DE1591406B2 - Regelbarer Transistorverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen regelbaren Transistorverstärker, bei dem die Hauptstromstrecke des zu regelnden Transistors in Reihe mit einer Last an eine Betriebsspannung geschaltet ist, seiner Steuerelektrode eine Regelspannung zugeführt wird und seinem Eingangskreis eine mit Hilfe der Regelspannung veränderbare Impedanz parallelgeschaltet ist.

Es ist bekannt (USA.-Patentschrift 2 949 533), die Verstärkung von Transistoren mit Hilfe einer der Basis zugeführten Regelspannung zu verändern, welche eine Verschiebung des Arbeitspunktes vom linearen Kennlinienbereich in den gekrümmten Kennlinienbereich kleiner Kollektorstromwerte bewirkt. Im Gegensatz zu Röhren ist die Kennlinienkrümmung bei Transistoren in diesem Bereich jedoch relativ stark, so daß es bei auf diese Weise geregelten Hochfrequenzverstärkern leicht zu Kreuzmodulationsverzerrungen kommt. Andererseits ist es bekannt (USA.-Patentschrift 3 260 948), daß man die Verstärkung von Transistoren auch dadurch regeln kann, daß man den Arbeitspunkt in den gekrümmten Kennlinienbereich höherer Kollektorströme verschiebt, wo die Kennlinienkrümmung weniger stark ist, so daß Kreuzmodulationen nicht in störendem Maße zu befürchten sind. Nachteilig ist hierbei jedoch die höhere Stromaufnahme des Transistors und bei der Verwendung von Feldeffekttransistoren insbesondere der relativ kleine ausnutzbare Regelbereich, der häufig eine ausreichende Regelung ohne Gefährdung des Feldeffekttransistors durch Überlastung nicht erlaubt.

Außer der Verstärkungsregelung über die Basisspannung sind Schaltungen mit veränderbarem Gegenkopplungsgrad bekannt (deutsche Patentschrift 1 071 136, österreichische Patentschrift 227 305), wobei in der Emitterleitung des Verstärkertransistors ein von der Regelspannung angesteuerter Gegenkopplungstransistor angeordnet ist, dessen Impedanz, und damit über den Gegenkopplungsgrad der Stufe deren Verstärkung, in gewünschter Weise verändert wird. Transistoren als steuerbare Widerstände für die Veränderung der Stufenverstärkung von Transistorverstärkern sind auch als veränderbare Dämpfungsimpedanz von Schwingkreisen oder zur gleichzeitigen Veränderung mehrerer Vorspannungen einer Transistortetrode bekannt (deutsche Patentschrift 1 108 277 bzw. USA.-Patentschrift 2 826 647), wobei im ersten Falle die Schwingkreisgüte und damit gleichzeitig mit der Schwingkreisverstärkung die Bandbreite verändert wird, während im zweiten Falle die am Kollektor wirksame Ausgangskapazität zur Vermeidung von Frequenzverschiebungen der Resonanzkreise konstant gehalten werden soll. Bei einem Transistor-Quarzoszillator ist ferner die Regelung der Verstärkung eines die den Schwingquarz zugeführte Schwingungsamplitude bestimmenden Transistors mit Hilfe einer seiner Basis-Emitter-Strecke parallelgeschalteten Diode bekannt (deutsche Patentschrift 1 103 993), wobei die Impedanz der Diode in Abhängigkeit von der Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators so' verändert wird, daß die dem Schwingquarz zugeführte Ansteueramplitude zur Vermeidung von Frequenzverschiebungen, welche von dieser Ansteueramplitude abhängig sind, konstant gehalten wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht gegenüber den bekannten Schaltungen in der Erweiterung des Regelbereichs eines Feldeffekttransistors ohne dessen Gefährdung und ohne Inkaufnahme unerwünscht hoher Kreuzmodulationserscheinungen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Auf diese Weise wird der Regelbereich in zwei Teilbereiche mit unterschiedlichem Regelmechanismus aufgeteilt. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Vergrößerung des Gesamtregelbereichs, ohne daß der Feldeffekt-Transistor überlastet würde oder daß höhere Kreuzmodulationen auftreten würden.

