DE2543090C3

DE2543090C3 - Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der mindestens einen Transistor in Emitterschaltung enthält

Info

Publication number: DE2543090C3
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: 1981-09-17
Also published as: DE2543090B2; DE2543090A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der mindestens einen Transistor in Emitterschaltung enthält, bei dem einem an Bezugspotential (Masse) geführten Gleichstromemitterwiderstand 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.

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 einen Kondensator ein als Diodenanordnung ausgebildetes Stellglied angeschlossen. Die Diodenanordnung enthält zwei Zweige gegenpolig geschalteter Dioden. Der Vsrbindungspunkt 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 differentiellen Diodenwiderstand als Stcllgliedgröße besteht. Andererseits kann es sich jedoch 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

4-, wird das thermische Rauschen zu einem bestimmenden Faktor bei der Realisierung eines Diodenstellgliedes.

Theoretisch läßt sich ein beliebig gutes Signal-zu-Geräusch-Verhältnis durch Serienschaltung einer ausreichenden Anzahl 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 Steuergleichstrom eine Regelung mit hohem Signal-zu-Geräusch-Verhällnis ermöglicht.
Gemäß der Erfindung wird der Verstärker zur

so Lösung dieser Aufgabe derart ausgebildet, daß der Verstärker zwei Emitterstufen enthält und daß der Emitter des Transistors der Ausgangsstufe über einen zweiten Kondensator mit der Basis des Transistors der Eingangsstufe verbunden ist und daß die Zweige der

hi Diodenanordnung jeweils mehrere einander in Serie geschaltete Dioden enthalten und daß der zwischen dem Eingang des Verstärkers und der Basis des Transistors der Eingangsstufe liegende erste Kondensator zusam-

men mit dem zweiten Kondensator einen kapazitiven Spannungsteiler bildet, derart, daß das Verhältnis der Kapazitäten die Spannungsverstärkung des 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 des Steuerstromes erforderlich.

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

vorgegebenem Signal-zu-Geräusch-Verhältnis ί -^

besonders kleine Wechselspannung 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 dem 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 verur Sachen 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 Pegeleinstellung bei be-ondes hoher Betriebssicherheit vornehmen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der 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 Verstärkeranordnung ergibt.

Die 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 Ausgesta'tung der Erfindung wird 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 ersten Kondensators besonders gut ausgeglichen.

BiJi einem Verstärker mit einem von der DiodenanordMung nach Bezugspotential führenden Widerstand ist der zweite Kondensator zweckmäßigerweise derart bemessen, daß sein Scheinwiderstand wesentlich größer ist als der Widen»tandsw<:rt der Parallelschaltung aus dem Gleichstromemitterwiderstand, dem von der Diodenanordnung nach Bezugspotential führenden Widerstand und dem differentiellen Widerstand des Längszweiges der Diodenanordnung.

Der Verstärker bietet die Möglichkeit, die Verstärkung mit Hilfe eines besonders niedrigen Steuergleich-■-. stromes 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 κι 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 ii zur Geltung.

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

Es zeigt

F i g. 1 einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, 2» der ein Stellglied mit Dioden enthält,

F i g. 2 eine Ersatzschaltung eine; .Oiode und

F i g. 3 eine Prinzipschaltung des im Verstärker nach Fig. 1 enthaltenen Stellgliedes.

Der in Fig. 1 gezeigte Verstärker enthält die r> 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 di:n Eingang fund der unmittelbar in mit der Basis des Transistors 32 verbundene Kollektor über einen Widerstand 11 an die Versorgungsspannung - Ub geführt.

Bei dem Transistor 32 ist der Emitter über einen Widerstand 13 an Masse und der Kollektor über r> Widerstand 16 an die Versorgungsspannung - U_B gelegt. Am Eingang E iiegt die Eingangswechselspannung Ue. an dem als Lastwiderstand dienenden Widerstand 16 die Ausgangsspannung Ul-

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

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 Dioden-

v) schaltungen 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 mu ihren Kathoden zusammengeführt und gemeinsam

ΊΊ an Stromquelle 5 angeschlossen, die den Strom 2/liefert, und insbesondeie Teil eines PilotempfäTigers eines pilotgeregelten Trägerfrequenz-Übertragungssystetns sein kann.

Als Dioden werden insbesondere Siliziumdioden mi verwendet.

Die Anode der Diodenschaltung 41, die über einen Kondensator 23 an den Verbindungspunkt A angeschlossen ist. ist über einen Widerstand 14 an Masse geführt. Die Anode der Diodenschal'ung 42 ist über hi einen Widerstand 15 an Masse gelegt. Parallel zum Widerstand 15 Iiegt ein Kondensator 24.

Die verstärkungsbestimmenden Schaltelemente sind im wesentlichen die Kondensatoren 21 und 22, der

Widerstand 16 sowie eine Widerstandskombinalion mit dem Widerstandswert

^R ⁼

R4 ' Ir_n

gebildet, wobei R 3 der Wert des Widerstandes 13. RA der Wert des Widerstandes 14 und rn der differentielle Widerstand der Diodenschaltung 41 bzw. 42 ist.

