DE2645632A1

DE2645632A1 - Verstaerker

Info

Publication number: DE2645632A1
Application number: DE19762645632
Authority: DE
Inventors: Masami Kawamura; Yasuo Kominami; Yukio Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-10-08
Filing date: 1976-10-08
Publication date: 1977-04-14
Also published as: JPS5245242A; US4041409A; NL7611055A

Description

26456 SCHfFF v.FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBB[NGHAUS

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSEiPOSTFACH 95O16O, D-SOOO MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. 8> Oktober 1976

DÄ-12 276

Verstärker.

Bde Erfindung betrifft einen Verstärker sowie einen verstärkungsgeregelten Verstärker. BdLe Erfindung betrifft weiterhin einen Verstärker für Hochfrequenzsignale, sowie einen Verstärker, der eine automatische Verstärkungsregelung Cnachfolgend abgekürzt als "AGC" oder ¹¹AVR" bezeichnet) durch ein von der Amplitude des Hochfrequenzsignales abhängiges Regelsignal durchführen kann.

In Fig. 1 ist eine herkömmliche Verstärkungsregelungsschaltung für Hochfrequenzsignale dargestellt, bei der ein Differenzverstärker verwendet wird« Die Transistoren Q, und Qk bilden ein Transistorpaarv An die Basis des einen Transistors Q- wird ein Eingangssignal angelegt

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und an der Basis des anderen Transistors Q₂ tritt eine automatische Verstärkungsregelungsspannung auf. Die Basis eines Transistors C^, der als Konstantstromquelle dient, Ist durch ein Konstantspannungselement D vorgespannt, so daß ein konstanter Gleichstrom normalerweise zwischen Emitter und Kollektor des Transistors Q^ fließt. Wenn das Eingangssignal stark wird, steigt auch das Ausgangssignal des Transistors Q., an. Da jedoch auch die automatische Verstärkungsregelungsspannung ansteigt, ändert sich damit auch der Vorstrom des Transistors Q-, so daß die Verstärkung bzw. die Steilheit g der Verstärkerkennlinie abnimmt und dadurch wird verhindert, daß das Ausgangs signal des Transistors Q.. ansteigt. Wenn das Eingangssignal jedoch schwach wird, nimmt auch das Ausgangssignal· des Transistors Q- ab. Da die automatische Verstärkungsregelungsspannung ebenfalls abnimmt, wird also auch der Vorstrom des Transistors Q.. verändert und vergrössert den Verstärkungsgrad bzw. vergrössert die Steilheit g der Verstärkungskennlinie und der Abnahme des Ausgangssignals des Transistors Q- wird entgegengewirkt. Bei einer mittleren elektrischen Feldstärke ändert sich weder die automatische Verstärkungsregelungsspannung noch der Verstärkungsgrad bzw. die Steilheit der Verstärkerkennlinie des Transistors Q₁ und das Ausgangssignal wird nicht geregelt. Auf diese Weise wird die automatische Verstärkungsregelung durchgeführt.

PIg. 2 zeigt eine herkömmliche automatische Verstärkungsregelungsschaltung für HochfreqBenzslgnale, bei der ein Verstärker In Emitterschaltung verwendet wird. Xn Flg. 2 wird der Basis eines Transistors Q₄ das Eingangssignal angelegt. Mit-dem Transistor Q, Ist ein Transistor Q₅ in Kaskade geschaltet,dessen Basis xolt einer Gleichspannung als Versorgungsspannung beaufschlagt wird. Der Emitter eines Transistors Q_g ist mit dem Emitter des Transistors Q₅ ver-

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bunden und an der Basis des Transistors Q, liegt eine

automatische Verstärkungsregelungsspannung an. Wenn das Eingangssignal ansteigt, steigt auch das Kollektorsignal des Transistors Q* an, was auch ein Ansteigen des Ausgangssignals des Transistors Qr zur Folge hat. Da die automatische Verstärkungsregelungsspannung jedoch gleichzeitig damit ansteigt und damit auch der Vorstrom des Transistors Qg größer wird, ändert sich der Vorstrom des Transistors Q₅, so daß dessen Verstärkungsgrad bzw. dessen Steilheit g der Verstärkungskennlinie verringert und dem Ansteigen des Ausgangssignals entgegengewirkt wird. Wenn das Eingangssignal jedoch flach wird, so nimmt auch der Kollektorstrom des Transistors Q₄ und mithin das Ausgangssignal des Transistors Q₅ ab. Da gleichzeitig auch die automatische Verstärkungsregelungsspannung abnimmt, wird auch der Vorstrom des Transistors Qg kleiner und der Vorstrom des Transistors Q₅ ändert sich in der Weise, daß sein Verstärkungsgrad bzw. die Steilheit g seiner Verstärkungskennlinie vergrössert und einer Abnahme des Ausgangssignales entgegengev/irkt wird. Auf diese Weise wird die automatische Verstärkungsregelung durchgeführt.

