DE1537701C - Schaltungsanordnung zur galvanischen Kopplung von Verstärkerstufen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur galvanischen Kopplung von als aktive All- ( paßglieder wirkende Verstärkerstufen, welche jeweils einen Transistor enthalten, bei dem ein erster Ausgang über eine erste Impedanz mit kleinem Gleichstromwiderstand und ein zweiter Ausgang über eine zweite Impedanz mit endlichem Gleichstromwiderstand an die Steuerelektrode der Transistorstufe des jeweils folgenden Allpaßgliedes angeschlossen sind.

Kettenschaltungen von Verstärkerstufen werden in der Nachrichtentechnik häufig verwendet, um die Strom-,. Spannungs- oder Leistungsverstärkung zu vergrößern. Im allgemeinen sind die einzelnen Verstärkerstufen über Kopplungsnetzwerke miteinander gekoppelt. Die Basisvorspannung der Transistoren wird durch einen in jeder Stufe vorhandenen Basisspannungsteiler erzeugt. Ist nur eine Erhöhung der Stromverstärkung bzw. der Eingangsimpedanz erwünscht, so verwendet man vorzugsweise eine Kettenschaltung von galvanisch gekoppelten Emitterfolgern.

Kettenschaltungen mit besonders großer Stüfenzahl werden zum Aufbau von Laufzeitentzerrerii und Verzögerungsschaltungen verwendet. Jede Verstärker- _;Y stufe ist in diesem Fall ein Allpaßglied, d. h. ein Vierpol mit frequenzunabhängiger Dämpfung und frequenzabhängigem Phasengang. Derartige aktive Allpaßglieder beanspruchen wesentlich weniger Platz als aus konventionellen passiven Bauelementen bestehende Allpaßglieder. Aktive Allpaßglieder mit Transistoren sind nach F i g. 1 als aktive Brückenschaltung mit im allgemeinen komplexen Widerständen aufgebaut. Sie enthalten jeweils zwei Basisspannungsteiler-Widerstände, einen Koppelkondensator sowie Emitter- und Kollektorwiderstände. Eine der Brückenimpedanzen ist an den Kollektor, die andere an den Emitter angeschlossen. Beide Impedanzen sind außerdem mit dem Brückenausgang verbunden.

Es ist bereits bekannt, als aktive Allpaßglieder wirkende Verstärkerstufen galvanisch zu koppeln. Auf diese Weise fallen bei einer aus η Allpaßgliedern gebildeten Allpaßkette (n — 1) Koppelkondensatoren und 2 (ti — 1) Basisspannungsteiler-Widerstände weg. Nur in der ersten Stufe einer Allpnßkette sind dann noch ein Basisspannungsteiler und ein Koppelkondensator vorhanden.

In Kettenschaltungen mit galvanisch gekoppelten Verstäikerstufen muß der Gleichstronnviderstund der zwischen dem Emitter tines Transistors und der Basis

des Transistors der folgenden Stufe liegenden Impedanz nahezu gleich Null sein, so daß das Basispotential und das Emitterpotential von Transistoren aufeinanderfolgender Stufen ungefähr gleich groß sind.

Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß der Aussteuerbereich der Transistoren von Stufe zu Stufe kleiner wird. Die Gleichspannung Um am Emitter des Transistor Ts m ist nämlich um den Durchlaßspannungsabfall der Basis-Emitter-Diode kleiner als die Gleichspannung am Emitter des Transistors Ts{m — 1) der vorhergehenden Stufe. Infolgedessen können nicht mehr als η Verstärkungsstufen hintereinandergeschaltet werden, wenn der Aussteuerungsbereich des η-ten Transistors gegen Null geht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur galvanischen Kopplung von Verstärkerstufen anzugeben, die eine gleich große Aussteuerung jeder der hintereinandergeschalteten Stufen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen dem ersten Ausgang einer Transistorstufe und die erste Impedanz eine'in Durchlaß- »V^! richtung beanspruchte Diode geschaltet ist.

Wählt man geeignete Halbleiter-Gleichrichter, so wird der Durchlaß-Spannungsabfall der Basis-Emitter-Diode der Transistoren kompensiert. Die Emittergleichspannungen aller Stufen werden etwa gleich groß sein, so daß jede Stufe gleich stark aussteuerbar ist.

Als Halbleiter-Gleichrichter wird vorzugsweise eine Normaldiode verwendet. Ist die an diese angeschlossene Impedanz ein Parallel-Schwing-Kreis, so wird der Klirrabstand im Frequenzbereich außerhalb der Resonanzfrequenz des Parallel-Schwing-Kreises vergrößert, da in diesem Bereich der Transistor und die Diode gegenphasig ausgesteuert werden.

Beim Aufbau von Allpaßgliedern bildet die Impedanz mit kleinem Gleichstromwiderstand jeweils eine der Brückenimpedanzen.

Die Belastung, die jedes Allpaßglied für das jeweils vorhergehende darstellt, bewirkt eine Abweichung vom frequenzunabhängigen Frequenzgang und damit eine Störung des Allpaßverhaltens. Bei hinreichend \) großer Stromverstärkung der Transistoren kann zwar die Rückwirkung von einer Allpaßstufe auf die davorliegende in Grenzen gehalten werden. Die elektrischen Eigenschaften der Allpaßkette lassen sich jedoch noch verbessern, wenn als Halbleiter-Gleichrichter die Basis-Emitter-Diode eines Transistors mit komplementärem Verhalten verwendet wird. Diese Anordnung ermöglicht eine wesentlich bessere Entkopplung zwischen den Allpaßstufen und damit eine bessere Annäherung an das ideale Allpaßverhalten.

Bei einer Kettenschaltung von Emitterfolgern wird die Impedanz mit kleinem Gleichstromwiderstand durch eine galvanische Verbindung gebildet. Als Halbleiter-Gleichrichter wird vorzugsweise eine Diode verwendet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus den an Hand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigt

F i g. 2 eine Allpaßkette zweiter Ordnung mit Dioden zur galvanischen Kopplung,

F i g. 3 ein Allpaßglied zweiter Ordnung mit kornplementären Transistoren und

Fig.4 ein weiteres Allpaßglied zweiter Ordnung mit komplementären Transistoren.

Die in F i g. 2 gezeigte Allpaßkette mit Dioden zur galvanischen Kopplung ist aus npn-Transistoren aufgebaut. Zur ersten Stufe gehören der Kopplungskondensator Ck und der aus den Widerständen R 1 und Rl bestehende Basisspannungsteiler. Die Basis des Transistors Ts 1 ist über den Widerstand R1 an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle und über den Widerstand R 2 an Erdpotential angeschlossen. Die Kollektoren aller Transistoren sind über Kollektorwiderstände RcI bis Ren mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle und über Emitterwiderstände ReI bis Ren mit Erdpotential verbunden. Die Basis der Transistoren Ts 2 bis Tsn ist außerdem über einen ohmschen Widerstand Xl bis X (n— 1) mit dem Kollektor und über einen Parallel-Schwing-Kreis Y1 bis Y(n— 1) sowie dieDiodeDl bis D(n— 1) mit dem Emitter des jeweils vorhergehenden Transistors verbunden. Die Dioden D1 bis D η sind durch den über die ohmschen Widerstände Xl bis Xn und die Induktivität der Parallel-Schwing-Kreise Yl bis Y η fließenden Strom geöffnet. Das Emitterpotential aller Transistoren TsI bis Ts η ist daher ungefährt gleich groß, so daß sich in jeder Stufe ein Aussteuerbereich von etwa der halben Batteriespannung ergibt. Der Wechselstromwiderstand der Diode D wird bei der Dimensionierung der Allpaßglieder berücksichtigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit komplementären Transistoren zeigt Fig. 3. Als Halbleiter-Gleichrichter wird hier die Basis-Emitter-Diode eines zweiten Transistors Tsm 1 mit komplementärem Verhalten, also hier eines pnp-Transistors, verwendet. Die Basis dieses Transistors Tsml ist mit dem Emitter des ersten Transistors Tsm verbunden, während der Kollektor an Erdpotential und der Emitter einerseits über den Emitterwiderstand R an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle und andererseits an den Parallel-Schwing-Kreis Ym angeschlossen ist. Die Schaltung ist bis auf die Änderungen, die durch die andere Ausführung des Halbleiter-Gleichrichters bedingt sind, in gleicher Weise aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2. Durch geeignete Auswahl der Transistoren erreicht man, daß sich die Durchlaßspannungen der Basis-Emitter-Dioden der Transistoren kompensieren. Die aus den komplementären Transistoren Tsm und Tsm 1 bestehende Schaltungsanordnung wirkt als Gegentaktschaltung. Sind die Emitterwiderstände Re und R etwa gleich groß, so werden auch die durch eine Basisstromänderung am Eingang E der Stufe hervorgerufenen Änderungen der Emitterströme durch beide Transistoren dem Betrag nach nahezu gleich groß sein. Da diese Emitterstromänderungen jedoch entgegengesetzt gerichtet sind, heben sie sich in dem durch die Gleichspannungsquelle und die Transistoren gebildeten Stromkreis gegenseitig auf. Eine Verkopplung der einzelnen Allpaßglieder über den Innenwiderstand Ri der Gleichspannungsquelle kann daher nicht auftreten. Der gesamte Signalstrom fließt nur innerhalb der Transistorstufen.

Eine noch bessere Entkopplung der Allpaßglieder wird durch die in F i g. 4 gezeigte Schaltung erreicht. Der Kollektor des ersten Transistors Tsm ist hier direkt an den positiven Pol + Ob der Spannungsquelle angeschlossen, während der Kollektor des zweiten Transistors Tsm 1 über einen Kollektorwiderstand Re an Erdpotential angeschlossen ist. Der ohmsche Widerstand Xm ist hier mit dem Kollektor des zweiten Transistors Tsml verbunden. In dieser Schaltung

kann der Emitterwiderstand R des ersten Transistors Tsm wesentlich größer, beispielsweise mindestens zehnmal größer, als der Emitterwiderstand Re des zweiten Transistors Tsm 1 gewählt werden. Wegen des hohen Eingangswiderstandes solcher Allpaßglieder ist die Belastung jeder Allpaßstufe durch die folgende Stufe geringer als bei den schon vorgeschlagenen Schaltungen. Der Einfluß der Belastung auf das Allpaßverhalten, der sich beispielsweise bei Änderung der temperatur abhängigen Stromverstärkung bemerkbar machen kann, wird dadurch erheblich reduziert.

Im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich, die Impedanz X als komplexen Widerstand aufzubauen. Sollte diese Impedanz keinen endlichen Gleichstrom-Widerstand besitzen, so müßte beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 die Eingangselektrode der Diode D über einen Widerstand mit dem

positiven Pol + Ub der Gleichspannungsquelle verbunden werden.

Bei der Ausführung der Kettenschaltungen als integrierte Schaltungen werden die Transistoren und die Halbleiter-Gleichrichter zweckmäßig jeweils auf einem Halbleiterblock zusammengefaßt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in allen Kettenschaltungen von Vorteil, in denen die Verstärkerelemente in gleicher Weise wie beim Anmeldungsgegenstand an die Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und in denen eine Verbindung mit kleinem Gleichstromwiderstand zwischen dem Emitter eines Transistors und der Basis des jeweils folgenden Transistors möglich ist.

Es wird schließlich noch darauf hingewiesen, daß die beschriebenen Schaltungen bei umgepolter Versorgungsspannung auch komplementär ausgeführt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur galvanischen Kopplung von als aktive Allpaßglieder wirkende Verstärkerstufen, welche jeweils einen Transistor enthalten, bei dem ein erster Ausgang über eine erste Impedanz mit kleinem Gleichstromwiderstand und ein zweiter Ausgang über eine zweite Impedanz mit endlichem Gleichstromwiderstand an die Steuerelektrode der Transistorstufe des jeweils folgenden Allpaßgliedes angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen .dem ersten Ausgang einer Transistorstufe und die erste Impedanz (Y) eine in Durchlaßrichtung beanspruchteDiode (Dl bis Dn bzw. Basis-Emitter-Diode der Transistoren Ts 11 bis Tsnl) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur galvanischen Kopplung von Emitterfolgern, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz mit kleinem Gleichstromwiderstand eine galvanische Verbindung ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode durch die Basis-Emitter-Diode eines zum ersten Transistor (TsI bis Tsή) komplementären Transistors (TjII bis Tsnl; zweiter Transistor) realisiert ist, dessen Basis mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden ist und dessen Emitter einerseits an die genannte erste Impedanz (Y) mit kleinem Gleichstromwiderstand, andererseits über einen Emitterwiderstand (R bzw. Re) an einen Pol der Gleichspannungsquelle (+Ub) angeschlossen ist, während der Kollektor mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des ersten Transistors (Ts 1 bis Tsh) über einen Kollektorwiderstand (Rc 1 bis Rc n) mit einem Pol der Gleichspannungsquelle (+Ub) und über die zweite Impedanz (X) mit der Basis des ersten Transistors der folgenden Verstärkerstufe verbunden ist, und daß der Emitter des ersten Transistors jeweils über einen Emitterwiderstand (Re) mit dem anderen Pol der Gletchspannungsquelle verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und

4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Impedanz (X) einen endlichen Gleichstromwiderstand aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 und

5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impedanz (Y) ein Parallelschwingkreis (L, C) und die zweite Impedanz ein ohmscher Widerstand ist (Allpaß zweiter Ordnung).

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterwiderstand (R) des jeweils zweiten Transistors (Ts 11 bis Tsnl) jeder Verstärkerstufe ungefähr gleich groß ist wie der Emitterwiderstand (Re) des jeweils zugehörigen ersten Transistors (Ts 1 bis Tsn).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor jedes ersten Transistor (TsI bis Tj/1) direkt mit einem Pol der (lleidispannimgsquelle ( f- Ub) und der Kollektor jedes zweiten Transistors (Ty 11 bis Tj η 1) über einen Kollektorwiderstand (Rc) mit dem anderen Pol der. Gleichspannungsquelle verbunden ist und daß der Kollektor jedes zweiten Transistors über die zv/eite Impedanz (X) an die Basis des ersten Transistors der folgenden Verstärkerstufe angeschlossen ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterwiderstand (R) des ersten Transistors wesentlich größer (z. B. Faktor = 10) ist als der Emitter- und Kollektorwiderstand des zweiten Transistors.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Transistoren und Diode in einer integrierten Schaltung zusammengefaßt sind.