DE2533355C3

DE2533355C3 - Regelbarer Verstärker für HF-Eingangsstufen

Info

Publication number: DE2533355C3
Application number: DE2533355A
Authority: DE
Inventors: Josef 8051 Langenbach 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: 1985-12-05
Also published as: DE2533355A1; JPS617765B2; FR2319241A1; DE2533355B2; US4057765A; NL7608190A; JPS5252352A; FR2319241B1; GB1550122A; IT1073966B

Description

Die Erfindung bezieht sieh auf einen regelbaren Verstärker für H F-Eingangsstufen mit einem Transistor, dem an seiner Steuerelektrode eine Regelspannung zugeführt ist und bei dem in die Verbindung zwischen iler Signaleingiingselcktrodc des Transistors und dem Verslilrkereinpaiig eine regelbare Diode eingefügt ist, wobei der Transistor ein Feldeffekttransistor ist

Das Prinzip eines solchen regelbaren Verstärkers ist bereits bekannt (Telefunken- Fachbuch »Der Transistor 11«, Franzis-Verlag, München 1962, Seiten 166 bis 168),

*> wobei jedoch als Transistor ein bipolarer Transistor verwendet wird Bei dieser bekannten Verstärkerschaltung wird das Prinzip der verzögerten Regelung angewendet, wobei sich jedoch keinerlei Angaben über die anzuwendende Dimensionierung, insbesondere über

to die Einsatzpunkte der verzögerten Regelung, erkennen lassen. Die Dimensionierung ist jedoch für das gewünschte Verhalten einer solchen Verstärkerschaltung von ausschlaggebender Bedeutung.
Es sind auch bereits Verstärkerschaltungen bekannt (Hillbrand »Feldeffekttransistoren in analogen und digitalen Schaltungen«, Franzis-Verlag, München 1972, Seite 111; Funkschaw 41 (1969), Heft 1. Seiteil), in denen eine Verstärkungsregelung angewendet wird. Die Verstärkungsregelung wirkt dabei jedoch einstufig, was zur Folge hat daß das Großsignalverhalten der Verstärker unbefriedigend ist

In der DE-OS 18 12 292 ist eine einstufige Regelung bei einem Verstärker mit einem Dual-Gate-Feldcffekt-Iransistor beschrieben. Das zu verstärkende Signal wird dabei einer Gate-Elektrode zugeführt, und die Vcrstärkungsrcgelspannung wird der anderen Gate-Elektrode zugeführt. Auf Grund der nur einstufigen Regelung ist das GroiJsignalverhalten dieser Schallung unbefriedigend

w Es ist auch bereits ein Verstärker bekannt (NTZ26 (1973), Heft 10, Seite AU), der einen bipolaren Hochstromtransistor enthält und bei dem eine Verstärkungsregelung mit Hilfe einer PIN-Diode vorgenommen wird. Diese PIN-Diode wirkt als Dämpfungsglied, das die an den Hochstromtransistor gelangenden HF-Signale dämpft Diese Schaltungsmaßnahme dient zwar der Verbesserung der Kreuzmodulationsfestigkeit doch zeigt der Verlauf der Kreuzmodulationsfestigkeit in zunehmender Verstärkungsabregelung bei ansteigender Tendenz deutliche Einbrüche, an denen die Kreuzmodulationsfestigkeit schlecht ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen regelbaren Verstärker der eingangs angegebenen Art derart auszugestalten, daß eine wesentliche Vcrbesse-

«·> rung der Kreuzmodulationsfestigkeit erzielt wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die regelbare Diode mittels einer von einem Source-Wiilcrstand des Feldeffekttransistors abgegriffenen Spannung derart vorgespannt ist, daß beim

w Einsatz der Regelung erst der Feldeffekttransistor um etwa 10 dB abregelt, ehe die Regelung durch die Diode einsetzt

Beim erfindungsgemäßen Verstärker wird ein dem Verstärkereingang zugeführtes HF-Signal zunächst

unbeeinflußt von der regelbaren Diode ausschließlich mittels der der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors zugeführten Regelspannung geregelt 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 zeigt, wird eine deutliche Anhebuiig erzielt.

In einer Weilerbildimg der Erfindung ist die regelbare

Diode eine PIN-Diode, da sich diese wie ein Widerstand verhält und daher ein lineares Regelverhalten ergibt

Zur Erzielung eines großen Regelhubs ist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die regelbare Diode zwischen dem Verstärkereingang und einem dem Feldeffekttransistor vorgeschalteten Eingangsfilter Hegt Wenn es besonders darauf ankommt, eine möglichst geringe Verstimmung des Eingangskreises zu verursachen, ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die regelbare Diode zwischen einem dem Feldeffekttransistor vorgeschalteten Eingangsfilter und der Eingangselektrode des Feldeffekttransistors liegt

Zur Erzielung einer HF-Entkopplung wird in Weiterbildung der Erfindung die Vorspannung der regelbaren Diode über eine HF-Drossel zugeführt

Eine besonders bei höheren Frequenzen vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Feldeffekttransistor ein in Source-Schaltung oetriebener MOS-Feldeffekttransistor mit zwei Steuerelektroden ist, dessen erster Steuerelektrode die Regclspannung zugeführt wird und dessen zweite Steuerelektrode über die regelbare Diode mit dem Verstärkercingang in Verbindung steht Dagegen eignet sich für höhere Frequenzen die Weiterbildung der Erfindung besonders gut, die darin besteht, daß der Feldeffekttransistor ein in Gate-Schaltung betriebener MOS-Feldeffekttransistor mit zwei Steuerelektroden ist, dessen erster Steuerelektrode die Regelspannung zugeführt wird, dessen zweite Steuerelektrode an einer festen Vorspannung liegt und dessen Source-Elektrode über die regelbare Diode mit dem Verstärkereingang in Verbindung steht

Ein besonders gutes Rauschverhalten kann erzielt werden, wenn in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen wird, daß der Feldeffekttransistor ein in Gate-Schaltung betriebener Sperrschicht-Feldeffekttransistor ist, dessen Steuerelektrode die Regelspannung zugeführt wird, und dessen Source-Elektrode über die regelbare Diode mit dem Verstärkereingang in Verbindung steht

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert Es zeigt

Fig. I ein Diagramm der Kreu/modulationsfestigkeil bei einem bekannten Verstärker und bei dein nach der Erfindung ausgebildeten Verstärker in Abhängigkeit von der Verstärkungsregelung und

F i g. 2 bis 5 Ausführungsbcispiclc des erfindungsgemäßen regelbaren Verstärkers.

In F i g. 1 veranschaulicht die Kurve 1 den Verlauf der Kreuzmodulationsfestigkeit eines mit einem Feldeffekttransistor ausgestatteten bekannten regelbaren Verstärkers. In diesem Diagramm ist die Störspannung Usiör für einen Kreuzmodulationsfaktor K= 1% 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 Mit 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. Dies·; Schaltung enthält als verstärkendes Bauelement einen MOS-Feldeffekttransistor 4 mit zwei Gate-Elektroden 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 ^r> herbeiführt

Das zu verstärkende Hochfrequenzsignal wird dem Verstärker am Eingang 8 zugeführt von wo aus es über einen Koppclkondcnsalor Cl zu einem Kicigangsfiller aus der Spule L 1 und dem Kondensator C1 gelangt

ίο Am Ausgang 9 des Eingangsfilters ist die Kathode einer PIN-Diode D1 angeschlossen, deren Anode über einen Koppelkondensator C3 mit der Gate-Elektrode 6 des Feldeffekttransistors 4 in Verbindung steht Von der Gate-Elektrode 6 führt ein Widerstand R1 zur positiven Klemme der Versorgungsspannung, und ein Widerstand R2 führt nach Masse. Diese Widerstände legen die Vorspannung an der Gate-Elektrode 6 fest.

Der Source-Widerstand des Feldeffekttransistors 4 besteht aus zwei Einzelwiderständen A3 und /74.

2« Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände R 3 und R 4 und dem Verbindungspiinkt /.wischen der Diode D I und dem Koppclkondcnsutor CZ liegt eine der H[-'-Entkopplung dienende Drossel Dr. Über diese Drossel kann an die Anode der PIN-Diode

2^r> Dl eine Vorspannung angelegt werden. Mit der Source-Elektrode 10 des Feldeffekttransistors 4 ist die Kathode einer Klemmdiode D 2 verbunden, an deren Anode von einem Spannungsteiler aus einem an Masse liegenden Widerstand R 5 und einem mit der positiven Klemme der Versorgungsspannung verbundenen Widerstand R 6 eine Vorspannung angelegt wird.

Das Ausgangssignal des Verstärkers wird dem Ausgang U über einen Koppelkondensator C4 von der Spule L 2 eines Ausgangskreises abgegriffen, der von dieser Spule L 2 und von einem Kondensator CS 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 F i g. 2 sei angenommen, daß dem Eingang 8 ein HF-Signal mit einer solchen Amplitude zugeführt wird, daß die Abregelung über die dem Eingang 7 zugeführte Regelspuniuing einsetzt. Bei Beginn der Abregelung fließi /uniichst ein bestimmter,

■r, relativ großer Drain-Strom durch den Feldeffekttransistor 4. Dieser Strom ruft im Widersland R4 einen Spannungsabfall hervor, der über die Drossel Dr die PIN-Diode DI im leitenden Zustand hält. Zu Beginn des Regelbereichs hat die PIN-Diode Di also keinen

W 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 a.n Source-Widerstand R 3, R 4 eine abregelnde Wirkung.

Um den vollen Regelbereich des Transistors 4 auszunutzen, müßte an die Gate-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 Rcgelspannung durchlaufen werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreich! werden, dal!

h^ri die Spannung an der Source-KickI rode 10 des Feldeffekttransistors 4 durch Einspeisen eines Stroms in den Sourcc-Widerstand R3.R4 erhöht wird.

An die Größe des Source-Widerstandes Kl, R4

werden folgende Anforderungen gestellt: Kinerseils soll dieser Widerstund groß sein, damit eine steile Kcgclwirkunt; über die Spannungsdifferenz zwischen der Galc-Elcktrode 6 und der Sourcc-Elcktrode 10 er/.iclt wird, während er andrerseits nicht zu groß sein darf, damit der zur Anhebung der Sourcc-Spannung eingespeiste Strom nicht einen zu großen Spannungsabfall am Source-Widerstand R 3, R 4 hervorruft, der die Verstärkung unzulässig einschränkt, wenn nur eine begrenzte Versorgungsspannung zur Verfügung steht Damit der Source-Widerstand /73, RA 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 D 2 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 R 5 und R 6 auf einen Wert von 2,7 Volt eingestellt. Wenn nun im Verlauf der Abregelung der Drain-Strom des Feldeffekttransistors 4 kleiner wird und die Sourcc-Spannung unter 2,OVoIt sinkt, dann wird die Klemmdiode D 2 leitend und führt dem Source-Widerstand R 3, R 4 gerade so viel Strom zu, daß der Spannungswert von 2 Volt an der Source- Elektrode tO r> 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 D 2 festgehaltene Spannung an der Source-Elektrode 10 die Bedingung eingehalten wird, daß bei vollständig abgeregeltem Zustand des Feldeffekttransistors 4 der am Source-Widerstand testgeklemmte 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 R 4 unter die Schwellenspannung der PIN-Diode von etwa 0,7 Volt. Durch Einstellen des Verhältnisses der Werte der Widerstände A3 und R4 kann erreicht werden, daß dies nach einer Abrcgclung vors etwa 1OdB erreicht wird. Die PIN-Diode D1 wird nun hochohmig, und sie wirkt wie 4"> ein stromgestcucrlcr 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 D 2 einen günstigen Arbeitsbereich des Feldeffekttransistors ermöglicht, wobei eine deutliche Anhebung der Kreuzmodulationsfestigkeit im Bereich des Einbruchs A von F i g. 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 F i g. 1 wesentlich verbessert. Der Verstärker mit diesem Regelverhalten ergibt dann den in F i g. 1 mit der Kurve 2 angegebenen Verlauf der Kreuzmodulationsf e stigkeit

In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die sich vom Ausführungsbeispiel von F i g. 2 nur dadurch unterscheidet, daß die PIN-Diode D1 vor dem Eingangsfilier aus der Spule L1 und dem Kondensator C 2 liegt Hinsichtlich der Regelwirkung verhält sich diese Ausführungsform ebenso wie die in F i g. 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 F i g. 4 in Gate-Schaltung. Bei diesem Beispiel ist die Eingangselektrode des Feldeffekttransistors die Source-Elektrode 10, der das HF-Signal zugeführt wird.

Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt auch bei dieser Schaltung die Abregelung zunächst durch den Feldeffekttransistor 4, während die Regelwirkung der PIN-Diode Dl 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 Einsatz in HF-Eingangsstufen eine beträchtliche Verbesserung des Großsignalverhaltens. lir ermöglicht eine gute Ausnutzung des Regelumfangs, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn nur eine begrenzte Betriebsspannung zur Verfügung steht

Hierzu 3 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regelbarer Vcrslärkcr für HF-Eingangsstufen mil einem Transistor, dem an seiner Steuerelektrode cine Regelspannung zugeführt ist und bei dem in die Verbindung zwischen der Signalcingangselektrodc des Transistors und dem Verstärkereingang eine regelbare Diode eingefügt ist. wobei der Transistor ein Feldeffekttransistor ist, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Diode (D 1) mittels einer von einem Source-Widerstand (R 4) des Feldeffekttransistors (4,13) abgegriffenen Spannung derart vorgespannt ist, daß beim Einsatz der Regelung erst der Feldeffekttransistor um etwa 10 dB abregelt, ehe die Regelung durch die Diode (D 1) einsetzt

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die regeibare Diode (D 1) eine PIN-Diode ist

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Diode (D 1) /wischen dem Verslärkereingang (8) und einem dem Feldeffekttransistor (4, 13) vorgeschalteten F.ingangsfillcrf/. 1.C2) liegt.

4. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Dk>de zwischen einen» dem Feldeffekttransistor (4.13) vorgeschalteten Kingangsfiltcr (I. I. C'2) und der Kingangsclekirodc(6,10) des Feldeffekttransistors (4,13) liegt

5. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Anode der regelbaren Diode (Di) über eine HF-Drossel (DrJ xugeführt wird.

6. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß der Feldeffekttransistor ein in Source-Schaltung betriebener MOS-Feldeffekttransistor (4) 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 Feldeffekttransistor ein in (iatc-Schaltung betriebener MOS-Feldeffekttransistor (4) mit zwei Steuerelektrode!! (5,6) ist, dessen erster Steuerelektrode (5) die Regelspannung zugeführt wird, dessen zweite Steuerelektrode (6) an einer festen Vorspannung liegt und dessen Sourcc-Klektrode (10) über die regelbare Diode (Di) mit dein Verslärkereingang (8) in Verbindung steht

8. Verstärker nach einem der Ansprüche I 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 (Dl) mit dem Verstärkereingang (8) in Verbindung steht