DE1516057B1

DE1516057B1 - Verstaerker mit negativem Widerstandselement

Info

Publication number: DE1516057B1
Application number: DE19661516057D
Authority: DE
Inventors: Fjaellbrant Tore Torstensson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1965-03-31
Filing date: 1966-03-29
Publication date: 1971-05-13
Also published as: SE302318B; US3386048A; GB1080460A

Description

jetzt verwendeten Anordnungen meist zusammen mit io wird erhalten. Die Betriebsverstärkung K₂₁, die durch sogenannten Zirkulatoren verwendet. Eine solche
Verwendung bringt jedoch gewisse Schwierigkeiten
auf Grund der Tatsache mit sich, daß die Verstärkeranordnung sehr empfindlich gegen Veränderungen
des aktiven Elements ist. Eine kleine Änderung des
negativen Widerstands verursacht eine große Verstärkungsänderung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Verstärker mit negativem Widerstand eine resultierende Verstärkung zu erzielen, die im wesentliehen von Veränderungen des negativen Widerstands-

g ₂ eine Schaltung mit der Admittanzmatrix

Y' —

15

'21

'22 J

erhalten wird, ist durch die folgende Gleichung gegeben :

K„ =

4 Y_A Y β Yj₁

((Y₁₁+. Y₄) (Y₂₂ + Y_B) - Y₁₂ Y₂₁)²

bunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben, in denen

F i g. 1 einen Verstärker mit negativem Widerstand in bekannter Ausführung,

F i g. 2 eine Ausführungsform des Verstärkers gemäß der Erfindung und

F i g. 3 eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt, während

elements unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Ver- siehe z. B. L 1 e w e J1 y η »Some fundamental Prostärker zwei Signalzweige zwischen den Eingangs- perties of Transmission Systems« in Proc. of the IRE klemmen und den Ausgangsklemmen aufweist, wobei 25 Aust. 40 [1952], Heft 3, S. 271 bis 283). Wenn der eine Signalzweig eine Viertelwellenschaltung ent- Y₄ = Y_B = 1, dann ist die mit der Schaltung gemäß hält und in Reihe dazu einen Phasenschieber, welcher F' i g. 1 erhaltene Verstärkung gleich {R + lf/(R — I)². eine Phasendrehung von +90° in der einen über- Es ist offensichtlich, daß sich daraus eine Verstärkung tragungsrichtung und eine Phasendrehung von —90° ergibt, die sehr empfindlich gegenüber Änderungen in der anderen übertragungsrichtung hervorruft, und 3° im Wert des negativen Widerstandes ist. wobei der andere Signalzweig ein magisches f enthält, Um eine hohe Verstärkung zu erhalten, muß R

an dessen einem Anschluß ein hinsichtlich des Reak- nahe bei 1 liegen (der Nenner ist klein), und eine tanzwertes und der Frequenzabhängigkeit veränder- kleine Änderung von R führt zu einer großen Verbares Reaktanzelement liegt und dessen anderer An- Stärkungsänderung. Der Wert von R ändert sich Schluß mit dem negativen Widerstandselement ver- 35 sowohl als Funktion der Frequenz als auch als

Funktion der Umgebung, d. h. der Temperatur und der Pumpleistung. Als Funktion der Frequenz nimmt R komplexe Werte an für Frequenzen, die von der Resonanzfrequenz entfernt liegen, und wenn R in einer Impedanzebene aufgetragen wird, dann steigt der Abstand zwischen J? und dem Punkt 1, was zu einer Verstärkungsabnahme führt, wenn die Frequenz von der Resonanzfrequenz aus zu- oder abnimmt. Die Bewegung von R in der Impedanzebene als

F i g. 4 ein Beispiel eines veränderbaren Reaktanz- 45 Funktion der Temperatur und der Pumpleistung ist elementes zeigt, das in den Anordnungen der F i g. 2 jedoch gewöhnlich senkrecht zu der entsprechenden oder 3 verwendet wird. Bewegung von R als Funktion der Frequenz, und R

