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Mehrstufiger Verstärker mit komprimierender Verstärkungscharakteristik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verstärker mit komprimierender
VeratärkungscHar83cteristik, bei dem in Kaskade geschaltete Transistor-Verstärkerstufen
in Emitterschaltung vorhanden sind, welche unterhalb eines positiven bzw. negativen
Schwellwertes einen bestimmten Verstärkungsfaktor und oberhalb des Schwellwertes
einen reduzierten Verstärkungsfaktor aufweisen.
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Der Aufbau von Verstärkern mit komprimierender Verstärkungscharakteristik,
insbesondere logarithmischen Verstärkern, als Kaskadeschaltung mehrerer Einzelstufen
ist bekannt.
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Die Stufen sind identisch aufgebaut und weisen eine Verstärkung aus
die vom Signalpegel abhängt. Ueberschreitet das Eingangsafgnal einer Einzelstufe
den Schwellwert US, so erniedrigt sich die Verstärkung derselben auf den Wert 1.
Die Gesamtverstärkung ist bei einer Verstärkung der Einzelstufen von V 1 für kleine
Eingangssignale gleich
(V 1)fl, wobei n gleich der Stufenzahl ist.
Steigt die Eingangsspannung an, so erreicht das Eingangssignal der letzten Stufe
zuerst den Schwellwert US und der Betrag der Gesamtverstärkung reduziert sich dann
Um V 1 auf den Wert (V 1. Ein weiteres Ansteigen des Eingangssignales lässt die
Verstärkung der weiter gegen den Eingang liegenden Stufen sukzessive auf den Wert
1 absinken. Der Verlauf der Ausgangsspannung kann durch das Hintereinanderschalten
einer entsprechenden Anzahl Stufen sehr gut an den theoretischen Verlauf der logarithmischen
Kurve angenähert werden.
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Es sind verschiedene Schaltungen für die einzelnen Stufen bekannt.
Bei einer bekannten Ausführungsform besteht jede Stufe aus einem linearen Verstärker
und aus einem vor- bzw. nachgeschalteten Netzwerk Dieses Netzwerk besteht aus einem
Abschwächer, der durch einen Serie-Dioden-Begrenzer überbrückt ist. Bei Eingangssignal-Pegeln
unterhalb des Begrenzer-Schwellwertes ist der Ab schwächer durch die beiden in Serie
geschalteten Dioden überbrückt. Bei grossen Signalen sperrt in jeder Halbperiode
die eine oder andere Diode, so dass der Abschwächer wirksam wird und die Verstärkung
reduziert.
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Bei einer anderen bekannten Schaltung sind für positive bzw. negative
Amplituden wirksame Dioden-Begrenzer parallel zum Aussenwiderstand einer Traisistorverstärker
stufe geschaltet. Bei Eingangssignalen unterhalb des Schwellwertes der Begrenzer
ergibt sich ein Verstärkungsfaktor entsprechend dem Aussenwiderstand, da die Dioden
gesperrt sind. Bei grösseren Eingangssignalen arbeiten die Dioden abwechselnd während
der Dauer der Ueberschreitung des Schwellwertes in Durchlassrichtung. Dadurch wird
zum ursprünglich vorhandenen Aussenwiderstand noch ein weiterer Widerstand parallel
geschaltet, so dass der Verstärkungsfaktor auf 1 reduziert wird.
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Die bekannten Schaltungen haben den Nachteil, dass die Ausgangs- bzw.
Eingangsimpedanz stark pegelabhängig ist Diese Schwankung der Ausgangsimpedanz hat
(speziell im VHF-Gebiet) Bandbreite- bzw. Frequenzgangänderungen des Gesamtverstärkers
zur Folge. Ebenso können Filternetzwerke nicht ohne weiteres zur Kopplung zweier
Teilstufen verwendet werden, da die Ausgangs- oder Eingangsimpedanz die Filterparameter
pegelabhängig verändern würde.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Verstärker
mit komprimierender Verstärkungscharakteristik zu schaffen, der für ein breites
Frequenzgebiet verwendbar
ist und sich durch einfaches Zwischenschalten
von Bandfiltern zu einem logarithmischen Zwischenfrequenzverstärker ausbauen lässt.
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Der erfindungsgemäse Verstärker ist dadurch gekenn -zeichnet, dass
in der Emitterzuführung der Transistoren eine Parallelschaltung, bestehend aus einem
Widerstand und aus zwei in Serie liegenden, gegensinnig gepolten und von einem Vorstrom
durchflossenen Dioden,vorhanden ist, wobei die Dioden über Kondensatoren am Widerstand
angeschlossen sind.
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Der neue Verstarker hat den Vorteil, dass sich das nichtlineare Netzwerk
einer Einzelstufe im Emitterzweig des Verstärkertransistors befindet, wo die Ansteuerung
des Netzwerkes über eine sehr niederohmige Innenimpendanz erfolgt. Die ursprüngliche
Bandbreite der Verstärkerstufe wird durch diese Ankopplung des Diodennetzwerkes
nur unwesentlich beeinfluest, was grundsätzlich die Verwendung dieser Schaltung
bei höheren Frequenzen (VHF-Gebiet) ermöglicht.
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Dadurch das sich das nichtlineare Netzwerk nicht am Eingang oder Ausgang
der Einzelstufe befindet, erhXlt die Stufe weitgehende Unabhängigkeit der eine gangs-
und Ausgangsimpedanz vom Signalpegel. Diese
Eigenschaft ermöglicht
die Zwischenschaltung von Filternetzwerken (z.B. Bandfiltern) zwischen die einzelnen
Stufen, so dass der Verstärker für die logarithmische Verstärkung von Zwischenfrequenzsignalen
verwendbar ist.
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Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines logarithmischen Verstärkers
als Zwischenfrequenz-Verstärker.
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Fig. 2 zeigt die Verstärkungscharakteristik einer Verstärker-Stufe.
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In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem Jeder Verstärkerstufe
ein Emitterfolger vorgeschaltet ist.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung stellt nur einen Teil
des gesamten Verstärkers dar. Dieser ist aus einer Mehrzahl gleicher Verstärkerstufen
0 und dazwischengeschalteten Bgndfiltern 21 aufgebaut,
Die Verstärkerstufe
0 enthält einen Transistor 1 in Emitterschaltung. Die Basis desselben stellt den
Eingang E der Stufe dar. Der Kollektor liegt über einem Widerstand R 9 an Erde <+
Pol der Speisespannung).
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In der Zuführungsleitung der Speisespannung - UB zum Emitter des Transistors
1 ist eine Parallelschaltung, bestehend aus einem Widerstand R 2 und aus zwei in
Serie liegenden, gegensinnig gepolten Dioden 3, 4 vorhanden, welche von einem Vorstrom
I 3, I 4 durchflossen werden. Die Dioden 3, 4 sind über Kondensatoren 5, 6 am Widerstand
R 2 angeschlossen. Der Vorstrom 1 3 bzw. I 4 durch die Diode 3 bzw. 4 wird mittels
einer zu dieser parallelgeschalteten Stromquelle 7 bzw. 8 erzeugt. Der Ausgang A
der Verstärkerstute 0 ist am Kollektor des Transistors 1 angeschlossen und führt
zur Primärseite eines Bandfilters 21. Die Sekundärseite dieses Bandfilters 21 ist
am Eingang E der folgenden Verstärkerstufe 0 angeschlossen.
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Im Diagramm Fig. 2 ist die Verstärkungscharakteristik einer Verstärkerstufe
0 dargestellt. Die positive Ausgangsspannung UA ist bei einem negativen Eingangs
-signal UE und die negative Ausgangsspannung -UA ist bei einem positiven Eingangsignal
-UE vorhanden.
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Unterhalb des Eingangsschwellwertes US ist t ein Verstärkungsfaktor
V 1> 1 wirksam, Oberhalb des Schwellwertes US ist ein Verstärkungsfaktor V 2
= 1 wirksam.
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Die Schaltungsanordnung in Fig. 3 ist nach dem Prinzip gemäss Fig.
1 aufgebaut. Bauteile mit gleichen Funktionen sind gleich wie in Fig. 1 bezeichnet,
Zur Einspeisung der Vorstrom I 3, I 4 führt vom Verbindungspunkt der beiden Dioden
3, 4 ein hochohmiger Widerstand R 18 zum einen Pol -UB einer Spannungsquelle. Die
beiden anderen Anschlüsse der Dioden 3, 4 sind über Je einen Widerstand R 10, R
11 an Erde (+ Pol der Speisespannung) angeschlossen, In der Emitterzuführung ist
zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors 1 ein weiterer Widerstand R 19
eingefügt. Dieser ist mittels eines Kondensators 21 gegen Erde abgeblockt. Dem Transistor
t ist ein Emitterfolger 12 vorgeschaltet. Der Kollektor des Emitterfolgers 12 liegt
an Erde. Der Emitter ist über einen Widerstand R 14 an die Speisespannung -UB gelegt.
Die Basis ist am Abgriff eines Spannungsteilers R 15, R 16 angeschlossen, der zwischen
der Spannungsquelle -UB und Erde liegt. Der Ausgang A der Stufe ist über einen Kondensator
17 am Kollektor des Trar4 sitors 1 angeschlossen und führt zum nachfolgenden Bandfilter
21.
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Die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 bzw. Fig. 3 funktioniert nun
folgendermassen: Die beiden Ströme I 3 und 1 4 sorgen dafür,' dass die Dioden für
kleine Eingangs spannungen dauernd leitend sind. Die beiden Dioden 3,4 weisen dann
den für kleine Wechselspannungssignale gültigen differentiellen Widerstand rd auf.
Parallel zum Widerstand R2 liegt also ein Widerstand vom Betrag 2.rd. Die Verstärkung
der Stufe weist dann angenähert den Wert R 9 V 1 = R2 || 2rd auf.
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Sobald nun aber ein grösseres Eingangs Signal vorhanden ist, kann
derjenige Anteil des Emitterstromes J 1, der über die beiden Dioden 3, 4 fliesst
in seinem Spitzenwert den Vorstrom I 3 bzw. I 4 übersteigen. Je nachdem, ob momentan
eine positive oder negative Helbwelle des Wechselstromsignals wirksam ist, wird
die eine oder andere Diode 3 bzw. 4 gesperrt. Die Parallelschaltung der Dioden 3,
4 fällt damit weg. Es ergibt sich in diesem Falle ein# Verstärkungsfaktor von Rl
v 2 = R 2
Durch geeignete Dimensionierung der Bauelemente wird
der'gewünschte Wert des Verstärkungsfaktors V 1 bzw. des Verstärkungsfaktors V 2
= 1 eingestellt.