DE2311379C3 - Transistorverstärker für breitbandige Informationssignale - Google Patents

Description

zugrundeliegenden Aufgabe verwendet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Figur zeigt einen Leitungsverstärker zum Verstärken angebotener Informationssignale, insbesondere Trägerfrequenzfernsprechsignale, die im Frequenzband von 4 bis 60 MHz liegen. Diese Informationssignale werden dabei über einen Eingangstransformator 1 zur Veiitärkung einer Kaskadenschaltung aus ι ο einem Vorverstärker 2, einem Steuerverstärker 3 und einem Endverstärker 4 zugeführt, während die verstärkten Trägerfrequenzfernsprechsignale dem Ausgangstransformator 5, der in. den Ausgangskreis des Endverstärkers aufgenommen ist, entnommen werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Vorverstärker 2 durch eine Eingangsstufe 6 und eine Ausgangsstufe 7 gebildet Die Vorspannung für die Basiselektrode des Transistors in der Eingangsstufe 6 wird der Mittenanzapfung eines durch zwei Widerstände 8,9 gebildeten Spannungsteilers entnommen, welche 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 zwischen der positiven Klemme 10 und der negativen Klemme 11 einer Speisespannungsquelle liegt Die Trägerwellensignale werden dabei der Basis des Transistors 6 zugeführt, welcher weiter mit einem Kollektorwiderstand 13 und einem Emitterwiderstand 14 versehen ist Die in dieser Eingangsverstärkerstufe verstärkten Informationssignale werden dem Kollektorwiderstand 13 entnommen und dem als Vorverstärker-Ausgangsstufe wirksamen Transistor 7 zugeführt Die an den Emitterwiderständen 8, 9 auftretenden Informationssignale werden zur weiteren Verstärkung über einen Koppelkondensator 12 dem Steuerverstärker 3 zugeführt, der einen Transistor in Emitterschaltung enthält, welcher 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 Ausgangstransformator 5 mit einer Belastungsimpedanz 18 gekoppelt ist, die beispielsweise durch die charakteristische Impedanz eines den Leitungsverstärker folgenden Abschnitts einer Übertragungsleitung gebildet wird.

Zwischen der Endverstärkerstufe 4 und der Vorverstärker-Eingangsstufe 6 fegt ein Gegenkopplungskreis 19, der eine kombinierte Spannungs- und Stromgegenkopplung bewerkstelligt. Dazu ist in die Endverstärkerstufe 4 zwischen der Primärentwicklung des Ausgangstransformators 5 und der negativen Spannungsklemme 11 der Speisespanp.jngsquelle ein Reihenwiderstand 23 aufgenommen und zugleich die Reihenschaltung aus einem Widerstand 24 und einer mit dem Ausgangstransformator 5 gekoppelten Spule 25, deren mit der Primärwicklung des Ausgangstransformators 5 verbundenes Ende über eine Reihenschaltung aus einem Rückkopplungswiderstand 20, einem Trennkondensator 15, einem Widerstand 21 und einer mit dem Eingangstransformator 1 gekoppelten Spule 22 mit der Basis des Transistors 6 gekoppelt ist, wobei außerdem der Verbindungspunkt des Rückkopplungswiderstandes 20 und des Trennkondensators 15 mit der Emitterelektrode des Transistors 6 verbunden ist.

Beim Maximalwert des Gegenkopplungsfaktors, der, wie bereits obenstehend erwähnt, durch die Phasencharakteristik gegeben wird, stellte es sich heraus, daß der Verze-rungspegel auf -10OdB zurückgebracht werden konnte. Im angegebenen Transistorverstärker mit einem Verstärkungsfaktor //=27 dB bei 69 MHz beträgt der Gegenkopplungsfaktor ß— 22 dB,

Entsprechend der Erfindung wird ohne Beeinflussung der Stabilität des Leitungsverstärkers die dadurch eingeführte Verzerrung in hohem Maße weiter verringert, und zwar dadurch, daß bei der besonderen Ausführung des Transistorverstärkers zwischen der Emitterelektrode des in die Vorverstärker-Ausgangsstufe 7 in Kollektorschaltung aufgenommenen Transistors und einem eine gegenphasige Informationssignalspannung führenden Anschlußpunkt 31 im Ausgangskreis des Transistors 4 in der Endverstärkerstufe ein durch zwei Impedanzen 26,27 gebildeter Spannungsteiler vorgesehen ist, dessen Spannungsieilerpunkt 28 dem Informationssignalnullpunkt entspricht, während der Transistorverstärker weiter mit einem als Phasenumkehrstufe wirksamen Verstärker 32 ■■. -/sehen ist, dessen Eingang an den Spannungsteilerpunkt 28 angeschlossen ist und dessen Ausgang mit einer Impedanz 30 im Emitterkreis des Transistors 3 verbunden ist Im angegebenen Ausführungsbeispiel 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 durch einen Widerstand gebildet wird.

Nach der Erfindung wird somit die Verringerung der Verzerrung ohne Beeinflussung der Stabilität des Leitungsverstärkers dadurch erhalten, daß über die Steuerverstärkerstufe 3 und die Endverstärkerstufe 4 zusätzlich eine Sondergeg^nkopplung, nämlich eine Verzerrungsgegenkopplung, vorgesehen ist, die für die Verzerrungsverringerung besonders wirksam ist, da die Verzerrungen im Transistorverstärker im wesentlichen in den Leitiingsverstärkerstufen 3 und 4 verursacht werden.

Dem einen Ende des zwischen den Ausgängen des Endverstärkers 4 und der Vorverstärker-Ausgangsstufe 7 angeordneten Spannungsteilers 26, 27 werden für diese Verzerrungsgegenkopplung die Ausgangssignale der Endverstärkerstufe 4, die aus den Informationssignalen sowie den im wesentlichen in den Verstärkerstufen 3 und 4 verursachten Verzerrungsprodukten bestehen, zugeführt, welche im Ausgangskreis der Vorverstärker-Ausgangsstufe 7 jedoch nur eine Signalspannung vernachlässigbarer Größe entstehen läßt, da die Ausgangsimpedanz der in Kollektorschaltung ausgebildeten Vorverstärker-Ausgangsstufe 7 außergewöhnlich niedrig ist, beispielsweise nur einige Ohm.

Dei.i anderen Ende des Spannungsteilers 26, 27 werden die Ausgangssignale der Vorverstärker-Ausgangsstufe 7, die außer den Informaticnssignalen nahezu keine Verzerrungsprodukte aufweisen, in Gegenphase zugeführt, wobei durch eine geeignete Bemessung der Impedanzen 26 und 27 die Informationssignale einander im Spannungsteilerpunkt 28 ausgleichen, so daß in diesem Spannungsteilerpunkt 28 ausschließlich die Verzerrungsprodukte auftreten, die zur Verzerrungsgegenkopplung benutzt werden. Insbesondere werden diese Verzerrungsprodukte, die dem Ausgang des Endverstärkers 4 entnommen werden, nach Verstärkung und Phasenumkehrung durch den Verstärker 32 aufs neue in den Transistorverstärker injiziert und über den Steuerverstärker, von dem der

Transistor 3 für die aufs neue injizierten Verzerrungsprodukte einen Verstärker in Basisschaltung bildet, nach Verstärkung über den Endverstärker 4 dem Ausgangstransformator 5 zugeführt.

Mit der beschriebenen Gegenkopplungsschleife, die durch den Spannungsteiler 26, 27, den Verstärker 32, den Steuerverstärker 3 und den Endverstärker 4 gebildet wird, wunde eine wesentliche Verringerung der in den Verstärkern 3 und 4 verursachten Verzerrungsprodukte 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 Ausgangsimpedanz der als Kollektorschaltung ausgebildeten Vorverstarker-Äusgangsstufe 7 über den Spannungsteiler 26, 27 keine nennenswerte Informationssignalspannung in die Verstärkcrkaskadenschaltung eingeführt, an zweiter Stelle werden über den Verstärker 32 keine Informationssignale, sondern Verzerrungsprodukte in die Verstärkerkaskadenschaltung injiziert, während zum Schluß der Verstärker 32 keine einzige Beeinflussung der guten Wirkung der Verstärkerkaskadenschaltung verursacht, da die Ausgangsimpedanz des als Phasenumkehrstufe wirksamen Verstärkers 32 unvergleichbar viel größer ist als die Eingangsimpedanz des Verstärkers 3, bei welchem der Transistor für die Verzerrungsprodukte in Basisschaltung arbeitet.

Ohne Beeinflussung der Stabilität des gesamten Transistorverstärkers führt die verwirklichte gegenseitige Entkopplung der beiden Gegenkopplungen zum bemerkenswerten Effekt, daß die maximale Verzerrungsverringerung beim maximalen Gegenkopplungsfaktor des Gegenkopplungskreises 19 noch in hohem Maße gesteigert werden kann; im angegebenen Ausführungsbeispiel wurde beispielsweise der Pegel der Verzerrung beim maximalen Gegenkopplungsfaktor des Gegenkopplungskreises 19 von — 10OdB auf weniger als — 120 dB verringert. Mit dieser bemerkenswerten Verzerrungsverringerung unter Beibehaltung der Stabilität sowie der Einfachheit im Aufbau durch Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Betriebssicherheit des Transistorverstärkers in keiner einzigen Hinsicht beeinträchtigt.

Eine weitere Betrachtung des bisher beschriebenen Transistorverstärkers ergibt, daß es zur Verwirklichung optimaler Resultate bei Verstärkung der breitbandigen Informationssignale vorteilhaft ist, im Spannungsteilerpunkl 28 des Spannungsteilers 26, 27 für einen guten Ausgleich der Informationssignale über das ganze Frequenzband zu sorgen, die insbesondre nach den höheren Frequenzen Phasendrehungen erfahren, und zwar durch 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

to dem Spannungsteilerpunkt 28 und dem Ausgang des Endverstärkers 4 liegende Impedanz 26 durch einen Widerstand gebildet und die zwischen dem Spannungsteilerpunkt und dem Ausgang der Vorverstarker-Äusgangsstufe 7 liegende Impedanz 27 durch die Reihenschaltung aus einem Widerstand 33 und einer Induktivität 34.

An Stelle den Spannungsteiler 26, 27 derart zu bemessen, daß auch für sehr hohe Frequenzen die ifliori!iiitt(jii»i]>uäic äfi ucf SicnC uC5 SpännüngätCi'crpunktes 28 einander ausgleichen, ist es einfacher, die Schleifenverstärkung für die Verzerrungsgegenkopplung nach diesen hohen Frequenzen mit Hilfe eines in den Emitterkreis des Verstärkers 32 aufgenommenen Gegenkopplungskreises aus einem Widerstand 36 und einer diesem Widerstand parallelgeschalteten Reihenschaltung aus einem großen Kondensator 37 und einer kleinen Induktivität 38, welche gegebenenfalls durch die Verdrai-iungsinduklivität gebildet wird, zu verringern. Ohne Bedenken kann diese Maßnahme angewandt werden, da, wie bereits obenstehend erwähnt, der Verstärker 32 die Wirkung des Transistorverstärkers nicht beeinträchtigt

An dieser Stelle sei erwähnt, daß es ebenfalls möglich ist, den Spannungsteiler 26, 27 an Stelle 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 isL

Von einem praktisch bewährten Transistorverstärker, wie dieser in der Figur dargestellt ist, werden nachstehend die folgenden Daten erwähnt:

Widerstand 8	560 0hm
Widerstand 9	464 Ohm
Kondensator 17	1OnF
Widerstand 30	48,7 Ohm
Widerstand 26	681 Ohm
Widerstand 33	150 0hm
Induktivität 34	0,56 μΗ
Widerstand 36	115 Ohm
Kondensator 37	68OpF

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche;

   1, Transistorverstärker zum Verstärken eines breitbandigen Informationssignals mit einem Vorverstärker und mit einer ■Vorverstärker-Ausgangsstufe, wobei das dem Emitterkreis des Transistors der Vorverstärker-Ausgangsstufe entnommene Ausgangssignal an die Basiselektrode eines Transistors in Emitterschaltung gelegt ist, welcher den Steuerverstärker für einen als Leitungsverstärker ausgeführten Endverstärker bildet, der seinerseits durch einen Transistor in Kollektorschaltung gebildet wird, wobei der durch den Emitterkreis gebildete Ausgang des Transistors des Endverstärkers einerse its mit einem Verbraucher und andererseits mit einem Strom-Spannungs-Gegenkopplungskreis zur Verringerung der Verzerrungen gekoppelt ist, der zum Eingang des Vorverstärkers führt, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Verringerung von Verzerrungen das bekannte Prinzin der Bildung eines Differenzsignals aus den am Eingang und am Ausgang des Verstärkers abgenommenen Signalspannungen und Anlegen dieses Differenzsignals nach Verstärkung an den Verstärker als weitere Steuerspannung zur Kompensation der durch ihn erzeugten Verzerrungen so angewendet wird, daß zwischen dem Emitter des in der Vorverstärker-Ausgangsstuie liegenden Transistors (7) und einem eine gegenphasige Informationssignalspannung fahrenden Anschlußpunkt (31) im Ausgang des Transistors (4) des Endverstärkers ein Spannungsteiler (26, 27) voi gesehen ist, der derart bemessen ist, da3 dessen Spannungsteilerpunkt (28) dem lnformalionssignalnullpur..a entspricht, daß ein 3s weiterer als Phasenumkehrstufe wirksamer Verstärker (32) vorgesehen ist, dessen Eingang an den Spannungsteilerpunkt (28) des Spannungsteilers (26, 27) angeschlossen ist und dessen Ausgang mit dem Emitter des den Steuerverstärker bildenden Transistors verbunden ist.
2. 2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler durch einen zwischen dem Spannungsteilerpunkt und dem 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.
3. 3.Transistorverstärker nach einem der Ansprühe 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zugleich ..Is Phasenumkehrstufe wirksame Verstärker durch einen Transistor in Emitterschaltung gebildet wird, dessen Basis an den Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilers und dessen Kollektor an den Emitter des Steuerverstärkers angeschlossen ist.
4. 4. Transistorverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitterkreis des die Phasenumkehrstufe in Emitterschaltung bildenden Transistors ein frequenzabhängiger Gegenkopplungskreis vorgesehen ist, der durch einen Widerstand und eine diesem Widerstand parallelgeschalteten Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Induktivität gebildet wird, welcher die Verstärkung des Verstärkers für außerhalb des Arbeitsgebietes des Verstärkers liegende höhere Frequenzen verringert.

   Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorverstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

   Ein Transistorverstärker, der diesem Aufbau grundsätzlich entspricht, wobei der Vorverstärker jedoch keine gesonderte Vorverstärker-Ausgangsstufe aufweist, ist aus der DE-OS 18 04434 bekannt. Bei dieser Anordnung ist in den Stromkopplungskreis zwischen dem Reihenwiderstand und dem Emitterkreis der Eingangsverstärkerstufe ein Transformator .eingefügt, der die Impedanz des Reihenwiderstandes in Richtung auf den Emitterkreis hochtransformiert.

   Für bestimmte Anwendungsbereiche, insbesondere in Trägerfrequenz-Fernsprechverbindungen, wobei zum Oberbrücken großer Abstände durch die breitbandigen Trägerfrequenz-Fernsprechsignale eine Vielzahl kaskadengeschalteter Leitungsverstärker, beispielsweise einige hundert, benutzt werden, werden an die verwendeten Leitungsverstärker sehr hohe Anforderungen gestellt; was die Verzerrungsfreiheit für die gesamte Trägerfrequenzfernsprechverbindung anbelangt, muß der Verzerrungspegel nämlich unterhalb dem dazu international vereinbarten Grenzwert von 1,5 pW/km liegen. So muß bei einer modernen Trägerfrequenzfernsprechverbindung zur Übertragung der Trägerwellenfernsprechsignale im Frequenzband von 4 bis 60 MHz über einen Abstand von 4000 km, wobei die Leitungsverstärker in Abständen von etv.'a 1,5 km untereinander angeordnet sind, der Pegel der pro Leitungsverstärker eingeführten Verzerrung dritter Ordnung 12OdB unterhalb des Pegels des Informationssignals liegt, welcher durch Vergrößerung des Gegenkopplungsfaktors nicht mehr erreicht werden kann, da durch die Phasencharakteristik des Verstärkers diesem Gegenkopplungsfaktor ein einem Verzerrungspegel von etwa -10OdB entsprechender maximaler Grenzwert gestellt wird. Sollte man jedoch versuchenden Gegenkopplungsfaktor weiter zu erhöhen, um auf diese Weise den Verzerrungspegel weiter zu verringern, so wird diese Erhöhung des Gegenkopplungsfaktors über der maximal zulässigen Wert zu Unstabilitäten im Transistorverstärker führen.

   Um unter diesen Umständen dennoch eine weitere Verringerung der Verzerrung bis -120 dB zu erhalten hat man Lösungen gesucht in der Linearisierung der in Verstärker verwendeten Transistoren, nämlich durch Erhöhung der Speisespannung und der Speiseströme. Außer einer wesentlichen Vergrößerung der Speiseleistung wird durch diese Maßnahmen die Betriebssicherheit der Leitungsverstärker beeinträchtigt.

   Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transistorverstärker der eingangs erwähnten Art zu schaffen, wobei ohne Beeinflussung der Betriebssicherheit sowie der Phasencharakteristik eine wesentliche Verringerung der pro Transistorverstärker eingeführten Verzerrung erhalten wird, und zwar bei einem maximal zulässigen Wert des Gegenkopplungsfaktors.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

   Dabei wird davon ausgegangen, daß es aus der US-PS 35 25 052 an sich bekannt ist, bei Verstärkern zur Verringerung von Verzerrungen durch Bildung eines Differenzsignals aus den am Eingang und am Ausgang des Verstärkers abgenommenen Signalspannungen und Anlegen dieses Differenzsignals nach Verstärkung an den Verstärker als weitere Steuerspannung zur Kompensation der durch ihn erzeugten Verzerrungen zuzuführen. Dieses Prinzip wird bei der bekannten Anordnung jedoch nicht zur Lösung der der Erfindung