DE2351053B2 - Linearer verstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen linearen Verstärker mit tinem negativen Widerstandsverstärkerkreis mit einer Avalanche-Diode.

Bekanntlich sind die Eingangs/Ausgangs- und Phaten-Charakteristiken negativer Widerstandsverstärker, die eine Avalanche-Diode verwenden, nichtlinear. Aus _S5 diesem Grund wird ein Verstärker dieser Art als Trägersignalverstärker für ein Signal einer einzelnen Frequenz und einer konstanten Amplitude, jedoch nicht »1s Verstärker für ein amplitudenmoduliertes Signal verwendet.

Es ist nachteilig, daß das Ausgangssignal durch die nichtlineare Verstärkung verzerrt ist, wenn der negative Widerstandsverstärker mit der Avalanche-Diode als Verstärker für ein amplitudenmoduliertes Signal eingesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen linearen Verstärker zu schaffen, der lineare Verstärkunes- oder Phasen-Charakteristiken besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Die Vorspannung des negativen Widerstandsverstärkers wird also auf der Basis der Amplitude seines Eingangssignals gesteuert

Weitere Abwandlungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft an Hand der Zeichnung erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung des Scheinleitwerts der Avalanche-Diode und der hochfrequenten Spannungsamplitude, die an die Avalanche-Diode angelegt wird,

F i g. 2 eine Darstellung der Eingangs/Ausgangs-Charakteristik und der Phasencharakteristik, welche aul Grund des Anlegens einer konstanten Vorspannung ar die Avalanche-Diode in dem negativen Widerstandsver stärkerkreis erhalten wird,

Fig.3 und 4 Darstellungen zur Erläuterung dei Arbeitsweise der Erfindung,

Fig.5 eine Anordnung eines Ausführungsbeispieli eines erfindungsgemäßen linearen Verstärkers,

Fig.6 eine Anordnung eines praktischen Ausführungsbeispiels der Erfindung und

F i g. 7 und 8 detaillierte Anordnungen eines Teiles der Schaltungen der F i g. 5 und 6.

Fig. 1 zeigt das Verhältnis der elektronischer Admittanz der Avalanche-Diode eines typischen Bei spiels und die der Avalanche-Diode eingeprägt« hochfrequente Spannungsamplitude. Aus dieser Figui ist offensichtlich, daß der Wirkleitwert und dei Blindleitwert der Avalanche-Diode nichtlineare Cha rakteristiken für die hochfrequente Spannungsamplitu de zeigen, die der Avalanche-Diode eingeprägt wird Die Leistungsverstärkung G(<o, A) der Avalanche-Dio de kann in nachstehender Weise ausgedrückt werden wenn sie als negativer Widerstandsverstärker von Reflexionstyp angesehen bzw. angenommen wird:

_Λχ _ YU,,,)- YD(A) uA] - _ΎΠ^_{+ YD{A)}

In Gleichung (1) sind

ω die Frequenz,

A die der Avalanche-Diode eingeprägte hochfrequente Spannungsamplitude, YL(O)) die Ortskurve der Belastungsadmittanz, YD(A) die elektronische Admittanz, * die konjugiert-komplexe Zahl.

Hierbei kann die elektronische Admittanz YD(A) der Avalanche-Diode durch nachstehende Gleichung ausgedrückt werden:

YD(A) = -GD(A) + jBD(A),

wobei

G D(A) den Wirkleitwert und
BD(A) den Blindleitwert bzw. die Suszeptanz darstel len.

In vorstehender Gleichung können die Frequenzcha rakteristiken der Konduktanz und Suszeptanz ignorier werden, da sie im Vergleich zu den Amplitudencha rakteristiken klein sind und vernachlässigt werdei können.

Die Konduktanz GD(A) und Suszeptanz BD(A), wie $ie beispielsweise in Fig. 1 veranschaulicht sind hängen im wesentlichen von der der Avalanche-Diode eingeprägten hochfrequenten Spannungsamplitude ab und zeigen abfallende bzw. ansteigende C harakteristik

Nimmt man im Hinblick auf Fig. l an, daß die Konduktanz der Avalanche-Diode, die bei der ihr eingeprägten hochfrequenten Spannungsamplitude ar beitet, an dem Punkt AlGl beträgt, so kai η die Leitung P1, die von der Avalanche-Diode erzeugt wird, durch nachiiehende Gleichung ausgedrückt werden·

Pl

(3)

Wenn die Eingangssignalleistung und die Ausgangs-Signalleistung des negativen Widerstandsverstärkers vom Reflexionstyp jeweils durch Pi und Po gegeben siiid, können folgende Gleichungen aufgestellt werden:

Po = G(ω, A)- Pi

Po = Pi + pi .

