DE1804434C3 - Transistorverstärkeranordnung mit einer Eingangsverstärker- und einer Ausgangsverstärkerstufe - Google Patents
Transistorverstärkeranordnung mit einer Eingangsverstärker- und einer AusgangsverstärkerstufeInfo
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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 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-
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 —
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)
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.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |