DE2533355A1

DE2533355A1 - Regelbarer verstaerker fuer hf-eingangsstufen

Info

Publication number: DE2533355A1
Application number: DE19752533355
Authority: DE
Inventors: Josef Schuermann
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1975-07-25
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1977-01-27
Also published as: JPS617765B2; US4057765A; FR2319241A1; FR2319241B1; GB1550122A; IT1073966B; JPS5252352A; NL7608190A; DE2533355B2; DE2533355C3

Description

Unser Zeichen: T 1820

TEXAS INSTRUMENTS DEUTSCHLAND GtIBH 805 Freising Haggertystrasse 1

Regelbarer Verstärker für HF-Eingangs stufen

Die Erfindung "bezieht sich auf einen regelbaren Verstärker für HF~Eingangsstufen mit einem Feldeffekttransistor, dem an einer Steuerelektrode eine Regelspannung zugeführt wird. Bei.einer bekannten Schaltung dieser Art, die z.B. in Fernsehtunern oder in HF-Stufen von Nachrichtenübertragungsgeräten verwendet wird, wird mit Hilfe der an die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors angelegten Regelspannung eine Abregelung der Verstärkung erzielt« Im Verlauf der Abregelung wird dabei der Drain-Strom des Feldeffekttransistors verringert. Diese Abregelung wird vorgenommen, um das Großsignalverhalten und insbe» sondere die Kreuzmodulationsfestigkeit des Verstärkers und der nachgeschalteten Stufen zu verbessern.

Schw/Ba

Bs ist auch bereits eine mit einem bipolaren Hochstromtransistor arbeitende Verstärkerschaltung bekannt, bed der die Abregelung mit Hilfe einer PIN-Diode vorgenommen wird. Diese PIN-Diode wirkt als Dämpfungsglied, das die an den Hochstromtransistor gelangenden HF-Signale dämpft. Auch diese Schaltung dient der Verbesserung der Kreuzmodulationsfestigkeit. Zur Erzielung der erforderlichen Vorspannung für die PIN-Diode ist ein relativ hoher Schaltungsaufwand erforderlich.

Der mit Hilfe der bekannten Verstärker erzielbare Verlauf der Kreusmodulationsf estigkeit hat zwar mit zunehmender Verstärkungsabregelung eine allgemein ansteigende Tendenz, doch zeigt er deutliche Einbrüche, bei denen die Kreuzmodulationsfestigkeit schiecht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen regelbaren Verstärker der eingangs angegebenen Art derart auszugestalten, daß eine wesentliche Verbesserung der Kreuzmodulationsfestigkeit erzielt wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in der Verbindung zwischen der Eingangselektrode des Feldeffekttransistors und dem Verstärker eingang eine regelbare Diode angeordnet ist, die derart vorgespannt ist, daß bei Einsatz der Regelung erst der Feldeffekttransistor um etwa 10 dB abregelt, ehe die Regelung durch die Diode einsetzt.

Beim erfindungsgemäßen Verstärker wird ein dem Verstärkeueingang zugeführtes HF-Signal zunächst unbeeinflußt von der regelbaren Diode ausschließlich mittels der der Steuer-

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elektrode des Feldeffekttransistors zugeführten Regelspan-.nung abgeregelt. Erst wenn eine Abregelung um etwa 10 dB eingetreten ist, wird die regelbare Diode wirksam und bewirkt eine Dämpfung des Eingangssignals_$ was zu einer weiteren Abregelung zusammen mit der Abregelung durch die Regelspannung führt. Beim erfindungsgemäßen Verstärker läßt sich eine deutliche Anhebung der Kreuzmodulationsfestigkeit beobachten; auch in den Bereichen, in denen der Kreuzmodulationsfestigkeitsverlauf der bekannten Schaltungen starke Einbrüche zeigte, wird eine deutliche Anhebung erzielt.

Vorzugsweise ist die regelbare Diode eine PIN-Diode, die bei vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung zwisehen dem Verstärkereingang und einem dem Feldeffekttransistor vorgeschalteten Eingangsfilter oder zwischen diesem Eingangsfilter und der Eingangselektrode des Feldeffekttransistors liegt.

Zur Festlegung des Einsatzpunktes der Regelung durch die Diode wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Vorspannung der regelbaren Diode von einem Source-Widerstand des Feldeffekttransistors abgegriffen und der Anode der regelbaren Diode über eine HF-Drossel zugeführt. Vorteilhafterweise kann der Feldeffekttransistor ein in Source-Schaltung betriebener MOS-Feldeffekttransistor mit zwei Steuerelektroden sein, dessen erster Steuerelektrode die Regelspannung zugeführt wird, und dessen zweite Steuerelektrode über die regelbare Diode mit dem Verstärkereingang in Verbindung steht. Der Feldeffekttransistor kann auch ein in Gate-Schaltung betriebener MOS-Feldeffekttransistor mit zwei Steuerelektroden sein, dessen erster Steuerelektrode die Regelspannung zugeführt

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wird, dessen zweite Steuerelektrode an einer festen Vorspannung liegt und dessen Source-Elektrode über die regelbare Diode mit dem Verstärkereingang in Verbindung steht.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Feldeffekttransistor ein in Gate-Schaltung betriebener Sperrschicht-Feldeffekttransistor, dessen Steuerelektrode die Regelspannung zugeführt wird und dessen Source-Elektrode über die regelbare Diode mit dem Verstärkereingang in Verbindung steht.

Damit im gesamten Bereich der Regelung jeweils eine optimale Steuerspannung an der Eingangselektrode des Feldeffekttransistors anliegt, ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung an die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors eine Klemmdiode angeschlossen, die die Spannung an der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors gegen Ende des Regelbereichs auf einem vorbestimmten Wert festklemmt. Vorteilhafterweise ist dabei die Klemmdiode derart vorgespannt, daß der vorbestimmte Spannungswert, auf dem sie die Source-Spannung des Feldeffekttransistors festklemmt, gleich oder größer als die Abschnürspannung der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors ist, an der die Regelspannung anliegt.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert.Es zeigen:

Fig.1 ein Diagramm der Kreuzmodulationsfestigkeit bei einem bekannten Verstärker und bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Verstärker in Abhängigkeit von der Verstärkungsregelung und

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Fig·2 bis 5 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen regelbaren Verstärkers.

In Fig.1 veranschaulicht die Kurve 1 den Verlauf der Kreuzmodulationsfestigkeit eines mit einem Feldeffekttransistor ausgestatteten bekannten regelbaren Verstärkers« In diesem Diagramm ist die Stör spannung u"«+.«- für einen Kreuzmodulationsfaktor K=1?a über der Verstärkungsregelung aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß die Kreuzmodulationsfestigkeit mit zunehmender Abregelung zwar zunimmt, wie die gestrichelte Linie 2 andeutet, doch zeigt das Diagramm auch, daß die Kurve Einbruchsbereiche A und B aufweist, in denen die Kreuzmodulationsfestigkeit schlecht ist. Hit Hilfe des nachfolgend zu beschreibenden Verstärkers wird eine durch die Kurve 3 veranschaulichte Kreuzmodulationsfestigkeit erreicht, die gegenüber der Kurve 1 eine deutliche Verbesserung darstellt.

Fig.2 zeigt eine regelbare Verstärkerschaltung, die beispielsweise im Tuner eines Fernsehempfängers verwendet werden kann. Diese Schaltung enthält als verstärkendes Bauelement einen MOS-Feldeffekttransistor 4 mit zwei Gate-rElektroden 5 und 6. Der Gate-Elektrode 5 wird über den Eingang 7 die übliche Regelspannung zugeführt, die eine Verstärkungsabregelung bewirkt, indem sie eine zunehmende Verringerung des Drain-Stroms des Feldeffekttransistors 4 herbeiführt.

Das zu verstärkende Hochfrequenzsignal wird dem Verstärker am Eingang 8 zugeführt, von wo aus es über einen Koppelkondensator C1 zu einem Eingangsfilter aus der Spule L1 und dem Kondensator C2 gelangt. Am Ausgang 9 des Eingangsfilters ist die Katode einer PIN-Diode D1

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angeschlossen, deren Anode über einen Koppelkondensator C3 mit der Gate-Elektrode 6 des Feldeffekttransistors 4 in Verbindimg. steht. Yon der Gate-Elektrode 6 führt ein Widerstand Rl zur positiven Klemme der Versorgungsspanmmg, und ein Widerstand R3 führt nach Masse.Diese Widerstände legen die Vorspannung an der Gate-Elektrode 6 fest.

Der Sofurce-Widerstand des Feldeffekttransistors 4 besteht aus zwei Binzelwiderständen R3 und R4.Zwischen den Verbindungspunls&der beiden Widerstände R 3 und R4 und dem YerbindungsrptBokt zwischen der Diode D1 und dem Koppelkondensator C3 liegt eine der HF-Entkopplung dienende Drossel Dr. Über diese Drossel kann an die Anode der PIN-Diode D1 eine Vorspannung angelegt werden. Mit der Source-Elektrode 10 des Feldeffekttransistors 4 ist die Katode einer Klemmdiode Ώ2. verbunden, an deren Anode von einem Spannungsteiler aus einem an Masse liegenden Widerstand R5 und einen Bit der positiven Klemme der Versorgungsspannung verbuoadenen Widerstand R6 eine Vorspannung angelegt wird»

Das Ausgangssignal des Verstärkers wird über einen Koppelkondensator C4 von der Spule L2 eines Ausgangskreises abgegriffen, der von dieser Spule L2 und von einem Kondensator C5 gebildet -wird und zwischen die Drain-Elektrode 12 des Feldeffekttransistors 4 und die positive Klemme der Versorgungsspannung eingeschaltet ist.

Bei der Beschreibung der Wirkungsweise der Schaltung von Fig.2 sei amgenomaen, daß dem Eingang 8 ein HF-Signal mit einer solchen Amplitude zugeführt wird, daß die Abregelung über die dem Eingang 7 zugeführte Regelspannung einsetzt. Bei Beginn der Abregelung fließt zunächst ein bestimmter,

relativ großer Drain-Strom durch den Feldeffekttransistor 4. Dieser Strom ruft im Widerstand R 4 einen Spannungsabfall hervor, der über die Drossel Dr die PIN-Diode D1 im leitenden Zustand hält. Zu Beginn des Regelbereichs hat die PIN-Diode D1 also keinen Einfluß auf die Abregelung. Zusätzlich zur Regelwirkung der an der Gate-Elektrode 5 anliegenden Regelspannung hat in diesem Bereich lediglich der vom Drain -Strom abhängige Spannungsabfall am Source-Widerstand R3, R4 eine abregelnde Wirkung.

Um den vollen Regelbereich des Transistors 4 auszunutzen, müßte an die Source-Elektrode 5 eine Regelspannung angelegt werden, die von positiven Werten bis zu negativen Werten reicht. Da eine solche Regelspannung üblichen Tunerschaltungen nicht zur Verfügung steht, muß eine Schaltungsmaßnahme getroffen werden, die bewirkt, daß der volle Regelbereich des Feldeffekttransistors mit einer ausschließlich positiven Regelspannung durchlaufen werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Spannung an der Source-Elektrode 10 des Feldeffekttransistors 4 durch Einspeisen eines Stroms in den Source-Widerstand R3, R4 erhöht wird.

An die Größe des Source-Widerstandes R3, R4 werden folgende Anforderungen gestellt: Einerseits soll dieser Widerstand groß sein, damit eine steile Regelwirkung über die Spannungsdifferenz zwischen der Gate-Elektrode 6 und der Source-Elektrode 10 erzielt wird, während er andrerseits nicht zu groß sein darf, damit der zur Anhebung der Source· Spannung eingespeiste Strom nicht einen zu großen Spannungsabfall am Source-Widerstand R3, R4 hervorruft ,der die Verstärkung unzulässig einschränkt,wenn nur eine begrenzte

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Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Damit der Source-Widerstand R3, R4 ausreichend groß gemacht werden kann, ohne daß der nachteilige zu große Spannungsabfall an ihm auftritt, wird die Spannung an der Source-Elektrode 10 mit Hilfe der Klemmdiode D2 auf einem vorbestimmten Wert festgeklemmt. Wenn dieser Wert beispielsweise auf 2,0 Volt festgelegt wird, wird die Spannung an der Anode der Klemmdiode D2 mit Hilfe der Widerstände R5 und R6 auf einen Wert von 2,7 Volt eingestellt. Wenn nun im Verlauf der Abregelung der Drain-Strom des Feldeffekttransistors 4 kleiner wird und die Source-Spannung unter 2,0 Volt sinkt, dann wird die Klemmdiode D2 leitend und führt dem Source-Widerstand R3, R4 gerade so viel Strom zu, daß der Spannungswert von 2 Volt an der Source Elektrode 10 aufrechterhalten wird.

Allgemein läßt sich feststellen, daß mit einer ausschließlich positiven Regelspannung an der Gate-Elektrode 5 des Feldeffekttransistors 4 der gesamte Regelbereich dann ausgenutzt werden kann, wenn für die von der Klemmdiode D2 festgehaltene Spannung an der Source-Elektrode 10 die Bedingung eingehalten wird, daß bei vollständig abgeregeltem Zustand des Feldeffekttransistors 4 der am Source-Widerstand festgeklemmte Spannungswert gleich oder größer als die Abschnürspannung der Gate-Elektrode 5 des Feldeffekttransistors 4 ist.

Wenn nun im Verlauf der Abregelung der Drain-Strom des Feldeffekttransistors 4 absinkt, sinkt der Spannungsabfall am Widerstand R4 unter die Schwellenspannung der PIN-Diode von etwa 0,7 Volt. Durch Einstellen des Verhältnisses der Werte der Widerstände R3 und R4 kann erreicht werden, daß dies nach einer Abregelung von etwa 10 dB

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erreicht wird. Die PIN-Diode D1 wird nun hochohmig, und sie wirkt wie ein stromgesteuerter Widerstand, der das HF-Signal abschwächt. Die PIN-Diode D1 trägt nun ebenfalls zur Abregelung der Verstärkung bei.

Bei der beschriebenen Schaltung bewirkt also zunächst der Feldeffekttransistor 4 die Abregelung, wobei die Klemmdiode D2 einen günstigen Arbeitsbereich des Feldeffekttransistors ermöglicht, wobei eine deutliche Anhebung der Kreuzmodulationsfestigkeit im Bereich des Einbruchs A von Fig.1 erzielt wird. Anschließend setzt die Regelwirkung der PIN-Diode D1 nach einer Abregelung von etwa 10 dB ein, was die Kreuzmodulationsfestigkeit im Bereich des Einbruchs B von Fig.1 wesentlich verbessert. Der Verstärker mit diesem Regelverhalten ergibt dann den in Fig.1 mit der Kurve 2 angegebenen Verlauf der Kreuzmodulationsfestigkeit.

In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die sich vom Ausführungsbeispiel von Fig.2 nur dadurch unterscheidet, daß die PIN-Diode D1 vor dem Eingangsfilter aus der Spule L1 und dem Kondensator C2 liegt.Hinsichtlich der Regelwirkung verhält sich diese Ausführungsform ebenso wie die in Fig.2 dargestellte Schaltung.

Während bei den bisher beschriebenen Ausführungen der MOS-Feldeffekttransistor in Source-Schaltung betrieben wurde, arbeitet der MOS-Feldeffekttransistor 4 im Ausführungsbeispiel von Fig.4 in Gate-Schaltung. Bei diesem Beispiel ist die Eingangselektrode des Feldeffekttransistors die Source-Elektrode 10, der das HF-Signal zugeführt wird.

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Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt auch bei dieser Schaltung die Abregelung zunächst durch den Feldeffekttransistor 4, während die Regelwirkung der PIN-Diode D1 erst nach einer Abregelung durch den Feldeffekttransistor um etwa 10 dB einsetzt.

In dem in Fig.5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anstelle des MOS-Feldeffekttransistors ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor 13 verwendet, an dessen einziger Gate-Elektrode 14 die Regelspannung anliegt. Dieser Sperrschicht-Feldeffekttransistor 13 wird in Gate-Schaltung betrieben;seine Source-Elektrode 15 empfängt das HF-Signal. Hinsichtlich der Regelwirkung verhält sich auch diese Schaltung wie die oben beschriebenen Schaltungen.

Der beschriebene regelbare Verstärker zeichnet sich durch einen geringen Aufwand an Bauelementen aus, und er ergibt beim Eiasatz in HF-Eingangsstufen eine beträchtliche Verbesserung des Großsignalverhaltens. Er ermöglicht eine gute Ausnützung des Regelumfangs, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn nur eine begrenzte Betriebsspannung zur Verfügung steht.

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Claims

Pate ntansprüche

Regelbarer Verstärker für HF-Eingangsstufen mit einem Feldeffekttransistor, dem an einer Steuerelektrode eine Regelspannung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen der Eingangselektrode (6, 10) des Feldeffekttransistors (4, 13) und dem Verstärkereingang (8) eine regelbare Diode (D1) angeordnet ist, die derart vorgespannt ist, daß bei Einsatz der Regelung erst der Feldeffekttransistor (4,13) um etwas 10 dB abregelt, ehe die Regelung durch die Diode (D1) einsetzt.
2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Diode (D1) eine PIN-Diode ist.
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Diode (D1) zwischen dem Verstärkereingang (8) und einem dem Feldeffekttransistor (4,13) vorgeschalteten Eingangsfilter (L1,C2) liegt.
4. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die regelbare Diode zwischen einem dem Feldeffekttransistor (4, 13) vorgeschalteten Eingangsfilter (L1, C2) und der Eingangselektrode (6, 10) des Feldeffekttransistors (4, 13) liegt.
5. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der regelbaren Diode (D1) von einem Source-Widerstand (R4) des Feldeffekttransistors (4, 13) abgegriffen und der Anode der regelbaren Diode (D1) über eine HF-Drossel (Dr) zugeführt wird.

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6. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß der Feldeffekttransistor ein in Source-Schaltung betriebener MOS-Feldeffekttransistor (A) mit zwei Steuerelektroden (5,6) ist, dessen erster Steuerelektrode (5) die Regelspannung zugeführt wird und dessen zweite Steuerelektrode (6) über die regelbare Diode mit dem Verstärkereingang (8) in Verbindung steht.
7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der FeldeffekttransL stör ein in Gate-Schaltung betriebener MOS-Feldeffekttransistor (4) mit zwei .Steuerelektroden (5, 6) ist, dessen erster Steuerelektrode (5) die Regelspannung zugeführt wird, dessen zweite Steuerelektrode (6) an einer festen Vorspannung liegt und dessen Source-Elektrode (10) über die regelbare Diode (D1) mit dem Verstärkereingang (8) in Verbindung steht.
8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (13) ein in Gate-Schaltung betriebener Sperrschicht-Feldeffekttransistor (13) ist, dessen Steuerelektrode die Regelspannung zugeführt wird und dessen Source-Elektrode (10) über die regelbare Diode (D1) mit dem Verstärkereingang (8) in Verbindung steht.
9. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Source-Elektrode (10) des Feldeffekttransistors (4, 13) eine Klemmdiode (D2) angeshhlossen ist, die die Spannung an der Source-Elektrode (10) des Feldeffekttransistors (4, 13) gegen Ende des Regelbereichs auf einem vorbestimmten Wert festklemmt.

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10. Verstärker nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmdiode (D2) derart vorgespannt ist, daß der vorbestimmte Spannungswert, auf dem sie die Source-Spannung des Feldeffekttransistors (4, 13) festklemmt, gleich oder größer als die Abschnürspannung der Steuerelektrode (5, 14) des Feldeffekttransistors (4, 13) ist, an der die Regelspannung anliegt«

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