(4)

(5)

Aus den vorstehenden Gleichungen (3), (4) und (5) ergibt sich die Gleichung (6):

Ma,, A)- 1}· Pi =

AX¹

(6)

Aus der Gleichung (6) ist offensichtlich, daß die der Avalanche-Diode eingeprägte hochfrequente Spannungsamplitude A mit dem Wert der Eingangs-Signalleistung Pivariiert Somit wird die Leistungsverstärkung G(UtA) genau ⁱⁿ Abhängigkeit von der Eingangssignalleistung Pi geändert _3S

Die Phasendifferenz Φ zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal kann in nachstehender Weise erhalten werden. Da die elektronische Admittanz der Avalanche-Diode durch YD(A)= -GD(A) + JBD(A) und die Belastungsadmittanz mit YL(co) = GL(<u) + jBLfw) dargestellt wurden, wobei jedoch GL(o))die Belastungskonduktanz und BL((u) die Belastungssuszeptanz darstellen — ergibt sich somit die Leistungsverstärkung G(utA)vb nachstehender Weise:

45

YL(m) - YD(A) Y L(w) + YD(A)

GL(m)j-jBL(«>) + GD(A)-JBD(A)

+ GD(A))-j(BL(„,) +BD(A))

(GLU»)- GD(A))

Daher ergibt sich die Phasendifferenz zwischen dem Eingang und Ausgang zu

0 = '/',, -- tan

-- tan

, BLUo) + BD(A) GLUo) + GD(A)

, BL(,o) + BD(A) GLUo) - GD(A)

55

60

In der vorstehenden Gleichung stellt Φο die Anfangsphase dar. Mit vorstehender Gleichung kann nachgewiesen werden, daß die Phasendifferenz Φ zwischen dem Eingang und Ausgang ebenfalls mit den werten der Eingangssignalleistung variiert

Die Eingangs-/Ausgangscharakteristik und die Phasencharakteristik, die erhalten werden, wenn ein konstanter Vorspannungsstrom an die Diode des negativen Widerstandsverstärkers angelegt wird, der in der gleichen Weise wie zuvor be.iützt wird, sind in Fig.2 veranschaulicht Wie in dieser Figur gezeigt ist, zeigt die Eingangs-/Ausgangscharakteristik Po nichtlineare Sättigungscharakteristik und die Phasencharaktenstik ebenfalls eine nichtlineare Charakteristik in ihrem Bereich hoher Eingangsleistung. Außerdem ist die nichtlineare Charakteristik offensichtlich, wenn man sie mit der erwünschten linearen Charakteristik L mit 45° des linearen Verstärkers vergleicht und der Steigungs-Winkel ist reduziert Wenn die Avalanche-Diode eine derartige nichtlineare Eingangs-ZAusgangscharakteristik besitzt und als AM-Linearverstärker benützt wird oder eine derartige Avalanche-Diode, die eine solche Phasencharakteristik besitzt als FM-Linearverstärker benützt wird, so kann daher keine zufriedenstellende Linearität erreicht werden.

Nachstehend wird das Prinzip und eine Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben.

Die Eingangs-Musgangscharakteristik und Phasencharakteristik in F i g. 2 ändern sich stark, wenn sich der Betriebsstrom mit den Änderungen des der Diode eingeprägten Vorspannungsstroms ändert. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die EingangS'/Ausgangscharakteristik und die Phasencharakteristik wie Po - /1 ~ Ia und Φ — h ~ h variieren, da sie sich parallel in entgegengesetzter Richtung zu der oberer und unteren Seite bewegen, wenn die Betriebsströme /1 ~ /4 als die Parameter eingezeichnet werden. Nimm) man an, daß die Ausgangsleistungen an dein Punkt, an dem die gerade Linie L' mit einer konstanter Verstärkung parallel zur Linie L, die den Steigungswinkel von 45° besitzt, die Eingangs-/Ausgangscharakteristik Po - h ~ Ia schneiden, Ai ~ Poa sind, dann sine die Eingangsleistungen zu dieser Zeit Pn ~ Pia und dif diesen Eingangsleistungen entsprechenden Phaser a ~ d; die Änderungen der Phase werden — wie ir F i g. 3 gezeigt — sehr klein. Wird eine Charakteristik wie sie in Fig.4 gezeigt ist beispielsweise für der Betriebsstrom / der Diode gegenüber der Eingangslei stung P/geschaffen, so fällt daher die Charakteristik mi der durch die Aufzeichnung der Punkte Po\ — R>2 — R>3 — Poa in F i g. 3 erhaltenen Charaktc ristik, d. h. der Linie L' mit konstanter Verstärkung zusammen. An diesem Zeitpunkt kann die Phasencha rakteristik mit extrem kleinen Änderungen, die durcl die Punkte a, b, c und d aufgezeichnet ist, erhalter werden, wodurch eine optimale Charakteristik für der linearen Verstärker geliefert wird.

Vorstehende Erläuterung bezieht sich hauptsächlid auf einen AM-Linearverstärker. Jedoch ist es in de gleichen Weise ebenfalls möglich, einen FM-Verstärke eine lineare Phasencharakteristik zu geben.

F i g. 5 zeigt die Gestaltung einer Ausführungsforn der Erfindung, die auf vorstehendem Prinzip basiert.

In Fig. 5 wird das Eingangssignal, das von Eingangsanschluß 1 angelegt wird, an einen Anschluß K eines Zirkulators 12 über einen Richtkoppler 2 angelegi Andererseits wird ein Teil des Eingangssignals von Richtkoppler 2 über den Anschluß 3 an einen Detektor < angelegt. Der Detektorausgang, der von dem Detekto 4 detektiert bzw. erfaßt wurde, wird mittels eine

Verstärkers 5 verstärkt und über einen Anschluß 6 einem Addierglied 7 eingeprägt. Am Addierglied 7 wird das vom Anschluß 6 gelieferte Eingangssignal einer Gleich-Vorspannung überlagert, die über einen Anschluß 15 geliefert wird; der Ausgang der Addierschaltung 7 wird dann über den Anschluß 8 als Vorspannung des negativen Widerstandsverstärkers geliefert, welcher die Avalanche-Diode benutzt Das Eingangs-Signal, das an den Anschluß 10 des Zirkulators 12 angelegt wird, ist das Eingangssignal zu dem negativen ι ο Widerstandsverstärker 9 vom Reflexionstyp vom Anschluß 11, das verstärkte Ausgangssignal wird vom Anschluß 11 über den Zirkulator 12 an den Anschluß 13 geliefert. Mit 14 ist ein nichtreflektierender Abschlußwiderstand bezeichnet, der mit dem anderen Anschluß des Richtkopplers 2 verbunden ist

Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die Bezugszeichen die gleichen Teile angeben, wie diejenigen gemäß F i g. 5. F i g. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung, in der das Eingangssignal von dem Anschluß 15 über den Richtkoppler 2 an einen Frequenzumwandler 18 angelegt wird; das Signal, das der Frequenzunterwandlung unterlegen hat, wird an einen Anschluß 10 eines Zirkulators 12 angelegt. Mit 16 ist ein Überlagerungsoszillator bezeichnet, dessen Oszillatorausgangssignal über den Anschluß 17 an den Frequenzumwandler 18 angelegt ist Die Ausgänge des Frequenzwandlers 18 stellen Signale der Frequenz f\ + k oder h ~ h dar, wobei die Frequenz des Eingangssignals, das dem Anschluß 15 aufgeprägt wird, h beträgt und das dem Anschluß 17 aufgegebene Signal die Frequenz h besitzt Die Schaltungsanordnung gemäß Fig.6 stimmt im wesentlichen mit derjenigen nach F i g. 5 überein. Da die Steuerspannung, die an den Addierer 7 in F i g. 6 angelegt wird, vom Eingangssignal vor dessen Eingang in den Frequenzwandler 18 extrahiert wird, ist die Leistung der Steuerspannung, die extrahiert wird, größer als diejenige, die im Falle einer Steuerspannung vom Eingangssignal extrahiert wird, welches den Frequenzwandler 18 durchlaufen hat. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar.

F i g. 7 zeigt einen Teil der Schaltungen gemäß F i g. 5 und 6 in detaillierter Darstellung, wobei jeweils die gleichen Teile mit gleichen Ziffern — wie in F i g. 5 und 6 — bezeichnet sind. Fig.7 zeigt nur eine Anordnung, die einen Detektor und einen Addierer 7 gemäß F i g. 6 veranschaulicht wobei der Verstärker 5 weggelassen ist

In F i g. 7 gelangt ein Teil des Eingangssignals, das von dem Anschluß 3 geliefert wird, über einen Gleichstrom-Sperr- bzw. Kopplungskondensator, wobei dieser Teil des Eingangssignals durch die Diode D 1 erfaßt wird und stellt einen Eingang an die Basis eines Transistors TR1 dar. Da die Gleichstrom-Vorspannung vom Anschluß 15 an die Basis des Transistors TR 1 angelegt wird, ändert sich der Emitterstrom des Transistors TR 1 mit der erfaßten Spannung der Diode D1. Außerdem stellen L 1 und L 2 hochfrequente Sperrbzw. Kopplungsspulen dar, Ri, R 2 und R 5 Vorwiderstände der Diode D1, R 3, R 4 und R 5 Vorwiderstände des Transistors 77? 1; mit 15 ist ein Gleichspannungs-Vorspannungseingangsanschluß, mit 8 ein mit der Avalanche-Diode des negativen Widerstandsverstärkers vom Reflexionstyp verbundener Anschluß bezeichnet.