Die Werte der übrigen Schaltelemente sind so gewählt, daß ihr Finfluß auf die Verstärkung vernachliissigbar bleibt. Insbesondere ist

I
i-C2

I ^ I

s · t ι ι

V >* I I

K4 ' 2nr„

R 5

I ■ CA

wobei R 2 der Wert des Widerstandes 12. (2 die Kapazität des Kondensators 22. ( i die Kapazität des Kondensators 23. CA die Kapazität des Kondensators 24 und R 5 der Wert des Widerstandes 15 und π die /.ahl der je Diodenschaltung 41 bzw. 42 vorgesehenen einzelnen Dioden ist.

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

«4 = /?5

Fine Frequenzabhängigkeit der Vers'.irkiing wird

,■ Cl

■· R.

Unter diesen Voraussetzungen ist die Spannungsverstärkung in gute^r Näherung

i ,

ν 2

R₁.

R '

ei < \ die Kapazität des Kondensators 21 ist.

1
R

RA

abzusenken, ohne daß das thermische Rauschen des Verstärkers unzulässig ansteigt. F.in Widerstand an Stelle des Kondensators 22 würde unter ansonst gleichen Umständen das Rauschen um eine Größenordnung erhöhen. Zur Einstellung des Arbeitspunktes isl 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 Dimensionicrungsregeln. von der Frequenz, unabhängig. Vorzugsweise ist der Kondensator 21 ein Trimmerkondensator, der eine kontinuierliche lageeinstellung ermöglicht.

Hei Verwendung von rauscnarmen Traiisisioien litüi 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 Dimensionicrung abweichen.

Das Stellglied 6 ist an den Verstärker am funkt Λ angeschaltet. An dieser Stelle Λ ist der differentielle Widerstand, in den Verstärker hinein gesehen, vcrnachlässi_t:Jar klein. Oberwellenströme, die im Stellglied 6 erzeugt werden, können daher an dieser Stelle keine nennenswerte Spannung aufbauen. Wird an den Fingang /: des Verstärkers unc reine Sinusspannung angelegt, dann liegt bei entsprechender Dimcnsionicrung 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 "itr-llcjlipdpi; fi kann die in F i b. 2 eezeietc [Ersatzschaltung der Dioden angewandt werden.

Dabei sind

J der Dioden-Gleichstrom.
/, der FfTektivwcrt des Wechselstroms der Grundwclle.

I₁,. i,,. .
wellen.

der [Effektivwert der Klirrströme bzw. Oberder quadratische Mittelwert des Rauschstroms r„ der dilTerenticlle Widerstand einer Diode.

'η = j' ^mit "i = ^rn >i

Fs betrauen r_n —

12

wobei / -die Temperaiurspannung der Dioden ist.

Die Temperaturspannung U; ist vom verwendeten Dioden'.} ρ abhängig. Sie soll vorzugsweise möglichst hoch sein, insbesondere LV = 50 mV bei Raumtemperatur.

Die Anwendung einer kapazitiven Gegenkopplung mit Hilfe des Kondensaiors 22 erlaubt es. den Pegel am Stellglied 6 insbesondere auf Werte unter 2 mV Der quadratische Mittelwert des Rauschstromes beträgt beispielsweise für eine Frequenz Af- 3.1 kH.

hT„ = 3.2 ■ 10 ^s J

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

der Widerstand Rp. Dieser Widerstand ergibt sich aus den Widerständen 13 und 14 wie folgt:

R3

I R4

Der eingeprägte Gleichstrom 2/ teilt sich auf zwei Zweige auf. Im einen Zweig ist eine Diodenschaltung mit den Dioden 411 ... 41Λ/, im anderen Zweig eine

Diodenschaltung mit aen Dioden 421 ... 42Λ/ angeordnet. Die Serienschaltung der beiden Diodenschaltungen liegt parallel zum Widerstand Rp.

Am Punkt A bzw. am Stellglied liegt die Signalspannung Uo für die Grundwelle. Die am Punkt A in das Stellglied fließenden Ströme sind der Signalstrom *>. die Oberwellenströme /2, ιΊ usw. Mit i„ ist der quadratische Mittelwert des Rauschstromes bezeichnet.

Bei idealer Übereinstimmung aller Dioden 311... 421 ist der Oberwellenstrom /2 — 0.

Hierzu 2 Blatt /cichininuen

Claims

Patentansprüche:

1. Verstärker mit steuerbarer Verstärkung, der mindestens einen Transistor in Emitterschaltung enthält, bei dem einem an Bezugspotential (Masse) geführten Gleichstromemitterwiderstand 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 ,■> 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 (4i 1... 41N; 42/v... 421) 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 i g. 1,3).

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem zweiten Kondensator jo (22) ein Widerstand (12) geschaltet ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste 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 ... 41JV; 421 ... 42/VJ etwa 50 mV bei einer Temperatur von 20° C 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 der zweite 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 (?4) 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.