DE1804434C3 - Transistorverstärkeranordnung mit einer Eingangsverstärker- und einer Ausgangsverstärkerstufe - Google Patents

Transistorverstärkeranordnung mit einer Eingangsverstärker- und einer Ausgangsverstärkerstufe

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DE1804434C3
DE1804434C3 DE19681804434 DE1804434A DE1804434C3 DE 1804434 C3 DE1804434 C3 DE 1804434C3 DE 19681804434 DE19681804434 DE 19681804434 DE 1804434 A DE1804434 A DE 1804434A DE 1804434 C3 DE1804434 C3 DE 1804434C3
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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Transistorverstärker mit einer Eingangsverstärker- und einer Ausgangsverstärkerstufe, deren Ausgangskreis mit einem Ausgangstransformator versehen ist, und mit einer von der Ausgangsverstärkerstufe abgeleiteten kombinierten Spannungs- und Stromgegenkopplung, wobei der Ausgangskreis der Ausgangsverstärkerstufe mit dem Emitterkreis der Eingangsverstärkerstufe über ein Kopplungsnetzwerk verbunden ist, in dem für die Spannungsgegenkopplung die Ausgangsspannung durch einen Spannungskopplungskreis und für die Stromgegenkopplung die dem Strom durch den Ausgangskreis proportionale Spannung über einen in Reihe mit der Primärwicklung des Ausgangstransformators liegenden Reihenwiderstand durch einen Stromkopplungskreis dem Emitterkreis der Eingangsstufe zugeführt wird, welcher weiterhin einen einstellbaren Widerstand zur Regelung des Verstärkungsfaktors des Transistorverstärkers enthält.
Solche Schaltungsanordnungen werden insbesondere als Leitungsverstärker in Trägerfrequenz-Übertragungssystemen verwendet, wobei zur Pegelregelung von einer Zentralstelle her der Verstärkungsfaktor der Transistorverstärker durch Regelung des Wertes des Regelwiderstandes im Emitterkreis eingestellt wird, welcher z. B. durch eine Glühlampe oder einen Thermistor gebildet und durch ein Pilotsignal geregelt wird. Diese Leitungsverstärker müssen sehr hohe Anforderungen erfüller:
der Verstärkungsfaktor muß als Funktion der Frequenz in einem breiten Frequenzbereich z. B. von 60 bis 4200 kHz einen vorgegebenen Verlauf ίο aufweisen;
der Rauschfaktor muß möglichst gering sein;
die nichtlineare Verzerrung muß in einem breiten Frequenzbereich sehr gering, z. B. weniger als -120 dB im Frequenzbereich von 60 bis 4200 kHz, sein;
die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen müssen möglichst genau an die Impedanz der angeschlossenen Netzwerke angepaßt sein, die z. B. durch Übertragungskabel gebildet werden, unter anderem um Reflexionen zu vermeiden.
Diese Vorrichtungen bringen die praktische Schwierigkeit mit sich, daß bei vorgegebenen Verstärkungsund Rauschfaktoren der Regelbereich des Verstärkungsfaktors nur auf Kosten des Wirkungsgrades des Transistorverstärkers vergrößert werden kann.
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung eingangs erwähnter Art zu schaffen, bei der die vorerwähnten hohen Anforderungen erfüllt werden und der Regelbereich des Verstärkungsfaktors erheblich vergrößert und außerdem der Wirkungsgrad des Transistorverstärkers sogar etwas erhöht wird.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sromkopplungskreis zwischen dem Reihenwiderstand und dem Emitterkreis der Eingangsverstärkerstufe ein Transformator eingefügt ist, der die Impedanz des Reihenwiderstandes in Richtung auf den Emitterkreis hoch transformiert.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend an Hand der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt einen Leitungsverstärker nach der Erfindung zum Verstärkern von Trägerfrequenz-Fernsprechsignalen in einem Frequenzbereich von z. B. 60 bis 4200 kHz.
Der dargestellte Leitungsverstärker ist ein Transistorverstärker mit einem regelbaren Verstärkungsfaktor, wobei die Trägerfrequenz-Fernsprechsignale im Frequenzbereich von 60 bis 4200 kHz über einen Eingangstransformator 1 zur Verstärkung der Kaskadenschaltung einer Eingangsverstärkerstufe 2, einer Zwischenverstärkerstufe 3 und einer Ausgangsverstärkerstufe 4 zugeführt und die verstärkten Trägerfrequenz-Fernsprechsignale einem Ausgangstransformator 5 in der Ausgangsverstärkerstufe 4 entnommen werden.
In der dargestellten Ausführungsform wird die Basisvorspannung des Transistors in der Eingangsstufe 2 den Widerständen 6, 7 entnommen, die als Spannungsteiler zwischen der Plusklemme 8 und der Minusklemme 9 einer Speisespannungsquelle eingebo schaltet sind, während die Trägerfrequenz-Fernsprechsignale über einen Trennkondensator 10 der Eingangsstufe 2 zugeführt werden. Die in der Eingangsstufe 2 verstärkten Trägerfrequenz-Fernsprechsignale werden einem Kollektorwiderstand 11 entnommen und zur weiteren Verstärkung der Zwischenstufe 3 zugeführt, deren Transistor mit einem Kollektorwiderstand 12 und einem Emitterwiderstand 13 versehen ist. Die an dem Kollektorwiderstand 12 der Zwischenstufe 3 erschei-
nenden Trägerfrequenz-Fernsprechsignale werden zur Leistungsverstärlcung der Endstufe 4 zugeführt, die Ober den Ausgangstransfonnator 5 im Emitterkreis mit einer Belastungsimpedanz 14 gekoppelt ist, die z. B. durch den Wellenwiderstand eines dem Leitungsverstärker nachfolgenden Abschnittes eines Obertragungskabels gebildet wird.
Um die hohen Anforderungen eines Leitungsverstärkers, nämlich eine vorgegebene Verstärkung im Frequenzbereich von 60 bis 420OkHz, ein niedriger Rauschfaktor, eine geringe nichtlineare Verzerrung im Frequenzbereich von 60 bis 4200 kHz und die genaue Anpassung der Eingangs- und Ausgangsimpedanz, zu erfüllen, ist der Luitungsverstärker mit einer kombinierten Spannungs- und Stromgegenkopplung versehen. Der Ausgangskreis 15 der Endverstärkerstufe 4 ist mit dem Emitterkreis 16 der Eingansverstärkerstufe 2 durch ein Kopplungsnetzwerk 17 gekoppelt, in dem für die Spannungsgegenkopplung die Spannung des Ausgangskreises 15 über einen Spannungskopplungskreis 18 und für die Stromgeg«nkopplung die dem Strom durch den Ausgangskreis 15 proportionale Spannung über einem in Reihe mit der Primärwicklung des Ausgangstransformators 5 liegenden Reihenwiderstand 19 über einen Stromkopplungskreis 20 dem Emitterkreis 16 zugeführt wird. In der dargestellten Ausführungsform wird der Spannungskopplungskreis 18 durch den Widerstand 21 zwischen den Emittern der Transistoren der Endstufe 4 und der Eingangsstufe 2 gebildet, während der Stromkopplungskreis 20 durch den Widerstand 22 zwischen dem Verbindungspunkt der PrimärwicKlung des Ausgangstrainsformators 5 und des Reihenwiderstandes 19 und dem Emitter des Transistors in der Eingangsstufe 2 gebildet wird.
Ferner ist zur Regelung des Verstärkungsfaktors des Leitungsverstärkers in den Emitterkreis 16 der Eingangsstufe 2 in Reihe mit einem festen Widerstand 23 ein einstellbarer Widerstand 24 aufgenommen, der z. B. durch eine Glühlampe oder einen Thermistor gebildet wird und gegebenenfalls in ein nicht dargestelltes Bode-Netzwerk zur Anpassung der Frequenzkennlinie des Verstärkungsfaktors in einem vorgegebenen Frequenzbereich an die Dämpfungskennlinie eines Übertragungskabels bestimmter Länge aufgenommen werden kann.
Durch die vorstehend erwähnten Anforderungen eines Leitungsvexstärkers ist die kombinierte Spannungs- und Stromgegenkopplung praktisch derart bestimmt, daß keine Möglichkeit mehr vorhanden ist, einen breiten Regelbereich für den Verstärkungsfaktor durch den einstellbaren Widerstand 24 zu erzielen, ohne den Wirkungsgrad der Endverstärkerstufe 4 zu verringern, was unten näher erläutert wird.
Es wird dabei vorausgesetzt, daß der Widerstand 21 einen Wert R], der Widerstand 22 einen Wert R2, der Widerstand 19 einen Wert R3 und der Emitterkreis 16 einen Widerstandswert Ra hat. Der Widerstandswert der Belastungsimpedanz 14, von dem Gegenkopplungskreis her gemessen, ist gleich Rs.
In nahezu allen Fällen der Praxis wird der Verstärkungsfaktor A des Leitungsverstärkers mit sehr guter Annäherung lediglich durch die kombinierte Spannungs- und Stromgegenkopplung bestimmt. Eine einfache Berechnung zeigt, daß die Anforderung der Belastungsanpassung zu der Beziehung
führt, während für den Verstärkungsfaktor A bei Belastungsanpassung gilt:
A =
2A4
Der Einfluß der kombinierten Spannungs- und Stromgegenkopplung auf die Regelung des Verstärkungsfaktors A durch die Einstellung des Widerstandes Ra des Emitterkreises 16 zeigt sich bei Umarbeitung der Beziehung (2) in
A = 1A · R1
L A4 + R1- Ri/Ri J '
Der Regelbereich des Verstärkungsfaktors A wird nach der Beziehung (3) dadurch beschränkt, daß scheinbar parallel zu dem einzustellenden Widerstandswert Ra des Emitterkreises 16 ein Widerstandswert Rp auftritt, der wie folgt bestimmt wird:
(4)
2r> und der auf den Einfluß der kombinierten Spannungsund Stromgegenkopplung zurückgeht
Soll der Regelbereich des Verstärkungsfaktors A bei Einstellung des Widerstandswertes Ra vergrößert werden, so muß der Widerstandswert Rp erhöht werden.
jo Eine Erhöhung des Widerstandswertes Rp durch Erhöhung des Widerstandswertes R] bringt jedoch eine unerwünschte Zunahme des vorgegebenen Verstärkungsfaktors A [s. Beziehung (2)] mit sich, was eine Übersteuerung des Leitungsverstärkers veranlassen
r> würde, wodurch die. erwähnten hohen Anforderungen in bezug auf Verzerrungsfreiheit nicht mehr erfüllt werden wurden. Eine Erhöhung des Widerstandswertes Ä,-,ohne Zunahme des Verstärkungsfaktors A ist lediglich dann möglich, wenn der Wert A3 des Reihenwidersta.ides 19 erhöht wird. Dies vollzieht sich jedoch auf Kosten des Wirkungsgrads q der Endverstärkerstufe 4, der im wesentlichen durch den Teil der Ausgangsspannung des Transistors in der Endstufe 4, der über dem Reihenwiderstand 19 auftritt, und durch den Teil des
4r> Ausgangsstroms des Transistors in der Endsstufe 4 durch den Widerstand 21 bestimmt wird. Mit guter Annäherung gilt für diesen Wirkungsgrad q
a =
(5)
(D
Eine Erhöhung des Widerstandswertes Ri bedeutet somit eine Erniedrigung des Wirkungsgrades q.
Es ergibt sich somit, daß die vorstehend beschriebe-
■>5 nen Anforderungen für einen Leitungsverstärker den Regelbereich des Verstärkungsfaktors A bei Einstellung des Widerstandswertes Ra des Emitterkreises 16 beschränken.
In der Praxis tritt noch eine weitere Beschränkung
bo dieses Regelbereichs dadurch auf, daß häufig eine Reziprokregelung des Verstärkungsfaktors A gefordert wird. Es ergibt sich nämlich, daß die Reziprokregelung des Verstärkungsfaktors A nicht dadurch bewerkstelligt wenden kann, daß der Widerstandswerc Λ< des
t>5 Emitterkreises 16 als Ganzes geändert wird, sondern lediglich möglich ist, wenn der Widerstandswert Ra in einen konstanten Teil Rs des festen Widerstandes 23 und einen veränderlichen Teil des einstellbaren Widerstan-
des 24 mit einem Nennwert R1, aufgeteilt wird. Damit die Anforderung einer Reziprokregelung erfüllt werden kann, d. h. damit bei Regelung des Widerstandswertes Ra um einen Faktor χ der Verstärkungsfaktor A als Funktion des eingestellten Widerstandswertes x/?„bzw. RJx die Beziehung
anpassung gilt
A(xR„) ■ A(RJx) = IA(R,,)]2
(6)
für alle Werte at erfüllt, sollen die Widerstandswerte /?,,, yder Beziehung
Ri = (R1, +RJ- R,
(7)
entsprechen. Es folgt daraus, daß durch Reziprokregelung des Verstärkungsfaktors A in Reihe mit dem einstellbaren Widerstand 24 ein fester Widerstand 23 mit einem durch die Beziehung (7) bestimmten Widerstandswert Ä, vorhanden sein muß, welcher eine zusätzliche Beschränkung des Regelbereichs des Verstärkungsfaktors A bei Regelung des einstellbaren Widerstandes 24 mit sich bringt. Bei Reziprokregelung wird dieser Regelbereich durch die Beziehung
A(R,,) A(xR„)
xR„
Λ,,+.vÄ,
(8)
bestimmt.
Gemäß der Erfindung wird bei Erfüllung aller vorerwähnten Anforderungen für den Leitungsverstärker der Regelbereich des Verstärkungsfaktors A bei Regelung des einstellbaren Widerstandes 24 dadurch erheblich vergrößert, daß in den Stromkopplungskreis 20 zwischen dem Reihenwiderstand 19 und dem Emitterkreis 16 der Eingangsstufe 2 ein Transformator 25 eingefügt wird, der die Impedanz des Reihenwiderstandes 19 in Richtung auf den Emitterkreis 16 hochtransformiert.
In der dargestellten Ausführungsform wird der Transformator 25 durch einen Autotransformator gebildet, wobei der Reihenwiderstand 19 zwischen einem Ende und einem Abgriffspunkt und der Widerstand 22 an das andere Ende angeschlossen sind, während das Verhältnis der Windungszahl, über welche der Reihenwiderstand 19 angeschlossen ist, und der Gesamtwindungszahl des Autotransformators 25 gleich 1 :(1+n;ist.
Die Wirkungsweise des Transformators 25 besteht darin, daß ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrades q der Endstufe 4 der Beitrag des Reihenwiderstandes 19 zu dem scheinbar parallel zum Emitterkreis 16 auftretenden Widerstandswert Rn und somit der Regelbereich des Verstärkungsfaktors A bei Regelung des einstellbaren Widerstandes 24 vergrößert wird.
Die Resultate der Aufnahme des Transformators 25 in den Stromkopplungskreis 20 der kombinierten Spannungs- und Stromgegenkopplung werden an Hand der dargestellten Ausführungsform näher erläutert. In diesem Falle bringt die Anforderung der Belastungsanpassung die Beziehung mit sich
(9)
Λ, +(1 + π)2 ■ R-,
während für den Verstärkungsfaktor A bei Belastungs- A —
1 [g , „ Rf \
TrT L * " «Γ '
\+n-R,/R<
(10)
woraus in der vorstehend beschriebenen Weise folgt, daß scheinbar parallel zu dem Widerstandswert Λ4 des in Emitterkreises 16 nunmehr ein Widerstandswert Rp auftritt, bestimmt durch
\+n
I + η ■ R,/R<,
(Π)
Für den Wirkungsgrad q der Endstufe 4 gilt auch hier die Beziehung (5).
Ein Vergleich der Beziehungen (4) und (11) zeigt, daß durch den Transformator 25 der Beitrag des Reihenwiderstandes 19 mit dem Wert Ri zum Widerstandswert Rn vergrößert wird, und zwar um einen Faktor, der bei nicht zu hohen Werten von η annähernd durch die Windungszahl (1 +n) des Transformators 25 bestimmt wird, da in der Praxis der Widerstandswert /fj stets erheblich geringer ist als der Widerstandswert R·,. Diese Erhöhung des Widerstandswertes Rp bringt, wie gesagt, eine Vergrößerung des Regelbereichs des Verstärkungsfaktors A bei Regelung des einstellbaren Widerstands 24 mit sich, während der Wirkungsgrad q der Endstufe 4 entsprechend der Beziehung (5) gleich bleibt.
Diese Erhöhung des Widerstandswertes Rn bringt entsprechend der Beziehung (10) eine Abnahme des Verstärkungsfaktors A mit sich. Wird durch Erhöhung des Widerstandswertes Ri der Verstärkungsfaktor A gleich dem Wert gemacht, der ohne Anwendung des Transformators 25 erzielt wird, so ergibt sich sowohl eine weitere Erhöhung des Widerstandswertes Rn und somit eine weitere Vergrößerung des Regelbereichs des Verstärkungsfaktors A als auch gemäß der Beziehung (5) eine Erhöhung des Wirkungsgrads q der Endstufe 4. Die erforderliche Belastungsanpassung an den Widerstandswert R', kann stets durch geeignete Bemessung des Widerstandswertes R2 [s. Beziehung (9)] erzielt werden.
Bei einer Reziprokregelung des Verstärkungsfaktors A ergibt diese Erhöhung des Widerstandswertes Rn außerdem den Vorteil einer Verringerung des Widerstandswertes Rs des festen Widerstandes 23 im Emitterkreis 16 [s. Beziehung (7)\ wodurch der bereits vergrößerte Regelbereich des Verstärkungsfaktors A noch weiter vergrößert wird.