Mit der in Fig. 1 dargestellten, herkömmlichen Schaltung ist der Verstärkungsgrad bzw. die Steilheit g der Verstärkungskennlinie groß und daher ist die Empfindlichkeit oder das Signal-Rausch-Verhältnis bei schwacher Eingangsfeldstärke gut. Der Dynamikbereich, in dem die Schaltung auf die Eingangssignale ansprechen kann, ist jedoch schmal und die Verzerrung steigt bei einem sehr hohen Eingangssignal an. Mit der in Fig. 2 dargestellten, herkömmlichen Schaltung ist der Verstärkungsgrad bzw. die Steilheit g der· Verstärkungskennlinie klein, obwohl der Eingangdynamikbereich breit ist. Die tatsächliche Empfindlichkeit für eine schwache Eingangsfeldstärke ist daher geringer, so daß auch das Signal-Rausch-Verhältnis kleiner ist.

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Der Erfindung liegt daher u.a. die Aufgabe zugrunde, einen verstärkungsgeregelten Verstärker mit einer verbesserten Empfindlichkeit für das Eingangssignal bei schwachen elektrischen Feldstärken zu schaffen, bei dem die Verzerrung des Eingangssignales bei starken elektrischen Feldstärken verringert v/ird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung schafft also einen Verstärker, bei dem die Empfindlichkeit für ein Eingangssignal bei einer schwachen elektrischen Feldstärke verbessert wird, wobei gleichzeitig die Verzerrung eines Eingangssignales bei starker elektrischer Feldstärke kleiner ist. Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung besitzt auch einen breiten Dynamikbereich und ist zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung geeignet.

Bei der automatischen Verstärkungsregelungsschaltung für Hochfrequenzsignale v/ird das Eingangssignal bei schwacher Eingangsfeldstärke durch einen Differenzverstärker verstärkt. Bei einer großen Eingangsfeldstärke arbeitet der Differenzverstärker als Verstärker in Emitterschaltung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 . jeweils herkömmliche Verstärkerschaltungen mit automatischer Verstärkungsregelung;

Fig. 3 eine erste Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen

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Verstarkungsschaltung mit automatischer Verstärkungsregelung;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstarkungsschaltung und

Fig. 5 eine Teilschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen, verstärkungsgeregelten Verstärkerschaltung. Die Schaltung ist in Form einer integrierten Halbleiterschaltung auf einem einzigen Siliciumhalbleitersubstrat ausgebildet. Fig. 3 zeigt eine Hochfrequenz-Eingangssignalquelle 1, die mit einem Anschluß an ^: Masse liegt und mit dem anderen Anschluß über einen Kondensator C. mit dem Eingang 2 des Plättchens mit der integrierten Halbleiterschaltung verbunden ist. Der Eingang 2 steht mit der Basis eines n-p-n-Transistors Q- in Verbindung. Über einen Widerstand R₃ gelangt eine Vorspannung V₂ an die Basis des Transistors Q-. , dessen Emitter über einen Widerstand R. an Masse liegt und dessen Kollektor mit einem Emitterwiderstand R2 eines n-p-n-Transistors Q^ verbunden ist. Der Basis des Transistors Q- wird über einen in Fig. 5 gezeigten Transistor Q,_ eine automatische Verstärkungsregelung-Spannung V _cl angelegt. Der Kollektor des Transistors Q- steht mit einem Ausgang 3 und weiterhin über einen Widerstand R- mit einer Spannungsquelle für die Versorgungsspannung V₀ in Verbindung. Der Emitter eines n-p-n-Transistors Qo ist mit dem Emitter des Transistors Q₇ verbunden, so daß der Transistor Q₇ und Q₈ gemeinsam einen Differenzverstärker bilden. Die Basis des Transistors Q« liegt an einer Spannungsquelle für die Versorgungsspannung

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Ao

V_B1. Am Kollektor dieses Transistors liegt die Versorgungsspannung V₀ an. Der Emitter eines n-p-n-Transistors

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Q₂ steht mit dem Emitter des Transistors Q- in Verbindung und bildet zusammen mit dem Transistor Q.. einen Differenzverstärker. Die Basis des Transistors Q₂ liegt über einen Widerstand R₅ an der Quelle für die Versorgungsspannung

V₀₀ als Vorspannung und der Kollektor liegt an der Quelle BZ

für die Versorgungsspannung V_. Der Emitter eines n-p-n-Transistors Q_g liegt über einen Widerstand R_fi an Masse und der Kollektor dieses Transistors Q_q ist mit der Basis des Transistors Q₂ verbunden. An der Basis des Transistors Q_g liegt über die in Fig. 5 dargestellten Transistoren Q,_Q und Q₁- eine automatische Verstärkungsregelungs-Spannung an.

Nachfolgend soll die Arbeitsweise dieser Schaltung beschrieben werden. Bei einem schwachen Eingangssignal ist die automatische Verstärkungsregelungs-Spannung V ~₂ (nachfolgend kurz als AGC-Spannung bezeichnet) die an der Basis des Transistors Qg anliegt, sehr klein. Dementsprechend befindet sich der Transistor Q_ im nichtleitenden Zustand und der Transistor Q₂ wird durch die als Versorgungsspannung V_ß2 dienende Gleichspannung vorgespannt. Daher arbeiten die Transistoren Q-, und Q₂ als Differenzverstärker. Das heißt, das Hochfrequenz-Eingangssignal 1, das am Eingang 2 anliegt, wird vom Differenzverstärker verstärkt und gelangt über den zum Verstärker in Kaskade geschalteten Transistor Q- an den Ausgang 3, wo es als Ausgangssignal AUSiG abgegriffen werden kann. Da die an der Basis des Transistors Q₇ auftretende Regelspannung während dieser Zeit groß ist, befindet sich der Transistor Q₇ im leitenden Zustand, wogegen der Transistor Qg im nichtleitenden Zustand ist. Da der Differenzverstärker benutzt wird, ist die Steilheit der Verstärkungskennlinie g groß und damit auch die Empfindlichkeit hoch. Beispielsweise wird eine Verstärkung

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von 46 dB/m erreicht, die für einen Verstärker für Hochfrequenzsignale ausserordentlich hoch ist. Infolgedessen ist das Signal-Rausch-Verhältnis gut.

Bei mittlerer Eingangsintensität bzw. bei mittelgroßen Eingangs Signalen, wenn also das Eingangssignal größer wird, wird auch die AGC-Spannung V groß und der Transistor Q₂ geht in den nichtleitenden Zustand über. Dann nimmt der Verstärkungsgrad des Transistors Q.. aufgrund des Ansteigens eines Kollektorsstromes ab. Dementsprechend wird die Funktion der automatischen Verstärkungsregelung durch den Transistor Q₀ durchgeführt. Da die Regelspannung V_„_o1/

ώ ACjL-I

die an der Basis Q₇ anliegt, zu diesem Zeitpunkt groß ist, befindet sich der Transistor Q- im leitenden, der Transistor Q~ dagegen im nichtleitenden Zustand.

Bei sehr starkem Eingangssignal ist die AGC-Spannung V__GC2, die an der Basis Qg anliegt, groß. Dementsprechend wird der Transistor Q„ in den leitenden und der Transistor Q₂ in den nichtleitenden Zustand versetzt und führt nicht die automatische Verstärkungsregelungsfunktion für den Transistor Q- durch. Infolgedessen arbeitet der Transistor Q₁ als Verstärker in Emitterschaltung. Das heißt, das am Eingang 2 auftretende Hochfrequenzsignal wird vom in Emitterschaltung arbeitenden Verstärker verstärkt und gelangt über den mit dem Verstärker in Kaskade geschalteten Transistor Q- an den Ausgang 3. Zu diesem Zeitpunkt arbeiten die Transistoren Q^ und Q₀ im aktiven Arbeitsbereich. Der

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Transistor Q₇ wirkt für das Hochfrequenzsignal als Verstärker in Basisschaltungund für die automatische Verstärkungsregelungswirkung, die durch die automatische Verstärkungsregelungsspannung V-_GC1 auftritt, zusammen mit dem Transistor Q₈ , t wobei die Transistoren Q₇ und Q_g als Differenzverstärker vorliegen. Da der Transistor Q₁ als Verstärker in

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AZ,

Emitterschaltung verwendet wird, kann zu diesem Zeitpunkt der Dynamikbereich groß gemacht und die Verzerrung klein gehalten werden. Der Verζerrungsfaktor wird bei Feldintensitäten unter 126 dB/m unter 1 % gedrückt.

Erfindungsgemäß wird bei einem schwachen elektrischen Feld das Eingangssignal einer automatischen Verstärkungsregelung durch den Differenzverstärker unterzogen und bei einem starken elektrischen Feld wird das Eingangssignal durch eine in Kaskade geschaltete Verstärkerschaltung verarbeitet, die aus dem Verstärkertransistor in Emitterschaltung und aus dem Verstärkertransistor in Basisschaltung besteht.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der automatischen Verstärkungsregelungsschaltung für Hochfreguenzsignale. In Fig. 4 sind die den in Fig. 3 dargestellten Teilen entsprechenden Schaltungselemente mit denselben Bezugszeichen versehen und eine Erläuterung dieser Bauteile wird hier nicht nochmals vorgenommen. Bei der vorliegenden Ausführungsform gelangt über einen in Emitterfolgerschaltung vorliegenden Transistor Q*_Q und einen Widerstand R₃ eine Gleichspannung V- als Versorgungsspannung an die Basis des Transistors Q₂, sowie über den Widerstand R₅ und einen in Emitterfolgerschaltung vorliegenden Transistor Q₁₁ an die Basis des Transistors Q₂. Daher ist die Ausgangsimpedanz der Vorspannungsquelle gering, Störsignale und das Rauschen sind verringert und die Vorspannung bzw. die Voreinstellung wird stabilisiert.

Die Erfindung ist insbesondere in Zusammenhang mit einem Tuner bzw. einem Abstimmgerät für Amplitudenmodulation vorteilhaft.

Entsprechend der erfindungsgemäßen automatischen Verstär-

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kungsregelungsschaltung wird bei einem schwachen elektrischen Feld, d.h. bei einem schwachen Eingangssignal das Hochfrequenz-Eingangssignal durch den vorgegebenen Differenzverstärker verstärkt, so daß die Steilheit der Verstärkungskennlinie g groß gemacht werden kann. Die automatische Verstärkungsregelungs schaltung v/eist daher den Vorteil auf, daß die Empfindlichkeit bei schwachen EingangsSignalen, bzw. bei einem schwachen elektrischen Feld stark verbessert werden kann. Bei sehr starken Eingangssignalen arbeitet der Differenzverstärker als Verstärker in Emitterschaltung, so daß der Dynamikbereich sehr breit gehalten werden kann. Die erfindungsgemäße automatische Verstärkungsregelungsschaltung weist daher den Vorteil auf, daß Verzerrungen klein gehalten werden können. Da die erfindungsgemäße Schaltung eine direkt gekoppelte Schaltung ist, die paarweise Differenztransistoren und Widerstände aufweist, kann sie ohne weiteres als integrierte Schaltung auf einem einzigen Silicium-Halbleitersubstrat mit den bekannten Herstellungsverfahren für integrierte Halbleiterschaltungen hergestellt werden.

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Claims

Patentansprüche

Iy" Verstärker, gekennzeichnet durch

ein erstes Transistorpaar, (G₁, Q~), deren Emitter gemeinsam an einem Anschluß eines gemeinsamen Impedanzelements (R₇)) liegen, dessen anderer Anschluß mit einer BezugsSpannungsquelle (Masse) verbunden ist, ein zweites Transistorpaar (Q^, Q_g), deren Emitter gemeinsam am Kollektor des einen Transistors (Q₁) des ersten Transistorpaares (Q₁, Q₂) liegen, wobei der Kollektor des anderen Transistors (Q2) des ersten Transistörpaares (Q₁, Q₂) mit einer Betriebsspannungsquelle (V_) in Verbindung steht, ein Lastimpedanzelement (R₁), das den Kollektor des einen Transistors (Q₇) des zweiten Transistorpaares (Q₇, Q₈) mit der Betriebsspannungsquelle (V_) verbindet, wobei der Kollektor

des anderen Transistors (Qo) des zweiten Transistorpaares (Q₇, Qg) direkt mit der Betriebsspannungsquelle (V_ß) verbunden ist, eine Schaltungseinrichtung (1), die ein Eingangssignal einem Transistor (Q₁) des ersten Transistorpaares (Q₁ , Q₂) bereitstellt, und Schaltungsstufen, die ein Verstärkungsregelsignal (V^_GC1 , Va^c?) ^{der Bas;}*-^{S von} einem der Transistoren sowohl im ersten als auch im zx^eiten Transistorpaar (Q₁, Q₂ bzw. Q₇, Q_fi) bereitstellen, so daß bei Ansteigen des Eingangssignales der Kollektorvorstrom des einen Transistors (Q₁) des ersten Transistorpaares (Q₁, Q₂) ansteigt und im-Gegensatz dazu die Kollektorvorspannung des einen Transistors (Q₇) des

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zweiten Transistorpaares (Q₇, Qg) abnimmt.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Verstärkungsregelsignal (^v _Arc1/ ^VagC2^ ^be^eitsteilenden Schaltungsstufen mit der Basis des anderen Transistors (CU) des ersten Transistorpaares (Q-, Q₂) und mit der Basis des einen Transistors (Q^) des zweiten Transistorpaares (Q₇ , Qg) verbunden sind.
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Verstärkungsregelsignale ( VJ bereitstellenden Schaltungsstufen einen Kollektor-Emitterweg eines fünften Transistors (Qq), der zwischen der Basis des anderen Transistors (Q₂) ^^es ersten Transistorpaares (Q₁, Q₂) einerseits und der Bezugsspannungsquelle (Masse) andererseits liegt, einen Widerstand, der zwischen der Basis des anderen Transistors (Q₂) des ersten Transistorpaares (Q-, Q₂) einerseits und einer ersten Vorspannungsquelle (V₅₃) andererseits liegt, sowie eine Pegelumsetzungsstufe aufweisen, die die Basis des fünften Transistors (Qg) und die Basis des einen Transistors (Q-) des zweiten Transistorpaares (Qy/ Qg) mit dem Verstärkungsregelsignal beaufschlagt.
4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelumsetzungsstufe einen Verstärkungstransistor (Q₁₁) in Emitterfolgeschaltung und einen Verstärkungstransistor (Qi_o) in Emitterschaltung aufweist und das Verstärkungssignal (AGC) gemeinsam an den Basen dieser beiden Verstärkertransistoren

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(Q₁₁, Q₁₀) anliegt (Fig. 5)
5. Verstärkungsgeregelter Verstärker, gekennzeichnet durch

ein erstes Differenz-Transistorpaar (Q-, Q₂), deren Emitter in Differenzform miteinander verbunden sind, ein zweites Differenz-Transistorpaar (Q₇, Q„), deren Emitter gemeinsam mit einem Kollektor des einen Transistors (Q₁) des ersten Differenz-Transistorpaares (Q₁, Q₂) verbunden sind, Schaltungseinrichtungen, (1) die der Basis des einen Transistors (Q-) des ersten Differenz-Transistorpaares (Q₁, Q₂) ein Eingangssignal bereitstellen, eine Ausgangsklemme (3), an der das Ausgangssignal vom Kollektor des einen Transistors (Q₇) des zweiten Differenz-Transistorpaares (Q₇, Q_ß) abgegriffen wird, Schaltungsstufen, die ein Verstärkungsregelsignal (^ν _ΑΓΓ'>) einem (Q₂) der Transistoren des ersten Differenz-Transistorpaares (Q-, Q₂) bereitstellen, so daß sich die Kollektorvorspannung des ersten Differenz-Transistorpaares (Q-, Q₂) in Abhängigkeit des Eingangssignal-Pegels ändert, wenn der Pegel des Eingangsignales einen vorgegebenen ersten Wert nicht übersteigt, wobei die automatische Verstärkungsregelung durch das erste Differenz-Transistorpaar (Q₁, Q₂) bei Eingangssignalpegeln auftritt, die den vorgegebenen ersten Wert nicht übersteigen, und Schaltungsstufen, die der Basis eines (Q₇) der Transistoren des zweiten Differenztransistorpaares (Q₇, Q«) das Verstärkungsregelsignal (^v _Arci) bereitstellen, so daß die Kollektorvprströme des zweiten Differenz-Transistorpaares '(Q₇/ Qg) in Abhängigkeit des Eingangssignalpegels geändert werden, wenn der Pegel des Eingangssignales

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einen angegebenen ersten Wert übersteigt, wobei die automatische Verstärkungsregelung durch das zweite Differenztransistorpaar (Q-, Q₀) bei den Eingangs-

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Signalpegeln vorgenommen wird, die größer als der vorgegebene erste Wert sind.

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