DE2646035A1 - Verstaerkerschaltung fuer wechselspannung - Google Patents

Verstaerkerschaltung fuer wechselspannung

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DE2646035A1 DE19762646035 DE2646035A DE2646035A1 DE 2646035 A1 DE2646035 A1 DE 2646035A1 DE 19762646035 DE19762646035 DE 19762646035 DE 2646035 A DE2646035 A DE 2646035A DE 2646035 A1 DE2646035 A1 DE 2646035A1
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    • H04B1/00Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40Circuits
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    • HELECTRICITY
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Description

  • Verstärkerschaltung für Wechsel spannung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung für Wechselspannung unter Verwendung mehrerer in Kette geschalteter Verstärkerstufen mit jeweils einem symmetrisch aufgebauten Halbleiterverstärkerelement.
  • Die Verstärkungsrichtung eines Verstärkers liegt bei üblichen Schaltungen fest. Durch die Erfindung soll eine Lösung aufgezeigt werden, nach der die Verstärkungsrichtung der Wechselspannungsverstärkerkette unter Verwendung einfacher Schaltmittel umschaltbar gemacht wird. Diese Möglichkeit soll nicht nur auf Verstärker beschränkt sein, sondern sich auch auf Mischstufen ausdehnen, so daß sich auch ein kompletter Verstärkerzug mit Frequenzumsetzungen in der Verstärkungsrichtung umschalten läßt Gemäß der Erfindung ist diese Lösung dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannungszuführung für die Emitterelektrode (Source) und für die Kollektorelektrode (Drain) der einzelnen in Basis- (Gate-) Schaltung betriebenen Halbleiterverstärkerelemente umschaltbar ausgebildet ist, derart, daß jedes dieser Verstärkerelemente in Abhängigkeit vom jeweils eingestellten Betriebsspannungsschaltzustand in einer der beiden Verstärkungsrichtungen betrieben werden kann, daß bei der ersten und der letzten der in Kette geschalteten Verstärkerstufen Anschlüsse vorgesehen sind, welche in Abhängigkeit vom jeweiligen, an allen Verstärkerelementen stets die gleiche Verstärkungsrichtung bewirkenden Betriebsspannungszustand als Signaleingang oder -ausgang der gesamten Verstärkerkette dienen, und daß zwischen den einzelnen Verstärkerstufen jeweils ein Vierpol-Netzwerk mit Bandpaßverhalten eingeschaltet ist, das für beide Verstärkungsrichtungen den jeweiligen Ausgangswider stand einer Verstärkerstufe in den Eingangswiderstand der betriebsrichtungsmäßig nachfolgenden Verstärkerstufe transformiert.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird somit davon Gebrauch gemacht, daß für einige Halbleiterbauelemente die Verstärkungsrichtung erst durch das Anlegen von bestimmten Gleichspannungen festgelegt ist und damit durch das Ändern dieser Spannungen umschaltbar ist. Das Problem der Anpassung zwischen den verstärkenden Elementen für beide Verstärkungsrichtungen wird durch verschiedene NetzwerKe mit HaNpaßverhalten gelöst.
  • Dadurch kann man prinzipiell beispielsweise einen Empfänger in einen Sender umschalten. Ein Sende-Empfänger läßt sich gegenüber üblichen Konzepten erheblich vereinfachen.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von 6 Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Schaltbild einer einzigen, in der Verstärkungsrichtung umschaltbaren Verstärkerstufe, Fig. 2 das Schaltbild einer Verstärkerkette mit umschaltbarer Verstärkungsrichtung unter Verwendung überkritisch gekoppelter Bandfilter zwischen den Stufen, Fig. 3 das Schaltbild einer in der Verstärkungsrichtung umschaltbaren Mischstufe, Fig. 4 das Blockschaltbild eines FM-Sender/Empfängers, der nach der Erfindung arbeitet, Fig. 5 einen ebenfalls nach der Erfindung arbeitenden Einseitenband-Sender/Empfänger in Blockschaltbildform, Fig. 6 das Blockschaltbild eines Repeaters (WSderholer), der nach dem Prinzip der Erfindung arbeitet.
  • In Fig. 1 ist das Schaltbild einer einzigen, in der Verstärkungsrichtung umschaltbaren Verstärkerstufe dargestellt. Sie weist ein symmetrisch aufgebautes Halbleiterelement, im Beispiel einen Feldeffekttransistor 1 auf. Bei symmetrisch aufgebauten Halbleiterelementen, beispielsweise symmetrisch dotierten Transistoren bzw. Feldeffakttransistoren, erhalten der Kollektor und der Emitter bzw. Drain und Source ihre Bedeutung erst durch das Anlegen entsprechender Betriebsspannungen. Betreibt man derartige Halbleiterelemente in Basis-bzw. Gateschaltung, so läßt sich die Verstärkungsrichtung durch Umschalten der Betriebsspannungen ebenfalls umschalten.
  • Bei der Anordnung nach Fig. 1 dienen zum Umschalten der Betriebsspannung UB die beiden gemeinsam bctriebenen, zwei Schaltstellungen A und B aufweisenden Umschalter 2 und 3.
  • Das Gate des Transistors 1 liegt in beiden Schalterstellungen A und B auf gleichem Gleichspannungspotential, da dieses zwischen den beiden Widerständen 4 und 5 abgenommen wird.
  • Den als Drain bzw. Source wirksamen Elektroden wird die Betriebsgleichspannung über die beiden Wechselspannungsdrosseln 6 und 7 zugefXlrt. Zur Gleichspannungsentkopplung sind noch die Kondensatoren 8, 9 und 10, 11 vorgesehen. Der Eingangswiderstand ist in beiden Verstärkungsrichtungen mit RE und der Ausgangswiderstand mit RA bezeichnet.
  • In Fig. 2 ist das Schaltbild einer dreistufigen Verstärkerkette mit umschaltbarer Verstärkungsrichtung unter Verwendung überkritisch gekoppelter Bandfilter zwischen den Stufen dargestellt. In einem mehrstufigen Verstärker ergibt sich das Problem, den hochohmigen Ausgangswiderstand RA einer Stufe in den niedrigen Eingangswiderstand RE der folgenden Stufe für beide Verstärkungsrichtungen zu transformieren. Die Bedingung gleicher Transformationen für beide Verstärkungsrichtungen läßt sich durch die Verwendung symmetrischer An- paßvierpole erreichen und der Ausgangswiderstand RA in den Eingangswiderstand RE transformieren, wenn der Vierpolwellenwiderstand Zw = ist und die Vierpolphase °W = 900 beträgt. In der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist sowohl zwischen die erste und die zweite Stufe als auch zwischen die zweite und die dritte Stufe ein als solches Transformierglied wirkendes überkritisch gekoppeltes Bandfilter 12 eingeschaltet. Jedes dieser beiden Bandfilter 12 besteht aus zwei Parallelresonanzkreisen mit den Elementen L und C sowie einem Koppelkondensator CK zwischen diesen beiden Kreisen. Wählt man bei einem solchen symmetrischen Bandfilter 12 und beidseitigem Abschluß mit dem Widerstand RA den Kopplungsfaktor so ist es für diesen Abschluß überkritisch gekoppelt und trãnsrRrmlert den Widerstand RA in den Widerstand RE entk sprechend - = RE. Die übrigen Schaltungselemente in der Schaltung Wach Fig. 2 stimmen mit denjenigen Elementen nach der Fig. 1 überein, welche mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Je nach der Stellung der Umschalter 2 und 3 arbeitet die Schaltung von links nach rechts oder von rechts nach links als Verstärker.
