-
Verstärker-Begrenzerstufe Die Erfindung betrifft eine Differentialverstärkerstufe
für mittlere Frequenzen mit hohen Leistungen.
-
Genauer gesagt, sind die gesuchten Leistungen im wesentlichen die
folgenden: je Stufe eine Verstärkung, welche zugleich hoch, als Funktion der Temperatur
stabil und unter der Wirkung einer elektrischen Steuerung schnell veränderlich ist,
wobei
wobei die Anderungsfunktion insbesondere reproduzierbar sein
muß; eine gute Linearität für alle Signale, deren Eingangshöhe unter einem vorbestimmten
Schwellwert liegt, sowie eine freie und augenblickliche Begrenzung ohne Hysterese
für diejenigen Signale, deren Höhe über dem Schwellwert liegt; eine innere Phasenverschiebung
und eine Abstimmfrequenz, welche als Funktion der Temperatur, der Verstärkung und
der Eingangssignalhöhe stabil und bei Auswechslung einer der Komponenten reproduzierbar
sind; einen wahlweise breiten oder schmalen Durchlaßbereich; eine hohe Zuverlässigkeit:
die Versehlechterung einer der Komponenten darf nicht einen vollständigen Ausfall
des Verstärkers mit sich bringen; die Möglichkeit der einfachen Umwandlung in eine
Stufe mit schwachem Rauschen für bestimmte Anwendungen.
-
Die erfindungsgemäße Verstärkerstufe besteht im wesentlichen aus einer
Differentialverstärker-Transist9rschaltung, welche zwei Transistoren mit eng'benachbarten
Kennlinien und eine Anordnung von Widerständen, Dioden und Kondensatoren, Anordnungen
zur Veränderung des dynamischen Widerstandes dieser Dioden, Frequenzabstimmelemente,
Neutralis ationßkondensatoren, Entkopplungselemente
Entkopplungselemente
für die Spannungsquellen und Kopplungselemente an eine nachfolgende Stufe aufweist.
-
Die Änderung des dynamischen Widerstands der in der Verstärkerschaltung
angeordneten Dioden, welche durch Änderung des Gleichstroms in denselben erzielt
wird, bringt eine Änderung des Kupplungswiderstandes zwischen den beiden Emittern
der Transistoren und infolgedessen eine Änderung der Verstärkung der Stufe mit sich.
Da kein Kondensator in der Verstärkungssteuerschaltung angeordnet ist, kann die
Änderung derselben sehr schnell erreicht werden, wobei die Grenze durch die Ansprechzeit
der Dioden festgelegt wird, welche sehr kurz sein kann (beispielsweise ein Bruchteil
einer Mikrosekunde).
-
Wenn die verwendeten Dioden schnell arbeiten und eine geringe Kapazität
besitzen, bleibt die Impedanz zwischen den Emittern sehr genau ein Ohmscher Widerstand
im ganzen Nutzbereich und es entsteht keine wesentliche Phasenverschiebung.
-
Bei Anwesenheit von sehr starken Signalen ergibt sich eine Änderung
der Breite des Durchlaßbereichs infolge der durch die Begrenzung hervorgerufenen
Schwächung, Die durch zwei kreuzweise zwischen die Basen und Kollektoren der Transistoren
geschaltete Kondensatoren erzielte Neutralisation gewährleistet die Stabilität der
Mittenfrequenz der Stufe, wenn sich
sich der Verstärkungsfaktor
ändert.
-
Schließlich stellt die große Zuverlässigkeit von Differentialverstärkern
im allgemeinen einen Vorteil dar. Die Verschlechterung eines der Elemente gestattet
immer noch einen bestimmten Verstärkungsgrad und in dem häufigsten Fall, daß die
Stufe nur eines der Elemente einer Verstärkerkette mit mehreren Stufen ist, kann
kein plötzlicher Gesamtausfall vorkommen. Beispielsweise bringt eine Unterbrechung
einer der Verbindungen lediglich einen Verstärkungsverlust von 6 dB mit sich.
-
Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt Figur 1 eine Schaltskizze einer erfindungsgemäßen Differentialverstärkerstufe
für den allgemeineren Fall und Figur 2 fUr den Fall, daß sie mit schwachem Rauschen
arbeiten muß.
-
Im folgenden sind gleiche und in gleicher Weise geschaltete Teile
mit den gleichen Bezugszeichen versehen und die Bezugszeichen für Teile mit gleichartigen
Funktionen unterscheiden sich lediglich durch einen hochgestellten Strich.
