-
Schaltungsanordnung mit Modulatoren, denen Verstärker vor- und nachgeschaltet
sind Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit Modulatoren, denen Verstärker
vor- und/oder nachgeschaltet sind.
-
Den Modulatoren werden häufig zur Verstärkung des modulierten Signals
Verstärker nach- bzw. zur Verstärkung des Eingangssignals Verstärker vorgeschaltet.
Sowohl bei den Verstärkern als auch bei den Modulatoren muß dabei auf eine möglichst
große Klirrfreiheit geachtet werden.
-
Zur Herabsetzung des Klirrens ist es bei bestimmten Typen von Verstärkerschaltungen
bekannt, den aktiven Verstärkerelementen, wie z. B. den Transistoren, Linearisierungswiderstände
vorzuschalten. Die dadurch erreichbare Verbesserung des Klirrens wird jedoch mit
einem entsprechenden Leistungsverlust bei dem zu verstärkenden Signal erkauft.
-
Zur Verringerung des Klirrabstandes bei Modulatoren ist es bekannt,
in Reihe zu den Modulatordioden Linearisierungswiderstände anzubringen. Es hat sich
jedoch gezeigt, daß sowohl die Abschlußwiderstände an den Signalklemmen eines Ringmodulators,
sofern sie breitbandig reell sind, als auch Linearisierungswiderstände, die in Reihe
zu den Dioden von Ringmodulatoren angeordnet sind, keinen großen Einfluß auf den
durch den Modulator verursachten Klirrabstand haben, welcher vielmehr im wesentlichen
durch die Signal-EMK bestimmt ist. Diese Ausführungen gelten ohne Einschränkung,
sofern jeweils die Summe der genannten Widerstände unter etwa 1 kQ bleibt. Eine
wesentliche Verbesserung der Linearität läßt sich demnach durch derartige Linearisierungswiderstände
nicht erreichen. Außerdem und vor allem stellen die Linearisierungswider.tände im
Hinblick auf das Signal Verlustwiderstände dar.
-
Neben diesen durch die Linearisierungswiderstände hervorgerufenen
Verlusten, treten besonders bei Halbleitermodulatoren durch die unvermeidlichen
Durchlaßwiderstände, die bei den geläufigen Germaniumspitzendioden etwa 80 Ohm betragen,
noch zusätzliche Verluste auf.
-
In der deutschen Patentschrift 866 055 wird eine Trockengleichrichtermodulatorenanordnung
beschrieben, bei der der Frequenzgang dem Modulator nachgeschalteter Filter in einer
gewünschten Größe durch Fehlanpassung so verändert wird, daß eine Linearisierung
der gesamten Nachrichtenübertragung erreicht werden soll. Die verminderten Verzerrungen
sind dabei von linearer Natur. Wie nichtlineare Verzerrungen bei Verstärkern, die
dadurch entstehen, daß der Emitter-Basis-Widerstand nichtlinear ist, beseitigt werden
sollen, ist dieser Patentschrift nicht zu entnehmen. Aufgabe der Erfindung ist es,
eine aus Modulatorbaugruppen und Verstärkerbaugruppen bestehende Schaltungsanordnung
unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile zu schaffen.
-
Gemäß der Erfindung ist die Schaltungsanordnung so ausgebildet, daß
der Modulator am Signalaus- und/ oder -eingang unmittelbar mit Verstärkern zusammengeschaltet
ist, die ihm einen, bezogen auf den aus den Durchlaßwiderständen der Gleichrichterelemente
resultierenden Verlustwiderstand, kleinen Widerstand bieten.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der dem Modulator nachgeschaltete
Verstärker ein ein- oder mehrstufiger Transistorverstärker in Basisschaltung und
der dem Modulator vorgeschaltete Verstärker ein ein- oder mehrstufiger Transistorverstärker
in Kollektorschaltung sein. Für die Modulatoren können in an sich bekannter Weise
Ring-bzw. Hallmodulatoren verwendet werden. Zur Erzielung größerer Hallspannungen
ist es zweckmäßig, den Hallmodulator aus mehreren in Reihe bzw. parallelgeschalteten
Hallgeneratoren zu bilden.
