DE2213484B2 - Hochfrequenter Breitbandverstärker - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hochfrequenten Breitbandverstärker mit einer Lastkapazität am Ausgang und mit zwei in Kaskade geschalteten, miteinander gleichstromgekoppelten Transistoren, wobei der Ausgang der Transistorkaskade auf deren Eingang gegengekoppelt ist und die Kaskade einen Signalweg für tiefe Frequenzen zwischen Verstärkereingang und -ausgang aufweist.

Ein derartiger Verstärker eignet sich speziell zur Verwendung in Kathodenstrahl-Oszillographen entweder als Horizontal-Ablenkverstärker, welcher an die Horizontal-Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre des Oszillographen angeschaltet ist, oder als Vorlaufverstärker, welcher das Steuergitter der Kathodenstrahlröhre speist. Generell kann mit einem derartigen Verstärker jedoch jede Art von kapazitiver Last betrieben werden.

Bekannte Horizontal-Ablenkverstärker, wie sie beispielsweise aus »Electronic Applications Components and Materials«, Vol. 29, Nr. 3, 1969, Seiten 77 bis 91 bekanntgeworden sind, besitzen einen einzigen Signalweg zwischen ihrem Eingang und Ausgang, der durch einen Nebenschluß-Rückkoppelverstärker gebildet wird. Aus diesem Grunde besitzt ein derartiger bekannter Verstärker keine gute Hochfrequenzcharakteristik, was sich aus großen Verzögerungszeiten in der Rückkoppelschleife ergibt. Ein die kapazitive Last speisender Ausgangstransistor muß in einem solchen Verstärker hohe Spannungen und hohe Ströme aushalten, was zu einer großen Kollektorkapazität führt, welche die Hochfrequenzcharakteristik des Transistors begrenzt. Darüber hinaus begrenzt die Lastkapazität und eine über einem Rückkoppelwiderstand des Nebenschluß-Rückkoppelverstärkers liegende Kompensationskapazität die Frequenzcharakteristik derartiger bekannter Verstärkerschaltungen ebenfalls.

Aus der US-PS 29 35 695 sind auch bereits mehrkanalige Breitbandverstärker bekanntgeworden, wobei eine Aufteilung eines zu verstärkenden Signals in einen höherfrequenten und einen niederfrequenten Anteil mit separater Verstärkung in getrennten Kanälen erfolgt. Ein solcher mehrkanaliger breitbandiger Verstärker ist insbesondere für die Verstärkung von Fernsehsignalen in Kanälen unterschiedlicher Frequenzlage vorgesehen. Diese Kanäle unterschiedlicher Frequenzlage sind bei Fernsehsignalen jedoch durch große Frequenzbänder voneinander getrennt, so daß auch die Kanäle des Breitbandverstärkers entsprechend weit auseinanderliegen.

Insbesondere für Horizontal-Ablenkverstärker der oben erläuterten Art ist es jedoch erforderlich, daß ein kominuierlicher Verlauf der Verstärkung in einem Frequenzband zwischen einer unteren und einer oberen Frequenzgrenze vorhanden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Breitbandverstärker zur Speisung einer kapazitiven Last mit einem kontinuierlichen Verlauf der Verstärkung in einem Frequenzband von der unteren bis zur oberen Frequenzgrenze anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem hochfrequenten Breitband verstärker der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Eingang und Ausgang ein Signalweg für hohe Frequenzen mit im Vergleich zum Signalweg für tiefe Frequenzen hochfrequenter Charakteristik und mit wenigstens einem vom Signalweg für tiefe Frequenzen getrennten Teil vorgesehen ist, daß der Signalweg für hohe Frequenzen

ίο und der Signalweg für tiefe Frequenzen die gleiche Verstärkung besitzen und daß die untere Grenzfrequenz des Signalweges für hohe Frequenzen unterhalb der oberen Grenzfrequenz des Signalweges für tiefe Frequenzen liegt.

Beim erfindungsgemäßen Verstärker ergeben sich keine Frequenzanpassungsprobleme für die beiden Signalwege, da der Signalweg für hohe Frequenzen lediglich so lange arbeitet, bis der Signalweg für tiefe Frequenzen die Verstärkung übernimmt. Für Signale mit kurzer Anstiegszeit wird daher die die Ausgangslast bildende Kapazität anfänglich sehr schnell durch den über den Signalweg für hohe Frequenzen fließenden Signalanteil aufgeladen, wobei die Ladespannung durch den über den Signalweg für tiefe Frequenzen fließenden

2ϊ Signalanteil genau aufrechterhalten wird.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bekannten Verstärkers sowie von Ausführungsbeispie-

n> len gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines bekannten Verstärkers;
Fig.2 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Breitbandverstärkers gemäß der Erfindung; und

J5 F i g. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Breitbandverstärkers gemäß der Erfindung.

Wie Fig. 1 zeigt, besitzen bekannte Horizontal-Ablenkverstärker zur Speisung der Horizontal-Ablenkplatten eines Kathodenstrahl-Oszillographen einen einzigen Signalweg zwischen Eingang und Ausgang, welcher durch einen Nebenschluß-Rückkoppelverstärker gebildet wird. Der Nebenschluß-Rückkoppelverstärker enthält einen Eingangskoppelwiderstand 10, welcher zwischen einen Eingang 12 und den Eingang einer ersten Verstärkerslufe 14 geschaltet ist. Der Ausgang der Verstärkerstufe 14 ist an die Basis eines ersten npn-Transistors 16 angeschaltet, der als Emitterstufe mit geerdetem Emitter geschaltet ist. Der Kollektor des Transistors 16 ist an einen zweiten in Basisschaltung betriebenen npn-Transistor 18 angeschaltet, wobei die Basis dieses Transistors 18 an einer Quelle positiver Gleichspannung liegt. Der Kollektor des Transistors 18 ist an einen Ausgang 20 angekoppelt, an dem eine Lastkapazität. 22 liegt, welche durch den Transistor 18 als Ausgangstransistor gespeist wird. Die Lastkapazität ist gestrichelt eingezeichnet, da sie durch die Kapazität der Horizontal-Ablenkplatten und nicht durch ein reales Kondensator-Bauelement gebildet wird. Ein Nebenschluß-Rückkoppelwiderstand 24 ist zwischen den Ausgang 20 und den Eingang der ersten Verstärkerstufe 14 geschaltet. Dieser Rückkoppelwiderstand bildet eine Spannungsgegenkopplung, da der Transistor 16 einen spanr.ungsinvertierenden Verstärker darstellt, so daß sein Ausgangssignal im Vergleich zu seinem Eingangssignal invertiert ist. Der bekannte Verstärker nach Fig. 1 bildet daher einen Operationsverstärker, dessen Verstärkung durch das Verhältnis des Rückkoppelwiderstandes 24 zum Ein-

gangskoppelwiderstand 10 gebildet wird. Zwischen eine Quelle positiver Gleichspannung und den Kollektor des Transistors 18 ist eine einen Gleichstrom I\ liefernde Gleichstromquelle 25 eingeschaltet, welche den Betriebsstrom für die Transistoren 16 und 18 liefert.

Der Nebenschluß-Rückkoppel-Operationsverstärker nach Fig. 1 besitzt eine extrem gute Charakteristik für niederfrequente Signale bis herunter zur Frequenz Null. Jedoch ist die Hochfrequenzcharakteristik dieses Verstärkers nicht gut, da sich in einer Rückkoppelschleife, welche eine Kompensationskapazität 26 enthält, Zeitverzögerungen ergeben. Die Kompensationskapazität 26 liegt dabei parallel zum Rückkoppelwiderstand 24, um die Stabilität und die Eigenschaften bei stufenförmigen Signalen zu verbessern. Damit am Ausgang 20 ein Ausgangssignal mit großer Spannungsamplitude abnehmbar ist, muß der Ausgangstransistor 18 gute Hochspannungs- und Hochstromeigenschaften haben, was zwangsläufig dazu führt, daß sein Kollektorpn-Übergang eine große Kapazität besitzt, d. h., ein derartiger Transistor kann keine guten Hochfrequenzeigenschaften besitzen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verstärker nach Fig. 2 werden die Nachteile eines bekannten Verstärkers nach Fig. 1 dadurch vermieden, daß parallel zu wenigstens einem Teil des Signalweges für tiefe Frequenzen, welcher durch einen Nebenschluß-Rückkoppel-Operationsverstärker 10, 16, 18 und 24 gebildet wird, ein getrennter Signalweg für hohe Frequenzen vorgesehen wird. Dieser Hochfrequenzweg wird durch einen Serien-Rückkoppelverstärker gebildet, der durch einen in Emitterschaltung betriebenen npn-Transistor 28 mit einer Serien-Rückkoppelkapazität 30 von etwa 70 picofarad zwischen dessen Emitter und Masse gebildet wird. Der Emitter des Transistors 28 liegt weiterhin über einen Widerstand 32 von 22 kiloohm an einer Quelle einer negativen Gleichspannung von —50 Volt, wodurch über den Widerstand 32 ein Speisegleichstrom /3 fließt. Die Basis des Transistors 28 ist an den Eingang 12 angeschaltet, während sein Kollektor an einem Verbindungspunkt 34 des Emitters des Ausgangstransistors 18 und des Kollektors des Transistors 16 liegt. Der Signalweg für hohe Frequenzen und der Signalweg für tiefe Frequenzen besitzen einen gemeinsamen Teil, der durch den Ausgangstransistor 18 zwischen dem Verbindungspunkt 34 und dem Ausgang 20 gebildet wird. Eine weitere einen Gleichstrom I₂ liefernde Quelle am Kollektor des Transistors 28 wird durch einen Widerstand 36 von 1,5 kiloohm und eine Quelle einer positiven Gleichspannung von +15 Volt gebildet. Da die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 zum Teil mit der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 übereinstimmt, sind in beiden Figuren sich entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Spannungsverstärkung des Serien-Rückkoppelverstärkers im Signalweg für hohe Frequenzen wird durch das Verhältnis der Serien-Rückkoppelkapazität 30 und der Lastkapazität 22 gebildet. Diese Verstärkung wird gleich der Verstärkung des Nebenschluß-Rückkoppel-Operationsverstärkers im Signalweg für tiefe Frequenzen gemacht. Der Wert der Ausgangs-Lastkapazität 22 bestimmt die untere Frequenzgren/.e des Signalweges für hohe Frequenzen, welche unterhalb der oberen f-'requenzgrenze des Signalweges für tiefe Frequenzen liegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Signalweg für tiefe Frequenzen eine Frequenzcharakteristik von der Frequenz Null bis etwa 30 MlIz. während die Frequenzcharakteristik des Signalweges für hohe Frequenzen in einem Bereich von etwa IMHz bis 200MHz liegt. Daher besitzt der Verstärker eine minimale Anstiegszeit von 1,5 Manosekunden für kleine Signale, welche einer Frequenz von 200 MHz äquivalent ist. Die Größen des Eingangs-Koppelwiderstandes 10 und des Rückkoppelwiderstandes 24 sind 4,99 kiloohm bzw. 49,9 kiloohm, so daß die Verstärkung des Nebenschluß-Rückkoppel-Operationsverstarkers im Signal weg für tiefe Frequenzen gleich 10 ist. Da das Verhältnis der Serien-Rückkoppelkapazilät 30 und der Lastkapazität 20 ebenfalls 10 sein muß, folgt daraus für eine Rückkoppelkapazität von 70 picofarad eine Lastkapazität 22 von etwa 7 picofarad. Die Serien-Rückkoppelkapazität 30 kann als variable Kapazität ausgebildet sein, um die Verstärkungen der beiden Signalwege leichter aneinander anpassen zu können.

In der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 kann die an den Kollektor des Ausgangstransistors 18 angeschaltete Stromquelle 25 durch einen pnp-Transistor 38 gebildet werden, welcher in Basisschaltung betrieben ist. Die Basis dieses Transistors liegt dabei an einer Quelle einer positiven Gleichspannung von +90 Volt, während sein Emitter über einen Widerstand 40 an einer Quelle positiver Gleichspannung von +130 Volt liegt. Damit wird es möglich, daß der Verstärker an seinem Ausgang ein negatives Ablenksignal mit einer Amplitude bis zu 80 Volt und einer Anstiegszeit von etwa 3 Nanosekunden liefert, das auf eine Horizontal-Ablenkplatte eines Oszillographen gegeben werden kann. Die Kleinsignal-Hochfrequenzcharakteristik des Verstärkers beträgt etwa 200 MHz für eine Anstiegszeit von 1,5 Nanosekunden, so daß der Verstärker eine Bandbreite von der Frequenz Null bis etwa 200 MHz besitzt. Zur Speisung zweier Horizontal-Ablenkplatten dient ein Gegentaktverstärker, der durch zwei Verstärker nach Fig. 2 gebildet werden kann, die über die Kapazität 30 gekoppelt sind. Der das positive Ablenksignal liefernde Verstärker kann jedoch zur Erzeugung vollständig getrennter Signalwege im Sinne der Schaltung nach F i g. 3 modifiziert werden.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstärkers kann als Vorlaufverstärker in einem Kathodenstrahl-Oszillographen zur Speisung des Steuergitters der Kathodenstrahlröhre verwendet werden. Diese Schaltung unterscheidet sich von der nach F i g. 2 dadurch, daß der Serien-Rückkoppel-Verstärkertransistor 28' ein pnp-Transistor ist dessen Emitter an einer Quelle positiver Gleichspannung von +15 Volt liegt, wodurch eine einen Speise-Gleichstrom /j liefernde Quelle 42 gebildet wird Der Kollektor des Transistors 28' ist über eine Gleichstrom-Trennkapazität 44 mit dem Emitter des Transistors 38 und nicht mit dem Emitter des Ausgangstransistors 18 verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist der Signalweg für hohe Frequenzen übet die Transistoren 28' und 38 vollständig vom parallel liegenden Signalweg für tiefe Frequenzen über die Transistoren 16 und 18 getrennt. Eine derartige Schaltungsvariante besitzt den Vorteil, daß positive unc negative Signale mit kleiner Anstiegszeit verstärki werden können.

Positive und diesen entsprechende negative Signale tendieren dazu, die npn-Transistoren 28 und 18 nach Fig. 2 zu sperren, wodurch die Ansprechgcschwindig keil begrenzt wird. Dieses Problem wird bei dci Schaltungsanordnung nach Fig. 3 dadurch vermieden daß der Transistor 28 durch einen pnp-Transistor 28

ersetzt wird und daß der Kollektor des Transistors 28' an den Emitter des Transistors 38 angeschaltet wird, welcher ebenfalls ein pnp-Transistor ist und damit durch positive Signale nicht gesperrt wird.

Der Kollektor des Transistors 28' liegt an einer einen Speise-Gleichstrom h liefernden Stromquelle, welche durch einen Widerstand 46 von 510 Ohm und einer eine negative Gleichspannung von —15 Volt liefernden Quelle gebildet wird. Durch einen Widerstand 48 von 9,9 kiloohm und einer Quelle für eine positive Gleichspannung von +130 Volt am Kollektor des Transistors 18

wird eine weitere einen Strom /4 liefernde Gleichst quelle gebildet. Diese Gleichstromquelle ist jedoch unbedingt wesentlich.

Im Rahmen der Erfindung können die vorste beschriebenen Ausführungsbeispiele natürlich in schiedenartiger Weise modifiziert werden. Als Bei dazu sei lediglich genannt, daß die Stromquellen füi Strom /2 in der Schaltung nach F i g. 2 und den Str< in der Schaltung nach F i g. 3 weggelassen we können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

1 Patentansprüche:

1. Hochfrequenter Breitbandverstärker mit einer Lastkapazität am Ausgang und mit zwei in Kaskade geschalteten, miteinander gleichstromgekoppelten Transistoren, wobei der Ausgang der Transistorkaskade auf deren Eingang gegengekoppelt ist und die Kaskade einen Signalweg für tiefe Frequenzen zwischen Verstärkereingang und -ausgang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Eingang (12) und Ausgang (20) ein Signalweg für hohe Frequenzen (28, 18; 28'; 38) mit im Vergleich zum Signalweg für tiefe Frequenzen (16, IS, 24, 26) hochfrequenter Charakteristik und mit wenigstens einem vom Signalweg für tiefe Frequenzen getrennten Teil (28; 28') vorgesehen ist, daß der Signalweg für hohe Frequenzen und der Signalweg für tiefe Frequenzen die gleiche Verstärkung besitzen und daß die untere Grenzfrequenz des Signalweges für hohe Frequenzen unterhalb der oberen Grenzfrequenzen des Signalweges für tiefe Frequenzen liegt.

2. Breitbandverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalweg für tiefe Frequenzen einen Gegenkopplungsverstärker (16, 18, 24, 26) mit einer Nebenschluß-Rückkoppelimpedanz (24, 26) zwischen Eingang (12) und Ausgang (20) aufweist und daß der Signalweg für hohe Frequenzen einen Gegenkopplungsverstärker (28, 30) mit einer Serien-Rückkoppelimpedanz (30) aufweist.

3. Breitbandverstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungsverstärker (16, 18, 24, 26) des; Signalweges für tiefe Frequenzen einen als Phasenumkehrverstärker geschalteten Eingangsverstärker (16), dessen Eingang an den Verstärkereingang (12) angekoppelt ist, und einen als nichtinvertierenden Spannungsverstärker und in Kaskade zum Eingangsverstärker geschalteten Ausgangsverstärker (18), dessen Ausgang an den Verstärkerausgang (20) angekoppelt ist, aufweist.

4. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungsverstärker (28, 30) des Signalweges für hohe Frequenzen einen als Phaseninverter geschalteten Verstärker (28; 28') aufweist.

5. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsverstärker (18) des Gegenkopplungsverstärkers des Signalweges für tiefe Frequenzen einen in Basisschaltung betriebenen Transistor (18) aufweist und daß der Eingangsverstärker (16) des Gegenkopplungsverstärkers des Signalwiges für tiefe Frequenzen einen in Emitterschaltung betriebenen Transistor enthält, dessen Kollektor an den Emitter des Vt Transistors des Ausgangsverstärkers (18) angeschaltet ist.

6. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungsverstärker (16, 18,24, 26) des Signalweges w> für tiefe Frequenzen als gleichspannungsgekoppelter Operationsverstärker geschaltet ist, bei dem ein Kopplungswiderstand (10) zwischen der Basis des Eingangstransistors (16) und dem Verstärkereingang (12) liegt und daß die Nebenschluß-Rückkoppelim- ·>■> pedanz ein Rückkoppelwiderstand (24) ist, der zwischen den Kollektor des Ausgangstransistors (18) und die Basis des Eingangstransistors (16) geschaltet ist.

7. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (28; 28') des Signalweges für hohe Frequenzen durch einen in Emitterschaltung betriebenen Transistor gebildet ist, dessen Basis an den Verstärkereingang (12) angeschaltet ist, und daß die Serien-Rückkoppelimpedanz in Form einer Rückkoppelkapazität (30) an den Emitter des Transistors (28; 28') angeschaltet ist.

8. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Rückkoppelkapazität (30) und der Lastkapazität (22) gleich dem Verhältnis des Rückkoppelwiderstandes (24) und des Koppelwiderstandes (10) ist.

9. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des den Verstärker (28) des Signalweges für hohe Frequenzen bildenden Transistors an einen Verbindungspunkt des Kollektors des Eingangstransistors (16) und des Emitters des Ausgangstransistors (18) des Gegenkopplungsverstärkers des Signalweges für tiefe Frequenzen angeschaltet ist, wobei der Ausgangstransistor (18) den Signalwegen für tiefe und hohe Frequenzen gemeinsam ist.

10. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine an den Kollektor des Ausgangstransistors (18) angeschaltete erste Stromquelle (40), eine zweite, an den Verbindungspuiiikt (34) des Eingangstransistors (16) und des Ausgangstransistors (18) angeschaltete Stromquelle (36) und durch eine dritte, an den Emitter des Transistors (28) des Signalweges für hohe Frequenzen angeschaltete Stromquelle (32).

11. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Eingang (12) und Ausgang (20) ein Signalweg (28', 38) für hohe Frequenzen mit im Vergleich zum Signalweg (16, 18, 24, 26) für tiefe Frequenzen hochfrequenter Charakteristik vorgesehen ist, bei dem alle Teile vom Signalweg für tiefe Frequenzen getrennt sind.

12. Breitbandverstärker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (28') des Signalweges für hohe Frequenzen an den Emitter eines weiteren, in Basisschaltung betriebenen Transistors (38) angeschaltet ist, dessen Kollektor am Verstärkerausgang (20) liegt.

13. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kollektor des Transistors (28') des Signalweges für hohe Frequenzen und den Emitter des weiteren Transistors (38) eine Koppelkapazität (44) geschaltet ist.

14. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche I bis 12, gekennzeichnet durch eine an den Emitter des weiteren Transistors (38) geschaltete Stromquelle (40), eine an den Kollektor (28') des Signalweges für hohe Frequenzen geschaltete Stromquelle (46) eine an den Emitter des Transistors (28') des Signal weges für hohe Frequenzen geschaltete Stromquelle (42) und eine an den Verbindungspunkt des Kollektors des Ausgangstransistors (18) und den Kollektor des weiteren Transistors (28) geschaltete Stromquelle (48).

15. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (20) an die Horizontal-Ablenkplatten einer

Kathodenstrahlröhre angeschaltet ist, welche die Lastkapazität (22) bilden.

16. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme (20) an das Steuerpitter einer Kathodenstrahlröhre angeschaltet ist.