  • Einfache; für eine Widerstandstransformation verwendbare und für eine Realisierung interessante Vierpole sind außer dem beschriebenen überkritisch gekoppelten Bandfilter beispielsweise noch A/4-Leitungen mit einem Wellenwiderstand Anstelle einer tatsächlichen Leitung läßt sich auch eine Leitungsnachbildung aus Induktivitäten und Kapazitäten verwenden. Als Anpaßvierpol verwendbar sind auch symmetrische rt und T-Schaltungen. Hiervon ist wegen der einfachen Betriebsspannungszuführung eine 1t-Schaltung mit Induktivitäten als Querglieder und einer Kapazität als Längsglied von besonderem Interesse. Die Anpassung läßt sich allerdings nur mit Bandpaßcharakteristik erreichen. Bei dem gewählten symmetrischen Aufbau ergibt sich für beide Verstärkungsrichtungen die gleiche Mittenfrequenz. Verwendet man unsymmetrische Anpaß schaltungen, so lassen sich unterschiedliche Mittenfrequenzen für beide Verstärkungsrichtungen erzielen.
  • Neben diesen Geradeausverstärkern lassen sich nach dem Prinzip der Erfindung auch Mischstufen aufbauen, deren Verstärkungsrichtung umschaltbar ist. Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer solchen in der Verstärkungsrichtung umschaltbaren Mischstufe, das weitgehend mit demjenigen der Verstärkerschaltung nach Fig. 1 übereinstimmt. Es wird lediglich auf die Basis bzw. das Gate des Feldeffekttransistors 1 von einem Schwingungserzeuger 13 eine Oszillatorspannung Uosz gegeben und dem Emitter bzw. der Source die Eingangsfrequenz f1 zugeführt, während man am Kollektor bzw. am Drain des Transistors 1 die gewünschte Mischfrequenz f2 auskoppelt. Wenn die Umschalter 2 und 3 umgeschaltet werden, arbeitet die dargestellte Mischstufe umgekehrt, d.h. die Frequenz f1 ist dann nicht mehr die Eingangsfrequenz, sondern die Ausgangsfrequenz, und die Frequenz f2 ist die Eingangsfrequenz. Die dargestellte Mischstufe arbeitet als Aufwärtsmischer, wenn die Frequenz f1 die Eingangsfrequenz fein ist und die Ausgangsfrequenz faus durch die Frequenz f2 = f1 + fosz gebildet wird. Dagegen arbeitet die Mischstufe als Abwärtsmischer, wenn die Eingangsfrequenz fein = f2 ist, da dann die Ausgangsq- Z faus = 2 fosz = f1 ist. Dabei werden im allgemeinen der Eingangswiderstand ReM1 und der Ausgangswiderstand RaM1 der Mischstufe nach dem Umschalten der Verstärkungsrichtung nicht mit dem Eingangswiderstand Re2 und dem Ausgangswiderstand Ra2 der anschließenden Verstärkerstufe übereinstimmen. Hier läßt sich für beide Verstärkungsrichtungen eine Leistungsanpassung ohne Verluste dadurch erreichen, daß ein unsymmetrisch ausgebildetes Vierpol-Netzwerk vorgesehen ist, dessen Vierpol-Wellenwiderstand in der einen Richtung dessen Vierpol-Wellenwiderstand in der anderen Richtung und dessen Vierpol-Phase G 90L> beträgt, wobei ReM1 der Eingangswiderstand eIner Mischstufe, RaM1 der Ausgangswiderstand dieser Mischstufe, Re2 der Eingangswiderstand und Ra2 der Ausgallgswiderstand (in umgekehrter Betrlebsrlchtun) dgr anschließenden Verstärkerstufe ist und die Bedingung gilt. Läßt man in den Anpaßschaltungen Verluste'zu, so lassen sich prinzipiell beliebige Kombinationen von Eingangs- und Ausgangswiderständen anpassen. Hierzu kann man durch Parallel- bzw. Serienschaltung von Widerständen zunächst gleiche Verhältnisse der Ausgangs- und Eingangswiderstände der beiden anzupassenden Stufen erzielen und anschließend mit einem unsymmetrischen Vierpol Anpassung für beide Verstärkungsrichtungen erreichen.