Fig.8 zeigt eine Anordnung eines negativen Widerstandsverstärkers vom Reflexionstyp. In dieser Zeichnung gibt die Ziffer 20 einen Hohlleiter, die Ziffer 21 einen variablen Abschlußwiderstand, 22 einen Leiter innerhalb des Koaxialkabels, 23 ein Sperrfilter, 24 einen Widerstand zur Spannungseinstellung, 25 eine Schraube für die Widerstandsanpassung, 26 den Flansch des Hohlleiters 20, 27 eine Avalanche-Diode und 28 die Leiteraußenseite des Koaxialkabels an.

In F i g. 8 wird ein hochfrequentes Signal des Zirkulators als Eingang an das rechte Ende des Hohlleiters angelegt verstärkt am Befestigungsabschnitt der Avalanche-Diode 27 reflektiert und nacheinander an den Zirkulator wieder vom rechten Ende des Hohlleiters 20 angelegt Die Vorspannung der Avalanche-Diode 27 wird vom Leiter 22 innerhalb des Koaxialkabels abgegeben. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß der Emitterstrom-Ausgangs-Anschluß 8 des Transistors TR1 in F i g. 7 mit dem Leiter 22 innerhalb des Koaxialkabels gemäß F i g. 8 verbunden ist.

Wie vorstehend erläutert wurde, wird die Eingangs-/ Ausgangscharakteristik linear und ein negativer Widerstandsverstärker, der eine Avalanche-Diode mit einer konstanten Verstärkung benützt kann durch Anwendung der Erfindung realisiert werden.

Außerdem ist zu beachten, daß die Phasendifferenz zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal reduziert werden kann; die Nebensprechmodulation, die durch die AM-FM-Umwandlung hervorgerufen wird, kann ebenfalls reduziert werden und die Charakteristik in der Verstärkung des Amplitudenmodulationssignals kann enorm verbessert werden.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurden Erläuterungen für einen AM-Verstärker von der Art eines negativen Widerstandsverstärkers vom Reflexionstyp gegeben, der eine Avalanche-Diode benützt; jedoch kann die Erfindung auch auf negative Widerstandsverstärker vom Transparenttyp angewandt werden. Außerdem kann die Erfindung auch auf einen FM-Verstärker in der zuvor erwähnten Weise angewandt werden. Die Erfindung kann weiterhin auf einen Frequenzwandler angewendet werden, der beispielsweise eine Varaktordiode oder eine Mischdiode mit nichtlinearer Eigenschaft für den Eingangspegel an Stelle einer Avalanche-Diode benutzt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche: ^

1. Linearer Verstärker mit einem negativen Widerstandsverstärkerkreis mit einer Avalanche-Diode, gekennzeichnet durch eine Einfangsschaltung zum Zuführen eines Eingangssignals an den negativen Widerstandsverstärkerkreis, durch eine mit der Eingangseinrichtung verbundene Kopplungsanordnung zum Ableiten eines Teils des Eingangssignals zu einer mit der Kopplungsanordnung verbundenen Detektoreinrichtung, durch eine !wischen der Detektoreinrichtung und dem negativen Widerstandsverstärkerkreis angeordnete Schaltungseinrichtung zum Zufuhren sowohl einer festen als auch einer veränderlichen, in Abhängigkeit von der Amplitude der Eingangsspannung gesteuerten Vorspannung an die Avalanche-Diode des negativen Widerstandsverstärkerkreises und durch eine mit dem negativen Widerstandsverstärkerkreis gekoppelte Ausgangsschaltung zum Ableiten des Ausgangssignals.

2. Linearer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung eine Addierschaltung mit zwei Eingängen und einem Ausgang, eine mit dem einen der Eingänge der Addierschaltung verbundene Vorspannungsquelle, eine den anderen Eingang der Addierschaltung mit dem Detektor verbindende Verstärkeranordnung aufweist und daß der Ausgang der Addierschaltung mit der Avalanche-Diode des negativen Widerstandsverstärkerkreises verbunden ist

3. Linearer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsanordnung ein richtungsabhängiger Koppler ist.

4. Linearer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Widerstandsverstärkerkreis ein Reflexionsverstärkerkreis ist.

5. Linearer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Widerstandsverstärkerkreis ein Transparentverstärkerkreis ist.

6. Linearer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet durch einen Frequenzumsetzer, der zwischen die Kopplungseinrichtung und den negativen Widerstandsverstärkerkreis geschaltet ist. _4S