DE1416475B2 - Verstärkerschaltung mit negativem Wirkleitwert - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine stabile, rausch- So ist eine Anordnung bekannt (Bell System Techarme Verstärkerschaltung negativen Wirkleitwerts nical Journal, Mai 1960, S. 477 bis 513), die für zum Verstärken eines elektrischen Signals eines vor- einen Betrieb bei Mikrowellen ausgelegt ist und in bestimmten, unterhalb des Mikrowellenbereichs lie- der ein Paar Esaki-Dioden negativen Widerstands genden Frequenzbands und zum Zuführen des 5 vorgesehen sind, die jeweils an ein Paar konjugierter ; verstärkten Signals an eine Last. Arme "einer Hybrid- oder Gabelschaltung angekop-

Die Verwendung eines einzelnen Elements negati- pelt sind. Die Dioden sind in den Signalweg durch ; ven Wirkleitwerts als Verstärker ist mit Schwierigkei- ein Paar Ubertragungsleitungen eingekoppelt, deren ; ten verbunden, die von den außergewöhnlichen Längen sich um eine Viertelwellenlänge unterschei-Eigenschaften vieler solcher Elemente, die derzeit io den. Wie bereits vorstehend erwähnt, eignen sich verfügbar sind, herrühren. Zum Beispiel bringt das solche Gabelschaltungen und andere typische MikroEinsetzen eines einzelnen Verstärkers negativen Wirk- wellenbauteile (wie Zirkulatoren) nicht sonderlich zur leitswerts in eine Übertragungsleitungsschaltung hau- Verwendung bei Frequenzen unterhalb des Mikrofig eine Impedanzfehlanpassung mit sich, die nicht Wellenbereichs, da sie sehr schmalbandig und überohne weiteres kompensiert werden kann. Da Impe- 15 dies kompliziert aufgebaut sind,
danzfehlanpassungen in einer Schaltung unerwünschte Aus den vorstehend angeführten Gründen fehlten Reflexionen des zu übertragenden Signals mit der dar- bisher bistabile, rauscharme Verstärker negativen aus folgenden schädlichen Wirkung auf die Qualität Wirkleitwerts in diesem, unterhalb des Mikrowellender Übertragung und die Wirksamkeit der Schaltung, bands liegenden Frequenzbereich, ebenso breitban-Leistung von einer Quelle zu einer Last übertragen 20 dige Verstärker negativen Wirkleitwerts allgemein, zu können, verursachen, werden in vielen Anwen- Der Einsatz verfügbarer Elemente negativen Wirkdungsfällen andere Verstärkerarten bevorzugt. Zu- leitwerts in allgemein anwendbaren elektronischen ({ sätzlich sind viele Verstärker negativen Wirkleit- Verstärkerschaltungen ist daher durch die Begrenzunwerts bilateral und verstärken Signale, die in jeder gen der bisher wesentlichen Schaltungskomponenten Richtung zwischen ihren Klemmen wandern. Die 25 gehemmt worden. Die Schwierigkeiten, mit denen Rauschzahl eines solchen Elements ist in einer fehl- früher bei der Verwendung bestimmter Einrichtungen angepaßten Schaltung höher als in einer angepaßten. negativen Wirkleitwerts gerechnet werden mußte, Dies deshalb, weil in einem Signal immer ein ge- haben die vorteilhafte Kombination solcher Elemente ringes Rauschen enthalten ist und ein geringes Rau- mit anderen Arten von Schaltungselementen, deren sehen, z. B. Aufprallrauschen, immer in den Elemen- 30 Eigenschaften anderweitig komplementär waren, beten, die eine Lastimpedanz enthalten, erzeugt wird. schränkt. Zum Beispiel empfehlen die Eigenschaften In fehlangepaßten Schaltungen, die einen bilateralen der Tunneldiode — ein Element negativen Wirkleit-Verstärker enthalten, wird das Rauschen von der werts — dieselbe insbesondere als Verstärker oder Quelle oder Last reflektiert und verstärkt, wobei das Vorverstärker in Transistorschaltungen innerhalb die-Ergebnis ein Anstieg der effektiven Rauschzahl des 35 ses Frequenzbereichs. Schwierigkeiten beim Stabili-Verstärkers selbst ist. sieren und Abstimmen von Tunneldioden in solchen

Diese und andere Schwierigkeiten bei der Verwen- Schaltungen haben jedoch diese Anwendungsmögdung einzelner Elemente negativen Wirkleitwerts als lichkeit verhindert. ■■.■·.■■■<:':
Verstärker wurden bisher durch die Kombination sol- Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine stabile eher Einrichtungen mit verschiedenen nichtreziproken 40 rauscharme Breitbandverstärkung für Frequenzen un-Schaltungselementen verringert, die Signalenergie in terhalb des Mikrowellenbereichs mit einer Verstärnur einer Richtung ausbreiten oder die Wellenenergie, kerschaltung negativen Wirkleitwerts ohne Verwendie sich in einer bestimmten Richtung ausbreiten will, dung zusätzlicher nichtreziproker Schaltungselemente dämpfen oder zurückleiten. So ermöglichen z. B. Zir- zu erhalten.

kulatoren, daß das Eingangssignal zum Verstärker 45 Es ist eine Amplituden- und Phasenkompensationsnegativen Wirkleitwerts durchgelassen wird, aber die anordnung bekannt (USA.-Patentschrift 1837 229), reflektierte Energie durch eine andere Öffnung aus bei der eine die Quelle des Signals und die Last verdem System abgeleitet wird. Nichtreziproke Dämp- bindende Übertragungsleitung vorgesehen sowie mit fungseinrichtungen, z. B. Ferrite, hat man gleichfalls einem Paar Elemente negativen Wirkleitwerts ververwendet, um die Wirkung der reflektierten Wellen 5° sehen ist, die je die Leitung an in Abstand voneinzu verringern. Auch sind schon Hybrid- oder Gabel- ander liegenden Stellen überbrücken,
schaltungselemente, ζ. B. ein magisches T, bei Ver- Diese Elemente negativen Wirkleitwerts sollen die stärkern negativen Wirkleitwerts in solcher Weise ver- Phasen- und Amplitudenverzerrung, die. durch die wendet worden, daß die reflektierten Wellen den Aus- Übertragungseigenschaften in den zugeordneten Leigang der Schaltung als Ganzes bilden. 55 tungsabschnitten entsteht, kompensieren. Erreicht

Zwar sind die bekannten Verstärkerformen im wird dies durch Auslegen der Elemente derart, daß Mikrowellenbereich des Frequenzspektrums erfolg- deren Eigenschaften dem Betrage nach denen der zureich anwendbar, sie eignen sich aber nicht bei den geordneten Leitungsabschnitte entsprechen, aber umdarunterliegenden Frequenzen Nichtreziproke Schal- gekehrtes Vorzeichen aufweisen. Daher ist die Wirktungselemente für Frequenzen unterhalb des Mikro- 60 leitkomponente jedes Überbrückungselements sowohl wellenbandes sind schwierig herzustellen. Mikrowel- auf die charakteristische Impedanz als auch auf die leneinrichtungen, wie Isolatoren, Zirkulatoren, Rieh- Fortpflanzungskonstante des Leitungsabschnittes betungskoppler und Hybrid- oder Gabelschaltungsele- zogen. Die bekannte Anordnung ist kein Verstärker, mente, arbeiten bei niedrigeren Frequenzen auge- ihr einziger Zweck ist der, den gesamten Quellenmein nicht zufriedenstellend. Zusätzlich sind solche 65 ausgang zur Last über eine lange, üblicherweise mit Einrichtungen — selbst im Mikrowellenbereich — Phasen- und Amplitudenverzerrung behaftete Übersehr schmalbandig. Des weiteren haben sie einen Korn- tragungsstrecke möglichst ungeändert zu übertragen, pliziertheitsgrad, dessen Verringerung angezeigt ist. Es müssen daher die Elemente negativen Wirkleit-

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werts in entsprechender Weise an die übrigen Werte tive Wirkleitwerte mit dem Vorbehalt angenommen, des Ubertragungssystems angepaßt werden, um zu daß die Durchbrechung in jedem speziellen Beispiel verhindern, das Instabilität im Sinne einer Selbst- entsprechend zu ändern ist, um die übrigen Eigenerregung auftritt. Hierzu dürfen die Elemente negati- schäften der speziell verwendeten Verstärkungseleven Wirkleitwerts keinesfalls so eingestellt werden, 5 mente zu berücksichtigen.

daß Verstärkung erhalten wird, also der Last ein ge- In der Beschreibung ist der Scheinleitwert, der

genüber dem Quellensignal größeres Ausgangssignal nach links oder nach rechts von einem Punkt in der

zugeführt wird. ; dargestellten Schaltung vorhanden ist, durch einen

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist da- entsprechenden Index bezeichnet. So ist in F i g. 1 der durch gekennzeichnet, daß die Elemente negativen io von dem Punkt α nach links zeigende Scheinleitwert Wirkleitwerts, in Kaskade liegen, in den Weg ein- Y_a, bezeichnet, während der von diesem Punkt nach geschaltet sind, wobei das eine (G₁) die Quelle über- rechts zeigende Scheinleitwert Y_a„ bezeichnet ist.. brückt und das andere (G₂) die Last, daß die Viertel- Scheinleitwerte, die hinsichtlich des Punktes b entwellenlängenleitung in dem Weg gelegen ist und die sprechend vorhanden sind, sind mit Y_b, und Y_b„ beüberbrückte Quelle mit der überbrückten Last ver- 15 zeichnet. ■
bindet, daß die Scheinleitwerte von Quelle (Yg) und In Fig. 1 ist eine bekannte Grundschaltung sche-Last (Yι) individuell an den deren Anschlüsse jeweils matisch dargestellt, die eine Signalquelle 2 mit einem überbrückenden Gesamtscheinleitwert angepaßt sind inneren Scheinleitwert Y_g gleich G_s+jB_g und einen und daß die Größe jedes negativen Wirkleitwerts in Last-Scheinleitwert Y₁ gleich G_L+jB_L aufweist, zu an sich bekannter Weise kleiner als der an seinen An- 20 denen ein negativer Wirkleitwert — G parallel geschlüssen erscheinende positive Gesamtscheinleitwert schaltet ist. Eine Bedingung für die stabile Wirkungsgewählt ist, um ein Instabilität des Verstärkers zu weise des negativen Wirkleitwertes — G als Verstärvermeiden. ker besteht darin, daß der hierzu parallele positive

Hierdurch erhält man einen stabilen zweiseitigen Wirkleitwert größer als der Betrag von — G ist, d. h., Zwischenfrequenzverstärker, der keine Hybrid- oder 25 die Stabilität erfordert, daß
Gabelschaltungselemente oder Zirkulatoren benötigt. (j _i_(j ~> j _(ji
Die beiden Elemente negativen Wirkleitwerts liegen, -·.·. s l . \ |
in Kaskade geschaltet, im Signalweg auf beiden Sei- ist. Offenbar wirkt in der Schaltung nach F i g. 1 der ten einer Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung. negative Wirkleitwert als ein bilateraler Verstärker Dieser Aufbau ist gesondert sowohl an die Quelle als 30 zwischen der Quelle 2 und dem Last-Scheinleitwert Y_L. auch an die Last angepaßt, und der gesamte äußere Um ein Signal von der Quelle 2 zu der Last Y_L ohne Wirkleitwert, der an den Anschlüssen jedes Elemen- unerwünschte Reflexion zu übertragen, ist es nottes negativen Wirkleitwerts angeschlossen ist, ist aus wendig, daß die Schaltung vollständig angepaßt ist, Stabilitätsgründen positiv gemacht. Die Viertelwel- d. h. daß Y_a, gleich Y_a„ und Y_b, gleich Y_b„ ist. Diese lenlängenleitung wird dabei selbst als ein Impedanz- 35 Bedingungen können jedoch in der dargestellten anpaßelement verwendet, so daß die Fortplanzungs- Schaltung nicht erreicht werden, woraus sich ergibt, konstante der Leitung nicht mit einbezogen wird; und daß die Verstärkung zwischen der Quelle 2 und der es wird sowohl eine Anpassung der Schaltung'als Last Y_L mit Hilfe des negativen Wirkleitwerts — G auch eine Stabilisierung im Sinne der Verhinderung unvermeidlich zu unerwünschten Reflexionen führt, einer Selbsterregung erreicht, weil sowohl Quelle als 40 Obwohl der negative Wirkleitwert selbst stabilisiert auch Last an ihren jeweiligen Anschlüssen ihre ent- ist, ist die Schaltung als Ganzes unwirksam und kann sprechenden Impedanzen durch den jeweiligen Rest sogar unstabil sein. Ein stabiler, angepaßter Verstärder Schaltung bei gleichzeitiger Stabilisierungswir- ker gemäß der Erfindung ist in F i g. 2 dargestellt, kung auf die negativen Wirkleitwerte dargeböten wobei die Signalquelle 2 mit einem inneren Scheinerhalten. '^: " /:■.:';:';:; ^ ,: ■ ■: 45 leitwert Y_g parallel zum negativen Wirkleitwert — G₁

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich- geschaltet ist und der Last-Scheinleitwert Y_L parallel

nung beschrieben; es zeigt : '^: zum negativen Wirkleitwert-G₂ geschaltet ist. Die

Fig. 1 das Schaltschema einer bekannten Verstär- negativen Wirkleitwerte sind durch einen Überfra-

kerschaltung, : , ■ ;j : ι ;l·. rüija ^j , ' ;-;cj ;;; gungsleitungsteil 11 verbunden, dessen elektrische

Fig. 2 das Schaltschema eines'"erfindungsgemäß 50" Länge im wesentlichen gleich einem Viertel der WeI-

ausgebildeten Verstärkers, ' ■'[ lenlänge bei der Mittenfrequenz des Signalbandes

F i g. 3 das Äquivalenzschaltbild der Schaltung nach ist. Diese Viertelwellenlängenleitung habe die Impe-

Fig. 2, :-:;:■? · danz Z₀ (Wellenwiderstand). Die Impedanz Z_n kann

F i g. 4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels so gewählt werden, daß die Scheinleitwerte Υ_ε und

und ■:-■:■· ■ - 55 Y₁ angepaßt werden.

F i g. 5 und 6 den Frequenzgang der Verstärkung ■■· Die wichtigsten Eigenschaften der Schaltung in

bzw. Rückverstärkung der Schaltung nach F i g.'4. F i g. 2 werden am besten dadurch erläutert, daß die

In der nachfolgenden Beschreibung sind die EIe- Scheinleitwerte Y_g und Y₁ einander gleich und je mente negativen Wirkleitwerts einfach als elementare gleich einem Einheitswert gesetzt werden; ebenso negative Wirkleitwerte betrachtet; in der Praxis wer- 60 werden die Wirkleitwerte G₁ und G₉ auf gleiche den sie aber durch Schaltungskomponente dargestellt, Werte gebracht. Es kann gezeigt werden, daß eine deren Äquivalenzschaltbilder-auch dissipative Köm- Schaltung mit zwei positiven Schaltleitwerten G, die ponenten, also positive Wirkleitwertkomponenten, durch eine Viertelwellenlängenleitung der Impedanz, ebenso Blindkomponenten enthalten können. Zum Z_n verbunden sind, auf einen Quellen-Einheit-Schein-Beispiel können die Elemente negativen Wirkleitwerts 65 leitwert und einem Last-Einheits-Scheinwert (d. h. Y_R. Tunneldioden, parametrische Verstärker oder Maser gleich Y_L gleich 1) angepaßt ist, wenn die folgende sein. Im Interesse der Klarheit werden jedoch hier Bedingung erfüllt ist
die Elemente negativen Wirkleitwertes als reine nega- Z₀ ²=1/(1 — G²) . (1)

Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, daß die Anpaßbedingung unabhängig vom Vorzeichen der Größe G ist [vgl. Gleichung (I)]. Die Impedanzanpassung wird durch den Ersatz der positiven Wirkleitwerte durch den negativen Wirkleitwert — G in keiner Weise gestört. Wenn der Quelle ihr eigener charakteristischer Scheinleitwert von einer positive Wirkleitwerte enthaltenden Schaltung dargeboten wird, so wird der Quelle auch derselbe Scheinleitwert durch die Schaltung dargeboten (Fig. 2). Für die Quelle sind also die in der Schaltung vorhandenen negativen Wirkleitwerte im Effekt nicht vorhanden.

Wenn des weiteren die Einsatzverstärkung K als das Verhältnis der Leistungen definiert wird, die zu der Last nach dem Einsatz bzw. vor dem Einsatz übertragen werden, so kann gezeigt werden, daß, wenn eine Schaltung mit zwei Wirkleitwerten G, die durch eine Viertelwellenlängenleitung der Impedanz Z_n verbunden sind, zwischen die Quellen- und Last-Einheits-Scheinleitwerte eingesetzt wird, folgende Beziehung gilt

1/X=Z₀* (l + G)* (2)

oder wegen (1)

JK=(1-G)/(1+G). (3)

Daher tritt Verstärkung (K größer als 1) auf, wenn G negativ ist. Diese Verstärkung wird stabil sein, wenn der Realteil des Gesamtschaltungs-Scheinleitwerts, der jeden negativen Wirkleitwert überbrückt, positiv und größer als G ist, wie dies allgemein bekannt ist.

Es kann gezeigt werden, daß, wenn ein Paar identischer negativer Wirkleitwerte G eine Quelle bzw. eine Last je eines Einheitsscheinleitwerts überbrükken, wobei Quelle und Last über eine Viertelwellenlängenleitung der Impedanz Z_n verbunden sind, der Gesamtscheinleitwert, der jedes Element G überbrückt, gegeben ist durch

1 + 17/(1+G) (4)

mit F₀=1/Z₀.

Aus den Gleichungen (1), (3) und (4) ist ersichtlich, daß bei einer Verstärkung die erforderliche Stabilität immer auftritt, wenn

■1 > G > 0

(5)

Ein Eingangssignal wird durch die Elemente negativen Wirkleitwerts verstärkt und wird zur Last ohne Rückreflexion zur Quelle übertragen werden. Des 5<> weiteren wird jedes; Rauschen, das durch die Last ausgestrahlt wird, zu der Quelle ohne Reflexion übertragen. Tatsächlich arbeiten sowohl die Quelle als auch die Last auf ihren eigenen Scheinleitwerten in der restlichen Schaltung.

Da der Verstärker angepaßt ist und keine Reflexionen in der Schaltung auftreten, ist sein effektives Rauschen allein durch innere Rauschquellen bestimmt. Ein durch die Last ausgestrahltes Rauschen wird durch den positiven Realteil ihres Anpaß-Schein- ßo leitwerts aufgenommen. Zusätzlich ist der Verstärker für Breitbandverstärkung geeignet; denn im Prinzip braucht die Schaltung tatsächlich keine Blind- oder frequenzabhängigen Elemente zu enthalten und kann über den ganzen Bereich wirksam sein, in dem die 65 und Quelle und die Last angepaßt sind. Dies ist im Äquivalenzschaltbild (F i g.3) dargestellt, wonach der Im- gilt.

pedanztransformator 12 ein Wickelungsverhältnis von 1: Z₀ hat. ■

Ein Ausführungsbeispiel mit Tunneldioden 13 und 14 als Elemente negativen Wirkleitwertes ist schematisch in F i g. 4 dargestellt. Die Induktivität L₀ und die Kapazität C₀ bilden eine konzentrierte Viertelwellenlängenleitung. Die Übertrager 17 und 18 dienen zum Erhalt der gewünschten Werte für die negativen Scheinleitwerte. i?C-Glieder 23 und 24 belasten

ίο die Dioden bei hohen Frequenzen, bei denen die Übertrager 17 und 18 die Dioden 13 und 14 nicht mehr wirksam an die übrige Schaltung ankoppeln. Die Dioden werden durch einstellbare Spannungsquellen 20 und 21 vorgespannt. Bei einer speziellen Verstärkerschaltung nach Fig. 4 sind die Tunneldioden mit negativen Wirkleitwerten von —1/1205 durch die Übertrager 17 und 18 an die Quellen- und Lastwirkleitwerte von je 1/50 S angepaßt. Bei einer Verstärkung von 8,9 db bei 30 MHz war der Ver-

ao stärker ohne weiteres so abzustimmen, daß er 30 db Rückdämpfung an jedem Klemmenpaar erzeugte, wobei seine Verstärkung in Abhängigkeit der Frequenz einen breiten, flachen Bereich um 30 MHz zeigte (Fig. 5) und eine Bandbreite von 10% für eine Rückverstärkung von weniger als —10 db zu beobachten war (F i g. 6).

Aus obigem ist zu ersehen, daß mit der Anordnung eine stabile, rauscharme, breitbandige Verstärkung durch Elemente negativen Wirkleitwertes erhalten werden kann. Es können auch eine Mehrzahl Elemente negativen Wirkleitwertes vorgesehen werden, die dann in einer entsprechenden Kettenschaltung angeordnet sind.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Angepaßter Breitbandverstärker für einen Betrieb bei Frequenzen unterhalb des Mikrowellenbereichs, mit einem Paar Elemente negativen Wirkleitwerts und einer Anordnung einschließlich einer Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung (der Impedanz Z₀) zum Einkoppeln der Elemente in einen Signalquelle und Last verbindenden Weg zur hierin erfolgenden Signalverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente negativen Wirkleitswerts, in Kaskade liegend, in den Weg eingeschaltet sind, wobei das eine (G₁) die Quelle überbrückt und das andere (Gj,) die Last, daß die Viertelwellenlängenleitung in dem Weg gelegen ist und die überbrückte Quelle mit der überbrückten Last verbindet, daß die Scheinleitwerte von Quelle (F„) und Last (Y_L) individuell an den deren Anschlüsse jeweils überbrückenden Gesamtscheinleitwert angepaßt sind und daß die Größe jedes negativen Wirkleitwerts in an sich bekannter Weise kleiner als der an seinen Anschlüssen erscheinende positive Gesamtscheinleitwert gewählt ist, um eine Instabilität des Verstärkers zu vermeiden.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Y„ = Y_L = 1 die Wirkleitwerte der Elemente je gleich einem Wert G gewählt sind derart, daß

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45 Z₀* =»1/(1 —G*)

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen