DE2543090A1 - Verstaerker mit steuerbarer verstaerkung, der mindestens einen transistor in emitterschaltung enthaelt - Google Patents

Description

• Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der mindestens einen
• Transistor in Emitterschaltung enthält Die Erfindung betrifft einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der mindestens einen Transistor in Emitterschaltung enthält und bei dem einem Gleichstromemitterwiderstand als veränderbarer lechselstromwiderstand eine Diodenanordnung paral.lel geschaltet ist, die in wenigstens einem Zweig eine Diodenschaltung enthält.
• Ein derartiger Verstärker ist bereits aus der DT-PS 1 930 926 bekazzmt. Der bekannte Verstärker enthält einen Transistor in Emitterschaltung, bei dem in der Emitterzuführung ein Gegenkopplirngswiderstand angeordnet ist. Parallel zu diesem Widerstand ist über einen Kondensator eine Diode angeschlossen.
• Parallel zu der Diode ist mit Hilfe eines weiteren Kondensators eine zusätzliche Diode geschaltet. Beide Dioden sind für die am Emitterwiderstand liegende Wechselspannung parallel, für einen Steuergleichstrom dagegen in Serie geschaltet. Der Emitter«,riderstand ist groß gegen den durchsteuerbaren Widerstandsbereich der beiden Dioden.
• Die Verwendung von Dioden als variabler Widerstand hat den Vorteil, daß eine relativ genaue Zuordnung zwischen dem Diodenstrom als Steuergröße und dem differentiellen Diodenwiderstand als Stellgliedgröße besteht. Andererseits kann es sichjedoch bei Verwendung von Dioden als variabler Widerstand nachteilig auswirken, daß sie sehr stark nichtlinear sind.
• Bei den Klirrforderungen, wie sie insbesondere an Umsetzer von Einrichtungen der Trägerfrequenztechnik gestellt werden, kann dies die Signalspannung an einer einzelnen Diode auf einige zehntel Millivolt beschränken. Bei derartig kleinen Signalspannungen wird das thermische Rauschen zu einem bestimmenden Faktor bei der Realisierung eines Diodenstellgliedes.
• Theoretisch läßt sich ein beliebig gutes Signal- zu Geräuschverhältnis durch Serienschaltung einer ausreichenden Anzahl von Dioden erzielen. Unangenehmer Weise steigt jedoch der erforderliche Steuerstrom bzw. der Gleichstrom durch die Dioden mit der Diodenzahl, so daß man bald unrealistische Steuerströme erreicht.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Verstärker der vorstehend näher bezeichneten Art derart auszubilden, daß er bei möglichst niedrigem Steuerstrom eine Regelung mit hohem Signal- zu Geräusch-Verhältnis ermöglicht.
• Gemäß der Erfindung wird der Verstärker zur Lösung dieser Aufgabe derart ausgebildet, daß bei dem zwei Emitterstufen enthaltenen Verstärker der über den Gleichstromemitterwiderstand an Bezugspotential geführte Emitter des Transistors der Ausgangsstufe über einen Kondensator mit der Basis des Transistors der Eingangsstufe verbunden ist und daß die Diodenschaltung mehrere einander in Serie geschaltete Dioden enthält. Durch diese Maßnahmen ergibt sich in vorteilhafter Weise durch das Zusammenwirken der Verstärker- und Stellgliedeigenschaften eine besonders rauscharme Regelung in Verbindung mit einer sehr konstanten Zuordnung zwischen Steuerstrom und Regelverstärkung.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung läßt sich das Rauschen des Verstärkers dadurch noch weiter herabsetzen, daß parallel zu dem Kondensator ein Widerstand geschaltet ist. Der Wert des Widerstandes wird insbesondere so groß gewählt, daß er durch den Kondensator im Verstärkungs-Frequenzbereich praktisch kurzgeschlossen ist, so daß der im Widerstand erzeugte thermische Rauschstrom keine wesentliche Rauschspannung verursachen kann.
• In Weiterbildung der Erfindung läßt sich der Frequenzgang der kapazitiven Gegenkopplung dadurch ausgleichen, daß zwischen den Eingang des Verstärkers und der Basis des Transistors der Eingangsstufe ein Kondensator, insbesondere mit einstellbarer Kapazität, angeordnet ist. Macht man den der Basis des Transistors vorgeschalteten Kondensator einstellbar, so läßt sich mit Hilfe dieses Kondensators in vorteilhafter Weise eine kontinuierliche Pegeleinstellung bei besonders hoher Betriebssicherheit vornehmen.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 4 bis 12.
• Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• Es zeigen Fig. 1 einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der ein Stellglied mit Dioden enthält, Fig. 2 eine Ersatzschaltung einer Diode und Fig. 3 eine Prinzipschaltung des im Verstärker nach Fig. 1 enthaltenen Stellgliedes.
• Der in Fig. 1 gezeigte Verstärker enthält die Transistoren 31 und 32, von denen Transistor 31 in einer Eingangsstufe und der Transistor 32 in einer Ausgangsstufe angeordnet ist. Bei dem Transistor 31 ist der Emitter unmittelbar an Masse, die Basis über den Kondensator 21 an den Eingang E und der unmittelbar mit der Basis des Transistors 32 verbundene Kollektor über den Widerstand 11 an die Versorgungsspannung - U3 geführt.
• Bei dem Transistor 32 ist der Emitter über den Widerstand 13 an Masse und der Kollektor über den Widerstand 16 an die Versorgungsspannung - U3 gelegt. Am Eingang E liegt die Eingang wechselspannung UE, an dem als Lastwiderstand dienenden Widerstand 16 die Ausgangsspannung UL.
• Der Emitter des Transistors 32 ist ferner über eine Parallelschaltung aus dem Kondensator 22 und dem Widerstand 12 an. die Basis des Transistors 31 gefuhrt.
• Am Verbindungspunkt A des Emitters des Transistors 32 mit dem Widerstand 13 ist ein Stellglied 6 angeschlossen, das zum Zwecke einer automatischen Pegelregelung durch Veränderung des differentiellen Widerstandes eine variable Impedanz liefert, mit deren Hilfe die Verstärkung des Verstärkers erhöht bzw. verringert werden kann.
• Das Stellglied 6 enthält im Längszweig die Diodenschaltungen 41 und 42. Die Diodenschaltungen bestehen jeweils aus mehreren mit gleicher Polung in Serie geschalteten Dioden, was in Fig. 1 nicht näher dargestellt ist. Die Diodenschaltungen 41 und 42 sind mit ihren Kathoden zusammengeführt und gemeinsam an die Stromquelle 5 angeschlossen, die den Strom 2J liefert, und insbesondere Teil eines Pilotempfängers eines pilotgeregelten Trägerfrequenz-Ubertragungssystems sein kann.
• Als Dioden werden insbesondere Siliziumdioden verwendet.
• Die Anode der Diodenschaltung 41, die über den Kondensator 22 an den Verbindungspunkt A angeschlossen ist, ist über den Widerstand 14 an Masse geführt. Die Anode der Diodenschaltung 42 ist über den Widerstand 15 an Masse gelegt. Parallel zum Widerstand 1.5 liegt der Kondensator 24.
• Die verstärkungsbestimmenden Schaltelemente sind im wesentlichen die Kondensatoren 21 und 22, der Widerstand 16 sowie eine Widerstandskombination mit dem Widerstandswert gebildet, wobei R3 der Wert des Widerstandes 13, R4 der Wert des Widerstandes 14 und rD der differentielle Widerstand der Diodenschaltung 41 bzw. 42 ist.
• Die Worte der übrigen Schaltelemente sind so gewählt, daß ihr Einfluß auf die Verstärkung vernachlässigbar bleibt. Insbesondere ist R2>> 1 j#C2 1 4 1 + 2nr D 1 < R5 j#C4 # 2rD wobei R2 der Wert des Widerstandes 12, C2 die Kapazität des Kondensators 22, C3 die Kapazität des Kondensators 23, C4 die Kapazität des Kondensators 24 und R5 der Wert des Widerstandes 15 und n die Zahl der je Diodenschaltung 41 bzw. 42 vorgesehenen einzelnen Dioden ist.
• Damit zum Zwecke einer möglichst weitgehenden ak2-Kompensation beide Diodenschaltungen 41 und 42 etwa vom gleichen Strom J durchflossen werden, ist ferner R4 = R5.
• Eine Frequenzabhangi gkeit der Verstärkung wird vermieden durch Wahl von 1 t R.
• j#C2 Unter diesen Voraussetzungen ist die Spannungsverstärkung in guter Näherung UL = C1 . RL , UE C2 R wobei C2 die Kapazität des Kondensators 22 ist, 1 1 +1 1 1 R = R3 + R4 + 2nrD rD wobei UT die Temperaturspannung der Dioden ist.
• Die Temperaturspannung UT ist vom verwendeten Diodentyp abhängig. Sie soll vorzugsweise möglichst hoch sein, insbesondere UT = 50 mV bei Raumtemperatur.
• Die Anwendung einer kapazitiven Gegenkopplung mit Hilfe des Kondensators 22 erlaubt es, den Pegel am Stellglied 6 insbesondere auf Werte unter 2 mV abzusenken, ohne daß das thermische Rauschen des Verstärkers unzulässig ansteigt. Ein Widerstand an Stelle des Kondensators 22 würdeunter ansonst gleichen Umständen das Rauschen um eine Größenordnung erhöhen.
• Zur Einstellung des Arbeitspunktes ist der Kondensator 22 mit einem Widerstand 12 überbrückt. Der Widerstand 12 und der Kondensator 22 werden vorzugsweise so gewählt, daß die vom Widerstand 12 herrührende Rauschspannung durch den Kondensator 22 weitgehend kurzgeschlossen wird. Der Frequenzgang der kapazitiven Gegenkopplung wird ausgeglichen durch den Kondensator 21 am Verstärkereingang.
• Die Verstärkung ist, unter Voraussetzung der oben angegebenen Dimensionierungsregeln, von der Frequenz unabhängig. Vorzugsweise ist der Kondensator 21 ein Trimmerkondensator, der eine kontinuierliche Pegeleinstellung ermöglicht.
• Bei Verwendung von rauscharmen Transistoren läßt es sich erreichen, daß der Rauschbeitrag der Verstärkerschaltung gegen den des Stellgliedes 6 vernachlässigbar klein ist. Man kann andererseits zugunsten kostengünstiger Transistoren von dieser an sich optimalen Dimensionierung abweichen.
• Das Stellglied 6 ist an den Verstärker am Punkt A angeschaltet. An dieser Stelle A ist der differentielle Widerstand, in den Verstärker hinein gesehen, vernachlässigbar klein. Oberwellenströme, die im Stellglied 6 erzeugt werden, können daher an dieser Stelle keine nennenswerte Spannung aufbauen. Wird an den Eingang E des Verstärkers eine reine Sinusspannung angelegt, dann liegt bei entsprechender Dimensionierung des Verstärkers eine ebensolche am Stellglied 6 an.
• Die vom Stellglied 6 erzeugten Oberwellenströme und Rauschströme fließen über den Transistor 32 zum Ausgang ab und überlagern sich dem reinen Signalstrom. Der Signalstrom am Verstärkerausgang und der über das Stellglied 6 sind angenähert gleich. Die Klirr- und Rauschabstände ergeben sich daher direkt aus dem Verhältnis Störstrom zu Signalstrom im Stellglied 6.
• Zur Berechnung des Klirr- und Rauschbeitrages des Stellgliedes 6 kann die in Fig. 2 gezeigte Ersatzschaltung der Dioden angewandt werden.
• Dabei sind J der Dioden-Gleichstrom, i1 der Effektivwert des Wechselstromes der Grundwelle, ik2, ik3 ... der Effektivwert der Klirrströme bzw. Oberwellen.
• der quadratische Mittelwert des Rauschstromes und rD der differentielle Widerstand einer Diode.
• UT . i Es betragen rD = 3 mit u1 = rD Der quadratische Mittelwert des Rauschstromes beträgt beispielsweise für eine Frequenz Af = 3,1 kH.
• Bei der in Fig. 3 gezeigten Prinzipschaltung des Stellgliedes 6 liegt zwischen dem Anschluß A und Masse der Widerstand R . Dieser Widerstand ergibt sich aus den Widerständen 13 und wie folgt: Rp= 1 1 R3 + R4 Der eingeprägte Gleichstrom 2J teilt sich auf zwei Zweige auf. Im einen Zweig ist eine Diodenschaltung mit den Dioden 411 ... 41N, im anderen Zweig eine Diodenschaltung mit den Dioden 421 ... 42N angeordnet. Die Serienschaltung der beiden Diodenschaltungen liegt parallel zum Widerstand Rp.
• Am Punkt A bzw. am Stellglied liegt die Signalspannung U0 für die Grundwelle. Die am Punkt A in das Stellglied fließenden Ströme sind der Signalstrom i0, die Oberwellenströme i2, i3 usw.
• Mit i ist der quadratische Mittelwert des Rauschstromes bezeichnet.
• Bei idealer Übereinstimmung aller Dioden 311 ... 421 ist der Oberwellenstrom i2 O.
• 12 Patentansprüche 3 Figuren L e e r s e i t e

Claims (12)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e rrstärker mit steuerbarer Verstärkung, der mindestens einen Transistor in Emitterschaltung enthält und bei dem einem Gleichstromemitterwiderstand als veränderbarer Wechselstromwiderstand eine Diodenanordnung parallel geschaltet ist, die in wenigstens einem Zweig eine Diodenschaltung enthält, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei dem zwei Emitterstufen enthaltenden Verstärker der über den Gleichstromemitterwiderstand (13) an Bezugspotential (Masse) geführte Emitter des Transistors (32) der Ausgangsstufe über einen Kondensator (22) mit der Basis des Transistors (31) der Eingangsstufe verbunden ist und daß die Diodenschaltung (41, 42) mehrere einander in Serie geschaltete Dioden (411 ... 41N; 42N ... 421) enthält (Fig. 1, 3).
2. 2. Verstärker nach Anspruch 1, d a d <1 u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß parallel zu dem Kondensator (22) ein Widerstand (12) geschaltet ist.
3. 3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Eingang (E) des Verstärkers und der Basis des Transistors (31) der Eingangsstufe ein Kondensator (21), insbesondere mit einstellbarer Kapazität, angeordnet ist.
4. 4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Diodenanordnung in einem Längszweig zwei mit zueinander entgegengesetzter Polung in Serie geschaltete Diodenschaltungen (41, 42) auf der einen Seite über einen ersten Kondensator (23) an den Gleichstromemitterwziderstand (13) und auf der anderen Seite über einen zweiten Kondensator (24) an Bezugspotential (Masse) geführt ist und daß der Verbindungspunkt der beiden Diodenschaltungen (41, 42) an eine Gleichstromquelle (5) angeschlossen ist und daß die anderen Anschlüsse der Diodenschaltungen (41, 42) jeweils über einen Widerstand (14, 15) an Bezugspotential (Masse) geführt sind.
5. 5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Emitter des Transistors (31) der Eingangsstufe unmittelbar an Bezugspotential (Masse) und der Kollektor unmittelbar an die Basis des Transistors (32) der Ausgangsstufe geführt ist.
6. 6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Temperaturspannung der Dioden (411 ... 41N; 421 ... 42N) etwa 50 mV bei einer Temperatur von 200 C beträgt.
7. 7. Verstärker nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Wert des parallel zum Kondensator (22) geschalteten Widerstandes (12) sehr viel größer als der Scheinwiderstand des Kondensators (22) ist.
8. 8. Verstärker nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die beiden Widerstände (14, 15), über die die Diodenanordnung an Bezugsposential geführt ist, gleich groß bemessen sind.
9. 9. Verstärker nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein zwischen der Diodenanordnung und dem Gleichstromemitterwiderstand (13) angeordneter Kondensator (23) derart bemessen ist, daß sein Scheinwiderstand sehr viel kleiner ist als der Widerstandswert einer Parallelschaltung, gebildet durch den vom Verbindungspunkt des Kondensators (23) mit der Diodenanordnung (41) nach Bezugspotential (Masse) geführten Widerstand (14) und dem differenziellen Widerstand des Längszweiges der Diodenanordnung.
10. 10. Verstärker nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein zwischen der Diodenanordnung und Bezugspotential (Masse) liegender Kondensator (24) derart bemessen ist, daß sein Scheinwiderstand sehr viel kleiner ist als der Widerstandswert einer Parallelschaltung, gebildet durch den vom Verbindungspunkt des Kondensators (24) mit der Diodenanordnung nach Bezugspotential (Masse) geführten Widerstand (15) und dem differentiellen Widerstand des Längszweiges der Diodenanordnung.
11. 11. Verstärker nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der zwischen den beiden Verstärkerstufen gelegene Kondensator (22) derart bemessen ist, daß sein Scheinwiderstand wesentlich größer ist als der Widerstandswert der Parallelschaltung aus dem Gleichstromemitterwiderstand (13), dem von der Diodenanordnung nach Bezugspotential führenden Widerstand (14) und dem differentiellen Widerstand des Längszweiges der Diodenanordnung.
12. 12. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e -k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Verwendung in Einrichtungen zur automatischen Pilotregelung in Trägerfrequenz-Ubertragungssystemen, insbesondere in Verbindung mit Primärgruppen-Umsetzern.