DE2058956C3 - Schaltung zur Temperaturstabilisierung des Gleichstromarbeitspunktes einer Hochfrequenz-Transistor-Leistungsverstärkerstufe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Temperat'jrslabilisie;ung d-:i Gleichstromarbeitspunktcs einer Hochfrcquenz-Transistor-Leistungsverstärkcrstufe in Emitiersch» ung, insbesondere zur Verwendung im UHF-Bereich, mit einem in den Kollektorkreis geschalteten Gleichstromwiderstand, der einerseits an das Betriebsspannungspoiential und andererseits an einen zum Basiskreis führenden Gegenkopplungszweig mit einer Reihenschaltung einer in Sperrichtung betriebenen Zenerdiode und einem Gleichstromwiderstand angeschlossen ist.

Eine derartige Schaltung ist aus Transistor Circuit Design. McGraw-Hill Book Company. Copyright !963 der Texas Instruments Inc.. S. 266. 267 bekannt. Die dort in Fig. 19. 18 gezeigte Schaltung enthält in ihrem Gegenkopplungszweig zwar auch die Reihenschaltung aus einer in Sperrichtung betriebenen Diode und einem Gleichstromwiderstand. Aber dieser Zweig bewirkt sowohl eine gleichstrom- als auch eine weehselstrommäßige Gegenkopplung. Dadurch, daß auch ein Wechselsiromanteil auf die Basis des Transistors rückgekoppelt wird, wird die Leistungsverstärkung der Verstärkerstufe vermindert. Außerdem ist diese Verstärkerschaltung nur für den Kleinsignalbetrieb ausgelegt.

Eine bekannte Schaltung zur Temperaturstabilisierung des Arbeitspunktes ist in dem von K. Kretzer herausgegebenen »Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker«. IV. Band, 1957. Seite 121, Abb. 83 angegeben. Diese Schaltung verwendet einen meist kapazitiv überbrückten ohmschen Widerstand im Emitterzweig des Transistors der Verstärkerstufe. Dies hat den Nachteil, daß der EmitteranschluD nicht auf kürzestem Wege geerdet werden kann. Dies ist aber bei breitbandigen UHF-Leistungs-Verstärkern, z. B. bei den Endverstärkern in Richtfunksystemen, besonders wichtig, da hier selbst kleinste Impedanzen in der Emitterzuleitung eine Rückkopplung hervorrufen, die die Verstärkung beeinträchtigt oder zur Selbsterregung führen kann. Bei vielen UHF-Leistungstransistoren ist daher der Emitteranschluß ι direkt mit dem Gehäuse verbunden.

Eine weitere bekannte, einfache Schaltung zur Temperaturstabilisierung des Arbeitspunktes ist in dem genannten Handbuch auf Seite 123 in Abb. 86 dargestellt. Sie verwendet eine Gfeichsin mgegen-

n) kopplung über einen zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors eingeschalteten ohmschen Widerstand. Diese Schaltung hat den Nachteil, daß neben der Gleichstromgegenkopplung auch eine Wechselstromgegenkopplung '. orhanden ist, die die Leistungs-

ΙΊ verstärkung der Stufe herabsetzt. Außerdem können im allgemeinen der Gegenkopplungswiderstand nicht so klein und der Kollektorwiderstand nicht so groß gewählt werden, daß sich eine genügend große Gegenkopplung und damit Stabilität ergibt.

2u Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochfrequenz-Transistor-Leistungsverstärkerstufe anzugeben, die mit stabilisiertem Arbeitspunkt sowohl im A- als auch im C-Betrieb betrieben werden kann. Dabei soll der Obergang von einer Betriebsart

2~> zur anderen kontinuierlich vollzogen werden können, ohne Schaltungsänderungen vornehmen zu müssen, und gleichzeitig ώζ Verstärkung keine Beeinträchtigung durch die Arbeitspunktstabilisierung erfahren. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das mit dem

μ Gegenkopplungszweig verbundene Ende des Gleichstromwiderstandes an eine an den Kollektor des Transistors führende Drossel und an einen an Masse gelegten Kondensator angeschlossen ist, daß der Gleichstromwiderstand von einer Begrenzerdiode

J> überbrückt ist und daß im Gegenkopplungszweig die Reihenschaltung aus Zenerdiode und Gleichstromwiderstand sowohl über eine Drossel an die Basis des Transistors als auch über einen Gleichstromwiderstand mit einem Überbrückungskond»?nsator an Masse geschaltet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Hochfrequenz-Transistor-Leistungsverstärkerstufe nach der Erfindung ist in der Figur in stark schematisierter Form dargestellt und im folgenden beschrieben.

Die Basis des in Emitterschaltung betriebenen Transistors 1 der Leistungsverstärkerstufe wird über einen Koppelkondensator 2 mit der zu verstärkenden Hochfrequenzspannung angesteuert Der Kollektor des Transistors ist mit dem einen Anschluß einer Drossel 3

X) und einem Koppelkondensator 4 verbunden. Der andere Anschluß der Drossel ist über einen Kondensator 5 mit Erde, Ober einen ohmschen Kollektorwiderstand 6, der von einer in Durchlaßrichtung betriebenen Begrenzerdiode 7 überbrückt ist. mit dem Pluspol der

V) Betriebsspannungsqueüe + Uo und über die Reihenschaltung einer in Sperrichtung betrieben Zenerdiode 8, eines ohmschen Widerstandes 9 und einer Drossel IO mit der Basis des Transistors verbunden. Der Verbindungspunkt des Widerstandes 9 und der Drossel 10 ist

bo über einen ohmschen Widerstand Il mit Überbrükkungskondensätöf 12 mit Erde verbunden. Die Kondensatoren und Drosseln dienen zur Trennung der Hochfrequenz- und Gleichstromkreise. Die verstärkte, an der Drossel 3 abfallende Hochfrequenzspannung

() > wird über den Kondensator 4 ausgekoppelt In der Praxis lieger· am Eingang und Ausgang der Schaltung noch Anpassungsnetzwerke, die hier aber nicht gezeichnet sind, weil sie zum Verständnis der Erfindung

nicht unbedingt erforderlich sind.

Bei kleiner oder fehlender Aussteuerung des Transistors 1 setzt sich der Koüektorgleiolistrom Ic aus zwei Anteilen zusammen, dem Kollektorreststrom la, dsr bei leerlaufender Basis fließt, und dem verstärkten Basistrom B ■ /_flffl=Gleichstromverstäikung ties Transistors !}. also

(I)

Solange der Spannungsabfall am Widerstand 6 kleiner isf als die Schweilspannung der Diode 7, gilt für den Kollektorgleichstrom die Beziehung

₁ + R,

R, +
mit folgenden Größen:

R₁ + R ₁. B

(2)

Uo	Betriebsspannung des Verstärkers,
U2	Zenerspannung der Diode 8,
Ueb	Emitter-Basis-Spannung des Transistors 1,
Ä.	Widerstand^
Rz	Widerstandll,
	Widerstand 6,
/co	Kollektorreststrom,
B	Gleichstromverstärkung.

In der Beziehung (2) sind vor allem die Größen Ueb und /co stark von der Temperatur abhängig, /co steigt exponentiell mit zunehmender Sperrschichtternperatur, und Ueb sinkt nahezu linear mit zunehmender Sperr-Schichttemperatur des Transistors 1. Wegen der exponentiellen Abhängigkeit des Basistromes Ib von der Emitter-Basis-Spannung Ueb steigt auch h und damit l_c exponentiell mit zunehmender Temperatur an.

Durch partielle Differentiation der Gleichung (2) läßt sich die Änderung des Kollektorstroms berechnen. Sie beträgt

/f= -ß

R₁ + R_r

+ I

l/r

1 +B

R₁

\ f B

R,

R₁ + R,
(3)

Um in dieser Gleichung beide Summanden klein zu halten, muß vor allem /?i khin gegen R, sein, damit Änderungen von Ueb und /co nur kleine Änderungen

von Ic bewirken. Die Größe von R\ wird aber von dein Spannungsanfall an R_v und dem Quersuon? άυτάκ den Spannungsteiler aus R\ und R^ bestürmt Der Spannung-.ah^fiill an R\ (Widerstand 9) kann klein gehalten werden durch eine große Zenerspannung der Diode 8. L'T>r positive Temperaturkoeffizient dieser Diode bewirkt bei hohen Umgebungstemperaturen eine Verminderung von Ueb und damit eine zusätzliche Stabilisierung.

In einer Reihe von praktischen Ausführungsbeispielen der eriindungsgemäßen Schaltung betrug der Anteil des Kollektorreststroms /co rund 10% des gesamten Kollektorgleichstroms. Bei Erwärmung des Transistors 1 von 25° C auf 15O⁰C Sperrschichttemperatur erhöhte sich der gesamte Kollektorstrom nur um 20%. Wurde die Schaltung aber ohne die Diode 8 und mit entsprechend größerem Widerstand 9 ( = R_x) aufgebaut, so erhöhte sich der gesamte Kollektorstrom Ic bei derselben Erwärmung des Transistors auf das Fünf- bis Zehnfache seines Wertes bei 25° C.

Bei Aussteuerung des Transistor:.. 1 mit großer HF-Leistung steigt der Kollektorstrom [^ und damit auch der Spannungsanfall am Widerstand 6. Die Diode 7 begrenzt diesen Spannungsabfall, so daß der Widerstand 6 relativ groß gegenüber dem Widerstand 9 gewählt und trotzdem der Transistor mit seiner maximal zulässigen Spannung betrieben werden und maximale Leistung abgeben kann.

Bei großer hochfrequenzmäßiger Ansteuerung des Transistors 1 wird außerdem durch Gleichrichtung des Eingangssignals der Kondensator 12 aufgeladen und damit der Arbeitspunkt zum C-Betrieb verschoben. Die Kombination aus dem Kondensator 12 und den Widerständen 11 und 9 bestimmen die Größe der Verschiebung. Ihre Werte werden am besten experimentell bestimmt, so daß die Verstärkung des Transistors 1 über einen weiten Dynamikbereich der Steuerleistung möglichst konstant bleibt Der Kollektorstrom des Transistors im C-Betrieb hängt jetzt überwiegend von der Ansteuerung ab, Änderungen von Ueb und /co ändern den Kollektorstrom nur so geringfügig, daß eine besondere Stabilisierung unnötig wird.

Die erfindungsgemäSe Schaltung wurde ?.x\ einer Reihe von breitbandigen Verstärkern für den Frequenzbereich 225 ... 400 MHz erprobt Bei Eingangsleislungen von 1 mW bis 2 W betrug die Verstärkung 7,8 bis 8,8 dB, erst bei höherer Eingangsleistung bis 4 W verringerte sich die Verstärkung auf 6 dB. Hier wurde die Sättigungsleistung von 16 W erreicht.

Die Erfindung ermöglicht einen Aufbau der besprochenen Schaltung aus nur wenigen, billigen Bauelementen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltung zur Temperaturstabilisierung des Gleichstromarbeitspunktes einer Hochfrequenz-Transistor-Leistungsverstärkerstufe in Emitterschaltung, insbesondere zur Verwendung im UHF-Bereich, mit einem in den Kollektorkreis geschalteten Gleichstromwiderstand, der einerseits an das Eti.iebsspannungspotential und andererseits an einen zum Basiskreis führenden Gegenkopplungszweig mit einer Reihenschaltung einer in Sperrrichtung betriebenen Zenerdäode und einem Gleichstromwiderstand angeschlossen ist dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Gegenkopplungszweig verbundene Ende des Gleichstromwidersi.andes (6) an eine an den Kollektor des Transistors (1) fuhicuJc Prossel (3) und an einen an Masse gelegten Kondensator (5) angeschlossen ist, daß der Gleichstromwiderstand (6) von einer Begrenzerdiode (7) überbrückt ist und daß im Gegenkopplungszweig die Reihenschaltung aus Zenerdiode (8) und Gleichstromwiderstand (9) sowohl über eine Drossel (10) an die Basis des Transistors (1) als auch über einen Gleichstromwiderstand (II) mit einem Überbrückungskondensator (12) aw Masse geschaltet ist