  • Dabei werden zwar die Verluste mit zunehmender Abweichung der Widerstandsverhältnisse ebenfalls zunehmen. Vorhandene Blindkomponenten aer Eingangs- und Ausgangswiderstände bzw.
  • -leitwerte lassen sich in den Anpaßvierpolen berücksichtigen.
  • Verwendet man derartige Anpaßschaltungen in den Geradeausverstärkerstufen so entfällt die eingangs der Beschreibung gemachte Einschränkung auf symmetrische Dotierung der Halbleiterelemente bzw. auf symmetrischen Aufbau.
  • Als gewisses Problem stellt sich die Anpassung des Verstärkers am Eingang und am Ausgang auf einen konstanten Widerstand für beide Verstärkungsrichtungen oder die Anpassung an Baugruppen im Verstärkerzug, welche gleiche Eingangs- und Ausgangswiderstände besitzen, beispielsweise Quarztilter, dar. Diese Anpassung läßt sich mit der vorstehend beschriebenen Methode nicht ohne weiteres durchführen, da bei exakter Anpassung die Dämpfung wegen des Widerstandsverhaltnisses von 1 gegen oo geht.
  • In diesem Fall müßte man Fehlanpassung zulassen. Man kann jedoch schaltbare Elemente in den Transformationsschaltungen vorsehen, wobei Halbleiterdioden zur Umschaltung dieser Elemente verwendet werden können. Die Schaltspannungen für diese Dioden lassen sich in einfacher Weise aus den Betriebsspannungen ableiten, die bei der Umschaltung der Verstärkungsrichtung ebenfalls umgeschaltet werden. Die Anpassung des niedrigen Eingangswiderstandes RE und des hochohmigen Ausgangswiderstandes RA an einen konstanten Widerstand läßt sich z.B. durch Umschaltung des Koppelfaktors eines Bandfilters erreichen.
  • In Fig. 4 ist das Blockschaltbild eines FM-Sender/Empfängers dargestellt, der in Abhängigkeit von der Einschaltung der jeweiligen Verstärkungsrichtung entweder als Sender oder als Empfänger arbeitet. Auf eine an einer Antenne liegende, verstärkungsrichtungsmäßig umschaltbare Hochfrequenz-Vorstufe 14 folgt eine von einem Oszillator 15 betriebene, ebenfalls hinsichtlich ihrer Verstärkungsrichtung umschaltbare Mischstufe 16, an welche ein hinsichtlich der Verstärkungsrichtung umschaltbarer Zwischenfrequenz-Verstärker 17 angeschlossen ist. Diesem Zwischenfrequenz-Verstärker 17 folgt ein phasengeregelter Oszillator für Frequenz- und Phasenmodulation, welcher aus einem Phasendiskriminator 18, einem spannungsgeregelten Oszillator 19 (VCO) und einem Tiefpaß 20 zusammengesetzt ist. Es handelt sich bei diesem phasengeregelten Oszillator um einen Demodulator, der sich ebenfalls als Modulator verwenden läßt. Am Ausgang des Tiefpasses 20 kann je nach der eingeschalteten Verstärkungsrichtung ein niederfrequentes Ausgangssignal an der Klemme 21 abgenommen oder ein niederfrequentes Eingangssignal an der Klemme 22 zugeführt werden.
  • Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild eines ähnlich arbeitenden Einseitenband-Sender/Empfängers, der ebenfalls in Abhängigkeit von der jeweiligen Verstärkungsrichtung entweder als Sender oder als Empfänger arbeitet. An eine verstärkungsrichtungsmäßig umschaltbare, an einer Antenne liegende Hochfreauenz-Vorstufe 2v ist eine Mischstufe 24 angeschlossen, welche von einem Oszillator 25 betrieben wird und ebenfalls bezüglich ihrer Verstärkungsrichtung umschaltbar ausgelegt ist. Der Mischstufe 24 folgt ein hinsichtlich der Verstärkungsri chtung umschaltbarer Zwischenfrequenz-Verstärker 26, an welchen ein Einseitenbandfilter 27 angeschlossen ist. Als Demodulator bzw. als Modulator in der anderen Verstärkungsrichtung dient ein an einem geregelten Oszillator 28 angeschlossener Ringmischer 29 für Einseitenband- und Amplitudenmodulation. Dem Ringmischer 29 kann je nach Verstarkungs- richtung an einer Klemme 30 ein niederfrequentes Ausgangssignal abgenommen oder ein niederfrequentes Eingangssignal zugeführt werden. Es läßt sich demnach mit Schaltungen, deren Verstärkungsrichtung umschaltbar ausgelegt ist, ein Empfänger mit Frequenzumsetzungen, Selektionsmitteln und Demodulator aufbauen, der nach Umschaltung der Verstärkungsrichtung als Sender ein moduliertes und in der Frequenz umgesetztes Signal über die nun als Leistungsverstärker arbeitende Hochfrequenzvorstufe 23 an die Antenne abgibt.
  • Eine andere Art einer Sende/Empfangsstation unter Verwendung eines umschaltbaren Verstärkers nach der Erfindung ist in Blockschaltbildform in Fig. 6 dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Repeater (Wiederholer), d.h. um eine Station, die ein empfangenes Signal verzögert wieder als Sendesignal in verstärkter Form abgibt. Zu diesem Zweck ist an eine Antenne 31 ein hinsichtlich seiner Verstärkungsrichtung umschaltbarer Verstärker 32 angeschlossen, dem eine Verzögerungseinrichtung 33 nachgeschaltet ist. Vom empfangenen und verzögerten Signal wird über eine Diode 34 ein monostabiler Multivibrator 35 angestoßen, der den Verstärker 32 für eine bestimmte Zeit von der Empfangsrichtung in die Senderichtung umschaltet. Während dieser Zeit läuft das reflektierte (Reflexionsfaktor r e 1), empfangene Signal über die Verzögerungsleitung 33 zurück, wird im Verstärker 32 verstark und über die Antenne 31 wieder abgestrahlt.
  • 14 Patentansprüche 6 Figuren

Claims (14)

  1. Patentansprüche a Verstärkerschaltung für Wechsel spannung unter Verwendung mehrerer in Kette geschalteter Verstärkerstufen mit jeweils einem symmetrisch aufgebauten Halbleiterverstärkerelement, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Betriebsspannungszuführung für die Emitterelektrode (Source) und für die Kollektorelektrode (Drain) der einzelnen in Basis-(Gate-)Schaltung betriebenen Halbleiterverstärkerelemente (1) umschaltbar ausgebildet ist, derart, daß jedes dieser Verstärkerelemente in Abhängigkeit vom jeweils eingestellten Betriebsspannungsschaltzustand in einer der beiden Verstärkungsrichtungen betrieben werden kann, daß bei der ersten und der letzten der in Kette geschalteten Verstärkerstufen Anschlüsse vorgesehen sind, welche in Abhängigkeit vom jeweiligen, an allen Verstärkerelementen (1) stets die gleiche Verstärkungsrichtung bewirkenden Betriebs spannungszustand als Signaleingang oder -ausgang der gesamten Verstärkerkette dienen, und daß zwischen den einzelnen Verstärkerstufen jeweils ein Vierpol-Netzwerk (12) mit Bandpaßverhalten eingeschaltet ist, das für beide Verstärkungsrichtungen den jeweiligen Ausgangswiderstand einer Verstärker stufe in den Eingangswiderstand der betriebsrichtungsmäßig nachfolgenden Verstärkerstufe transformiert.
