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Mehrstufiger Impulsverstärker mit Transistoren in Basisschaltung und
induktiver Verkopplung der Einzelstufen Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen
Impulsverstärker mit in Basisschaltung angeordneten Transistoren, bei dem die Einzelstufen
induktiv miteinander verkoppelt sind.
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Derartige Verstärker sind an sich bekannt. Die induktive Verkopplung
der Einzelstufen ist bei Verwendung von Transistoren in Basisschaltung, in der sie
die höchste Grenzfrequenz aufweisen, notwendige Voraussetzung, da die zugehörigen
Übertrager den Strom von Verstärkerstufe zu Verstärkerstufe hinaufsetzen und die
Zuführung der richtigen Betriebsspannungen an die Transistoren der nächsten Stufen
gewährleisten müssen. Um eine Verstärkung zu erhalten, muß das Stromübersetzungsverhältnis
naturgemäß größer als eins sein. Sollen derartige Verstärker zur Verstärkung sehr
kurzer Impulse verwendet werden, wird also eine sehr hohe Grenzfrequenz benötigt,
so müssen die Übertrager außerordentlich klein gehalten werden, um ihre Streuinduktivität
zu vermindern, die ihrerseits die obere Frequenzgrenze des Übertragers bestimmt.
Bei derartigen Miniaturkernen, die in eine Größenordnung bis herab zu 2 mm kommen,
gestaltet sich jedoch die Bewicklung sehr schwierig. Außerdem machen sich bei den
höchsten Frequenzen neben den Streuinduktivitäten auch die Wicklungskapazitäten
störend bemerkbar. Dies führt schließlich dazu, daß bei den oben beschriebenen Verstärkern
die obere Frequenzgrenze durch die Übertrager und nicht durch die Transistoren beschränkt
wird.
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Übertrager mit sehr hoher oberer Grenzfrequenz und zugleich ausgesprochener
Breitbandcharakteristik lassen sich auch als Kabelübertrager ausführen. Deren obere
Grenzfrequenz hängt im wesentlichen von der Güte der benutzten Koaxialleitungen
ab, die zusammen mit einem Ferritring das wesentliche Bauteil eines solchen Übertragers
darstellen. So gelingt es ohne weiteres, Kabelübertrager zu bauen, die in einem
Frequenzbereich von 10 kHz bis 1 GIiz arbeiten. In Verbindung mit den üblichen Verstärkerschaltungen
mit Transistoren in Basisschaltung lassen sich derartige Kabelübertrager, die elektrisch
durch das Ersatzschaltbild eines Spartransformators beschrieben werden können, jedoch
nicht verwenden, da bei ihnen die Eingangswicklung galvanisch mit der Ausgangswicklung
verbunden ist. Eine derartige galvanische Verbindung ist aber bei den üblichen Verstärkerschaltungen
mit Transistoren in Basisschaltung, bei denen die Eingangswicklung auf einem negativen
und die Ausgangswicklung auf einem positiven Gleichspannungspotential liegen muß
oder umgekehrt, nicht zulässig. Dies aber hat zur Folge, daß die bisherigen Transistorverstärker
entweder auf die hohe Grenzfrequenz von Transistoren in Basisschaltung oder auf
den großen Frequenzbereich von Kabelübertragern verzichten müssen, so daß ihre obere
Grenzfrequenz beschränkt bleibt.
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Es war daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zu entwickeln,
bei der die durch die Verwendung von Transistoren in Basisschaltung erzielbare hohe
Grenzfrequenz nicht durch die beschränkte Frequenz der Übertrager unwirksam gemacht
wird. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Koppelelemente
Kabelübertrager sind und daß Mittel vorgesehen sind, die die Emitter-Basis-Ruhespannung
jeder Stufe kleiner halten als die Kollektor-Basis-Ruhespannung der vorangehenden
Stufe.
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Die vorerwähnte hohe Grenzfrequenz der Kabelübertrager gibt also bei
der erfindungsgemäßen Schaltung die Möglichkeit, den in Basisschaltung von Transistoren
vorhandenen weiten Frequenzbereich voll auszunutzen.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung bestehen
die einzelnen Verstärkerstufen im wesentlichen aus Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps,
und die Kollektorruhepotentiale jeder vorangehenden Stufe sind gleich dem Emitterruhepotential
der jeweils nachfolgenden Stufe, während die Basen an von Stufe zu Stufe negativere
bzw. positivere Potentiale angeschlossen sind. In Abwandlung dieser erfindungsgemäßen
Schaltung, bei der für jede Verstärkerstufe
eine entsprechende
Aufstockung der Betriebsspannung erforderlich ist, kann man am Ausgang jeder zweiten
Verstärkerstufe Mittel zur Potentialverschiebung, z. B. Zenerdioden, derart vorsehen,
daß die Emitterruhepotentiale für jede zweite Stufe den gleichen Wert besitzen,
und die Transistorbasen alternierend an je eines von zwei unterschiedlichen Festpotentialen
anschließen. Man kommt dann mit wenigen Speisepotentialen aus.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist es aber
auch möglich, die Verstärkerstufen alternierend aus Transistoren unterschiedlichen
Leitfähigkeitstyps aufzubauen, so daß insgesamt nur zwei unterschiedliche Speisepotentiale
erforderlich sind, und die Transistorbasen alternierend an je eines von zwei unterschiedlichen
Festpotentialen anzuschließen. Bei einem derartigen Schaltungsaufbau ist es zweckmäßig,
die Emitter aller Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps derart an je ein Festpotential
anzuschließen, daß sie einen Emitterrruhestrom führen, dessen Größe mindestens gleich
der des Ausgangsimpulses der jeweils vorangehenden Verstärkerstufe ist.
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In den Figuren sind einige Möglichkeiten für den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Verstärkerschaltung veranschaulicht, an Hand deren die Wirkungsweise dieser Schaltung
noch etwas näher erläutert werden soll. In der F i g. 1 sind vier Verstärkerstufen
I, 1I, 11I, IV hintereinandergeschaltet, die jeweils einen pnp-Transistor T1 bis
T4 in Basisschaltung enthalten. Der Emitter des ersten Transistors T1 ist an den
Verstärkereingang E und der Kollektor des Ausgangstransistors T4 ist an den Ausgang
A angeschlossen. Die Kollektorpotentiale der jeweils vorangehenden Stufen stellen
zugleich auch die Emittergleichpotentiale der nächstfolgenden Stufen dar und steigen
von Stufe zu Stufe um den Betrag U. Sie betragen also - U, -2 U, -3
U. Ebenso verschieben sich die Basispotentiale von Stufe zu Stufe zu negativeren
Werten. Die Verbindung der einzelnen Verstärkerstufen erfolgt über die Kabelübertrager
K1 bis K3, die jeweils im Kollektorkreis der Verstärkerstufen I, 1I, III liegen
und in der Figur in Form des Ersatzschaltbildes eines Spartransformators dargestellt
sind. Die Emitter der nachfolgenden Verstärkerstufen 1I, 11I, IV sind jeweils an
die Mittelabgriffe der Kabelübertrager angeschlossen. Die Verstärkung jeder Verstärkerstufe
ergibt sich durch das Übersetzungsverhältnis der Kabelübertrager.
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Die F i g. 2 stellt eine Abwandlung der Schaltung gemäß der F i g.1
dar, bei der jeweils anschließend an den Ausgang jeder zweiten Verstärkerstufe II
und IV - der gezeigte Verstärker ist insgesamt fünfstufig - eine Zenerdiode Z1 bzw.
Z2 angeschlossen ist, die das Kollektorruhepotential dieser Stufe für den Emitter
der nächstfolgenden Stufe so weit vermindert, daß jeweils das Emitterpotential der
I., 11I. und V. Stufe einerseits und das der Il. und IV. andererseits den gleichen
Wert besitzt. Die Basispotentiale der Transistoren T1 bis T5 alternieren zwischen
O und - U. Die Widerstände R1 und R2, über die die Zenerdioden Z1 und Z2 mit dem
Speisepotential -2 U verbunden sind, dienen lediglich der Potentialeinstellung und
der Bemessung des Zenerstromes. Die Widerstände R3 bis Re und die Kondensatoren
C1 bis C4, über die die Kabelübertrager K1 bis K4 an die Potentiale O und -f- U
bzw. - U und O angeschlossen sind, sorgen für einen Emitterruhestrom, der die Transistoren
T1 bis T5 arbeitsbereit hält. Der Eingang E ist wieder an den Emitter des Eingangstransistors
T1 und der Ausgang A an den Kollektor des Ausgangstransistors T5 angeschlossen.
Die Verkopplung der einzelnen Verstärkerstufen miteinander erfolgt erfindungsgemäß
über die Kabelübertrager K1 bis K4, deren Übersetzungsverhältnis wieder die Verstärkung
bestimmt.
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In der F i g. 3 ist eine nach der Erfindung aufgebaute Schaltung dargestellt,
bei der die aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen I bis IV alternierend aus pnp-Transistoren
T1 und T3 und npn-Transistoren TE und T4 bestehen. Die Verkopplung der einzelnen
Stufen miteinander erfolgt mit Hilfe der Kabelübertrager K1 bis K3, die ebenso wie
der Kabelübertrager K4, an dessen Mittelabgriff die Ausgangsklemme A angeschlossen
ist, über RC-Glieder aus den Widerständen R1 bis R4 und den Kapazitäten Cl bis C4
und über Drosseln L1 bis L4 an zwei Festpotentiale -h U bzw. -2 U derart angeschlossen
sind, daß die Emitter aller Transistoren T1 bis T4 einen Emitterruhestrom führen,
dessen Größe jeweils mindestens gleich der des Ausgangsimpulses der jeweils vorangehenden
Verstärkerstufe ist. Die Transistoren T1 bis T4 arbeiten jeweils im Gegentakt, so
daß also bei hohem Kollektorstrom in den Transistoren T1 und T3 der Strom durch
die Transistoren T2 und T4 klein ist. Die Basispotentiale sind wieder alternierend
O und -U. Die Verstärkung der einzelnen Stufen wird wieder durch das Übersetzungsverhältnis
der Kabelübertrager bestimmt.