F i g. 1 zeigt eine Anordnung herkömmlicher Aus- muß sich für eine solche Änderung dem Wert 1 näführung. Das negative Widerstandselement 5 wird hern, wobei jedoch R = 1 zu einer unendlichen zusammen mit einem Zirkulator 4 verwendet. Ein 50 Verstärkung, d. h. zur Instabilität, führt, solches Element ist dadurch gekennzeichnet, daß ein In der neuen Anordnung nach den F i g. 2 und 3

in einem Zweig 1 eingespeistes Signal durch den ist die Abhängigkeit der Verstärkung von den Ver-Zweig 2 herausläuft und ein in den Zweig 2 einge- änderungen des negativen Widerstands beträchtlich speistes Signal durch den Zweig 3 herausläuft. Der verringert. Die Anordnung umfaßt zwei Signalzweig-Nachteil einer solchen Anordnung besteht, wie oben 55 wege, die die Eingangsklemmen 6 mit den Ausgangserwähnt wurde, darin, daß die Verstärkung sehr von klemmen 7 verbinden. Die Zweigwege können entVeränderungen im aktiven Element abhängig wird. weder gemäß F i g. 2 in Reihe oder gemäß F i g. 3 Wenn nämlich das Element mit negativem Wider- parallel geschaltet sein. Einer dieser zwei Zweige stand zwischen einem Anschluß des Zirkulators und umfaßt eine Viertelwellenschaltung 8, die mit einem Masse liegt, ist die Admittanzmatrix des Zirkulators 60 nicht reziproken Phasenschieber 9 in Reihe liegt, der

eine Phasendrehung von +90° in der einen übertragungsrichtung und eine Phasendrehung von —90° in der anderen übertragungsrichtung hervorruft. Der andere Zweig enthält ein magisches f. An dem einen Anschluß dieses magischen fliegt das negative Widerstandselement 12, und an seinem anderen Anschluß liegt ein veränderbares Reaktanzelement 11. Es ist möglich, einen übertrager zwischen dem negativen

Y'

-Y'-l

γ—

-Y'+l Y'

wobei Y' die Eingangsadmittanz des Elementes mit negativem Widerstand ist (siehe z.B. Shekel,

Der nicht reziproke Phasenschieber hat die Impedanzmatrix

-JZ₀ cot ψ -;"Z₀/(sin ψ) e ^Jr/

-;Z₀/(sin ψ) e^J> -JZ₀ cot ψ

Widerstandselement und dem magischen T einzuschalten.

Die Möglichkeit, die Verstärkerschaltungen der F i g. 2 und 3 sehr unempfindlich gegenüber Änderungen des Elementes mit negativem Widerstand zu machen, geht aus der folgenden Funktionsbeschreibung der Schaltung gemäß F i g. 2 hervor. Die Impedanzmatrix des magischen T, das mit den Impedanzen Z₁ und Z₂ entweder an den Summen- und Differenzanschlüssen oder an den beiden anderen Anschlüssen belastet ist, kann abgeleitet werden als die Phasenverschiebung des Phasenschiebers ist. Gemäß F i g. 2 beträgt die Phasenverschiebung π/2 und die elektrische Länge ebenfalls π/2, wobei der letztere Wert durch einen Viertelwellenübertrager erhalten wird. Demnach ist die Impedanzmatrix des Zweiges 8, 9 gleich

d. h., die Matrix des magischen T gemäß den F i g. 2 und 3 ist gleich

Z =

wobei Z₀ die charakteristische Impedanz des Hohlleiters, ψ die elektrische Länge des Hohlleiters und 9

JZ₀
0

Um die gesamte Impedanzmatrix der Schaltung gemäß F i g. 2 zu erhalten, werden die Impedanzmatrizen der beiden in Reihe geschalteten Zweige addiert, und die folgende Matrix wird erhalten:

-R+jX -R-jX + 2;Z₀
2 2

-R-JX-IjZ₀ -R+jX

2 2

Die Betriebsverstärkung ergibt sich zu

_{K =} 4Z_AZ_BZ² ₂₁

²¹ ((Z₁₁ +Z_A) (Z₂₂ +Z_B)-Z₁₂Z₂₁)²

(-R-JX-IjZ₀)²

wobei Z₁₁, Z₁₂, Z₂₁ und Z₂₂ die Parameter der Impedanzmatrix sind und Z₄ sowie Z_ß die Lastimpedanzen der Eingangs- bzw. der Ausgangslast sind (s. den oben angegebenen Aufsatz von Llewellyn). Wenn Z₄ = Z_B — 1, dann wird die folgende Betriebsverstärkung durch die Schaltung gemäß F i g. 2 erhalten :

(-R-jX-2jZ₀)²

-R+jX

+ 1

r-e

■R-jX + 2jZ₀

(R (JX + 1) + JX + 1 + Zl)²

Aus diesem Ausdruck ist zu ersehen, daß die Schaltung sehr unempfindlich gegenüber Veränderungen des aktiven Parameters —R gemacht werden kann.