  2. 2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Vierpol-Netzwerk symmetrisch ausgebildet ist und einen Vierpolwellenwiderstand von Zw = sowie eine Vierpolphase von # = 90° aufweist, wobei pa der hochohmige Ausgangswiderstand einer Stufe a und R der niederohmige Eingangswiderstand der jeweils nachfolgenden Verstärkerstufe ist.
  3. 3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, d a du r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Vierpol-Netzwerk eine Viertelwellenlängen-Leitung ist, die auch aus einer aus Induk-tivi-täten und Kapazitäten zusammengesetzten Leitungsnachbildung bestehen kann.
  4. 4. Verstärkerschaltung 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 das Vierpol-Netzwerk bei beidseitigem Abschluß mit einem Widerstand Ra ein überkritisch gekoppeltes symmetrisches Bandfilter ist. welches einen Kopplungsfaktor K = aufweist.
  5. 5. Verstärkerschaltung 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 das Vierpol-Netzwerk eine symmetrische #- oder T-Schaltung ist, welche aus einer oder zwei Induktivitäten und zwei bzw. einer Kapazität zusammengesetzt ist.
  6. 6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h eine t-Schaltung, die aus einem Längskondensator und zwei Querinduktivitäten besteht.
  7. 7. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine oder mehrere Verstärkerstufen der Kette nicht als Geradeausverstärker, sondern als Mischerstufen ausgebildet sind, bei denen jeweils auf die Basis (Gate) die Umsetzoszillatorspannung (Uosz) und auf den Emitter (Source) die Spannung mit der Eingangsfrequenz (fein) gegeben wird und bei denen jeweils am Kollektor (Drain) die Spannung mit der umgesetzten Frequenz (f ) abgenommen aus wird.
  8. 8. Verstärkerschaltung nach Anspruch 7, d a d u r c h a e -k e n n z e i c h n e t , daß ein unsymmetrisch ausgebildetes Vierpol-Netzwerk vorgesehen ist, dessen Vierpol-Vellenwiderstand in der einen Richtung Zwi Re1 f dessen Vierpol-iZellenwiderstand in der anderen Richtung Zw2 = und dessen Vierpol-Phase #w = 900 beträgt, wobei ReM1 der Eingangswiderstand einer Mischstufe, R»I1 der Ausgangswiderstand dieser Mischstufe, Re2 der Eingangswiderstand und Ra2 der Ausgangswiderstand ( in umgekehrter Richtung ) der anschließenden Verstärker- RaM1 = Ra2 stufe ist und die Bedingung = gilt.
  9. ReM1 Re2 9. Verstärkerschaltung nach Anspruch 8, g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h eine Parallel- oder Serienschaltung von Widerständen zur Erzielung von gleichen Verhaltnissen bei den Ausgangs- und Eingangswiderständen der beiden anzupassenden Stufen.
  10. 10. Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Verwendung von schaltbaren Bauelementen im transformierenden Vierpo1-Netzwerk.
  11. 11. Verstärkerschaltung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Umschaltung der schaltbaren Bauelemente Halbleiterdioden vorgesehen sind, deren Schaltspannung aus den Betriebsspannungen ableitbar sind.
  12. 12. Verstärkerschaltung nach Anspruch 7 und einem der übrigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Verstçrkerkette zu einem Sender-Empfanger zusammengeschaltet ist, wobei ein Modulator verwendet wird, der sich ebenfalls als Demodulator benutzen läßt.
  13. 13. Verstärkerschaltung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Modulator bzw. Demodulator ein flingmischer (29) für Einseitenband- und Amplitudenmodulation vorgesehen ist.
  14. 14. Verstärkerschaltung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Nodulator bzw. Demodulator ein phasengeregelter Oszillator (18, 19, 20) für Frequenz- und Phasenmodulation vorgesehen ist.
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EP0018571A1 (de) * 1979-04-27 1980-11-12 Siemens Aktiengesellschaft Wechselspannungsverstärkerschaltung mit mehreren in Gate-(Basis-)Schaltung betriebenen Halbleiterverstärkerelementen
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