-Grenzfrequenz. When using transistors, the ratios are more favorable. It can be used as an amplifier build, which consist of several stages connected in cascade and bandwidths of several hundred MHz. In circuits with small load resistances, such as those in broadband technology The frequency at which the current amplifier is common is the common emitter circuit working transistor becomes one, one with the product of gain and bandwidth in tube technology analog size. The frequency mentioned is generally referred to as the / ^ cut-off frequency. There Transistors are already available on the market today with a / ^ cut-off frequency greater than 1 GHz, broadband amplifiers can be used using the means known from tube technology build which can be used up to high frequencies. The bandwidth of such a transistor stage however, is only a fraction of the / S cutoff frequency.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Breitbandverstärker aufzuzeigen, der einen möglichst linearen Verstärkungsverlauf besitzt und eine obere Grenzfrequenz hat, die mindestens gleich der /^-Grenzfrequenz der verwendeten Transistoren ist.The aim of the present invention is to show a broadband amplifier that is as possible has a linear gain curve and has an upper limit frequency which is at least equal to the / ^ - cutoff frequency of the transistors used.

Ausgehend von einem mehrstufigen Breitbandverstärker für hohe Frequenzen mit Transistoren in Emitterschaltung wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Anhebung der Verstärkung bis zu Frequenzen oberhalb der /Ö1-Grenzfrequenz der Transistor-BreitbandverstärkerBased on a multistage broadband amplifier for high frequencies with transistors in a common emitter circuit, the invention therefore proposes that to increase the gain up to frequencies above the / Ö 1 limit frequency of the transistor broadband amplifier

Anmelder:Applicant:

Telefunken PatentverwertungsgesellschaftTelefunken patent collecting company

m. b. H., Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3m. b. H., Ulm / Danube, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dipl.-Ing. Horst Klink, BraunschweigDipl.-Ing. Horst Klink, Braunschweig

Transistoren als Koppelelemente zwischen den Transistoren und der Last Leitungen,Verwendung finden, deren Länge A0/5 bis λ0/5 beträgt iind deren Wellenwiderstand zwischen 100 und 300 Ohm liegt, wobei X0 die Wellenlänge am oberen Ende des Verstärkungsbereiches bezeichnet.Transistors are used as coupling elements between the transistors and the load lines whose length is A 0/5 to λ 0/5 and whose characteristic impedance is between 100 and 300 ohms, where X 0 denotes the wavelength at the upper end of the amplification range.

An Hand der Figur soll dies noch näher erläutert werden, wobei ein aus zwei Transistoren Π und Γ 2 aufgebauter Verstärker zugrunde gelegt wird. Der Ausgang des in Emitterschaltung betriebenen ersten Transistors Tl ist mit dem Eingang des ebenfalls in Emitterschaltung betriebenen zweiten Transistors Tl durch ein Leitungsstück L1 gekoppelt. Zwischen dem Ausgang des zweiten Transistors Tl und der mit Y2 bezeichneten Last ist ebenfalls als Koppelelement eine Leitung eingefügt. Bei entsprechender Dimensionierung der als Koppelelemente verwendeten Leitungen L1 und L2 ergibt sich durch das Zusammenwirken der Impedanz- und Spannungstransformation mit den Transistorparametern ein nahezu konstanter Verstärkungsverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz über eine Oktave. Die obere Grenzfrequenz des Verstärkers wird hierbei in die Nähe der eingangs erwähnten /^-Grenzfrequenz der Transistoren gelegt.This will be explained in more detail with reference to the figure, based on an amplifier made up of two transistors Π and Γ 2. The output of the first transistor T1, which is operated in the emitter circuit, is coupled to the input of the second transistor T1, which is also operated in the emitter circuit, through a line section L 1. A line is also inserted as a coupling element between the output of the second transistor T1 and the load denoted by Y 2. With appropriate dimensioning of the lines L 1 and L 2 used as coupling elements, the interaction of the impedance and voltage transformation with the transistor parameters results in an almost constant gain curve depending on the frequency over an octave. The upper limit frequency of the amplifier is placed in the vicinity of the aforementioned / ^ limit frequency of the transistors.