-
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß der bei Halbleitermodulatoren
bekannte unerwünschte Effekt, daß die Halbleiter Verlustwiderstände aufweisen, dazu
ausgenutzt wird, daß diese Verlustwiderstände zugleich die Linearisierungswiderstände
durch die nachfolgende Transistorverstärkerstufe bilden, wodurch bei dieser die
sonst notwendigen Linearisierungswiderstände im Emitterkreis der Transistoren entfallen
können. Dadurch wird bei gleich guter Linearisierung die Verlustleistung wesentlich
verringert.
-
Es wird also erreicht, daß die außerhalb des Knickbereichs völlig
linearen Durchlaßwiderstände bzw. der aus ihnen resultierende Verlustwiderstand
des
Modulators dazu herangezogen werden. unmittelbar vor oder hinter
dem Modulator angcordnete verstärkende Transistorschaltungen in der notwendigen
Weise zu linearisieren, so daß die Signalleistung, die in den Dioden sonst verlorengeht,
nutzbar gemacht wird. Ferner sind von 1:1 abweichende Ubersetzungsverhältnisse der
Modulatorübertrager nicht mehr erforderlich. Wegen der Kleinheit der von den Transistorschaltungen
gebotenen Widerstände können in den Ubertragern zugunsten einer geringeren Streuinduktivität
außerdem größere Kapazitäten und geringere Windungszahlen zugelassen werden. Auf
diese Weise gelingt es, die Modulatorübertrager breitbandiger auszulegen als bisher.
-
Es ist bekannt, daß das Problem der breitbandig reellen Abschlüsse
bei Ringmodulatoren eine Rolle spielt. Der Einfluß mangelnder Breitbandigkeit der
Abschlüsse beim Klirren ungeradzahliger Ordnung ist durchweg ein ungünstiger. Aus
diesem Grunde ist es natürlich auch erwünscht, daß die benachbarten Filter durch
die vorgesehenen Transistorschaltungen vom eigentlichen Modulator entkoppelt sind.
Umgekehrt 'bieten die Transistorschaltungen dem betreffenden Filter konstant den
richtigen Speisewiderstand, unabhängig von den Exemplarstreuungen der Diodenwiderstände.
-
Den kleinen Widerständen, mit denen der Ringmodulator durch die Basis-
und/oder Kollektorschaltung abgeschlossen ist, entspricht eine im Verhältnis zur
übertragenen Signalleistung niedrige Signal-EMK. Das ist ein weiterer günstiger
Umstand hinsichtlich des vom Modulator selbst verursachten Klirrens.
-
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß das »Anpassungsproblem« beim
Ringmodulator in allen seinen Aspekten - nämlich Leistungsanpassung, Zusammenarbeit
mit Filtern, Breitbandigkeit der Ubertrager, Klirrverhalten - durch die vorgeschlagenen
Schaltungskombinationen vorteilhaft gelöst wird. Der mit den Transistorschaltungen
verbundene . Aufwand ist also nicht nur durch die erzielte Verstärkung, sondern
auch hierdurch gerechtfertigt.
-
An Hand der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 1, 2 und 8 sowie
der Diagramme nach den F i g. 3 und 4 und den an sich bekannten zweistufigen Transistor-Verstärker-Schaltungen
nach den F i g. 5, 6 und 7 soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt dabei
F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine einstufige Transistor-Verstärker-Schaltung
einem Ringmodulator nachgeschaltet ist, F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel nach F
i g. 1, bei dem zusätzlich eine Anordnung zur Trägerrestkompensation vorgesehen
ist, F i g. 3 ein Diagramm, bei dem die Klirrfunktion zweiter und dritter Ordnung
in Abhängigkeit zur Größe des Innenwiderstandes Ro der Sigrtglspannungsquelle aufgezeichnet
sind, F i g. 4 ein Diagramm, bei dem die Signal-EMK Eo in Abhängigkeit vom Innenwiderstand
der Signalspannungsquelle aufgetragen ist, p' i g. 5 einen zweistufigen stromrückgekoppelten
Transistorverstärker in Basisschaltung, F i g. 6 einen zweistufigen spannungsgegengekoppelten
Transistorverstärker in Basisschaltung, F i g. 7 eine Transistor-Verbund-Schalturtg,
F i g. 8 ein Ausführungsbeispiel, bei dern ein Hallger@erator verwendet wird. Bei
der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 wird über den Modulatoreingangsübertrager
5 des Ringmodulators, der aus den vier Modulatordioden 1 bis 4, dem Modulatoreingangsübertrager
5 und dem Modulatorausgangsübertrager 6 besteht, eine rechtcckförmige Tr;igcrspannung
E!! zugeführt. Die Signalspannung E", gelangt über den Innenwiderstand Ro der Signalspannungsquelle
an die Mittelanzapfungen der Differentialwicklungen des Eingangs und Ausgangsübertragers.
Der dem Modulator nachgeschaltete einstufige Verstärker besteht aus dem in Basisschaltung
arbeitenden Transistor 7 und dem über den Ubertrager 8 an den Kollektorbasiskreis
angekoppelten Widerstand 9. Der Differentialausgangsübertrager zwischen Modulatorring
und Basisschaltung hat bei diesem Ausführungsbeispiel das günstige Ubersetzungsverhältnis
1: 1 : 1. Modulator und Verstärker sind unmittelbar, d. h. ohne zusätzlichen, etwa
dem Transistor vorgeschalteten Linearisierungswiderstand, zusammengeschaltet.
-
Die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung
von F i g. 1 nur dadurch, daß sie noch eine an sich bekannte Schaltungsanordnung
zur Trägerrestkompensation, bestehend aus den ohmschen Widerständen 10 und 11 und
den Kondensatoren 12 und 16, aufweist. Bei dieser Schaltungsanordnung ist es vorteilhaft,
daß die Trägerrestkompensation innerhalb der Gesamtschaltung des Modulators vorgenommen
wird und daß der Reflexionsfaktor am Ausgang durch sie nicht beeinträchtigt wird.
-
Im Diagramm nach F i g. 3 sind die Amplitudenabstände ak2 und ak3
der Klirrprodukte (F + 2f) und (F + 3f) vom Hauptseitenband
(F + f) über Ro aufgetragen. Zur Darstellung wurden Meßergebnisse verwertet,
die bei einer Schaltungsanordnung mit der Trägerfrequenz f ,: 100 kHz und
einer eingespeisten Signalfrequenz f x 5 kHz gewonnen wurden. Die aufgetragenen
Klirrabstände (ak2, ak3) sind im wesentlichen vom Transistor bestimmt. Aus diesem
Diagramm ist deutlich zu erkennen, daß der Klirrabstand um so größer ist, je größer
der Widerstand Ro gemacht wird. Der gesamte Linearisierungswiderstand für die Verstärkerschaltung
besteht aus einer Reihenschaltung des Widerstandes Ro mit den Durchlaßwiderständen
der Modulatordioden.
-
Im Diagramm nach F i g. 4 wurden die ermittelten Werte der Signal-EMKo
aufgetragen, die jeweils notwendig sind, um den Hauptseitenbandspannungspegel -2,0
Np am Ausgang zu erreichen.
-
In den F i g. 5 bis 7 sind einige Verstä.rkerschaltungen angegeben,
bei denen z. B. eine Linearisierung erreicht werden kann.
-
Bei der zweistufigen Basisschaltung nach F i g. 5 wird der Ausgangsstrom
der letzten Stufe im Sinne einer Schleifengegenkopplurig vollkommen über den Eingangskreis
der ersten Stufe zuriickgeführt. Es gilt in guter Näherung für die Ausgangsspannung
mit dem sehr kleinen Eingangswiderstand
Bei der einstufigen Basissehaltung gilt für die '@usgangsspannung ebenfalls clie
Gleip-hung (1), aper
der Eingangswiderstand R,; ist, wenngleich
ebenfalls noch klein, so doch um ß2 größer:
In diesen Gleichungen sind rl, r.6 und ß die bekannten Transistorgrüßen. Die Bedeutung
der übrigen Rechengrößen ist aus der Zeichnung ersichtlich. Die Größe von rl, ergibt
sich bekanntlich nach der Formel
mit,Eo als Emittergleichstrom.
-
Bei der zweistufigen Kollektorschaltung (F i g. 6) ist die Ausgangsspannung
der letzten Stufe in den Eingangskreis der ersten wiederum im Sinne einer Schleifengegenkopplung
einbezogen. Die Ausgangsspannung ist
mit dem kleinen Ausgangswiderstand
Für die entsprechende einstufige Schaltung ist der Ausgangswiderstand um /32 größer,
nämlich
Die beiden erläuterten zweistufigen Schaltungen lassen sich gemeinsam durch die
in F i g. 7 wiedergegebene Transistorverbundschaltung darstellen, die näherungsweise
als ein einheitlicher Transistor mit der Stromverstärkung ß2 aufgefaßt werden kann,
dessen virtuelle Elektroden C , B' und E' im Sinne der genannten
Grundschaltungen geschaltet sind. Es ist daher gerechtfertigt, von »zweistufiger
Basisschaltung« bzw. »zweistufiger Kollektorschaltung« zu sprechen.
-
Die Basisschaltungen haben einen kleinen Eingangs- und einen großen
Ausgangswiderstand; bei den Kollektorschaltungen ist es umgekehrt. Die Größenordnung
dieser Widerstände ist bei den zweistufigen Schaltungen jeweils um ß2 größer bzw.
kleiner.
-
Verstärkung kann man bei den Basisschaltungen durch einen möglichst
stark herabübersetzenden Ausgangsübertrager, bei den Kollektorschaltungen durch
einen hinaufübersetzenden Vorübertrager erzielen. Natürlich kann man zu diesem Zweck
auch die Gegenkopplung ermäßigen, allerdings auf Kosten der Kleinheit bzw. der Größe
der Ein- bzw. Ausgangswiderstände.
-
Die Gleichungen (1) und (5) lassen erkennen, daß die mit den entsprechenden
Transistorschaltungen erzielbaren Ausgangsspannungen oder -ströme um so weniger
verzerrt sein werden, je größer die linearen äußeren Widerstände R 1 bzw. R 2 im
Verhältnis zu den nichtlinearen Eingangs- oder Ausgangswiderständen RE bzw. R,,
gemacht werden. Gewisse Mindestwerte der äußeren Widerstände R 1 bzw. R 2 sind für
ein hinreichend lineares Arbeiten der beschriebenen Transistorschaltungen unerläßlich;
sie werden bei der angegebenen unmittelbaren Zusammenschaltung mit dem Ringmodulator
ganz oder teilweise durch dessen ohnehin vorhandenen Verlustwiderstand aufgebracht.
-
Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 8 wird ein Hallmodulator verwendet.
Dem Modulator wird der Träger S) in Form eines magnetischen Wechselfeldes und das
Signal «) als Steuerstrom zugeführt. Der Verstärker V 1 für das zugeführte Signal
S) soll eine Transistor - Kollektor - Schaltung, der Verstärker V 2 soll eine Basisschaltung
sein. Beide Verstärker werden von den Innenwiderständen des Hallplättchens linearisiert.
Um größere Hallspannungen zu erhalten oder auch zu gewissen Kompensationszwecken,
wird man gegebenenfalls die Klemmenpaare zweier oder mehrerer im gleichen Feld betriebener
Haugeneratoren in Reihe bzw. parallel schalten. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit,
die für die Verstärker V 1 und V2 wirksamen Widerstände zu vergrößern oder zu verkleinern,
wenn es notwendig ist.