-
Eine
Eine erfindungsgemäße Verstärker-Begrenzerstufe
E weist im wesentlichen gemäß Figur 1 zwei gleiche Transistoren und Qt1 au£, welche
mit den Widerständen R1, R't, R2, Rl2, R3, R'3, R4, R1, R5, den Dioden D1, D'1 und
den Kondensatoren C3, C'3 einen Differentialverstärker bilden.
-
Genauer gesagt, die zwischen den Kollektoren und einem der Netzpole
(hier dem positiven Pol, da die Transistoren Q1 und Q'1 vom Typ n p n sind) angeordneten
Widerstände R1 und R'1 bilden die Belastungen der Kollektoren, die Jeweils zwischen
dem Kollektor von Q1 und der Basis von Q'1 bzw.
-
zwischen der Balls von Q1 und dem Kollektor von Q'1 angeordneten Kondensatoren
C3 und C V3 gewährleisten die Neutralisatlon. Die Widerstände R2, R'2, R3 und die
Dioden D1, D'1 bilden den Differentialbelastungskreis der Emitter und die beiden
Widerstände R4, R'4 bestimmen den Strom in den Transistoren Q1 und Q'1 aufgrund
der durch Z1 C1 gefilterten Spannungsquelle.
-
Die Elemente Z1 und Z2, C1 und C2 gewährleisten die Entkopplung und
die Filterung der Spannungsquellen. Z1 und Z2 sind im allgemeinen von einer Anordnung
von Sperrdrosseln und Widerständen gebildet.
-
Der gemeinsame Punkt der Dioden D1, Dtl welche entgegengesetzt geschaltet
sind, ist mit der automatischen Verstärkungssteuerspannung über den Widerstand R5
verbunden. Die 5 Kondensatoren
Kondensatoren C4 und C14, welche
zwischen den Kollektoren der Transistoren Q1 und Q'1 und den Basen der Transistoren
der folgenden Stufe angeordnet sind, bilden die Verbindungselemente zwischen den
Stufen und die Kondensatoren C5, C'5 und die parallelgeschalteten Induktivitäten
L und L', welche zwischen C4 bzw. C'4 und Erde angeordnet sind, stellen die Abstimmelemente
dar.
-
Die Begrenzung wird durch die Dioden D2 und D'2 verwirklicht, welche
parallel derart zwischen C4 und C'4 geschaltet sind, daß sie einen an sich bekannten
symmetrischen Begrenzer bilden.
-
Die Steuerung der Verstärkung wird durch Änderung der Spannung an
den Klemmen des Widerstands R5 erreicht, welcher im Belastungskreis der Emitter
angeordnet und mit dem gemeinsamen Punkt der Dioden D1 und D'1 verbunden ist. Diese
Veränderung bringt eine Veränderung des Stromes in den Dioden D1 und D'1 mit sich.
Daraus folgt eine Veränderung von deren dynamlachem Widerstand und infolgedessen,
wie bereits ausgeführt, eine Veränderung des Kopplungswiderstandes zwischen den
beiden Emittern der Transistoren, was wiederum eine Veränderung der Verstärkung
in dieser -Stufe mit sich bringt.
-
Da sich der Gleichstrom gleichmäßig auf die Dioden D1 und D'1 verteilt,
ist die Veränderung der Gleichspannung an den beiden Kollektoren die gleiche. Wenn
die Symmetrie der Anordnung
ordnung gut eingehalten ist, so erhält
man keinerlei störende Differenzausgangsspannung aufgrund selbst von schnellen Übergangs
strömen und -spannungen der Verstärkungs steuerung.
-
Die maximale Signalhöhe am Eingang jeder Stufe ist durch die symmetrische
Begrenzungshohe der Dioden d2, d'2 des Begrenzers der vorangehenden Stufe festgelegt.
Wenn die dargestellte Stufe eine Eingangsstufe ist, können die Signale ohne Begrenzer
auf die Basen der Transistoren gegeben werden, und zwar unter der Bedingung, daß
sie ausreichend schwach sind, was bei Radarsignalen der Fall ist. Bei anderen Anwendungen
wird unter Umständen ein Begrenzer zwischen die Eingänge A, B und die Transistoren
geschaltet.
-
Figur 2 zeigt eine andere Aus führungs form der erfindungsgemäßen
Verstärkerstufe für den Fall, daß dieselbe eine Stufe mit schwachem Rauschen darstellen
soll, wie das beispielsweise bei einer Eingangsstufe einer Zwischenfrequenz-Verstärkerkette
der Fall ist.
-
In diesem Fall muß man bekanntlich jegliche Gegenkopplung unterdrücken.