Während im ersten Teilbereich eine reine Kanalstromregelung des %ldeffekttransistors erfolgt, wird im zweiten Teilbereich der Parallelschluß zur Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors wirksam, wobei die Vorspannung zwischen Gateelektrode und Sourceelektrode des Feldeffekttransistors auf dem Wert der Basis-Emitter-Spannung des zweiten Transistors festgehalten wird, so daß eine Übersteuerung

des Feldeffekttransistors durch die Regelspannung ausgeschlossen ist. Stattdessen ändert sich bei der nahezu konstanten Basis-Emitter-Durchlaß-Spannung des zweiten Transistors dessen Kollektor-Emitter-Impedanz, so daß die Verstärkung durch die zunehmende Herabsetzung dieser Impedanz mit zunehmender Regelspannung weiter verringert wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Kollektor des zweiten Transistors an den Verbindungspunkt einer im Drainelektrodenkreis des Feldeffekttransistors liegenden Last mit einem Widerstand angeschlossen sein, dessen anderes Ende an der Betriebsspannung liegt. In diesem Falle liegt die Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors parallel zur Reihenschaltung des Feldeffekttransistors mit dessen Lastimpedanz, so daß im zweiten Teilbereich in Folge des zunehmend weiter in seinen Leitungszustand gesteuerten zweiten Transistors die an der Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors liegende Spannung zusätzlich verringert wird und eine weitere Herabsetzu ng der Verstärkung des Feldeffekttransistors bewirkt wird. Dieser zweite Teilbereich kann so weit ausgedehnt werden, bis der zweite Transistor in die Sättigung gesteuert ist und seine Kollektor-Emitter-Spannung einen konstanten Endwert, nämlich den Sättigungswert, annimmt.

Ferner kann der Emitter des zweiten Transistors mit der Sourceelektrode des Feldeffekttransistors über einen gemeinsamen Widerstand an Masse geschaltet sein, über dessen Dimensionierung dann der Übergangspunkt vom ersten Regelbereich zum zweiten Regelbereich gewählt werden kann.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, teilweise in Blockdarstellung ausgeführte Schaltung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelverstärkers und

Fig. 2 ein Kennlinienfeld der Drain-Source-Spannungen mit verschiedenen Gate-Source-Spannungen als Parameter für den in der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten Feldeffekttransistor.

Fig. 1 zeigt innerhalb des gestrichelten Kästchens einen geregelten Hochfrequenzverstärker 8 mit einem Feldeffekttransistor 10, der Drain-Gate- und Source-Elektroden 12, 14 bzw. 16 auf einem Träger 18 hat. Im dargestellten Beispiel ist der Feldeffekttransistor 10 ein η-Kanal Transistor mit isoliertem Gate, auch MOS-Feldeffekttransistor genannt.

Der Transistor 10 ist in Source-Schaltung geschaltet, wobei die Trägerelektrode 18 unmittelbar mit der Source-Elektrode 16 verbunden ist. Ein Wechselspannungs-Eingangssignal gelangt über einen Koppelkondensator 20 zum Gate 14 des Feldeffekttransistors 10. Zwischen Gate 14 und Masse liegen zwei in Reihe geschaltete Widerstände 22 und 24, von denen der Widerstand 24 für die Signalfrequenzen durch einen Kondensator 26 überbrückt ist.

Die Source-Elektrode 16 ist über einen Widerstand 28, der für die Signalfrequenzen durch einen Kondensator 30 überbrückt ist, mit Masse verbunden. Die Drain-Elektrode 12 liegt über eine Wicklung 32 und einen Entkoppelwiderstand 36 an einer festen Spannung B+. Vom Verbindungspunkt der Wicklung 32 mit dem Widerstand 36 führt für die Signalfrequenzen ein Kondensator 38 nach Masse. Die Wicklung 32 ist die Primärwicklung eines Hochfrequenz-Signalübertragers 34. Die Primärwicklung 32 dient als Wechselspannungslastimpedanz und die Spannung B+ liefert den Drain-Source-Strom für den Feldeffekttransistor 10. Die Sekundärwicklung 40 des Übertragers ist mit dem Kondensator 42 auf die Signalfrequenz abgestimmt, und das dort auftretende Signal wird über einen Frequenzumsetzer 44, einen Zwischenfrequenzverstärker 45 und einen Amplitudenmodulations-Gleichrichter 56 geleitet.

Die Source-Elektrode 16 des Feldeffekttransistors 10 ist mit dem Emitter 46 eines npn-Legierungstransistors 48 verbunden. Die Drain-Elektrode 12 des Feldeffekttransistors 10 liegt über die Primärwicklung 32 des Überträgers am Kollektor 50 des Transistors 48. Ein Regelverstärker 52, der die Regelspannung liefert, liegt parallel zum Widerstand 24, der mit dem Gate 14 des Feldeffekttransistors 10 und der Basis 54 des Transistors 48 verbunden ist. Der Regelverstärker 52 wird durch den Gleichrichter 56 gesteuert und liefert eine Regelgleichspannung, deren Größe als Funktion der Größe des Hochfrequenz-Eingangssignals, welches dem Feldeffekttransistor 10 zugeführt wird, in positiver Richtung anwächst.

Im Betrieb erzeugt der Regelverstärker 52 zunächst eine Gleichspannung von beispielsweise 0 Volt am Widerstand 24, so daß die Differenz der Spannungen der Widerstände 24 und 28 die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 48 in Spenichtung vorspannt. Der Transistor 48 ist daher gesperrt. Zur gleichen Zeit wird der Feldeffekttransistor 10 so vorgespannt, daß er eine maximale Verstärkung liefert, welche durch die Parameter der Schaltung des Verstärkers 8 gegeben ist.

In einem ersten Bereich der Regelspannung wird die Verstärkung des Verstärkers 8 dadurch verringert, daß der Regelverstärker 52 eine immer positiver werdende Spannung am Widerstand 24 aufbaut. Dieser erste Regelbereich reicht jedoch nicht aus, um die an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 48 liegende Sperrspannung zu überwinden, und daher bleibt der Transistor 48 gesperrt und für die Schaltung unwirksam. Die wachsende positive Spannung im ersten Regelbereich wird jedoch über den Widerstand 22 dem Gate 14 des Feldeffekttransistors 10 zugeführt und bewirkt ein Anwachsen des von diesem Feldeffekttransistor geführten Stromes und damit eine Verringerung der Verstärkung.

Wenn diese positiver werdende Spannung des Regelverstärkers 52 einen bestimmten Wert erreicht, wird die Sperrspannung am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 48 aufgehoben und dieser Transistor beginnt zu leiten und zieht dabei die Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors 10 auf einen festen Wert entsprechend der Basis-Emitter-Spannung des Transistors 48. Ist der Transistor 48 beispielsweise ein Siliciumtransistor, so beträgt die Basis-Emitter-Spannung etwa 0,6 Volt. Ein weiteres Anwachsen der positiver werdenden Ausgangsspannung des Regelverstärkers 52 bewirkt nun keine Änderung der Gate-Source-Vorspannung mehr, sondern verringert nur noch den Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 48. Dadurch wird die dem Feldeffekttransistor 10 zugeführte Drain-Source-Spanming geringer, so daß die Verstärkung weiter absinkt.

Im Kennlinienfeld der Fig. 2, das den Drain-Strom über der Source-Drain-Spanming darstellt, liegt der ursprüngliche Arbeitsmarkt für maximale Verstärkung im Punkt A. Im ersten Bereich der Regelspannung, in dem der Transistor 48 gesperrt ist und daher als Unterbrechung wirkt, bewirkt die positiver werdende

5 6

Gate-Source-Spannung einen höheren Stromfluß in empfindlicher gegen Kreuzmodulationserscheinungen

diesem Feldeffekttransistor 10. ist als Verstärker mit ähnlichen Transistoren, bei denen

Die anwachsende Source-Drain-Spannung des Feld- die Verstärkung durch Verringerung des Source-Draineffekttransistors 10 bewegt sich auf der Widerstands- Stromes herabgesetzt wird. Die Übertragungskennlinie geraden 58, die durch die Größe der Source- und 5 in dem Punkt, in dem die Gate-Source-Spannung auf Drain-Widerstände 28 bzw. 36 festliegt, bis zu einem einem festen Wert gehalten wird, ist verhältnismäßig Punkt B, bei dem die Gate-Source-Vorspannung durch linear, so daß im gesamten Regelbereich, in dem die die Vorspannung der Basis-Emitter-Strecke des Tran- Source-Drain-Spannung verringert wird, Kreuzmodusistors 48 auf einem relativ festen Wert gehalten wird. lationserscheinungen äußerst gering sind. Da die Gate-Ein weiteres Anwachsen der vom Verstärker 52 korn- io Elektrode auf einem festen Gleichspannungswert menden Regelspannung verringert nur den Durchlaß- gehalten wird, der gegenüber der Source-Elektrode nur widerstand des Transistors 48 und damit die Drain- leicht positiv ist, wird die Lebensdauer des MOS-Source-Spannung Ües Feldeffekttransistors 10. Auf Feldeffekttransistors erhöht.

diese Weise wird der Source-Drain-Strom längs des Die folgende Tabelle gibt als Beispiel einige Bemes-

Kennlinienteils B-C der Fig. 2 verringert. 15 sungswerte für die Bauelemente der Schaltung nach

Der Transistor 48 dient als spannungsgesteuerter Fig. 1.

veränderbarer Widerstand, der der Drain-Source- widerstand 22 15,000 Ω

Strecke des Feldeffektransistors 10 gleichstrommaßig Widerstand 24 10 000 Ω

parallel liegt. Er wird mit Hilfe der Regelspannung Widerstand28 ............. 220 Ω

verändert und verringert den Widerstand dieses Kreises 20 Widerstand 36 820 Ω

der Drain- und Source-Elektrode, wenn die Größe des Transistor 10 RCA TA 2840

anliegenden Signals über einen bestimmten Wert Transistor 48 2 N 3241

hinaus anwächst. So wird die Verstärkung weiter ver- g , ,22 Volt

ringert. Die Grenze für die Verringerung des Drain-Stromes und damit der Verstärkung wird durch die 25 In der beschriebenen Schaltung ist ein n-Kanal-Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors Feldeffekttransistor und ein npn-Legierungstransistor 48 bestimmt, die in Fig. 2 beim Punkt C liegt. verwendet; selbstverständlich kann auch ein p-Kanal-

Es hat sich gezeigt, daß der Verstärker 8 bei einer Feldeffekttransistor und ein pnp-Transistor verwendet Verringerung der Verstärkung durch Erhöhung des werden, wenn die Betriebsspannung und die Regel-Stromes im Feldeffekttransistor 10 wesentlich un- 3° spannung entsprechend umgepolt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Regelbarer Transistorverstärker, bei dem die Hauptstromstrecke des zu regelnden Transistors in Reihe mit einer Last an eine Betriebsspannung geschaltet ist, seiner Steuerelektrode eine Regelspannung zugeführt wird und seinem Eingangskreis eine mit Hilfe der Regelspannung veränderbare Impedanz parallelgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein Feldeffekttransistor (10) mit isolierter Gateelektrode (14) ist und die veränderbare Impedanz durch die Basis-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors (48) gebildet ist, dessen Basis (54) über eine gleichstromdurchlässige Impedanz (22) mit der Gateelektrode des Feldeffekttransistors gekoppelt ist, dessen Emitter mit der Sourceelektrode (16) des Feldeffekttransistors zusammengeschaltet und dessen Kollektor (50) an die Betriebsspannung (B+) geführt ist, und daß die Schaltung so bemessen ist, daß in einem ersten Bereich niedriger Regelspannungswerte der zweite Transistor (48) gesperrt ist und der Drainstrom des Feldeffekttransistors (10) mit wachsender Regelspannung ansteigt, und daß in einem zweiten Bereich größerer Regelspannungswerte der zweite Transistor leitend wird und die Gateelektrodenvorspannung des Feldeffekttransistors auf den Wert seiner Basis-Emitter-Schwellenspannung begrenzt und gleichzeitig mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke einen mit wachsender Regelspannung niederohmiger werdenden und den Source-Drain-Strom des Feldeffekttransistors in zunehmendem Maße übernehmenden Nebenschluß bildet.

2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des zweiten Transistors (48) an den Verbindungspunkt einer im Drainelektrodenkreis des Feldeffekttransistors (10) liegenden Last (32) mit einem Widerstand (36) angeschlossen ist, dessen anderes Ende an der Betriebsspannung liegt.

3. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sourceelektrode (16) des Feldeffekttransistors (10) und der Emitter (46) des zweiten Transistors (48) über einen gemeinsamen Widerstand (28) an Masse liegt.