Die Wellenwiderstände der Leitungen L1 und L2 sind groß, so daß bei den kleinen Abschlußwiderständen (der Eingangswiderstand eines in Emitterschaltung betriebenen Transistors ist bei den in Betracht gezogenen Frequenzen im allgemeinen klein) die Leitung fehlangepaßt ist. Die Leitungslängen liegen erfindungsgemäß in der Größenordnung von λ0/5 bis A0/8, wobei mit ^0 die Wellenlänge an der oberen Grenze des Durchlaßbereiches bezeichnet ist. Die optimalen Werte für den Wellenwiderstand der Leitungen hängen von der verwendeten Transistortype ab. Brauchbare Ergebnisse erhält man mit einem Wellenwiderstand, welcher zwischen 100 und 300 Ohm liegt.The characteristic impedances of the lines L 1 and L 2 are large, so that the line is mismatched with the small terminating resistances (the input resistance of a transistor operated in an emitter circuit is generally small at the frequencies considered). According to the invention, the line lengths are in the order of magnitude of λ 0/5 to A 0/8 , with ^ 0 denoting the wavelength at the upper limit of the pass band. The optimal values for the characteristic impedance of the lines depend on the transistor type used. Useful results are obtained with a characteristic impedance between 100 and 300 ohms.

409 710/287409 710/287

Zur Berechnung der Verstärkung und zur Bestimmung der Leitungsparameter geht man zweckmäßigerweise von den Vierpolparametern des Transistors in Leitwertstellung aus:To calculate the gain and to determine the line parameters it is advisable to proceed from the four-pole parameters of the transistor in conductance position:

Ya = G11 +Jb11 = G1(S) (la> Ya = G 11 + Jb 11 = G 1 (S) ( la >

Y12 = G12 +Jbn = G2(f) (Ib) Y 12 = G 12 + Jb n = G 2 (f) (Ib)

Y21 = G21+Jb21 = G3(J) (Ic) Y 21 = G 21 + Jb 21 = G 3 (J) (Ic)

Y* = Gn+ Jbn = GW (Id) Y * = G n + Jb n = GW (Id)

Für die komplexe Spannungsverstärkung einer Transistorstufe giltThe following applies to the complex voltage amplification of a transistor stage

as« =as «=

-Y,-Y,

2121

Schaltet man nun zwischen den Lastleitwert Y2 und den Transistor eine Leitung, so gilt für die Verstärkung unter Berücksichtigung der Impedanz- und Spannungstransformation für den Betrag der Ver-Stärkung If a line is now connected between the load conductance Y 2 and the transistor, the amplification factor, taking into account the impedance and voltage transformation, applies to the amount of the amplification

■S3«; =■ S3 «; =

H1 H 1

+ j Ye Z sin ft) + Y2 cos ßl + + j Y e Z sin ft) + Y 2 cos ß l +

J z sin ft J z sin ft

Damit die Verstärkung über einen größeren Frequenzbereich konstant ist, müssen der Verlauf von Y9, und der des Nenners einander ähnlich sein.So that the gain is constant over a larger frequency range, the course of Y 9 and that of the denominator must be similar to one another.

als Funktion von /J1 zum Minimum macht, und zwar bei der gewünschten oberen Grenzfrequenz der Stufe, welche im allgemeinen in der Größe deras a function of / J 1 makes the minimum, namely at the desired upper limit frequency of the stage, which is generally the size of the

Da* Y21 gegeben ist, muß der Nenner also an- 20 /3rGrenzfrequenz liegt. Der Wellenwiderstand geht gepaßt werden. Eine gute Näherung hierfür ist als Parameter ein. /J1 errechnet sich aus dem Ausmöglich, wenn man den Betrag des Nenners druckSince * Y 21 is given, the denominator must therefore be at -20 / 3 r limit frequency. The wave resistance is going to be adjusted. A good approximation for this is as a parameter. / J 1 is calculated from the possible if you print the amount of the denominator

arc tan < — arc tan <-

2 cd-ab 2 cd-from

1 -a2 + b*-c* + d* ~2 cd-ab 1 -a 2 + b * -c * + d * ~ 2 cd-ab

+ 1 + 1

mit β = -~ί- =with β = - ~ ί- =

InIn = ;=; — dem
C
- to the
C.
PhasenmaßPhase measure der Leitungthe line
a =a = G2,G 2 , (5 a)(5 a) b =b = -G22 +-G 22 + , + G2 , + G 2 ,^22)Z,, ^ 22 ) Z, (5b)(5b) c = c = = Q>i= Q> i K),K), (5 c)(5 c) -φ.-φ. ,G22 , G 22 2 +2 +

d — (G22 G2 — b22 b2) Z + -d - (G 22 G 2 - b 22 b 2 ) Z + -

(5d)(5d)

3535

Mit den zusammengehörigen Wertepaaren von Z und /J1 kann die Verstärkung nach Gleichung (5) in Abhängigkeit von der Frequenz berechnet werden. Wie bereits erwähnt, ist der optimale Wert des Wellenwiderstandes Z von der verwendeten Transistortype, d. h. von der Frequenzabhängigkeit der Vierpolparameter F21 und F22 abhängig. Wählt man den Wellenwiderstand der Koppelleitung L1 bzw. L2 wesentlich größer als 300 Ohm, so bekommt man zwar eine Verstärkungserhöhung, doch ist der Verstärkungsverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz dann nicht mehr so gleichmäßigWith the associated value pairs of Z and / J 1 , the gain can be calculated according to equation (5) as a function of the frequency. As already mentioned, the optimal value of the characteristic impedance Z depends on the type of transistor used, ie on the frequency dependence of the four-pole parameters F 21 and F 22. If the characteristic impedance of the coupling line L 1 or L 2 is chosen to be significantly greater than 300 ohms, the gain is increased, but the gain curve is no longer as uniform as a function of the frequency

Der Verlauf der Verstärkung wird außerdem durch die Art des Abschlußwiderstandes der Leitung bestimmt. Ist die Last F nur mit einer kleinen Blindkomponente behaftet, so ergibt sich ein praktisch konstanter Verstärkungsverlauf über eine Oktave, ausgehend von der oberen Grenzfrequenz des Verstärkers. Es ist deshalb zweckmäßig, die Last F entsprechend auszubilden. Besitzt die Last hingegen eine große Blindkomponente, so ergibt sich bei der oberen Grenzfrequenz ein Maximum der Verstärkung und zu tieferen Frequenzen hin ein Maximum. Da dies bei einem mehrstufigen Verstärker iterativ auftritt, wird der Extremwert ziemlich ausgeprägt. In diesem Fall ist jedoch eine Einebnung dadurch möglich, daß man die letzte Stufe für eine tiefere Frequenz auslegt. Ferner ist es möglich, durch eine frequenzabhängige Gegenkopplung auch bei einer großen Blindkomponente der Last durch frequenzabhängige Gegenkopplung eine Einebnung des Verstärkungsverlaufes zu erzielen.The course of the gain is also determined by the type of terminating resistance of the line. If the load F has only a small reactive component, a practical result results constant gain curve over an octave, based on the upper limit frequency of the amplifier. It is therefore advisable to design the load F accordingly. On the other hand, if the load has one If the reactive component is large, there is a maximum gain at the upper limit frequency and a maximum towards lower frequencies. Since this occurs iteratively in a multi-stage amplifier, the extreme value becomes quite pronounced. In this case, however, leveling is possible by that the last stage is designed for a lower frequency. It is also possible through a frequency-dependent Negative feedback even with a large reactive component of the load due to frequency-dependent ones To achieve negative feedback a leveling of the gain curve.

Die Leitungen für die Koppelelemente werden vorzugsweise durch Bandleitungen verwirklicht, doch können je nach dem Frequenzbereich für den der Verstärker ausgelegt ist, auch andere Leitungen, wie beispielsweise Koaxialleitungen oder Hohlleiter, Verwendung finden.The lines for the coupling elements are preferably implemented by ribbon lines, however Depending on the frequency range for which the amplifier is designed, other lines such as For example, coaxial lines or waveguides are used.

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Mehrstufiger Breitbandverstärker für hohe Frequenzen mit Transistoren in Emitterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anhebung der Verstärkung bis zu Frequenzen oberhalb der /Jj-Grenzfrequenz der Transistoren als Koppelelemente zwischen den Transistoren und der Last Leitungen Verwendung finden, deren Länge A0/5 bis λο,8 beträgt und deren Wellenwiderstand zwischen 100 und 300 Ohm liegt, wobei λ0 die Wellenlänge am oberen Ende des Verstärkungsbereiches bezeichnet.1. Multi-stage broadband amplifier for high frequencies with transistors in common emitter circuit, characterized in that to increase the gain up to frequencies above the / Jj cut-off frequency of the transistors as coupling elements between the transistors and the load lines are used whose length A 0/5 to λ o is 8 and its wave impedance is between 100 and 300 ohms, where λ 0 denotes the wavelength at the upper end of the gain range. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelleitungen Bandleitungen sind.2. Amplifier according to claim 1, characterized in that the coupling lines are ribbon lines are. 3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Verstärker angeschlossene Last nur eine kleine Blindkomponente aufweist.3. Amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that the to the amplifier connected load has only a small reactive component. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 409 710/287 10.64409 710/287 10.64 ι Bundesdruckerei Berlinι Bundesdruckerei Berlin
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3439286A (en) * 1965-07-29 1969-04-15 Bell Telephone Labor Inc Pulse amplifier

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US3439286A (en) * 1965-07-29 1969-04-15 Bell Telephone Labor Inc Pulse amplifier

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