Es ist daher nicht mehr möglich, die Verstärkungssteuerung durch Veränderung der
Widerstände im Emitterkreis hervorzurufen.
-
Bei
Bei der in Figur 2 dargestellten AusfUhrungsform
der Stufe wird die Verstärkungssteuerspannung V C G auf die Dioden D3 und D'3 über
einen Kopplungskreis gegeben, welcher die Widerstände R9, R'9, die Entkopplungskondensatoren
C6, C'6> die Drosseln L2, L'2, die Kopplungskondensatoren C7, C7 und den Widerstand
R8 enthält. Die Selbstinduktivitäten L1 und L'1 gewährleisten einerseits die Abstimmung
des Eingangskreises und andererseits die Rückführung der Ströme der Basen von Q1
und Q'1 zur Erde.
-
Um das Signal-Rausch-VerhEltnis für Eingangssignale mit geringer Signalhöhe
nicht zd vermindern, ist die Verstärkungssteuerung so abgeändert, daß sie nur wirksam
wird, wenn die Spannung V C G unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.
-
Zu diesem Zweck besteht die Verstärkungssteuerschaltung aus zwei Dioden
D'3, deren dynamischer Widerstand verändert wird, deren Anoden jedoch über den Widerstand
R8 mit einer Klemme verbunden sind, welche auf einer Bezugsspannung V6 gehalten
wird, die die für die Verstärkungssteuerung vorbestimmte Wirkungsschwelle festlegt.
-
Die Stufe wird mit konstantem Strom über Widerstände R41 und R'41
gespeist, welche über das Fllterglied Zls Cm mit der negativen Spannungsquelle verbunden
sind.
-
Die
Die Emitter sind für Hochfrequenz durch den
Kondensator clo kurzgeschlossen und die Neutralisation wird, wie vorher, durch die
Kondensatoren C3 und C 3 gewährleistet.
-
Zwischen den Kollektoren der Transistoren Q1, Q'1 und den Basen der
folgenden Stufe E, welche gleich ausgebildet ist wie die in Figur 1 dargestellte
Stufe, sind zwei Transistoren Q2 und Q'2 angeordnet, welche mit den Transistoren
Q1 und Q'1 eine an sich bekannte Kaskadendifferenzstufe bilden.
-
Die Verbindung zwischen den Kollektoren von Q1 Q11 und den Emittern
von Q2, Q12 wird über die Breitbandtransformatoren T und T' hergestellt, welche
durch die Kondensatoren C8 und C'8 entkoppelt sind und eine bessere Anpassung der
Eingangsimpedanz der mit den Basen an Erde liegenden Transistoren Q2 und und Q'2
an die Ausgangsimpedanz der mit gemeinsamen Emittern geschalteten Transistoren Q1
und Q'1 gewährleisten.
-
In den Kollektorkreisen der Transistoren Q2 und und befinden sich
wieder die Elemente Z2, C2, R1, 04> C'4, L, L', D2 Dt2, welche auch in den Kollektorkreisen
der Transistoren Q1 und Q'1 in Figur 1 enthalten waren. Diese Elemente haben die
gleiche Funktion wie vorher. Der einzige grundlegende Unterschied zwischen den in
den beiden Figuren dargestellten Schaltungen beruht in der Wirkungsweise der Verstärkungssteuerung.
Im zweiten Fall ist diese im Basenkreis und nicht im Emitterkreis angeordnet, wobei
diese letzteren kurzgeschlossen
schlossen sind. Die Verstärkungssteuerung
wirkt als veränderliches Schwächungsglied, während die Differenzstufe mit einer
festen Maximalverstärkung arbeitet.
-
Die Widerstände R21, R22 einerseits und der Kondensator C21 andererseits
vervollständigen den Polarisationskreis bzw. Entkopplungskreis der Transistoren
Q2 und Q'2 Ein weiterer Unterschied beruht in der Verwendung einer Kaskadenstufe.
Diese Anordnung ermöglicht eine geringe Verbesserung des Rauschfaktors, kann jedoch
weggelassen werden, wenn man eine billigere Schaltung bauen will.
-
Außerdem ruft hier die Verstärkungssteuerung infolge der Symmetrie
keine Übergangssignale am Ausgang hervor, aber da die Kondensatoren C6, C7, C'6,
6' notwendig sind, kann die Verstärkungssteuerung nicht so schnell sein wie in-
der Stufe E, außer wenn das gemeinsame Ende von R9 und R'g auf einem festen Potential
V6 gehalten wird und man die Verstärkungssteuerspannung auf das Ende von R8 wirken
läßt.
-
Patentansprüche