Eine hohe Verstärkung wird erhalten, wenn R nahe dem Wert

+1+Z₀ ¹)

j X +1

liegt, dem sogenannten Polort, da für diesen Wert der Nenner gleich Null wird. In diesem Fall verändert sich der Polort als Funktion der Frequenz, da X frequenzabhängig ist. Die Veränderung des Polortes als Funktion der Frequenz ist ein Kreis in der komplexen Impedanzebene. Der Abstand zwischen R und dem Polort kann deshalb so gemacht werden, daß er sich immer vergrößert, sowohl bei einer Frequenzänderung von der Resonanzfrequenz als auch bei einer Änderung der Pumpleistung oder der Temperatur vom Arbeitspunkt trotz der Tatsache, daß diese zwei Bewegungen von R senkrecht sind in der komplexen Impedanzebene. Infolgedessen nimmt die Verstärkung ab bei diesen Veränderungen, und eine Empfindlichkeitskurve mit der Ableitung gleich Null kann erhalten werden.

In einer entsprechenden Weise kann' durch Berechnung der Impedanzmatrix der Schaltung gezeigt werden, daß auch die Empfindlichkeit der Schaltung gemäß F i g. 3 sehr klein gemacht werden kann.

Bei Verstärkeranordnungen auf Hohlleiter- und Koaxialkabelbasis weist das Reaktanzelement 11 vorzugsweise aus zwei Kurzschlußschieber auf, wie es in F i g. 4 gezeigt ist, in der das Element mit 13, dessen Anschluß mit 16 und die Kurzschlußschieber mit 14 und 15 bezeichnet sind. Damit kann jeder gewünschte Reaktanzwert mit einer gewünschten Frequenzabhängigkeit eingestellt werden. In Verstärkeranordnungen für niedrigere Frequenzen kann das Reaktanzelement 11 aus Spulen und Kapazitäten zusammengesetzt sein.

Durch Veränderung des Werts der Reaktanz und der Frequenzabhängigkeit kann die Anordnung an verschiedene Arten von negativen Widerstandselementen angepaßt werden. Die in der Praxis brauchbaren negativen Widerstandselemente weisen neben einem negativen Widerstand Reihen- und Parallel-Reaktanzen auf. Wenn solche negativen Wi-

derstandselemente in einer Verstärkungsanordnung gemäß der Erfindung verwendet werden, kann das veränderbare Reaktanzelement so eingestellt werden, daß die resultierende Verstärkung in der Anordnung stabil in bezug auf Veränderungen des negativen Widerstandselements wird, und zwar auf Grund der Tatsache, daß sich die Gesamtverstärkung aus einer nicht reziproken sowie einer reziproken Komponente zusammensetzt, wobei diese Komponenten hinsichtlich der Abhängigkeit vom Wert des negativen Wider-Standselementes einander entgegenwirken.

Claims

Patentansprüche:

1. Verstärker mit einem negativen Widerstandselement, z. B. parametrischer Verstärker, dessen resultierende Verstärkung im wesentlichen von Veränderungen des negativen Widerstandselements unabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker zwei Signalzweige zwisehen den Eingangsklemmen und den Ausgangsklemmen (6 und 7) aufweist, wobei der eine Signalzweig eine Viertelwellenschaltung (8) enthält und in Reihe dazu mit einen Phasenschieber (9), welcher eine Phasendrehung von +90° in der einen übertragungsrichtung und eine Phasendrehung von -90° in der anderen übertragungsrichtung hervorruft, und wobei der andere Signalzweig ein magisches T enthält, an dessen einem Anschluß ein hinsichtlich des Reaktanzwertes und der Frequenzabhängigkeit veränderbares Reaktanzelement (11) liegt und dessen anderer Anschluß mit dem negativen Widerstandselement (12) verbunden ist.

2. Verstärker nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Signalzweige in Reihe zwischen den Eingangsklemmen und den Ausgangsklemmen des Verstärkers liegen.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Signalzweige parallel zueinander zwischen den Eingangsklemmen und den Ausgangsklemmen des Verstärkers liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen