DE2543090B2

DE2543090B2 - Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der mindestens einen Transistor in Emitterschaltung enthält

Info

Publication number: DE2543090B2
Application number: DE19752543090
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Volejnik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-26
Filing date: 1975-09-26
Publication date: 1980-11-20
Also published as: DE2543090C3; DE2543090A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der mindestens einen Transistor in Emitterschaltung enthält, bei dem einem an Bezug.-φο-tential (Masse) geführten Gleichstromemiuerwiderstand ein als Diodenanordnung mit zwei Z.veigen .| gegenpolig geschalteter Dioden ausgebildetes, durch einen veränderbaren Steuergleichstrorri steuerbares Stellglied als veränderbarer Wechselstromwi-Jerstar.d parallel geschaltet ist, wobei am Eingang des Verstärkers ein erster Kondensator vorgesehen ist. -·

Ein derartiger Verstärker ist bereits aus der DE-AS 48 704 bekannt. Der bekannte Verstärker enthält einen Transistor in Emitterschaltung, bei dem in der Emitterzuführung ein Gegenkopplungswiderstand angeordnet ist. Parallel zu diesem Widerstand ist über ι einen Kondensator ein als Diodenanordnung ausgebildetes Stellglied angeschlossen. Die Diodenanordnung enthält zwei Zweige gegenpolig geschalteter Dioden. Der Verbindungspunkt dieser beiden Zweige ist an eine einstellbare Vorspannung gelegt. <,

Die Verwendung von Dioden als variabler Widerstand hat den Vorteil, daß eine relativ genaue Zuordnung zwischen dem Diodenstrom als Steuergröße und dem diffcrcnticllcn Diodenwiderstand als Stcllglieil)!röße besteht. Andererseits kann es sich jedoch bei t, Verwendung von Dioden als variabler Widerstand nachteilig auswirken, daß sic sehr stark r.ichtlinear sind. Hei den Klirrfordcriingcn, v,'»· 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 Signalspannungcn ι wird das thermische Rauschen zu einem bestimmenden Faktor bei der Realisierung eines Diodensiellgliedes.

Theoretisch iäßt sich ein beliebig gutes Sigi'ai-zu-Gcräusch-Vcrhältnis durch Sericnschaltung einer ausreichenden Anzahi von Dioden erzielen. Unangenehmerweise steigt jedoch der erforderliche Steuerstrom bzw. der Gleichstrom durch die Dioden mit der Diodenanzahl, 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 Stcucrglcichstrom eine Regelung mit hohem Signal-zu-Gcräusch-Verhältnis ermöglicht.

Gemäß der Erfindung wird der Verstärker zur

i) Lösung dieser Aufgabe derart ausgebildet, daß der Verstärker zwei Emittcrstufen enthält und daß der Emitter des Transistors der Ausgangsstufe über ein η zweiten Kondensator mit der Basis des Transistors der Eingangsstufe verbunden ist und daß die Zweige der Diodenanordnung jeweils mehrere einander in Serie gcschaltclc Dioden enthalten und daß der zwischen dem Eingang des Verstärkers und der Basis des Transistors der Eingangsstufc liegende erste Kondensator zusani-

men mit dem zweiten Kondensator einen kapazitiven Spannungsteiler bildet, derart, dall das Verhältnis der Kapazitäten dieSpannungsverstSrkungdes Verstärkers bestimmt Durch die Serienschaltung mehrerer Dioden ergibt sich, daß bei vorgegebenen Anforderungen an den Widerstand der Dioden-Serienschaltung die einzelne Diode einen entsprechend kleineren differentiellen Widerstand haben muß. Hierzu ist eine entsprechende Erhöhung de, Steuerstromes erforderlich.

Der Verstärker ermöglicht es in vorteilhafter Weise, daß am Emitterwiderstand der Ausgangsstufe bei

vorgegebenem Signal-zu-Geräusch-Verhältnis ( ^J

besonders kleine Wecnselspannung anliegt, so daß nur wenig Dioden in der Serienschaltung erforderlich sind und somit ein besonders geringer Steuerstrom benötigt wird.

. Durch diese Maßnahme 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. Darüber hinaus ist durch den ersten Kondensator der Frequenzgang der kapazitiven Gegenkopplung ausgeglichen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist parallel zu dein zweiten Kondensator ein Widerstand geschaltet. 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 und somit das Rauschen des Verstärkers noch weiter herabgesetzt ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Verstärker derart ausgebildet daß der erste Kondensator hinsichtlich seiner Kapazität einstellbar ist.

Mit Hilfe dieses einstellbaren Kondensators läßt sich in vorteilhafter Weise eine kontinuierliche Pegeleinstellungbei b.sondes hoher Betriebssicherheit vornehmen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist de· Emitter des Transistors der Eingangsstufe unmittelbar an Bezugspotential und der Kollektor unmittelbar an die Basis des Transistors der Ausgangsstufe geführt, so daß sich eine besonders hohe interne Verstärkung der zweistufigen Versiärkeranordnunj,' ergibt.

D>e Temperaturspannung der Dioden beträgt zweckmäßigerweise etwa 50 mV bei einer Temperatur von 20⁰C. Durch diese Maßnahmen ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders geringe Zahl von Dioden in den Zweigen der Diodenanordnung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wir·'¹ der Verstärker derart ausgebildet, daß der Wert des parallel zum Kondensator geschalteten Widerstandes sehr viel größer als der Scheinwiderstand des zweiten Kondensators ist. In vorteilhafter Weise wird dabei die von dem Widerstand herrührende Rauschspannung durch den zweiten Kondensator weitgehend kurzgeschlossen. Außerdem wird der Frequenzgang der kapazitiven Gegenkopplung mit Hilfe des eisten Kondensators besonders gut ausgeglichen.

Bei einem Verstärker mit einem von der Diodenanordnung nach Beziigspoteniial führenden Widerstand ist der /weile Kondensator zweckmäßigerweise derart bemessen, daß sein Scheinwiderstand wesentlich gröl.to ist als der Widcrsiandswcrt der Parallelschaltung aus dom Gleichsiromeiiii'terwidcrstiind. dem von der Diodenanordnung nach ßc/.iigspolential führenden Widerstand und dem differentiellen Widerstand das Längszweiges der Diodenanordnung.

Der Verstärker bietet die Möglichkeit, die Verstärkung mit Hilfe eines besonders niedrigen Steuergleichstromes bei hohem Signal-zu-Geräusch-Verhältnis zu regeln und dabei eine sehr konstante Zuordnung zwischen Steuerstrom und Regelverstärkung zu gewährleisten. Außerdem bietet sich die Möglichkeit, eine manuelle kontinuierliche Pegeleinstellung bei besonders hoher Betriebssicherheit vorzunehmen. Diese Vorteile kommen insbesondere bei einer Verwendung des Verstärkers in Einrichtungen zur automatischen Pilotregelung in Trägerfrequenz-Übertragungssystemen, insbesondere in Verbindung mit Primärgruppenumsetzern zur Geltung.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiek· näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der ein Stellglied mit Dioden enths':,

CIn 1 ntrtn Γρι-η,^ΓηΙ,ηΙίιιηη oin**r· '"Λί.-»*^ ·<ηΑ
ι ■ g. λ. WiIiV. 1.I juu.jvnuituiig biiit.1 i^ryuv UIiU

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 einen Kondensator 21 an den Eingang if und der unmittelbar mit der P'isis des Transistors 32 verbundene Kollektor über einen Widerstand 11 an die Versorgungsspannung - Un geführt.

Bei dem Transistor 32 ist der Emitter über einen Widerstand 13 an Masse und der KoMektor über Widerstand 16 an die Versorgungsspannung — Un gelegt. Am Eingang E liegt die Eingangswechselspannung Ur. an dem als Lastwiderstand dienenden Widerstand 16 die Ausgangsspannung Ui.

Der Emitter des Transistors 32 ist ferner über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 22 und einem V'iderstand 12 an die Basis des Transistors 31 geführt.

Am Verbindungspunkt A des Emitters des Transistors 32 mit dem Widerstand 13 is' 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 Diodcnschaltungen 41 und 42. Die Diodenschaltungen bestehen jeweils aus mehreren mit gleiclici Poking <r. Sorie reschaltetcn Dioden, was in F i g. I nicht näher dargestellt ist. Die Diodenschaltungen 41 und 12 sind mit ihren Kathoden zusammengeführt und gemeinsam an Stromquelle 5 angeschlossen, die den S'.rom 2/ liefert, und insbesondere Teil eines Pilotempfänger einns pilotgcrcgcllen Trägerfrequenz-'Jberiragungssy stems sein kann.

Als Dioden ./erden insbesondere Siliziumdioden verwendet.

Die Anode der Diotlcnschiiltung 4I. die über einen Kondensator 23 an den Verbindungs.iunkt Λ angeschlossen ist. ist über einen Wide: stand I4 an Masse geführt. Die Anode der Diodenschiiltung 42 ist über einen Widerstand 15 an Masse gelegt. Parallel /um Widerstand Ii liegt ein Kondensator 24.

Die vcrslärkungsbeMimmendcn Schaltelemente sind im wesentlichen die Kondensatoren 2I und 22. der

Widerst,mil 16 sowie eine WiderM.indskombinalion mil dem Widerstands« crt

R =

R 3

I
R4

gebildet, wobei R J der Wert des Widerstandes IJ. R 4 der Wert des Widerstandes 14 und r/jder diffcrentielle Widerstand der Diodenschaltung 41 bzw. 42 ist.

Die Werte der übrigen Schaltelemente sind so gewählt, daß ihr Einfluß auf cue Verstärkung vernachliis-Mgbar bleibt. Insbesondere isi

«² %,C2

I __ 1

;-C3 " I I

R4 ' 2nr„

I
C4

■'< R?

I..C4 "

wobei R 2 der Wen des Widerstandes 12. ("2 die Kapazität des Kondensators 22. Ci die Kapazität des Kondensators 23. ' 4 die Kapazität des Kondensators 24 und R 5 der Wer; des Widerstandes 15 und η die Zahl der je Diodenschaltung 41 bzw. 42 vorgesehenen einzelnen Dioden ist.

Damit zum Zwecke einer möglichst weitgehenden Kompensation der geradzahligen, insbesondere der zweiten Oberwellen beide Diodenschaltungcn 41 und 42 etwa vom gleichen Strom /durchflossen werden, ist ferner

R4 = R 5.

Line Fr-jquenzabhängigkeit der Verstärkung wird ■. ermieden durch Wahl von

Cl

Unter diesen Voraussetzungen ist die Spannungsverstärkung in gute¹" Näherung

ί L	I. _ f	Cl C?	R, R '	äi des Kondensators 21 ist.
•α obei	Cl	die	Kapa/il	1 2nr„
1 R	=	I	1 ^ R4

abzusenken, ohne daß das thermische Rauschen des Verstärkers unzulässig ansteigt. Ein Widerstand an Stelle des Kondensators 22 würde unter ansonsl 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 Verstärker eingang.

Die Verstärkung ist. unter Voraussetzung der oben angegebenen Dimensionicrungsregeln. von der Frequenz unabhängig. Vorzugsweise ist der Kondensator 21 ein Trimmerkondensator, der eine kontinuierliche Pcpclemstellung ermöglicht.

es siel erreichen, daß der Rauschbeitrag der Verstärkerschaltung gegen den des Stellgliedes 6 vcrnai ilässigbar klein ist. Man kann andererseits zugunsten kostengünstiger Transistoren von dieser an sich optimalen Di mc η s Kinicru ng abweichen.

Das Stellglied 6 ist an den Verstärker am Punkt A angeschaltet. An dieser Stelle A ist der differenticlle Widerstand, in den Verstärker hinein gesehen, vernachlässig¹ -T" klein. Obcrwcllcnströme. die im Stellglied 6 erzeugt werden, können daher an dieser Stelle keine nennenswerte Spannung aufbauen. Wird an den Eingang E des Verstärkers ein? reine Sinusspannung angelegt, dann liegt bei entsprechender Dimensionierung des Verstärkers eine ebensolche am Stellglied 6 an.

Die vom Stellglied 6 erzeugten Obcrwellenströme 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-Lind 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 F i g. 2 gezeigte Ersatzschaltung der Dioden angewandt werden.

Dabei sind

J der Dioden-Gleichstrom.

/, der Effektivwert des Wechselstroms der Grundwclle. I₁₂. /«. ■ -der Effektivwert der Klirrströme bzw. Oberwellen.

ι r„_n der quadratische Mittelwert des Rauschstroms und r_n der differcntielle Widerstand einer Diode.

Es betragen r„ = ,^r mit t/, = r_n- i_x

¹KZ =

2 ·

11 * — ~.~^r

H₁

u_T

wobei (//die Temperaturspannung der Dioden ist.

Die Temperaturspannung U- ist vom verwendeten Diodentyp abhängig. Sie soll vorzugsweise möglichst hoch sein, insbesondere Ut=SO 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 Der quadratische Mittelwert des Rauschstrome; beträgt beispielsweise für eine Frequenz Af= 3,\ kH.

lifo = 3.2· ICT⁸-J

Bei der in Fig. 3 gezeigten Prinzipschaltung des Stellgliedes 6 liegt zwischen dem Anschluß A und Masse

der Widerstand /?,> Dieser Widerstund ergibt sich aus den Widersländen 13 und 14 wie folgt:

R4

'> er eingeprägte Gleichstrom 2/ teilt sich auf zwei Zweige auf. Im einen Zweig ist eine Diodenschaltung mit den Dioden 411 ... 41/V. im anderen Zweig eine

Diodenschaltung mit den Dioden 421 ... 42/V angeordnet. Die Serienschaltung der beiden Diodenschaltiingen liegt parallel zum Widerstand R₁*

Am Punkt A bzw. am Stellglied liegt die Signalspannung U_n für die Grundwelle. Die am Punk! Λ in das Stellglied fließenden Ströme sind der Signalstroni λ,, die Oberwellenströme />. /ι usw. Mit /„ ist der quadratische Mittelwert des Rauschstromes bezeichnet.

Bei idealer Übereinstimmung aller Dioden 311 .. .421 ist der Oberwellenstrom Λ = 0.

llici/u 2 liliiii Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der mindestens einen Transistor in Emitterschaltung enthält, bei dem einem an Bezugspotential (Masse) geführten Gleichstromemitierwiderstand ein als Diodenanordnung mit zwei Zweigen gegenpolig geschalteter Dioden ausgebildetes, durch einen veränderbaren Steuergleichstrom steuerbares Stellglied als veränderbarer Wechselstromwiderstand parallel geschaltet ist, wobei am Eingang des Verstärkers ein erster Kondensator vorgesehen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker zwei Emitterstufen enthält und daß der Emitter ·:^Γ> des Transistors (32) der Ausgangsstufe über einen zweiten Kondensator (22) mit der Basis des Transistors (31) der Eingangsstufe verbunden ist und daß die Zweige der Diodenanordnung (41, 42) jeweils mehrere einander in Serie geschaltete Dioden {4! I... 41N; 42N... 42!} enthalten und daß der zwischen dem Eingang (E) des Verstärkers und der Basis des Transistors (31) der Eingangsstufe liegende erste Kondensator (21) zusammen mit dem zweiten Kondensator (22) einen kapazitiven Spannungsteiler bildet, derart, daß das Verhältnis der Kapazitäten die Spannungsverstärkung des Verstärkers bestimmt (F ig. 1,3).

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem zweiten Kondensator ii> (22) ei η V'iderstand (12) geschaltet ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ersle Kondensator (21) hinsichtlich seiner Kapazität einstellbar ist.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, 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.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturspannung der Dioden (411 ... 41N; 421 ... 42N) etwa 50 mV bei einer Temperatur von 2ö^cC beträgt.

6. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des parallel zum Kondensator (22) geschalteten Widerstandes (12) sehr viel größer als der Scheinwiderstand des zweiten Kondensators (22) ist.

7. Verstärker nach Anspruch 2, mit einem von der Diodenanordnung nach Bezugspotential führenden Widerstand dadurch Gekennzeichnet daß oqt zweite Kondensator (22) derart bemessen ist, daß sein Scheinwiderstand wesentlich größer ist als der Widerstandswert der Parallelschaltung aus dem Gleichstromemitterwiderstand (1.3), dem von der Diodenanordnung nach Bezugspotential führenden Widerstand \i4) und dem differentialen Widerstand des Längszweiges der Diodenanordnung.

8. Verwendung eines Verstärkers nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Einrichtungen zur automatischen Pilotregelung in Trägerfrequenz-Übertragungssystemen, insbesondere in Verbindung mit Primärgruppen-Umsetzern.