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Kettenverstärker mit fehlangepaßten Richtkopplern
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Die Erfindung betrifft einen Kettenverstärker mit fehlangepaßten Richtkopplern
und bipolaren Transistoren oder Feldeffekttransistoren zur Verstärkung elektrischer
Signale mit sehr großer Bandbreite, wie sie z.B. zur Verstärkung extrem kurzer Impulse
in Vielkanal-Nachrichtenübertragungssystemen benötigt wird.
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Das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite ist für ein bestimmtes
Verstärkungselement konstant. Im Kettenverstärker kann im Gegensatz zum Kaskadenverstärker
der Beitrag der einzelnen Verstärkerstufen zur Gesamtverstärkung kleiner eins sein,
da sich die Gesamtverstärkung additiv aus den Stufenverstärkungen zusammensetzt
[13 . Das Verstärkerelement kann daher bei geringer Verstärkung bis zu seiner höchsten
Grenzfrequenz betrieben werden, wodurch sich eine sehr hohe Grenzfrequenz des Verstärkers
ergibt. Darüber hinaus ermöglicht das Kettenverstärkerprinzip die Erzielung hoher
Ausgangsleistung durch Summation der Leistung vieler einzelner Verstärkerstufen
zur gesamten Ausgangsleistung.
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Beim herkömmlichen Prinzip des Kettenverstärkers, das seit 1937 bekannt
ist [2] , werden die Verstärkerelemente (Röhren, Feldeffekt-Transistoren oder bipolare
Transistoren) in Parallel-Parallel-, Parallel-Serien- oder Serien-Parallel-Schaltung
bezüglich der Eingangs- bzw. Ausgangsleitung betrieben.
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So wurde die Parallel-Parallel-Schaltung bei Röhrenverstärkern vorteilhaft
angewandt, Bei der Benützung von Halbleiterelementen werden Feldeffekt-Transistoren
(vorzugsweise MESFET) in Parallel-Parallel-Schaltung zwischen der Eingangs- und
-Ausgangsleitung betrieben [3] , wohingegen bei Verstärkern mit bipolaren Transistoren
je nach Schaltungsart der Verstärkerelemente die Parallel-Parallel-, die Serien-Parallel-
oder die Parallel-Serien-Schaltung Verwendung findet [4, 5, 63.
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Gemeinsames Kennzeichen dieser Verstärker ist, daß die Verstärkerelemente
direkt oder über Koppelelemente an eine gemeinsame ununterbrochen durchgehende Eingangsleitung
angeschlossen sind. Insbesondere bei hohen Frequenzen wird dadurch das zu verstärkende
Signal auf der Eingangsleitung bedämpft. Die Anzahl der sinnvoll in Kette geschalteten
Verstärkerelemente ist daher begrenzt und es läßt sich nur eine geringe Verstärkung
bzw.
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niedere Ausgangs leistung erreichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine extrem breitbandige Kettenverstärkerschaltung
anzugeben, welche die Anzahl der Verstärkerelemente nicht begrenzt und damit die
Erzielung einer hohen Ausgangsleistung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Eingangs
leitung des Kettenverstärkers durch eine Kettenschaltung extrem breitbandiger, durch
extrem breitbandige strom- oder spannungsgesteuerte Stromquellen fehlangepaßter
3 dB-Richtkoppler gebildet wird und die Ketten schaltung über extrem breitbandige
strom- oder spannungsgesteuerte Stromquellen erfolgt.
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Die durch Fehlanpassung der Richtkoppler erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß am Ort der Fehlanpassung eine dem Eingangsstrom oder der
Eingangsspannung des Richtkopplers proportionale Strom- oder Spannungserhöhung auftritt,
die anstelle des geringeren Eingangssignals durch strom- oder spannungsgesteuerte
Stromquellen verstärkt wird. Dämpfungen und Verluste des Eingangssignals werden
durch die Strom- oder Spannungserhöhung kompensiert.
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Dadurch ist die Stufenzahl des Kettenverstärkers unbegrenzt und es
kann eine hohe Verstärkung und eine große Ausgangsleistung erreicht werden.
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In Fig. 1 ist das prinzipielle Schaltbild eines Kettenverstärkers
mit durch strom- oder spannungsgesteuerten Stromquellen fehlangepaßten, extrem breitbandigen
Richtkopplern und einer Ausgangsleitung dargestellt.
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Fig. 2 zeigt eine Einzelstufe des Kettenverstärkers nach Bild 1 mit
bipolaren Transistoren in Basisschaltung als breitbandige stromgesteuerte Stromquellen,
Fig. 3 die Einzelstufe des Verstärkers nach Bild 1 mit Feldeffekt-Transistoren in
Drainschaltung als breitbandige spannungsgesteuerte Stromquellen.
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Zur Vereinfachung wurden die Masseleiter der Richtkoppler und der
Ausgangs leitung sowie die Stromversorgung nicht gezeichnet.
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Im Folgenden wird nur die Verstärkerstufe mit stromgesteuerten Stromquellen
anhand Bild 2 beschrieben. Die Eigenschaften der Stufe mit spannungsgesteuerten
Stromquellen nach Bild 3 ergibt sich sinngemäß durch Ersetzung der Bezeichnungen
"Strom" durch "Spannung", "Kurzschluß" durch "Leerlauf" und kleiner Eingangswiderstand"
durch großer Eingangswiderstand" usw.
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Die Eigenschaften eines 3 dB-Richtkopplers sind bekannt r73 : das
bei Tor 1 eingespeiste Signal wird bei allseitiger Anpassung mit um 3 dB verminderter
Amplitude auf die Tore 2 und 3 übertragen. Tor 4 ist von Tor 1 vollständig entkoppelt.
Besteht an den Toren 2 und 3 gleichartige Fehlanpassung, so überlagern sich die
reflektierten Signalanteile an Tor 4 in Phase und werden im Abschlußwiderstand absorbiert,
während sie sich an Tor 1 auslöschen, hier also die gleichartige Fehlanpassung der
Tore 2 und 3 nicht bemerkbar ist.
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Werden die Tore 2 und 3 kurzgeschlossen, so fließt jeweils im Kurz
schlußpunkt ein gegenüber dem Anpassungsfall doppelt so großer Signalstrom oder
gegenüber dem Eingangsstrom in Tor 1 ein um 3 dB größerer Kurzschlußstrom.
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Die an Tor 2 und 3 total reflektierten Teile des Eingangssignales
überlagern sich am Abschlußwiderstand des Tores 4 wieder zum vollständigen, unverfälschten,
nur gegenüber dem Eingangssignal phasenverschobenen ursprünglichen Signal.
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Werden die Kurzschlüsse durch stromgesteuerte Stromquellen realisiert,
so lassen sich die an Tor 2 und Tor 3 des Richtkopplers auftretende Kurzschlußströme
entweder Fall a: auf eine Ausgangsleitung des Kettenverstärkers (z.B. von Tor 2
aus) und auf den Eingang der folgenden Verstärkerstufe (z.B. von Tor 3 aus) übertragen.
Das an Tor 4 auftretende Signal wird im Abschlußwiderstand reflexionsfrei absorbiert
(Kettenverstärker nach Fig. 1).
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oder Fall b: auf zwei Ausgangsleitungen des Kettenverstärkers (jeweils
von Tor 2 und 3 aus) übertragen, während der an Tor 4 auftretende Signalstrom die
nachfolgende Verstärkerstufe ansteuert (Kettenverstärker nach Fig. 4).
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Durch gleiche Laufzeit der Signale auf der Eingangskettenschaltung
der Richtkoppler im. Fall a einschließlich Stromquellen und im Fall b ohne Stromquellen
einerseits und auf der (den) Ausgangsleitung(en) andererseits überlagern sich die
auf die Ausgangsleitung(en) übertragenen Signale phasenrichtig.
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Als stromgesteuerte Stromquellen werden nach Bild 2 bipolare Transistoren
in Basisschaltung eingesetzt: Der niedere Eingangswiderstand der Transistoren wirkt
gegenüber dem Impedanzniveau des Richtkopplers nahezu als Kurzschluß. Die Stromverstärkung
ist betragsmäßig bis zu der sehr hohen Grenzfrequenz konstant, ihr Phasenfrequenzgang
entspricht der Phasendrehung eines Leitungsabschnitts.
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Der Ausgangswiderstand ist wesentlich höher als das Impedanzniveau
der Ausgangsleitung.
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Die Ausgangskapazitäten der Verstärkerelemente werden mit den Leitungselementen
des folgenden Richtkopplers oder der Ausgangs leitung zu Tiefpaßkettengliedern zusammengefaßt.
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Da (vgl. Fig. 1) der auf den Eingang der folgenden Kettenverstärkerstufe
übertragene Kurzschlußstrom größer als der Eingangsstrom in den Richtkoppler der
Stufe ist, werden Signalaufteilung, Verluste und Dämpfung in der Stufe vollständig
kompensiert. Die Kettenschaltung beliebig vieler Stufen, die Erzielung hoher Verstärkung
und großer Ausgangsleistung bei extremer Bandbreite ist damit realisierbar.
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Die Bandbreite moderner multioktaver 3 dB-Richtkoppler reicht von
ca. 500 MHz bis über 10 GHz. Die Alpha-Grenzfrequenz moderner bipolarer Transistoren
beträgt ca. 10 GHz, die Grenzfrequenzen von GaAs-Feldeffekt-Transistoren liegen
oberhalb 12 GHz.
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Die durch die Richtkoppler gegebene untere Bandgrenze des Kettenverstärkers
kann durch einen Tiefpaßverstärker herkömmlicher Bauart mit zum Kettenverstärker
komplementären Frequenzgang bis auf 0 Hz herabgesetzt werden (Fig. 5 und Fig 6).
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Die Erfindung wurde, wie bereits erwähnt, anhand eines bevorzugten
Beispiels beschrieben. Daher können von Fachleuten vielfältige Änderungen in Einzelheiten
vorgenommen werden, ohne daß dadurch der nachstehend beanspruchte Geltungsbereich
der Erfindung verlassen wird.
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[1]Ginzton, E.L.
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Hewlett, W.R.
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Jasberg, J.H.
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Noe, J.D.
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Distributed amplification.
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Proc. IRE 1948, 36 p. 956 2] Percival, W.S. Thermionic valve circuits.
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British Patent 460 562, Jan. 1937 (3 Jutzi, W. A MESFET distributed
amplifier with 2 GHz bandwidth.
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Proc. IEEE Vol. 57, No 6, June 1969, p. 1195 Erz Chen, W.K. Distributed
amplifiers: survey of the effects of lumpedtransmission-line design on performance.
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Proc. IEE, Vol. 114, No 8.
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August 1968, p. 1065 [5] Kohn, G.
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Schlosser, S.
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Kettenverstärker mit bipolaren Transistoren.
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Offenlegungsschrift Nr. 2052437 Deutsches Patentamt München Bundesrepublik
Deutschland
06] Meyer, F. Kettenverstärker 'mit Zwischenleitung.
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Offenlegungsschrift Nr. 2363095 Deutsches Patentamt München Bundesrepublik
Deutschland C73 Egger, A. Hochfrequenztechnik Bd. 2 Institut für Hochfrequenztechnik
Stuttgart, 1974 Seite 135 ff.