DE1902126A1 - Geregelter Verstaerker - Google Patents

Description

6716-68/Sch/Ro.· 1902128

RCA 59,078

US Ser.No. 698,505

Piled: January 17, 1968

Radio Corporation of America, New York, N.Y. (V.St".A.)

Geregelter Verstärker

Die Erfindung betrifft einen geregelten Verstärker mit mindestens einem ersten Transistor, einer Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme. .

Der Verstärker kann je nach den Erfordernissen mit einzelnen Bauelementen oder in integrierter Form aufgebaut sein. Unter integrierter Schaltung sei eine in einem einheitlichen monolithischen Halbleiterplättchen aufgebaute- Schaltung verstanden, die einer'aus aktiven und passiven Bauelementen zusammengesetzten Schaltung entspricht, \

Zur Erläuterung der Erfindung sei der Einfachheit halber von bestimmten Bauelementen in einer ,elektrischen Schaltung gesprOcher, wobei sowohl einzelne Bauelemente als auch die entsprechenden Teile einer integrierten Schaltung verstanden seien.

Transistorisierte geregelte Verstärker, seien sie aus Einzelelementen oder in integrierter Form aufgebaut, müssen Eingangssignale innerhalb eines Amplitudenbereiches verarbeiten, welcher mit dem geregelter Röhrenverstärker vergleichbar ist. Ein grundlegendes Problem besteht jedoch darin, daß Transistorverstärker Nichtlinearitäten aufweisen,- welche zu Verzerrungen infolge von Kreuzmodulation und Intermodulation führen.

Die Übertragungscharakteristik eines Transistors ergibt sich aus seiner Über der Basis-Emltter-Spannung aufgetragenen Kollektorstromkennlinie. Im normalen Bereich des Transistorbetriebes verläuft diese Kennlinie exponentiell, und daher ist ihre Steigunj

längs der Kennlinie ebenfalls exponentiell. Aus diesem Grunde tritt grundsätzlich eine "Verzerrung im Ausgangssignal auf, wenn der Basis des Transistors ein Eingangssignal zugeführt wird. Für kleine Signale ist diese Verzerrung jedoch tragbar, da kleine Abschnitte der Kennlinie näherungsweise als linear angesehen werden I können und die Verzerrungen nur klein sind. Wenn, jedoch das Eingangssignal größer wird, dann gilt diese Annäherung nicht mehr, und es treten größere Verzerrungen auf. Die Größe der vertretba- J ren Verzerrungen richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungszweck j der Schaltung, und daraus resultiert für einen bestimmten Tran- ! slstor die zulässige EingangssignalgriSße.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines geregelten Transistorverstärkers, bei welchem der zulässige Eingangsamplitudenbereich eine Grenze überschreitet, bei welcher die unerwünschten Verzerrungen auftreten würden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäS dadurch gelöst, daß zwischen der Eingangsklemme und dem ersten Transistor eine Eingangsschaltung mit regelbarer Dämpfung angeordnet ist, welche die Eingangs.signale bis zu einer bestimmten Amplitude (erster Amplituden-! bereich) dem ersten Transistor praktisch ungedämpft zuführt _a bei Überschreiten dieser Amplitude (zweiter Ämplitudenbereich) jedoch mit einer derart geregelten Dämpfung zuführt, daß die Signale am Transistor auf diese Amplitude begrenzt werden.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt % -

j Pig. 1.das Schaltbild eines nach der Erfindung aufgebauten j

geregelten Verstärkers und -' j

Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel für eine unterschiedliche Basis-Emitterspannungen V, liefernde Spannungsquelle»

Der in Pig. 1 als Beispiel eines Zwischenfrequensirerstärkers dargestellte geregelte Verstärker hat zwei Transistoren 12 und 14,j die zu einem Kaskodeverstärker 16 zusaimnengeschaltet sind, welcherj eine gute Trennung zwischen den Eingangs- und Ausgangskreisen ergibt und einen Schwingkreis 18 ansteuert..

Der Kollektor des Transistors 12 ist gleichstrommäßig mit dem Emitter des Transistors 14 verbunden, und der Kollektor des Transistors14 liegt über den Schwingkreis 18 an einer mit einer nicht dargestellten positiven Spannung verbundenen Klemme 20. Der Basis des Transistors 14 wird von einer Basis-Vorspannungsquelle eine Vorspannung von drei V, zugeführt. Diese Spannungsquelle . wird anschließend noch naher erläutert werden; die in Pig. 2 dargestellte Ausführungsform ähnelt der im US-Patent 3*366,889 vom. 30. Januar 1968 beschriebenen Spannungsquelle. ·

Das Eingangssignal des Kaskodeverstärkers 16 wird der Basis des Transistors 12 zugeführt, die über einen Vorspannungswiderstand 22 an einem Bezugspotential, etwa Masse 24, liegt. Ein Transistor 26 liegt mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in der Basiszuleitung des Transistors 12. Er dient, der Verstärkungsregelung für den Kaskodeverstärker 16 durch Dämpfung des diesem zugeführten Eingangssignals derart^ daß an den Eingang des Kaskodeverstärkers nur so große Signale gelangen, daß keine unzulässigen Verzerrungen auftreten. Der Transistor 26 hält also Signale, welche einen gewünschten Amplitudenbereich überschreiten, vom Transistor 12 fern.

Der Basis eines als Emitterfolger geschalteten Transistors 28 wird das durch den Kaskodeverstärker 16 zu verstärkende Signal zugeführt. Der Emitter des Transistors 28 ist unmittelbar mit dem Kollektor des Transistors 26 verbunden, und sein Kollektor liegt direkt an der Klemme 20. Der Transistor 28 hält von der mit seiner Basis verbundenen Schaltung Impedanzänderungen fern, welche durch den Dämpfungstransistor 26 entstehen.

Der Basis eines weiteren Transistors 30wird eine Regelspannung zugeführt? er leitet die gewünschte Hegelinformation an den Dämpfungstransistor 26 und an weitere, später erwähnte, der Verstärkungsregelung dienende Bauelemente weiter. Die Regelspannung kann in üblicher Welse in Abhängigkeit von der Signalamplitude erzeugt werden, wie es bei Rundfunk- und Fernsehempfängern üblich [ist. Der Kollektor des Transistors 30 ist mit der Basis des Transistors 28 über einen Vorspanntingswiderstand 32 verbunden. Ein Widerstand 34 verbindet ö@n Emitter des Transistors 30 mit der Basis des Dämpfungswlderstandes 26..

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Die Regelspannung wird daher der Basis des Dämpfungstransistors 26 über den Widerstand 34 vom Emitter des Transistors 30 zugeführt. Dieser Emitter ist ferner über eine Diode 38 mit der Basis eines Transistors 36 verbunden. Die Diode 38 dient der Erzeugung einer geeigneten Basis-Emitter-Vorspannung V-"für den Transistor 36 und die Diode 40. .

Der Transistor 36 bildet einen Teil der Verstärkungsregelschaltung für den Kaskodenverstärker und ist mit seinem Emitter an den Emitter des Transistors 12 angeschlossen. Der Verbindungspunkt der Emitter der Transistoren 12 und 36 liegt über die Parallelschaltung einer Diode 40 und eines Widerstandes 42 an Masse 24. Die Diode 40 ist so gepolt, daß sie im Durchlaßbetrieb eine niedrige Impedanz zwischen dem Emitter des Transistors 12 und Masse 24 darstellt. Der Kollektor des Transistors 36 ist unmittelbar an die Klemme 20 angeschlossen, die Basis dieses Transistors liegt über einen Vorspannungswiderstand 44 an Masse.

Für die maximale Verstärkung der Schaltung wird dem Kollektor des Transistors 30 eine Vorspannung von drei V. _e zugeführt. Diese Vorspannung, liegt an einer Klemme 46, die mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist. Pur maximale Verstärkung ist die Regelspannung an der Basis des Transistors 30 so groß, daß der Transistor gesättigt ist. Wenn für den richtigen Betrieb des Kaskodeverstärkers 16 der Basis des Transistors l4 eine Vorspannung von drei V, zugeführt wird, dann soll die Spannung an der Klemme 20 größer als drei V, sein. Unter diesen Bedingungen stellt sich ein Ruhezustand ein, bei dem an die Basis des Transistors 28 ein Eingangssignal und an die Basis des Transistors 30 ein Regelsignal angelegt werden kann.

Bei maximaler Verstärkung befindet sich der Transistor 30 " in der Sättigung, und seinem Emitter wird die an-die Klemme 46 gelegte Spannung von drei V_be zugeführt. Zwischen dem Emitter des Transistors 30 und Masse 24 verlaufen zwei Stromschleifen* an denen je ein Spannungsabfall von drei V_b liegt. Die eine Schleife verläuft vom Emitter des Transistors 30 Über den Widerstand 34, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 26, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 12 und die Dlod« 40> wobei wie erwähnt, ein Gesamtspannungeabfall von drei V. auftritt. "

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Natürlich ist der Basisstrom des Transistors 26 genügend klein, so daß der Spannungsabfall am Widerstand 34 vernachlässigbar ist.

Die zweite Schleife verläuft vom Emitter des Transistors 30 über die Diode 38* die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 36 und die Diode 40 nach Masse 24j auch hier beträgt der Gesamt-Spannungsabfall drei V, .

Es sei nun an Hand von Fig. 2 die Vorspannungsquelle beschrieben, welche Vielfache der Spannung V, liefert. Diese Vorr spannungsquelle eignet sich zur Verwendung bei dem Verstärker nach Pig. 1. Sie besteht aus einer Reihenschaltung von Dioden 48, 50* 52, 54 und 56, die hintereinander zwischen Masse 58 und einem Widerstand 60 liegen, dessen anderes Ende an einer positiven Spannungs quelle 62 liegt. Der Widerstand 60 begrenzt den Stron durch die Dioden und verhindert eine Überlastung. Mehrfache Ausgangsklemmen 62, 64, 66, 68 und 70 sind von den Dioden abgezweigt An der Klemme 62 steht eine Spannung von 1 V, zur Verfügung, an der Klemme 64 2· V, , an der Klemme 66 3 V, usw. Auf diese Weise stehen Vielfache der Spannung V, zur Verfügung. Jedoch kann auch eine andere Spannungsquelle, welche die erforderlichen Vorspannungen liefert, verwendet werden.

Wenn der Kaskodeverstärker 16 nach Fig. 1 auf maximale Verstärkung eingestellt ist, dann wird der Basis des Transistors 30 eine Regelspannung zugeführt, welche den Transistor 30 in die. Sättigung bringt, und einen maximalen Strom durch die Kollektor-Emitter-Streoke dieses Transistors zu den Basis-Elektroden der Transistoren 26 und 36 fließen läßt. Dadurch, wird der Dämpfungstransistor 26 gesättigt, und der Kaskodeverstärker arbeitet mit maximaler Verstärkung. Der Dämpfungstransistor 26 hat in der Sättigung nur niedrige Durchlaßverlust©, so daß das dem Eingang des Kaskodeverstärkers zugeführte Signal praktisch nicht gedämpft wird. Weiterhin ist bei Maximalverstärkung die Spannungam Emitter des Transistors 36 ausreichend hoch, um die Diode 40 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, so daß sie einen niedrigen Widerstand zwischen dem Emitter des Transistors 12 und Masse 24 darstellt. Der Kaskodeverstärker arbeitet daher mit maximaler'Verstärkung.

Zur Herabsetzung der Verstärkung wird der Basis des Transistors 30 ein Regelsignal zugeführt, welches eine Abnahme des

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Stroms durch seine Kollektor-Emitter-Strecke zur Folge hat„ Da I der Transistor 26 sich in der Sättigung befindet, wirkt sich die janfängliche Veränderung der Regelspannung durch die Basis-Emitter-j Strecken der Transistoren 30 und 36 und die Diode 38 auf die i Diode 40 aus. Diese Spannungsänderung verläuft in einer solchen ! Richtung, daß die in Durchlaßrichtung liegende Spannung an der Diode 40 sich verringert und die Diode schnell aus ihrem leitenden Zustand herausgesteuert wird. Daher vergrößert sich der Widerstand! zwischen dem Emitter des Transistors 12 und Masse 24 schnell, und ! die Verstärkung des Kaskodeverstärkers geht herunter.

Nachdem die Diode 40 sperrt, herrscht der Widerstand 42 im Emitterkreis der Transistoren ^6 und 12 vor, so daß ein Betriebszustand vermieden wird, bei dem der Kaskodeverstärker überhaupt keine Verstärkung mehr aufweist, ehe die Dämpfungsschaltung wirksam wird.

Da sich die dem Transistor 30 zugeführte Regelspannung in ■ einer Richtung verändert, durch welche die Verstärkung herabgesetzt wird, steigt bei immer noch gesättigtem Transistor 26 die Emitterimpedanz des Transistors 36 an, so daß eine weitere allmähliche Verringerung der Verstärkung des Kaskodeverstärkers 16 eintritt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Impedanz am Emitter des Transistors 36 proportional seinem Emitterstrom ist und dieser Emitterstrom durch den Widerstand 42 und die Spannung an seiner Basis bestimmt wird.

Die der Basis des Transistors 30, dem Widerstand 42, der Diode 38 und dem Transistor 36 zugeführte Regelspannung regelt somit die Verstärkung des Kaskodeverstärkers l6. Die langsamere Reduzierung der Verstärkung des Kaskodeverstärkers erlaubt, daß der Dämpfungstransistor 36 seinen Regelbereich durchläuft, ehe der Kaskodeverstärker seine Verstärkung vollständig herabgesetzt hat. ·

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß der Kaskodeverstärker seine Verstärkung anfänglich schnell herunterregelt, und zwar infolge der durch die in den Sperrzustand kommende Diode 40 vergrößerten Impedanz, und daß nachfolgend die Verstärkungsreduzierung im Zusammenhang mit der Impedanz des Transistors 36 und des

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— T —

Widerstandes 42 langsamer erfolgt. Diese langesamere Verstärkungsreduzierung tritt in Verbindung mit der durch den Transistor bestimmten Dämpfung des Eingangssignals für den Kaskodeverstärker auf. · - '

Auf diese Weise werden die Eingangssignale dem Transistor in einem ersten Amplitudenbereich praktisch dämpfungsfrei zugeführt. Wenn die über den Transistor JO angelegte Regelspannung wirksam wird, dann werden die dem Transistor 12 zugeführten Signale in gesteuerter Weise stärker gedämpft, so daß das dem Transistor 12 zugeführte maximale Signal einen gewünschten Pegel nicht überschreitet und dadurch Verzerrungen im Ausgangssignal vermieden werden.

Eine in der Praxis aufgebaute Schaltung nach Fig. 1 hatte folgende Werte:

Schwingkreis 18

Kondensator ■ 20 pP

Widerstand 1 hOhm

Spule 0,6 /uH

Widerstand 22 1,5 kOhm

Widerstand 32 2 kOhm

Widerstand 34 300 kOhm

Widerstand 42 1 kOhm

Widerstand 44 2 kOhm

Die innerhalb der gestrichelten Umrandung 47 dargestellten' Bauelemente wären in einer integrierten Schaltung enthalten, wenn der geregelte Verstärker in dieser Form aufgebaut werden soll.

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Claims (1)

1. P a t e η t a η s ρ r Uc h e

   1.) Geregelter Verstärker mit mindestens einem Transistor, einer Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme, d a d u r. c h ge kennzeichnet, daß zwischen der Eingangsklemme und dem ersten Transistor (12) eine Eingangsschaltung (2β) mit regelbarer Dämpfung angeordnet ist-, welche die Eingangs signale bis zu einer bestimmten Amplitude (erster Amplitudenbereich) dem ersten Transistor (12) praktisch ungedämpft zuführt, bei Überschreiten dieser Amplitude (zweiter Amplitudenbereich) jedoch mit einer derart geregelten Dämpfung zuführt, daß die Signale am Transistor auf diese Amplitude begrenzt werden.

   2.) Geregelter Verstärker nach Anspruch 1, g e k e η η ze i c h«jnet durch eine Koppelschaltung (JO, 40, 42) zur Kopplung der von einer Regelspannungsquelle gelieferten Regelsignale an den ersten Transistor (12) zur Stabilisierung der am Ausgang des Verstärkers auftretenden Ausgangssignalämplituden. .

   5.) Geregelter Verstärker nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeich'net, daß die Eingangsschaltung (26) eine die Eingangssignale dem ersten Transistor (12) zuführende Dämpfungsschaltung aufweist, die in einem ersten Eingangssignal-Amplitudenbereich praktisch unwirksam ist, in dem die Amplituden der an der Signalausgangsklemme entstehenden Signale hauptsächlich durch die Regelspannung bestimmt werden, und in einem den ersten "Amplituden-] bereich überschreitenden zweiten Amplitudenbereich wirksam ist, in welchem die Amplitude der an der Ausgangsklemme entstehenden Signale hauptsächlich durch die Dämpfung der Eingangssignale durch die Dämpfungsschaltung bestimmt wird.

   4.) Geregelter Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, d a du roh g e k e η η ζ e i c h η et, daß der erste Transistor (12) bei einem ersten Regelsignalpegel mit maximaler Verstärkung arbeitet, und daß die Koppelschaltung (j50, 40, 42) eine steuerbare Emitterimpedanz (40) aufweist und die Regelspannung dem Emitter des ersten Transistors (12) zuführt, wobei die Regelspannung die Ver-1 Stärkung des ersten Transistors derart verändert, daß auf eine anfängliche schnelle Verstärkungsherabsetzung des ersten Tran-

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   sistors eine langsamere VerstHrkungsherabsetzung erfolgt* nachdem die Verstärkung des ersten Transistors von ihrem ursprünglichen Zustand maximaler Verstärkung herabgesetzt ist.

   5.) Geregelter Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch g e k eη η ζ e i e h η β t , daß mit dem ersten Transistor (12) ein zweiter Transistor (j36) zusammengeschaltet ist, wobei die Eingangsschaltung (26) der Basis des ersten Transistors (12) die Eingangssignale zuführt und die Koppeisohaltung (50, 40, 42) eine spannungssteuerbare Impedanz (4o) umfaßt, welche zwischen den Verbindungspunkt der Emitter des ersten und des zweiten Transistors (12, J>6) und einen Bezugspotentialpunkt (24) geschaltet ist.

   6.) Geregeiter Verstärker nach Anspruch 5, d a d u r c h g e kennzeichnet, daß die spannungssteuerbare Impedanz (4θ) ein in einer Richtung leitendes Bauelement ist, das bei maximaler Verstärkungseinstellung des ersten Transistors in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, und daß die dem ersten Transistor (12) zugeführte Regelspanriung bei Anwachsen der der Eingangsschaltung zugeführten Signalamplitude sich so ändert, daß das in einer Richtung leitende Bauelement in Sperr-Richtung vorgespannt wird. ·

   7.) Geregelter Verstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a » durch gekennzeichnet, daß die Eingangssohai-; tung (26) einen zusätzlichen Transistor aufweist, dessen Emitter-! Kollektor-Strecke in Reihe mit der Eingangsklemme des Verstärkers L geschaltet ist und dessen Basis mit der Koppelschaltung (30, 40, ; 42) zur Dämpfung der Eingangssignale verbunden .ist. 8.) Geregelter Verstärker nach Anspruch 7» dadurch ge4 kennzeichnet, daß die Koppelschaltung (30, 40, 42) einen Transistor aufweist, dessen Basis die Regelspannung züge- j führt wird, dessen Emitter mit der Basis des zweiten Transistors j O6) und des Transistors (26) der Eingangsschaltung verbunden istj so daß diesen die Regelspannung zugeführt wird, und dessen KoI- 5 lektor mit der Eingangssignalquelle verbunden ist.

   9.) Geregelter Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem ersten

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   Transistor (12) in Kaskode geschalteten Transistor (14).

   10.)Geregelter Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge k e η η ζ ei c h ηe t , daß sämtliche Transistoren und das in einer Richtung leitende Bauelement in einer integrierten Schaltung ausgebildet sind.

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