DE1487527C - Schaltung eines Wechselspannungsver starkers mit elektronisch einstellbarem passivem Vierpol - Google Patents

Description

In der Meßtechnik sind zur genauen Bestimmung oder zum Vergleich von Wechselspannungsgrößen Wechselspannungsverstärker mit definiert umschaltbarem Verstärkungsgrad notwendig. Um eine vielfach verlangte kurze Meßzeit, wie z. B. für automatische Messung, erfüllen zu können, müssen an solche Verstärker außerdem hohe Anforderungen an die Schnelligkeit der Umschaltung gestellt werden.

Es ist bekannt, daß zur Umschaltung der Verstärkung in definierten Stufen Spannungsteiler oder Dämpfungsvierpole (Eichleitungen) benutzt werden. Diese sind jedoch mechanisch oder elektromechanisch zu betätigen und sind deshalb für viele Anwen- -düngen nicht genügend schnell.

Es ist ferner bekannt, den Verstärkungsgrad durch Umschalten der Arbeitspunkte der Verstärkerelemente zu verändern. Diese Methode ist zwar genügend schnell, ergibt jedoch nicht die genügende Genauigkeit hinsichtlich des Verstärkungsgrades. Außerdem ist in vielen Fällen, insbesondere bei Hochfrequenzverstärkern, mit der Umschaltung des Arbeitspunktes der Verstärkerelemente und der damit verbundenen Änderung der Vierpolkoeffizienten eine unerwünschte Änderung z. B. der Bandbreite, des Phasenganges u. ä. möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronisch betätigbare Verstärkerschaltung zu finden, die die Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Schnelligkeit des umzuschaltenden Verstärkungsgrades ermöglicht, wobei die Verstärkereigenschaf- ten, wie z. B. Bandbreite und Frequenzgang, nicht oder nur unbedeutend von der Umschaltung beeinflußt werden.

Ausgehend von der Schaltung eines Wechselspannungsverstärkers, insbesondere für Hochfrequenz, mit elektronisch einschaltbarem passivem Vierpol, wobei die bei der elektronischen Einschaltung des Vierpols auftretende Änderung der Verstärkereigenschaften nur oder nahezu nur von der Bemessung oder Einstellung des passiven Vierpols bestimmt ist mit unbedeutender Änderung der Verstärkerein- und -ausgangswiderstände wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Signalquelle die Steuerelektroden von zwei aktiven Verstärkerelementen gleichzeitig steuert und durch die Ausgangselektrode des einen Verstärkerelementes wechselstrommäßig mit dem Eingang des Vierpols und die Ausgangselektrode des anderen Verstärkerelements mit dem Ausgang des Vierpols, von dem das verstärkte Ausgangssignal entnommen wird, verbunden ist und daß zwecks Einschaltung des Vierpols den Steuerelektroden eine solch unterschiedliche Steuerspannung zugeführt wird, daß die verstärkende Wirkung des dem Vierpoleingang zugeordneten Verstärkerelementes entfällt und die verstärkende Wirkung des dem Vierpolausgang zugeordneten Verstärkerelementes einsetzt und daß die Gegenkopplung des Verstärkerelementes für die Signalfrequenz einander gleich und so groß bemessen ist, daß durch Änderung der Betriebsparameter der Verstärkerelemente im leitend geschalteten Zustand keine störende Änderung der Verstärkereigenschaften hervorgerufen werden.

In Fig. 1 und 2 sind die Grundschaltungen der Erfindung mit Transistoren als Verstärkerelemente gezeigt, wobei in der F i g. 1 die Transistoren in Emitterschaltung und in der Fig. 2 in Basisschaltung betrieben werden.

Der Signalgenerator 1 der Fi g. 1 mit der Quellenimpedanz R₀ steuert die Steuerelektroden der Transistoren 2 und 3 gleichzeitig. Die Ausgangsklemme 4, von der das verstärkte Signal abgenommen werden kann, ist mit dem Kollektor des Transistors 3 verbunden. Zwischen den Kollektoren der Transistoren 2 und 3 einerseits und den Kollektoren der Transistoren und dem Pluspol der Batterie 5 andererseits ist ein Dämpfungsvierpol 6 eingeschaltet. Mit dem Schalter 7 werden die Basis-Emittergleichspannungen der Transistoren so umgeschaltet, daß entweder Transistor 2 leitend und Transistor 3 gesperrt ist (gezeichnete Schalterstellung) oder Transistox'3 leitend und Transistor 2 gesperrt ist. Es wird eine-sehr große Gegenkopplung für die Signalfrequenz angewendet und die gewünschte Verstärkungsgradänderung beim Umschalten durch den Vierpol 6 bestimmt. Dabei ermöglicht die Gegenkopplung, deren Grad in der Schaltung nach F i g. 1 durch den Widerstand 8 und in der Schaltung nach Fig. 2 durch den Widerstandswert der Parallelschaltung aus Widerstand 8 und Quellwiderstand Rq einerseits und andererseits dem Arbeitspunkt des jeweils leitenden Transistors bestimmt wird, die Ausschaltung des Einflusses der Transistorparameter auf die Verstärkung.

Wird die Umschaltung der Transistoren 2 und 3 so vorgenommen, daß die Kollektorströme im leitenden Zustand den gleichen oder nahezu den gleichen Wert haben, so ist auch der Gegenkopplungsgrad einander gleich und ebenso der verstärkte Signalwechselstrom des jeweils eingeschalteten Transistors. Durch die Betätigung des mechanischen Schalters 7 kann damit der verstärkte Signalstrom entweder zum Eingang des Dämpfungsvierpols (Transistor 2 leitend) oder zum Ausgang des Dämpfungsvierpols (Transistor 3 leitend) geleitet werden. Die beim Umschalten auftretende Änderung des Verstärkungsgrades, bezogen auf die Ausgangsklemme 4 ist damit nur von der Bemessung des Dämpfungsvierpols 6 abhängig.

Wird ein symmetrischer, umschaltbarer Dämpfungsvierpol 6 in .die Kollektorstromkreise der Transistoren 2 und 3 eingeschaltet und dieser Dämpfungsvierpol mit seinem Wellenwiderstand auf der Eingangsseite (Kollektorstromkreis von Transistor 2) abgeschlossen, so entspricht die elektronisch umschaltbare Verstärkungsänderung genau dem Maß der eingestellten Dämpfung des Dämpfungsvierpols.

Dabei ändert sich bei der Umschaltung des Dämpfungswertes (Betätigung des Schalters 7) der Eingangswiderstand der Stufe und der ausgangsseitige Innenwiderstand (bezogen auf die Klemme 4) der Stufe nur unbedeutend, wenn der Wellenwiderstand des Dämpfungsvierpols im Vergleich zum wirksamen Innenwiderstand der Transistoren in der Schaltung sehr klein gewählt wird (je nach Frequenzbereich bis zu einigen k.Q).

Die Erfindung gestattet deshalb die definierte Umschaltung der Verstärkung bei geringer Beeinflussung der übrigen Ubertragungseigenschaften wie z. B. Bandbreite und Phasengang.

Der besondere Vorteil der Basisschaltung, wie dies in der F i g. 2 dargestellt ist bei Verwendung gleicher Bezugszeichen, wie in der Fig. 1 besteht darin, daß gegenüber der Emitterschaltung ein großer Dämpfungswert des Vierpols 6 bzw. elektronisch umschaltbare Verstärkungsänderung für einen bestimmten zulässigen Fehler erzielt werden kann, insbesondere für höhere Frequenzen.

Diese Tatsache beruht auf dem unterschiedlichen Verhältnis der Signalströme im Kollektorstromkreis des Transistors 3 bei Umschaltung vom leitenden in den gesperrten Zustand. Bei der Schaltung nach Fig. 1 (Emitterschaltung) wird dieses Verhältnis durch die Arbeitssteilheit des Transistors 3, sie ist wegen der Gegenkopplung durch 8 relativ klein, einerseits und andererseits durch die Kollektorbasiskapazität bestimmt. In der Schaltung nach Fig. 2 (Basisschaltung) ist dieses Verhältnis durch die volle Steilheit des Transistors 3 in Basisschaltung einerseits und andererseits durch die Kollektor-Emitterkapazität im gesperrten Zustand bestimmt. Da dieses Verhältnis in Basisschaltung üblicherweise bedeutend größer ist als in Emitterschaltung, ist die Basisschaltung für größere umschaltbare Verstärkungsänderungen geeigneter als die Emitterschaltung, insbesondere für höhere Frequenzen. Die Emitterschaltung ist jedoch für viele Anwendungszwecke, insbesondere für geringere Signalfrequenzen oder kleinere schaltbare Verstärkungsänderungen, gleichwertig. Sie besitzt jedoch den Vorteil eines größeren Eingangswiderstandes bzw. einer größeren Leistungsverstärkung.

Eine Erweiterung der erfindungsgemäßen Schaltung für beliebig viele Schaltstufen, wie in Fig. 3 dargestellt, ist durch Unterteilung des Dämpfungsvierpols 6 und 6 α und Zuordnung entsprechend vieler Transistoren 3, 2 und 2 α möglich. Hierbei wird durch Steuerung der Basis-Emittergleichspannungen jeweils nur ein Transistor mit dem zugehörigen Dämpfungswert des Teilvierpols eingeschaltet.

Ebenso ist die Erfindung auch auf mehrere Verstärkerstufen anwendbar, was insbesondere hinsichtlich Rauschzahländerung bei Umschaltung des Ver-Stärkungsgrades von Vorteil sein kann. Hierzu muß bei Verminderung der Verstärkung mit der Umschaltung in der letzten Verstärkerstufe begonnen werden, während die erste Verstärkerstufe zuletzt, d. h. bei Einschaltung der größten Dämpfung umzuschalten ist.

Eine vereinfachte Ausführung der Erfindung zeigt F i g. 4. Hier wird ein unsymmetrischer Vierpol 6 in Form eines Potentiometers verwendet, wobei der Kollektor des Transistors 2 mit dem Schleifkontakt des Potentiometers verbunden ist und den Grad der Verstärkungsverminderung beim Umschalten durch die Betätigung des Schleifers verändert werden kann. Wegen des relativ großen wirksamen Innenwiderstandes des Transistors 2 ändern sich bei Betätigung des Schleifers die sonstigen Eigenschaften der Verstärkerstufe, wie Ein- und Ausgangswiderstand, nur unwesentlich, wenn der Gesamtwiderstand des Potentiometers gegenüber den wirksamen Innenwiderständen der Transistoren klein gewählt wird. In der F i g. 4 ist entsprechend der F i g. 1 bzw. 2 der zweite Transistor mit 3 bezeichnet. Die Ausgangsklemme 4 ist, wie bei den bisherigen Schaltungen, durch Einfügen eines nicht näher bezeichneten Kondensators galvanisch getrennt. Die Spannungszuführung für den Vierpol 6 ist durch ein Pluszeichen angedeutet. Trotz der oben erwähnten Bedingung bezüglich Gesamtwiderstand des Potentiometers und wirksamen Innenwiderständen der Transistoren ist eine hohe Stufenverstärkung möglich bei in vielen Fällen ausreichender Genauigkeit der zu schaltenden Verstärkungsänderung.

In Fig. 5 ist eine erfindungsgemäße Schaltung dargestellt, bei der zusätzlich zur Schaltung gemäß Fig. 1 die Transistoren 11 und 12, die nicht vom Signal angesteuert werden, so in die Schaltung eingefügt sind, daß beim Umschalten durch den Schalter 7 oder durch ein entsprechendes Umschaltsignal die Summe der Kollektorströme der Transistoren 2 und 11 sowie von 3 und 12 erhalten bleibt. Für optimale Funktion ist hierzu ein symmetrischer Aufbau der Schaltung, d. h. Gleichheit der Widerstände 8 und 10, der Doppelkondensatoren 9 und 14 sowie eine Nachbildung 13 des Quellwiderstandes R₀ unter Umständen erforderlich. Diese Version der Erfindung verhindert weitgehend am Verstärkerausgang den bei der Umschaltung in den Schaltungen nach Fig. 1...4 entstehenden Spannungssprung. Sie eignet sich deshalb auch für Anwendungen im Niederfrequenzbereich. Ein weiterer Vorteil der Schaltung besteht in dem Ausgleich der beim Umschalten sich ändernden Belastung des Vierpols 6 durch die wirksamen Innenwiderstände der Transistoren 2 und 3.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen HF-Verstärkerschaltung mit elektronisch umschaltbarer Verstärkungsänderung und extern anzuschließendem Dämpfungsvierpol 6 (Eichleitung) ist in Fig. 6 dargestellt. Sie entspricht dem in Fig. 2 aufgezeigten Prinzip, wobei der Dämpfungsvierpol auf dessen Eingangsseite (Kollektor von Transistor 2) mit einem Widerstand Zw, der gleich dem Wellenwiderstand ist, abgeschlossen wurde. Um ein Mindestmaß an Gegenkopplung zu erhalten — im Falle eines sehr kleinen Quellwiderstandes R₀ des Generators 1 — ist ein Vorwiderstand R_v zur Eingangsklemme 9 geschaltet. Die Transistoren 15 und 16, mit deren nicht einzeln numerierter Beschallung, erfüllen die Funktion des mechanischen Schalters in Fig. 1, 2, 4 und 5. Ausgelöst wird die Umschaltung durch eine positive Spannung U an der Buchse 17 mit folgender Durchschaltung des Transistors 15 und gleichzeitiger Sperrung des Transistors 16. Die Diode 20, die zwischen dem Basisvorwiderstand des Transistors

16 einerseits und dem Kollektor des Transistors 15 andererseits eingefügt ist, verhindert dabei die sonst mögliche teilweise Öffnung des Transistors 16 durch die Kollektorrestspannung des Transistors 15. Beim Anschalten einer positiven Spannung an die Buchse

17 wird an der Gegenparallelschaltung der Siliziumdioden 18 und 19, die zwischen den beiden Kollektorwiderständen der Transistoren 15 und 16 eingefügt sind, die Polarität der Spannung umgeschaltet. Der jeweils an diesen Dioden auftretende Spannungswert wird durch die Flußkennlinie der jeweils eingeschalteten Diode bestimmt und beträgt etwa 600 mV. Dieser Spannungswert ist gleichzeitig die Basisspannungsdifferenz der Verstärkertransistoren 2 und 3 und garantiert damit die völlige Sperrung des jeweils gewünschten Transistors und verhindert gleichzeitig, auf Grund der Konstanz dieser Spannung, das Auftreten unzulässig großer Basis-Emitter-Sperrspannungen.

Wie Untersuchungen gezeigt haben, ist die Anwendung dieser Schaltung bis zu der a-Grenzfrequenz der Transistoren 2 und 3 möglich. Mit der ausgeführten Schaltung wurden Umschaltzeiten von etwa 0,5 μ5 realisiert.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltung eines Wechselspannungsverstärkers, insbesondere für Hochfrequenz, mit elek-

tronisch einschaltbarem passivem Vierpol, wobei die bei der elektronischen Einschaltung des Vierpols auftretende Änderung der Verstärkereigenschaften nur oder nahezu nur von der Bemessung oder Einstellung des passiven Vierpols bestimmt ist, dagegen aber keine oder nur eine unbedeutende Änderung der Verstärkerein- und -ausgangswiderstände auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle (1) die Steuerelektroden von zwei aktiven Verstärkerelementen (2, 3) gleichzeitig steuert und durch die Ausgangselektrode des einen Verstärkerelementes (2) mit einer Eingangselektrode des Vierpols (6) und die Ausgangselektrode des anderen Verstärkerelementes (3) mit einer Ausgangselektrode des Vierpols (6) verbunden ist, während die anderen Elektroden des Vierpols (6) wechselstrommäßig mit: der Bezugselektrode verbunden sind und daß zwecks Einschaltung des Vierpols (6) den Steuerelektroden eine solch unterschiedliche Steuerspannung zugeführt wird, daß die verstärkende Wirkung des dem Vierpoleingang zugeordneten Verstärkerelementes entfällt und die verstärkende Wirkung des dem Vierpolausgang zugeordneten Verstärkerelementes einsetzt und daß die Gegenkopplung der Verstärkerelemente für die Signalfrequenz einander gleich und so groß bemessen ist, daß durch Änderung der Betriebsparameter der Verstärkerelemente im leitend geschalteten Zustand keine störende Änderung der Verstärkereigenschaften hervorgerufen werden.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronisch einschaltbare Vierpol (6) veränderbar ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2 mit meh-

reren Schaltstufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Vierpol aus mehreren Teilen (6, 6 λ) besteht und daß zu jedem Teil ein Verstärkerelement zugeordnet ist (F i g. 3).

4. Schaltung nach Anspruch 1 und 2 oder 3 mit Unterdrückung des Gleichspannungssprungs beim Umschalten der Verstärkerelemente, dadurch gekennzeichnet, daß der Vierpol (6) zusätzlich von Verstärkerelementen (11 und 12) angesteuert wird, die in solcher Weise gesteuert werden, daß die durch den Vierpol fließenden. Ströme beim Umschalten konstant bleiben, und daß diese zusätzlichen Verstärkerelemente vom Signalgenerator (1) nicht angesteuert werden (Fig. 5).

5. Schaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Vierpol(e) als separate Baugruppen von außen anschaltbar sind.

6. Schaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (7) (F i g. 1, 2,5) als elektronischer Schalter derart ausgebildet ist, daß durch einen Steuerimpuls (U) die Arbeitspunkte der Verstärkerelemente (2, 3) gleichzeitig, jedoch gegensinnig gesteuert werden (F i g. 6).

7. Schaltung nach Anspruch 6, bei der bei Umschaltung der Arbeitspunkte der Verstärkerelemente eine Sperrung der nicht verstärkenden Verstärkerelemente garantiert und eine Überschreitung der zulässigen Sperrspannung an den Steuerstrecken der Verstärkerelemente verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsdifferenz zwischen der Steuerelektrode der gesperrten und der leitenden Verstärkerelemente für beide Polaritäten durch Dioden (18, 19) bestimmt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen