DE1512766B2 - Verstaerker mit parallel- und serienrueckkopplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung mit einem eingangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand, einem ausgangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand' und einem Parallelgegenkopplungswiderstand vom Ausgang der Verstärkeranordnung zum eingangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand, wobei Eingangs- und Ausgangsspannung der Verstärkeranordnung zueinander gleichphasig sind.

Verstärker zur Anwendung in der integrierten Schaltungstechnik sollen nach Möglichkeit so aufgebaut sein, daß Induktivitäten vermieden werden, da sich diese bekanntlich in dieser Technik nur sehr schwer verwirklichen lassen. Die Schwierigkeit induktivitätsloser Verstärker besteht jedoch vor allem in der Zusammenschaltung mit anderen Baugruppen bei der Frage der Anpassung.

Aus dem Aufsatz »Stabilized Negative Impedances ... Part II«, abgedruckt in »Electronics«, August 1945, S. 138 bis 148, sind gegengekoppelte Verstärkeranordnungen bekannt, welche zur Erzeugung von stabilen negativen Impedanzen dienen. Dabei zeigt dieser Aufsatz in Fig. 15 auf S. 144 eine zweistufige Verstärkeranordnung mit einem eingangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand, einem ausgangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand und einem Parallelgegenkopplungswiderstand vom Ausgang der Verstärkeranordnung zum eingangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand, wobei Eingangsund Ausgangsspannung der Verstärkeranordnung zueinander gleichphasig sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für einen umfassend verwendbaren übertragerlosen Verstärker zu schaffen.

Erfindungsgemäß weist die Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art einen weiteren Parallelgegenkopplungswiderstand vom Eingang der Verstärkeranordnung zum ausgangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand auf.

Durch die Anwendung dieser Maßnahme erhält man einen Verstärker, der für viele Zwecke mit dem gleichen Erfolg verwendbar ist wie ein mit Übertragern ausgestatteter Verstärker. Da für seinen Aufbau keine Induktivitäten notwendig sind, ist er besonders zum Einsatz in der integrierten Schaltungstechnik gut geeignet. Je nach Dimensionierung der Gegenkopplungswiderstände lassen sich Verstärker mit frequenzunabhängiger oder frequenzabhängiger Spannungsverstärkung bei frequenzunabhängigen oder frequenzabhängigen Eingangs- bzw. Ausgangswiderständen aufbauen. Für verschiedenartige Einsatzfälle kann dabei optimale Anpassung erzielt werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht in der Möglichkeit der aktiven Anpassung, d. h. einer Anpassung durch Gegenkopplung ohne Verwendung zusätzlicher Anpassungswiderstände.

An Hand des Ausfuhrungsbeispiels nach der Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es wird dabei aufgezeigt, wie, je nach Anwendungsfall, jeweils der Gegenkopplungswiderstand unterschiedlich zu bemessen ist, um bei bestimmten Betriebsarten des Verstärkers die jeweils verlangten Betriebsbedingungen erfüllen zu können. Hierbei bedeutet

μ_; Stromverstärkung des nicht gegengekoppelten Verstärkers,

Vi die Stromverstärkung des gegengekoppelten Verstärkers,

v_u Spannungsverstärkung des gegengekoppelten Verstärkers,

v_L Leistungsverstärkung des gegengekoppelten Verstärkers,
W_E der Eingangswiderstand des gegengekoppelten Verstärkers,

W_A der Ausgangswiderstand des gegengekoppelten Verstärkers.

Für μι =-? >■ oo (große Gegenkopplung) ergibt sich:

¹I

„ _ ^l* - (32p + 32s) (3l P +Bis)

h (3lp+3ls)32s+(3ls+32s)-Z,i

_ Ua _ hp+hs

V_L = ^Vi ' Vu =

(32p+32s)(3lp+3ls)²

8ls [(3lρ +

+ (fas + 32_S) ■ Z_A~]

+32s)

32s · -Rg (3ip + 81»)

Die Spannungsverstärkung v_u wird also bei dieser Für

Schaltung nur durch die Impedanzen J_{1 s} und J_{1 p} bestimmt. Ein- und Ausgangsscheinwiderstand sind allerdings von dem jeweils gegenüberliegenden Abschlußwiderstand abhängig. Damit ist die Eingangsspannung am Verstärker bei Speisung aus einem Generator mit endlichem Innenwiderstand vom Verstärkerabschlußwiderstand Z_A abhängig. Für Strom- und Leistungsverstärkung sind alle Gegenkopplungsimpedanzen und der Abschlußwiderstand Z_A mitbestimmend.

Nach Beziehung (2) ist die Spannungsverstärkung v_u immer dann frequenzunabhängig, wenn die Impedanzen -J₁ ρ und g_l5 entweder rein ohmisch oder in der gleichen Weise von der Frequenz abhängig sind.

Für reellen, frequenzunabhängigen Eingangs- und Ausgangsscheinwiderstand ist es am einfachsten, für die in der Figur dargestellten Impedanzen ohmsche Widerstände zu nehmen. Aus den Bedingungen (4) und (5) ergibt sich, daß dann im allgemeinen Fall Eingangs- und Ausgangsscheinwiderstand voneinander verschieden sind. Anpassung ist entweder nur am Eingang oder nur am Ausgang möglich.

Für kleine Generator- und Lastwiderstände und nicht zu kleine Verstärkung lassen sich jedoch die Bedingungen-einhalten:

= konstant

(frequenzunabhängige Spannungsteilung) ergibt sich ebenfalls konstante Spannungsverstärkung. Es kann z. B. vorteilhaft sein, diese Impedanzen als Kapazitäten zu realisieren. Man erhält dann im allgemeinen

ίο Fall frequenzabhängigen Eingangs- und Ausgangsscheinwiderstand.

Für Verstärker mit großem Last- und Generatorwiderstand und nicht sehr großer Spannungsverstärkung lassen sich jedoch die Bedingungen einhalten:

32p »32*·

Dann wird

(H)

Macht man

= konstant

30

(Ji.+32J

+ 3_2s)

3lP _ 32p
3ls 32s

FürJ?r, = Ζ, wird dann W_f

(6)

(7)

und g 2 ρ rein ohmisch, so wird der Eingangswiderstand W_E reell und frequenzunabhängig. Am Ausgang ist jedoch keine Anpassung auf diese Weise möglich, da W_A frequenzabhängig wird.

Aus der Bedingung (2) ersieht man, daß die Spannungsverstärkung v_u frequenzabhängig wird, wenn

W,

'■ K₀ = Z_A.

40

Andererseits ergibt sich für große Generator- und Lastwiderstände in vielen Fällen

K_G(3is +32s) » 3is (32p +32s)·
Dann wird der Eingangswiderstand

ψ ^, 3ls * (32p +32s)
3ls +32s

und der Ausgangswiderstand

\y ~ 32s' (3ip + 3is)

3ls +32s

(8)

(9)

(10)

55

Ein- und Ausgangswiderstand werden in diesem Fall vom gegenüberliegenden Abschlußwiderstand unabhängig. Aktive Anpassung am Eingang und Ausgang ist möglich, auch wenn R_G und Z_A verschieden sind. Sind beide gleich, so muß die Bedingung (7) gelten, damit sich Anpassung erreichen läßt.

das Verhältnis 2l£- frequenzabhängig ist.

3ls

Man erhält dann im allgemeinen Fall auch einen frequenzabhängigen Eingangs- und Ausgangsscheinwiderstand.

Bei nicht sehr kleiner Spannungsverstärkung kann jedoch

gemacht werden.

Dann ergibt sich aus der Bedingung (4)

W 3ls '32p ' *Ά

3lP '32s + (Sis + 32s) '

und aus der Bedingung (5)

W ~ 32s ' 3lp ' K₀

32p-

(12)

(13)

60

65 Sind die Impedanzeng!_p undg_2p ohmisch und hält man die Bedingung ein

= konstant,

so werden der Eingangswiderstand W_E und der Ausgangswiderstand W_A reell und frequenzunabhängig.

Die Impedanzen ^_{1 s} und g_2s können beliebig kompliziert sein, wenn sie nur gleichartig aufgebaut sind und wenn sich die Werte aller Schaltelemente der Impedanz J_{1 s} durch Multiplikation mit dem gleichen Faktor ί: aus denen der Impedanz g_2s ergeben. Man erhält viele Möglichkeiten, den Frequenzgang der Verstärkung zu variieren. Allerdings ist aktive Anpassung zunächst entweder nur am Eingang oder nur am Ausgang möglich.

Bei Einhalten der Bedingungen (6) und (7) gemeinsam oder der Bedingung (8) allein oder der Bedingungen (7) und (8) zusammen läßt sich aktive Anpassung am Eingang und am Ausgang so wie bei Verstärkern mit frequenzunabhängiger Verstärkung erreichen.

Bei sehr kleiner Spannungsverstärkung und Anpassung an gleiche Abschlußwiderstände am Eingang und am Ausgang des Verstärkers lassen sich nach den Bedingungen (2) und (7) die Bedingungen

32s

20.

nicht einhalten.

Erreicht man jedoch, daß

^ <$2s lglp T $ls)

ist, so wird

W_E*Z_A. ^: (14)

Außerdem wird für

Rg du + 32_S) <z fas (32p + 32s) Wa « R_G- (15)

Bei sehr kleiner Spannungsverstärkung und ungleichen Abschlußwiderständen am Ein- und Ausgang des Verstärkers kann man die Bedingung g_2p s> g_2s einhalten, die Bedingung J_{1 p} » ^_{1 s} nicht.

Macht man

Z_A (31s + 32s) » 32s (31p + 3is).
so wird der Eingangswiderstand

W ~ 3ls'32p

ls +32s

(16)

Der Eingangsscheinwiderstand W_E wird also reell und frequenzunabhängig, wenng_2p rein ohmisch und

= konstant

Der Ausgangsscheinwiderstand W_A wird jedoch frequenzabhängig.

Für große Spannungsverstärkung wird S_{1 p} » g_ls. Sollen Ein- und Ausgangsscheinwiderstand verschieden sein, so kann es vorkommen, daß für einen bestimmten geforderten Ausgangsscheinwiderstand W_A die Impedanz g_2s nicht vernachlässigbar gegen g_2p ist. Macht man dann

so wird

-Rg (gis + 32_S).» fas (32p + 32s),

32s "

3ls +32s

Der Ausgangsscheinwiderstand W_A wird also reell und frequenzunabhängig, wenn J_{1 p} rein ohmisch und

32s(co)

= konstant

Der Eingangsscheinwiderstand wird jedoch frequenzabhängig.

Für große Abschlußwiderstände bzw. immer wenn der Fall

30

35

40 gegeben ist, wird
W_E

Bis (32p + 32s)
(3ls+32s)

Der Eingangsscheinwiderstand W_E ist unabhängig von der Impedanz J_{1 p}. Man kann also den Frequenzgang der Verstärkung verändern, indem man die Impedanz 3! _p zusätzlich frequenzabhängig macht. Der Eingangsscheinwiderstand bleibt unbeeinflußt, der Ausgangsscheinwiderstand wird frequenzabhängig.

Die drei letztgenannten Fälle sind besonders dann von praktischem Interesse, wenn man zwei zweistufige Verstärker in Kette schalten möchte. In diesem I Fall braucht nur der Eingangsscheinwiderstand des einen und der Ausgangsscheinwiderstand des anderen Verstärkers reell und frequenzunabhängig zu sein. Für die Zusammenschaltung der Verstärker kann man eine gewisse Fehlanpassung in Kauf nehmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verstärkeranordnung mit einem eingangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand und einem ausgangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand und einem Parallelgegenkopplungswiderstand vom Ausgang der Verstärkeranordnung zum eingangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand, wobei Eingangs- und Ausgangsspannung der Verstärkeranordnung zueinander gleichphasig sind, gekennzeichnet durch einen weiteren Parallelgegenkopplungswiderstand g_2p ^vorn Eingang der Verstärkeranordnung zum ausgangsseitigen Seriengegenkopplungswiderstand.