DE2311379A1 - Transistorverstaerker fuer breitbandige informationssignale - Google Patents

Description

PHN.6193 KOOI/WIJ/PI

Dr. Herbert Seit «lg

. Y. Philips" Glceiia.npenfabriekea
Ak* NoJ PHN- 6193
7. März 1973

"Transistorverstärker für b£eitbandige Informationssignale·"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorverstärker insbesondere zur Verstärkung breitbandiger Informationssignale alt einem Vorverstärker alt einer Torverstärker-Ausgangestufe, wobei das dem Emitterkreis des Transistors der Vorverstärker-Ausgangsstufe entnommene Ausgangseignal an die Basiselektrode eines Transistors in Emitterschaltung gelegt ist, weloher Transistor in einen dem Vorverstärker naohgesohalteten Steuerverstärker für einen als Leistungsverstärker ausgebildeten Endverstärker aufgenommen ist, der durch einen Transistor in Kollektorschaltung gebildet wird, wobei der duroh den Emitterkreis gebildete Ausgang des Transistors im Endverstärker einerseits mit einem Verbraucher und andererseits mit einem Gegenkopplungskreis gekoppelt 1st, der an den Eingang des Vorverstärkers angeschlossen ist.

Für bestimmt· Anwendungsbereiche, insbesondere in Triger-

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wellen-Fernsprechverbindungen, wobei zum Ueberbrücken grosser Abstände durch die breitbandigen Trägerwellen-Fernspreohsignale eine Vielzahl kaskadengesohalteter Leitungsverstärker, beispielsweise einige hundert, benutzt werden, werden an die verwendeten Leitungsverstärker sehr hohe Anforderungen gestellt; was die Verzerrungefreiheit für die gesamte Trigerwellenfernspreihverbindung anbelangt muss der Verzerrungspegel nimlioh unterhalb dem dazu international vereinbarten Grenzwert von 1t5 pV/ka liegen.So muss bei einer modernen Trägerwellenfernsprechverbindung zur Uebertragung der TrSgerwellenfernspreohsignale im Frequenzband Ton 4-60 MHi über einen Abstand von 4000 km, wobei die Leitungsverstärker in Abständen von etwa 1^5 km untereinander angeordnet sind, der Pegel der pro Leitungsversgärker eingeführten Verzerrung dritter Ordnung 120 dB unterhalb des Pegels des Informationssignals liegen, welcher Pegel durch VergrSsserung des Gegenkopplungsfaktors nicht mehr erreloht werden kann, da duroh die Phasenoharakteriatik des Verstärkers dieses Gegenkopplungsfaktor ein einem Verzerrungspegel von etwa -100 dB entsprechender maximaler Grenzwert gestellt wird. Sollte man jedoch versuchen, den Gegenkopplungsfaktor weiter zu erhöhen ta auf diese Weise den Veraerrungepegel weiter zu verringern, so wird diese Erhöhung des Gegenkopplungsfaktors über den maximal zulässigen Wert zu !Instabilitäten la Tranalstorverstärker führen.

Ug unter diesen Umständen dennoch eine weitere Verringerung der Verzerrung bis -120 dB zu erhalten hat man Losungen gesucht in der Linearisierung der in Verstärker verwendeten Transistoren nämlich durch Erhöhung der Speisespannung und der Speiseströme. Ausser einer wesentlichen Vergrösserung der Speiseleistung wird dufoh diese Massnahmen die Betriebssicherheit der Leitungsverstärker beeinträchtigt.

91· Erfindung b#aweckt nun, ·1η· ander· Konzeption tines Tran-

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sistorverstärkers d«r eingangs erwähnten Art zu schaffen, wobei ohne tteeinfInssang der Betriebssicherheit sowie der Phasencharakteristik eine wesentliche Terringerung der pro Transistorverstärker eingeführten Verzerrung erhalten wird und zwar bei einem maximal zulässigen Wert des ' Gegenkopplungsfaktors.

Der erfindungsgemSsse Transistorverstärker weist dazu das Kennzeichen auf, das8 zwischen dem Emitterkreis des in der Vorverstärker-Ausgangsstufe in Kollektorschaltung liegenden Transistors und einem eine gegenphaelge Informationssignalspannung führenden Anschlusspunkt im Ausgang des Transistors im Endverstärker ein Spannungsteiler vorgesehen ist, dessen Spannungsteilerpunkt dem Informationssignalnullpunkt entspricht, welcher Transistorverstärker weiter mit einem als Phasenumkehrstufe wirksamen Verstärker versehen ist, dessen Eingang cn den Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilers angeschlossen ist und dessen Ausgang auf die Art und Weise eines Gegenkopplungskreises an eine Impedanz im Emitterkreis des in den Steuerverstärker in Emitterschaltung aufgenommenen Transistors angeschlossen ist.

Ein Ausffihrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeiohnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Sie Figur zeigt einen Leitungsverstärker zum Verstärken angebotener Informationssignale insbesondere Trägerwellenfernsprechsignale, die im Frequenzband von 4-60 MHz liegen. Diese Informationssignale werden dabei über einen Eingangstransformator 1 zur Verstärkung einer Kaskadenschaltung aus einem Vorverstärker 2, einem Steuerverstärker 3 und einest Endverstärker 4 zugeführt, während die verstärkten Trägerwellenfernspreohsignale dem Auegangstransformator 5» der in den Auegangskreis des Endverstärkers aufgenommen ist, entnommen werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Vorverstärker

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durch eine Eingangsstuf· 6 und eine Ausgangsstufe 7 gebildet. Die Vorspannung für die Basiselektrode des Transistors in der Eingangsstufe 6 wird der Mittenanzapfung eines durch zwei Widerstände Θ, 9 gebildeten Spannungsteilers entnommen, welche Widerstände 8, 9 in den Emitterkreis des Transistors 7 aufgenommen sind und wobei der Widerstand 9 für Informationssignale mittels eines Kondensators 17 überbrückt ist, während die Kaskadenschaltung aus dem Transistor 7 und den Widerständen 8, 9 «wischen der positiven Klemme 10 und der negativen Klemme 11 einer Speisespannungsquelle liegt. Sie Trägerwellensignale werden dabei der

Basis des Transistors 6 zugeführt, welcher Transistor weiter mit einem Kollektorwiderstand 15 und einem Emitterwiderstand 14 versehen ist. Die in dieser Eingangsverstärkerstufe verstärkten Informationseignale werden dem Kollektorwiderstand 15 entnommen, und dem als Vorverstärker-Ausgangs· stufe wirksamen Transistor 7 zugeführt. Sie an den Emitterwiderständen 8, 9 auftretenden Informationssignale werden zur weiteren Verstärkung über einen Koppelkondensator 12 dem Steuerverstärker 5 zugeführt, der einen Transistor im Emitterschaltung enthält, welcher Transistor mit einem Kollektorwiderstand 16 versehen ist. Die am Kollektorwiderstand 16 auftretenden Informationssignale werden zur Leistungsverstärkung dem Endverstärker 4 zugeführt, der über einen in seinen Emitterkreis aufgenommenen Ausgangetransformator 5 Bit einer Belastungsimpedanz 18 gekoppelt ist, die beispielsweise durch die charakteristische Impedanz eines dem ^eitungsverstärker folgenden Abschnitts einer Uebertragungsleitung gebildet wird.

Zwischen der Endverstarkerstufe 4 und der Vorverstärker-Eingangβstufβ 6 liegt ein Gegenkopplungskreis 19, der eine kombinierte Spannungs- und Stromgegenkopplung bewerkstelligt. Dazu ist in die Sndverstfcrkerstufe 4 «wischen der Primärwicklung des Ausgangetränβformators

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5 und der negativen Spannungsklemme 11 d#r Speisespannungequell· ein Reihenwiderstand 23 aufgenommen und zugleich die Reihenschaltung aus einem Widerstand 24 und einer mit/Aem Ausgangstransformator 5 gekoppelten

Spule 25, deren alt der PrimSrvicklung des Ausgangstransformators 5 verbundenes Ende über eine Reihenschaltung aus einem Rückkopplungswiderstand 20, einem Trennkondensator 15t einem Widerstand 21 und einer alt dem Eingangstransformator 1 gekoppelten Spule 22 mit der Basis des Transistors 6 gekoppelt ist, von welcher Reihenschaltung ausserdem der Yerbindungspunkt des Rückkopplungswiderstandes 20 und des Trennkondensators 13 alt der Emitterelektrode des Transistors 6 verbunden ist.

Beim Maximalwert des Gegenkopplungsfaktors, der, wie bereits obenstehend erwähnt, durch die Phasenoharakteristik gegeben wird, stellte es sich heraus, dass der lerzerrungspegel auf -100 dB zurückgebracht werden konnte. Im angegebenen Transistorverstärker mit einem Verstärkung! faktor /U - 27 dB bei 69 MHz beträgt der Gegenkopplungsfaktor β - 22 dB.

Entsprechend der Erfindung wird ohne Beeinflussung der Stabilität des Leitungsverstärkers die dadurch eingeführte Verzerrung in hohem Masse weiter verringert und zwar daduroh, dass bei der Besonderen Ausführung des Transistorverstärker zwischen der Emitterelektrode des in die Vorverstärker-Auegangsstufe 7 in Kollektorschaltung aufgenommenen Transistors und einem eine gegenphasige Informationssignalspannung führenden Anschlusspunkt 31 im Auegangekreis des Transistors 4 in der Sndverstärkerstufe ein durch zwei Impedanzen 26, 27 gebildeter Spannungsteiler vorgesehen ist, dessen Spannungsteilerpunkt 28 dem Informationssignalpunkt entspricht, während der Transistorverstärker weiter mit einem als Phasenumkehrstufe wirksamen Verstärker 32 versehen ist, dessen Eingang an den Spannungsteilerpunkt 26 angeschlossen ist und dessen Ausgang auf die Art und Weise eines Gegenkopplungskreises an eine Impedanz 30 im Emitterkreis des in den Steuerverstärker in Smitterschal-

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-tang aufgenommenen Transistors 3 verbunden ist. Im angegebenen Ausführungebeispiel wird die genannte Phasenumkehrstufe 32 durch einen Transistor in Emitterschaltung gebildet, dessen Kollektorelektrode an die Impedanz 30 im Emitterkreis des Steuerverstärkers 3 angeschlossen ist, welche Impedanz 30 durch einen Widerstand gebildet wird.

Nach der Erfindung wird die Verringerung der Verzerrung ohne Beeinflussung der Stabilität des Leitungsverstärkers dadufeh erhalten, dass bei der besonderen Ausbildung des Transistorverstärkers über die Steuerverstfirkerstufe 3 und die Endverstärkerstufe 4 zusätzlich eine Sondergegenkopplung, nämlich eine Verzerrungsgegenkopplung, vorgesehen ist, die für die Verzerrungsverringerung besonders wirksam ist, da die Verzerrungen im Transistorverstärker im wesentlichen in den Leistungsverstärkerstufen 3 und 4 verursacht werden.

Des einen Ende des zwischen den Ausgängen des Endverstärkers 4 und der Vorveratärker-Ausgangsstufe 7 angeordneten Spannungsteilers 26, 27 werden für diese Verzerrungsgegenkopplung die Ausgangssignale der Sndveratärkerstufe 4t die aus den Informationssignalen (/sowie den im wesentlichen in den Verstärkerstufen 3 und 4 verursachten Verzerrungsprodukten bestehen, zugeführt, welche Ausgangssignale im Ausgangskreis der Vorverstärker-Ausgangsstufe 7 jedoch nur eine Signalspannung vernachläesigbarer Grosse entstehen lässt, da ja die Ausgangsimpedanz der in Kollektorschaltung ausgebildeten Vorverstärker-Ausgangsstufe 7 aussergewöhnlich niedrig ist, beispielsweise nur einige Ohm.

Dem anderen Ende des Spannungsteilers 26, 27 werden die Ausgangssignale der Vorverstärker-Ausgangsstufe 7ι die ausser den Informationssignalen nahezu keine Verzerrungeprodukte aufweisen, in Gegenphase zugeführt, wobei durch eine geeignete Bemessung der Impedanzen 26 und 27 die Inforeationssignale einander im Spannungsteilerpunkt 2Θ ausglei-

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chen, βο dass in diesem Spannungsteilerpunkt 26 aussehliesslioh die Verzerrungsprodukte auftreten, die zur Verzerrtingagegenkopplung benutzt werden. Insbesondere werden diese Verzerrungeprodukte, die des Ausgang des Endverstärkers 4 entnommen werden, nach Verstärkung und Phasenum- * kehrung durch den Verstärker 32 aufs neue in den Transistorverstärker injiziert und über den Steuerverstärker, von dem der tTransistor 3 für die aufs neue injizierten Verzerrungsprodukte einen Verstärker in Basisschaltung bildet, ohne Fhasenumkehrung und nach Verstärkung über den Endverstärker 4 dem Ausgangstransformator 5 zugeführt.

Mit der beschriebenen Gegenkopplungssohleife» die durch den Spannungsteiler 26, 27, den Verstärker 32, den Steuerverstärker 3 und den Endverstärker 4 gebildet wird, wurde eine wesentliche Verringerung der in den Verstärkern 3 und 4 verursachten Virzetrungsprodukte verwirklicht und zwar ohne nennenswerte Beeinflussung der Stabilität des mittels des Gegenkopplungskreises 19 zurückgekoppelten Transistorverstärkers, was dem umstand zuzuschreiben ist, dass zwischen dem Gegenkopplungskreis 19 und der Verzerrungsgegenkopplung eine besonders wirksame gegenseitige Entkopplung bewerkstelligt worden ist. Insbesondere wird an erster Stelle infolge der ausserordentlich niedrigen Ausgangeimpedanz der als Kollektorschaltung ausgebildeten Vorverstärker-Ausgangsstufe 7 über den /Spannungsteiler 26, 27 keine nennenswerte Informationssignalspannung in die Verstärkerkaskadenschaltung eingeführt, an zweiter Stelle werden über den Verstärker 32 keine Informationssignale sondern Verzerrungsprodukte in die Verstärkerkaskadensohaltung injiziert während zum Schluss der Verstärker 32 keine einzige Beeinflussung der guten Wirkung der Verstärkerkaskadensohaltung verursacht, da ja die Ausgangsimpedanz des als Phasenumkehrstufe wirksamen Verstärkers 32 unvergleichbar viel grosser 1st als die Eingangsimpedanz des Ver-

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stärkere 3, Ib den der Transistor ja für die Yerzerrungeprodukte in Basisschaltung aufgenomment ist.

Ohne Beeinflussung der Stabilität des gesamten Transietorveret&rkers führt die verwirklichte gegenseitige Entkopplung der beiden Gegenkopplungen zum bemerkenswerten Effekt, dass die maximale VerzerrungsTerringerung beim maximalen Gegenkopplungsfaktor des Gegenkopplungen kreises 19 noch in kekem Masse gesteigert werden kann} im angegebenen lueführungsbeiepiel wurde leispielsweiee der Pegel der Verzerrung beim maximalen Gegenkopplungefaktor des Gegenkopplungskreises 19 von -100 dB auf weniger ale -120 dB verringert. Mit dieser bemerkenswerten Terzerrungeverringerung unter Beibehaltung der Stabilität sowie der Einfachheit im Aufbau durch Anwendung der erfindungsgemäeeen Masenahmen wird die Betriebesicherheit des Transistorverstärker· in keiner einzigen Hinsicht beeinträchtigt.

Sine weitere Betrachtung des bisher beschriebenen Transistorverstärker ergibt, dass ee zur Verwirklichung optimaler Resultate bei Verstärkung der breitbandigen Informationeeignale vorteilhaft ist, im Spannungsteilerpunkte 28 dee Spannungsteilers 26, 27 für einen guten Auegleich über das ganze Frequenzband der Informationssignale zu sorgen, die insbesondere nach den höheren Frequenzen Phasendrehungen erfahren und zwar duroh die Transistorkapazitäten des Steuerverstärkers 3 und des Endverstärkers 4· Dazu ist der Spannungsteiler 26, 27 als frequenzabhängiger Spannungsteiler ausgebildet und zwar auf besonders einfache Art und Weise} insbesondere wird die zwischen dem Spannungsteilerpunkt 28 und dem Ausgang dee Endverstärkers 4 liegende Impedanz 26 duroh einen Widerstand gebildet und die zwischen dem Spannungsteilerpunkt und dem Ausgang der Vorverstärker-Ausgangestufe 7 liegende Impedanz 27 durch die Reihenschaltung aus einem Widerstand 33 und einer Induktivität 34.

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Anstelle den Spannungsteiler 26, 27 derart zu besessen, dass auch für sehr hohe Frequenzen die Informationseignale an der Stelle des Spannungsteilerpunktee 28 einander ausgleichen, ist es einfaoher, die Schieifenverstärkung für die Terzerrungegegenkopplung naoh diesen hohen Frequenzen ait Hilfe eines in den Smitterkreis des Terstärkers 32 aufgenommenen Gegenkopplungskreises aus einem Widerstand 26 und einer diesem Widerstand parallelgesehalteten Reihenschaltung aue einem grossen Kondensator 37 «nd einer kleinen Induktivität 36, weiche letztere gegebenenfalls durch die Terdrahtungainduktivität gebildet vird, zu verringern. Ohne Bedenken kann diese Massnahme angewandt werden, da ja, vie bereits obenstehend ervShnt, der Terstfirker 32 die gute Wirkung des Transistorverstärker nicht beeinträchtigt.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass es ebenfalls möglich ist, den Spannungsteiler 26, 27 anstelle mit dem Anschlusspunkt des Gegenkopplungskreises 19 im Ausgang des Endverstärkers 4 mit der Emitterelektrode des Endverstärkers zu verbinden, wie dies in der Figur durch eine gestrichelte Linie angegeben ist.

Tob einem praktisch bewährten Transistorverstärker, wie dieser in der Figur dargestellt ist, werden nachstehend die folgenden Baten erwähnt t

Widerstand β ι 560 Ohm
Widerstand 9 t 464 Ohm
Kondensator 17 « 10 nF
Widerstand 30 1 48,7 Ohm
Widerstand 26 1 681 Ohm
Widerstand 33 1 150 Ohm
Induktivität 34 > 0,56/uH
Widerstand 36 1 115 Ohm
Kondensator 37 * 680 pF

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Induktivität 38 t 20 nH.

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Claims (5)

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   PATEHTAXSPBtFECHIl

   Transistorrerstärker zum Terstärken eine· angebotenen Informationesignala mit einem Vorverstärker Bit einer VorYerstärker-Ausgangsstufe, wobei daa de» Emitterkrels des Tranaiatora der Vorverstärker-Ausgangsstufe entnommene Auagangaaignal an die Basiselektrode eines Tranaiatora in Emitterschaltung gelegt ist, welcher Tranaistor in einen des Torrerst&rker naehgeaohalteten Steuerverstärker für einen als LeistungsTerst&rker ausgeführten Endverstärker aufgenossen ist, der duroh einen Tranaistor in Kollektorschalter gebildet wird, wobei der durch den Knitterkreis gebildete Ausgang des Tranaletora im Sndrerst&rker einerseits alt einem verbraucher und andererseits mit einem Gegenkopplungskreis gekoppelt ist, der an den Eingang des TorreratSrkera angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Emitterkreis des in der Vorrerstärker-Ausgangsstufe in Kollektorschaltung liegenden Transistors und einem eine gegenphasige Informationssignalspaanung führenden Anschlusspunkt im Ausgang des Transistors im Endverstärker ein Spannungsteiler vorgesehen ist, dessen Spannungsteilerpunkt dem Informationssignalnullpunkt entppricht, welcher Transistorverstärker weiter mit einem als Phasenumkehrstufe wirksamen Verstärker versehen ist, dessen Eingang an den Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilers angeschlossen iat und dessen Ausgang auf die Art und Weise eines Gegenkopplungskreises an eine Impedanz im Bmitterkreis des in den Steuerverstarker in Emitterschaltung aufgenommenen Transistors angeschlossen ist.
2. 2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler mit dem Anschlusspunkt des Ausgangskrelses des Verstärkers mit dem Gegenkopplungskreis, der an den Eingang des Vorverstärkers angeschlossen .ist, verbunden ist.
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5. 5. Transistorverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler durch einen zwischen dem Spannungsteilerpunkt und den Ausgang des Endverstärkers liegenden Widerstand und einen zwischen dem Spannungsteilerpunkt und dem Ausgang der Vorverstärker-Ausgangsstufe liegenden Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Induktivität gebildet wird.

   4· Transistorverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zugleich als Phasenumkehrstufe wirksame Verstärker durch einen Transistor in Emitterschaltung gebildet wird, dessen Basis an den Spannungsteilerpunkt de· Spannungsteilers und dessen Kollektor an die genannte Impedanz im Emitterkreis des Steuerverstärkers angeschlossen ist.

   5. Transistorverstärker nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass im Emitterkreis des in die Phasenumkehrstufe in Emitterschaltung aufgenommenen Transistors ein fraquenzabhlmgiger Gegenkopplungskreis vorgesehen ist, der durch einen Widerstand und eine diesem Widerstand parallelgeschalteten Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Induktivität gebildet wird, welcher frequenzabhängige Gegenkopplungskrels die Verstärkung des Verstärkers für ausserhalb des Arbeitsgebiete· des Verstärkers liegende höhere Frequenzen verringert.

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