Auf diese Weise wird durch die Maßnahmen nach der Erfindung bei gleichbleibendem Verstärkungsfaktor und Rauschfaktor des Leitungsverstärkers eine besonders wirkungsvolle Vergrößerung des Regelbereichs des Verstärkungsfaktors bei Regelung durch den einstellbaren Widerstand 24 bewerkstelligt während gleichzeitig der Wirkungsgrad der Endverstärkerstufe 4 erhöht wird. Beide Vorteile, d. h. die Vergrößerung des Regelbereichs und die Erhöhung des Wirkungsgrades, werden in baulich überraschend einfacher Weise erzielt wodurch die Anwendung in der Praxis besonders vorteilhaft ist
Bei einer praktischen Ausführungsform des Leitungsverstärkers mit Reziprokregelung des Verstärkungsfaktors A, wobei der Regelfaktor χ des einstellbaren Widerstandes 24 einen Maximalwert 2 hat ist der ursprüngliche Regelbereich des Verstärkungsfaktors A
mit einer Größe von 3,2 dB durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung, wobei die Windungszahl (1 +n) des Transformators 25 den Wert 3 hat, auf 4,7 dB erhöht. Zur Veranschaulichung des beschriebenen Leitungsverstärkers werden nachstehend einige Daten der kombinierten Spannungs- und Stromgegenkopplung angegeben:
Widerstand 2IfA1) 2140Ω
Widerstand 22 (R2) 513Ω
Widerstand 19 (R3) 20 Ω
Belastungsimpedanz 14, aus der
Gegenkopplung gemessen (Rs) 200 Ω
Einstellbarer Widerstand 24,
Nennwert (R0) 62 Ω
Fester Widerstand 23 (Rs) 7,1?»
Windungszahl des Transformators 25,
Die Ausfuhrungsform des Transformators 25 als A-jtotransformator hat besonders bei Verstärkung breiter Frequenzbereiche den praktischen Vorteil minimaler Streuinduktanzen, die sonst gemeinsam mit den Kapazitäten zwischen den Windungen unerwünschte Resonanzerscheinungen für die höheren Frequenzen hervorrufen könnten. Gegebenenfalls kann der Einfluß der Streuinduktanz ganz behoben werden, indem der Transformator 25 in Form eines Leitungstransformators ausgebildet wird, wobei diese Induktanzen und Kapazitäten Komponenten des Wellenwiderstandes sind, der als solcher keine Resonanzerscheinungen aufweist. Zum Erzielen eines guten Abschlusses des Leitungstransformators wird vorzugsweise ein Teil des Widerstandes 22 in die Verbindung zwischen dem Abgriff des Transformators 25 und dem Verbindungspunkt des Reihenwiderstandes 19 und des Ausgangstransformators 5 eingefügt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung für einen Transistorverstärker, die eine Eingangsverstärkerstufe und eine Ausgangsverstärkerstufe enthält, deren Ausgangskreis mit einem Ausgangstransformator versehen ist, und mit einer von der Ausgangsverstärkerstufe abgeleiteten kombinierten Spannungs- und Stromgegenkopplung, wobei der Ausgangskreis der Endverstärkerstufe mit dem Emitterkreis der Eingangsverstärkerstufe über ein Kopplungsnetzwerk gekoppelt ist, in dem für die Spannungsgegenkopplung die Ausgangsspannung durch einen Spannungskopplungskreis und für die Stromgegenkopplung die dem Strom durch den Ausgangskreis proportionale Spannung über einen in Reihe mit der Primärwicklung des Ausgangstransformators liegenden Reihenwiderstand durch einen Stromkopplungskreis dem Emitterkreis der Eingangsstufe zugeführt wird, welcher ferner einen einstellbaren Regelwiderstand zur Regelung des Verstärkungsfaktors des Transistorverstärkers enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stromkopplungskreis zwischen dem Reihenwiderstand und dem Emitterkreis der Eingangsverstärkerstufe ein Transformator eingefügt ist, der die Impedanz des Reihenwiderstandes in Richtung auf den Emitterkreis hochtransformiert
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator im Stromkopplungskreis durch einen Autotransformator gebildet wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator im Stromkopplungskreis in Form eines Leitungstransformators ausgebildet ist, wobei sowohl der Eingang als auch der Ausgang durch einen Widerstand im Stromkopplungskreis abgeschlossen sind.
DE19681804434 1967-11-06 1968-10-22 Transistorverstärkeranordnung mit einer Eingangsverstärker- und einer Ausgangsverstärkerstufe Expired DE1804434C3 (de)

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DE1804434A1 DE1804434A1 (de) 1969-06-04
DE1804434B2 DE1804434B2 (de) 1975-11-27
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CH (1) CH489955A (de)
DE (1) DE1804434C3 (de)
DK (1) DK137058B (de)
ES (1) ES359862A1 (de)
FR (1) FR1591292A (de)
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SE (1) SE356412B (de)

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