DE1298153C2 - Hochfrequenzverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzlei- Der zweite Nachteil, der oben erwähnt wurde, bestungsverstärker mit mehreren parallelgeschalteten, ruht auf der Schwingungsfähigkeit von aktiven Halbstromgesteuerten Halbleiterbauelementen, denen ein 35 leiterbauelementen, wie Transistoren, die als Verstär-Eingangssignal bestimmter Frequenz zur nahezu ker arbeiten. Bei Hochfrequenztransistoren ist dieses gleichmäßigen Leistungsaufteilung auf die Halb- Problem von erheblicher Bedeutung, da sowohl im leiterbauelemente über gleichartige Blindwiderstände Transistor selbst als auch in der äußeren Schaltung zugeführt ist, die groß gegenüber den Eingangswider- Rückkopplungswege für hohe Frequenzen vorhanden ständen der Halbleiterbauelemente sind und die mit 40 sind. Wenn ein Transistor einer Parallelschaltung zu einem an ihren Verbindungspunkt angeschlossenen schwingen beginnt, kann der schwingende Transistor gemeinsamen Blindwiderstand entgegengesetzten oder andere, diesem parallelgeschaltete Transistoren, Vorzeichens einen auf die Frequenz des parallel zu die im Effekt eine Belastung für den schwingenden dem gemeinsamen Blindwiderstand zugeführten Ein- Transistor darstellen, zerstört werden,
gangssignal abgestimmten Resonanzkreis bilden. 45 Die obenerwähnten Probleme treten bei jeder Par-

Es ist schwierig, mit Halbleiterbauelementen ver- allelschaltung stromgesteuerter HaWeiterbauelehältnismäßig große Hochfrequenzleistungen zu er- mente auf, deren Eingangsimpedanzen unterschiedzeugen, da für einen Betrieb bei hohen Frequenzen lieh sind und deren Verlustleistung vom jeweiligen geeignete Halbleiterbauelemente im allgemeinen nur Eingangsstrom abhängt.

geringe Leistungen abzugeben vermögen. Hochfre- 50 Es ist bereits bekannt (»Electronics« v. 1. Juni quenztransistoren sind beispielsweise wegen ihrer ge- 1964, S. 78), den Basiselektroden von parallel arbeiwöhnlich kleinen Abmessungen in ihrer Leistungsfä- tenden Transistoren eines Leistungsverstärkers das higkeit beschränkt. Bei Schaltungsanordnungen, in Eingangssignal über getrennte Induktivitäten zuzudenen mit Halbleiterbauelementen hohe Leistungen führen. Die den Basiselektroden abgewandten Enden bei hohen Frequenzen erzeugt werden sollen, z.B. 55 der Induktivitäten sind jeweils über die Parallelschalbei Transistorverstärkern, hat man daher häufig tung einer Hochfrequenzdrossel und eines zur Symmehrere aktive Halbleiterbauelemente so zusammen- metrierung der an den Kollektoren der beiden Trangeschaltet, daß jedes einen Teil der Gesamtleistung sistoren abgegebenen Leistungsanteile dienenden liefert. Bei Transistorverstärkern ist es beispielsweise Trimmerkondensators mit Masse verbunden und bekannt, mehrere Transistoren parallel zu schalten, 60 außerdem über je einen Kondensator an den gemeind. h. gleichartige Klemmen der einzelnen Transisto- samen Signalzuführungspunkt angeschlossen, der ren miteinander zu verbinden, und die Parallelschal- außerdem mit einer nach Masse geführten Induktivitung wie ein einziges Bauelement hoher Leistung zu tat verbunden ist. Die Werte dieser beiden letztgebetreiben. Ähnliche Lösungen sind auch bei Va- nannten Kondensatoren sind mit 3 bzw. 15 pF jekuumröhrenschaltungen bekannt. Im Gegensatz zu 65 doch sehr unterschiedlich, so daß im Sinne einer für Vakuumröhren haben Transistoren jedoch relativ beide Transistoren gleichen Signaleinspeisung offenniedrige und stark streuende Eingangsimpedanzen. bar auch die beiden Induktivitäten unterschiedliche Bei einer Parallelschaltung von Transistoren ergeben Werte haben. Nachteilig bei dieser bekannten Schal-

tungsanordnung ist, daß die in die Basiszuleitung eingeschalteten Induktivitäten zu einer Verringerung des Eingangsstroms der Transistoren führen.

Aus dem Buch »Handbook of Semiconductor Electronics« von L.P. Hunter, McCiraw Hill Book Comp., 1962, S. 59, ist es ferner bekannt, in die Eingangsleitungen von parallel arbeitenden Transistoren eines Hochfrequenzverstärkers kleine Wechselstromimpedanzen einzuschalten, um eine gleichmäßige Aufteilung des Steuersignalstromes zu erreichen. Da selbst bei Transistoren des gleichen Typs die Transistoreingangsimpedanzen stark streuen, muß man in der Praxis die kleinen Reihenimpedanzen einstellbar machen, was nicht nur die Kosten dieser Bauelemente erhöht, sondern auch eine erhebliche Abgleicharbeit mit sich bringt.

Derselbe Nachteil liegt bei einer Schaltung vor, die aas der Veröffenuichung »Solid-State Design« vom Juni 1962, S. 12, Fig. 3, bekannt hl. Hierbei wird das Eingangssignal einem auf etwa 150 MHz abgestimmten Parallelkreis zugeführt, von dessen angezapfter Spule es über je eine einstellbare Kapazität (8 bis 60 pF) den Basen zweier Leistungstransistoren zugeführt wird. Mit Hilfe dieser Kapazitäten lassen sich die den Transistoren zugeführten Eingangsströme im Sinne einer gleichmäßigen Leistungsaufteilung auf die beiden Transistoren aufeinander abgleichen. Dieser Abgleich erfordert jedoch nicht nur einen zusätzlichen Zeitaufwand, sondern auch den Einbau veränderbarer Kondensatoren. Beiden wirkt sich kostenerhöhend aus.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Hochfrequenzleistungsverstärkers, bei dem eine gleichmäßige Signaleinspeisung zweier parallel arbeitender, stromgesteuerter Halbleiterbauelemente erreicht wird, ohne daß Abgleicharbeiten — und damit die Verwendung einstellbarer Impedanzen — zum Ausgleich der Toleranzen zwischen den beiden Halbleiterbauelementen erforderlich wären. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angeführten Merkmale gelöst.

Infolge der gleichen Größe und des festen Wertes der relativ hochohmigen Blindwiderstände erfolgt die Signaleinspeisung in die Halbleiterbauelemente auch bei unterschiedlichen Eingangswiderständen (Toleranzen, Auswechseln) praktisch mit gleichen Konstantströmen, ohne daß irgendwelche Einstellarbeiten erforderlich wären.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung ara Beispiel von Transistorverstärkern mit parallel arbeitenden Transistoren in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines abgestimmten Verstärkers gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein Schaltbild eines breitbandigen VHF-Verstärkers gemäß der Erfindung und

F i g. 3 ein Schaltbild eines UHF-Verstärkers gemäß der Erfindung.

Ein gemäß der Erfindung aufgebauter Verstärker ist in F i g. 1 dargestellt. Die Kollektorelektroden 65, 69 zweier Transistoren 67, 71 sind miteinander verbunden und über einen abgestimmten Ausgangskreis 72 mit einer Verstärkerausgangsklemme 73 gekoppelt. Die beiden Emitterelektroden 66, 70 liegen an Masse. Der Eingangskreis des Verstärkers umfaßt eine Verstärkereingangsklemme 60, zwei Blindwiderstände 61, 62, die jeweils zwischen eine Basiselektrode 64 bzw. 68 eines der beiden Transistoren und einen nach Masse führenden gemeinsamen dritteu Blindwiderstand 63 geschaltet sind. Die Vorspannungskreise sind auch hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die dargestellte Schaltung enthält nur zwei Transistoren in Emitterschaltung, man kann jedoch entsprechend dem Leistungsbedarf eine beliebige Anzahl von parallel arbeitenden Transistoren

ίο verwenden.

Die beiden Blindwiderstände 61, 62 sind so gewählt, daß sie mit dem dritten Blindwiderstand 63 einen Resonanzkreis bilden, der die gewünschte Bandbreite und Mittelfrequenz aufweist. Die beiden Blindwiderstände 61, 62 können beispielsweise aus zwei Spulen gleicher Induktivität bestehen, und der dritte Blindwiderstand 63 kann ein Kondensator sein. Die beiden Blindwiderstände 61, 62 sollen im Vergleich zu den Eingangsimpedanzen der Transisto-

»o ren 67, 71 bei der Betriebsfrequenz relativ groß sein, damit die Verteilung des Stroms auf die beiden Transistoren 67, 71 praktisch unabhängig von den Eingangsimpedanzen der Transistoren ist. Die beiden Bündwiderstände 61, 62 sollen den gleichen Wert

as haben, damit die den beiden Transistoren 67, 71 zugeführten Ströme im wesentlichen gleich sind. Die beiden gleichen Blindwiderstände 61, 62 siud vorzugsweise Induktivitäten, da zwei gleiche Induktivitäten leic'iter herzustellen sind als zwei gleiche Kapazitäten. Es hat sich außerdem ergeben, daß die Stabilität des Kreises bei Verwendung von Induktivitäten etwas größer ist.

Die Aufteilung des Eingangsstroms auf die beiden Transistoren 67, 71 ist in erster Linie durch die Werte der beiden Blindwiderstände 61, 62 bestimmt, die bei der Betriebsfrequenz s^roß im Vergleich zu den Eingangswiderständen der beiden Transistoren sind. Etwaige Abweichungen oder Schwankungen der Eingangswiderstände der Transistoren 67, 71 haben daher einen nur sehr kleinen Einfluß auf den Eingangsstrom der Transistoren 67, 71. Die Verlustleistung im ersten Transistor 67 ist daher auch praktisch gleich der Verlustleistung im zweiten Transistor 71, auch wenn die Eingangswiderstände schwanken.

Wenn der Verstärker eine noch höhere Gesamtleistung abgeben soll, kann noch ein dritter Transistor zugeschaltet werden, zwischen dessen Basiselektrode und den gemeinsamen Blindwiderstand 63 ein Blindwiderstand eingeschaltet wird, der gleich dem ersten und zweiten Blindwiderstand 61 bzw. 62 ist. Der gemeinsame Blindwiderstand 63 muß dann entsprechend geändert werden, um die gewünschte Resonanzfrequenz zu erhalten. Die Brandbreite des Verstärkers bleibt ohne weitere Änderungen der bereits vorhandenen Kreise gleich.

Es hat sich gezeigt, daß die einzelnen Transistorstufen der vorliegenden Verstärkerschaltung stabiler sind als die entsprechenden Stufen eines bekannten Verstärkers mit unmittelbar parallelgeschalteten Transistoren, wenn der Verstärker breitbandig ist und die beiden Blindwiderstände 61, 62 Induktivitäten sind. Unter ungünstigen Verhältnissen ist es jedoch auch bei dem beschriebenen Verstärker gemäß der Erfindung noch möglich, daß eine der Transi-

storstufen schwingt. In einem solchen Falle ist die Gefahr, daß ein nichtschwingender Transistor durch einen schwingenden Transistor zerstört wird, bei dem Verstärker gemäß der Erfindung kleiner als bei un-

mittelbarer Parallelschaltung der Transistoren. Der tat der beiden parallelliegenden Spulen 61, 62 beGrund hierfür liegt darin, daß die Blindwiderstände stimmt. Bei der Betriebsfrequenz ist die Reaktanz 61, 62, die zwischen die Basiselektroden 64, 68 der der Spule 61 groß im Vergleich zum Eingangswiderbeiden Transistoren 67, 71 geschaltet sind, eine Iso- stand des Transistors 67, dasselbe gilt für die Spule lation der Transistoren bewirken. 5 62 und den Transistor 71. Etwaige Abweichungen

Fig.2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der oder Schwankungen der Eingangswiderstände der Erfindung ein Schaltbild eines VHF-Leistungsver- beiden Transistoren haben daher praktisch keinen stärkers. Die Eingangsklemme 60 ist mit Basiselek- Einfluß auf die Stromverteilung zwischen den beiden troden 64, 68 der beiden Transistoren 67 bzw. 71 Transistoren. Die Verlustleistung der beiden Transiüber zwei gleiche Induktivitäten 61 bzw. 62 verbun- to stören ist daher auch praktisch unabhängig vom zuden. Die beiden Induktivitäten 61, 62 bilden mit gehörigen Eingangswiderstand.
einem Parallelkondensator 63, der zwischen die Ein- Wenn einer der beiden Transistoren 67, 71 gangsklemme 60 und Masse geschaltet ist, einen Re- schwingen sollte, wird der andere Transistor, der gesonanzkreis. Zwischen die Eingangsklemme 60 und gebenenfalls nicht schwingt, vom schwingenden Masse ist außerdem noch eine Hochfrequenzdrossel »s Transistor durch die beiden Spulen 61, 62 getrennt. 79 geschaltet. Die Emitter 66, 70 der Transistoren 67 Die im nichtschwingenden Transistor vernichtete bzw. 71 sind über Vorspannungswiderstände 88 bzw. Leistung wird auf diese Weise begrenzt, und die Ge-94, die durch Kondensatoren 89 bzw. 95 überbrückt fahr einer Zerstörung dieses Transistors durch zusind, mit Masse verbunden. Die Kollektorelektroden sätzliche Hochfrequenzverlustleistung ist dement-65, 69 sind miteinander verbunden und über eine In- so sprechend gering.

duktivität 102 an einen positiven Pol 104 einer Be- Wenn es erforderlich sein sollte, die Ausgangslei-

triebsspannungsquelle B + angeschlossen. Zwischen stung des Verstärkers weiter zu vergrößern, kann man

die Klemme 104 und Masse ist ein Filterkondensator den Transistoren 67, 71 noch einen dritten Transi-

103 geschaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers stör zuschalten. Für den dritten Transistor wäre der-

wird von den miteinander verbundenen Kollektor- 25 selbe Typ wie die anderen beiden Transistoren und

elektroden über einen abgestimmten Kreis 72 abge- eine Induktivität gleichen Werts wie die Spulen 61,

nomroen, der zwei Induktivitäten 96, 98 und zwei 62 zu verwenden. Der Kondensator 63 muß dann

Kapazitäten 97, 99 enthalten kann und mit der Aus- nachjustiert werden, um die durch die Zuschaltung

gangsklemme 73 verbunden ist der dritten Stufe verursachte Abnahme der wirksa-

Der Kondensator 63 bildet mit den beiden Spulen 30 men Induktivität zu kompensieren. Bei richtiger Aböl, 62 einen Schwingkreis. Die Resonanzfrequenz stimmurg mittels des Kondensators 63 erhält man dieses Schwingkreises wird also durch die Kapazität praktisch die gleiche Bandbreite wie vor dem Zudes Kondensators 63 und die resultierende Induktivi- schalten der dritten Stufe.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

geh daher Schwierigkeiten, wegen der unterschiedli- Patentansprüche: chen Hochfrequenzeigenschaften der einzehien Transistoren, insbesondere wegen der schwankenden Ein-

1. Hochfrequenzleistungsverstärker mit mehre» gangsimpedanzen. „ „ , . ,

ren parallelgeschalteten, stromgesteuerten Halb- 5 Die obenerwähnte bekannte Parallelschaltung hat

leiterbauelementen, denen ein Eingangssignal be- zwei Hauptnachteile: 1. ungleichmäßige Leistungs-

stimmter Frequenz zur nahezu gleichmäßigen verteilung auf die verschiedenen Halbleiterhauele-

Leistungsaufteilung auf die Halbleiterbauele- mente wegen der unterschiedlichen Hochfrequenzei-

mente über gleichartige Blindwiderstände züge- genschaften der verschiedenen Halbleiterbauele-

führt ist, die groß gegenüber den Eingangswider- io mente taid 2. die Gefahr, daß in einem oder in meh-

ständen der Halbleiterbauelemente sind und die reren Bauelementen Schwingungen auftreten, die zu

mit einem an ihren Verbindungspunki ange- einer Zerstörung der betreffenden Bauelemente füh-

schlossenen gemeinsamen Blindwiderstand entge- ren.

gengesetzten Vorzeichens einen auf die Frequenz Der erstgenannte Nachteil hat seme Ursache darin,

des parallel zu dem gemeinsamen Bündwider- 15 daß die Verlustleistung von Halbleiterbauelementen,

stand zugeführten Eingangssignals abgestimmten wie Transistoren, dem vom Bauelement aufgenom-

Resonanzkreis bilden, dadurch gekean- menen Eingangsstrom direkt proportional ist. Bei

zeichnet, daß die Blindwiderstände (61, 62) einem Transistorverstärker ist beispielsweise die Lei-

untereinander gleich große, feste Werte haben. stung direkt proportional zum Basisstrom. Wenn zwi-

2. Hochfrequenzleistungsverstärker nach An- ao sehen Basis und Emitter einer Anzahl von Transistospruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an ren die gleiche Spannung angelegt wird, wie es bei die Halbleiterbauelemente (67, 71) angeschlosse- den üblichen Parallelschaltungen der Fall ist, hängt nen Blindwiderstände (61, 62) Induktivitäten und die Verteilung des Stroms auf die verschiedenen der gemeinsame Blindwiderstand (63) ein Kon- Transistoren von den jeweiligen Basis-Emitter-Impedensator sind. 35 danzen ab. Ein Transistor mit einer niedrigen Basis-Emitter-Impedanz neigt daher dazu, mehr Strom aufzunehmen als ein Transistor mit einer hohen Basis-Emitter-Impedanz. Die sich hierdurch ergebende

ungleiche Stromverteilung hat eine entsprechend un-

30 gleiche Leistungsverteilung zur Folge, die in sehr ungünstigen Fällen zu einer Zerstörung der entsprechenden Transistoren führen kann.