DE2657729C2

DE2657729C2 - Gegengekoppelter Breitbandverstärker

Info

Publication number: DE2657729C2
Application number: DE19762657729
Authority: DE
Inventors: Franz Richard Ing.(grad.) 8000 München Hübner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1976-12-20
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DE2657729A1

Description

gere Phasenreserven der Schleifenverstärkung bei gleicher Stabilität genügen.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Verstärker derart ausgebildet, daß die Verstärkung bei Betriebsspannungen in der Umgebung des Sollwertes unabhängig vom Wert der Betriebsspannung ist, wobei sich besonders günstige Verhältnisse hinsichtlich der Brummmodulation ergeben.

Vorzugsweise ist der Verstärker ein mehrstufiger, über alles gegengekoppelter Transistorverstärker mit bipolaren Transistoren. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß die Änderung der äußeren Klemmenverstärkung über der Versorgungsspannung besonders gering ist

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand der in F i g. 1 gezeigten bekannten Verstärkerstufe, anhand der Ausführungsbeispiele nach F i g. 3, 7 und 8 sowie anhand der in den F i g. 2,4,5 und 6 gezeigten Diagramme näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Emitterstufe mit Stromgegenkopplung,

F i g. 2 die Verstärkung der in F i g. 1 gezeigien Emitterstufe über der Frequenz für verschiedene Versorgungsspannungen und den gewünschten Verlauf,

F i g. 3 eine Verstärkerstufe mit einem Feldeffekttransistor in der Stromgegenkupplung,

F i g. 4 bis 6 die Wirkungsweise der Verstärkerstufe mit Feldeffekttransistor abhängig von der Versorgungsspannung,

F i g. 7 eine Verstärkerstufe mit einem Feldeffekttransistor in der Spannungsgegenkopplung und

F i g. 8 eine Verstärkerstufe mit einem Feldeffekttransistor zur Änderung des Lastwiderstandes der Stufe.

In Fig. 1 ist eine geläufige, stromgegengekoppelte Emitterstufe dargestellt. Der Transistor 3 liegt mit seiner Basis am Abgriff eines aus den Widerständen 1J und 12 bestehenden Spannungsteilers, bei dem der Widerstand 11 an Masse und der Widerstand 12 an die Versorgungsspannung — Ub geführt ist. Der Pluspol der Versorgungsspannung liegt an Masse. Weiterhin sind bei dem Transistor 3 der Kollektor über den Lastwiderstand 13 an Masse und der Emitter über den Widerstand 14 an die Versorgungsspannung — Ub geführt. Die Versorgungsspannungsquelle ist durch den Kondensator 21 wechselstrommäßig überbrückt.

Entsprechend Fig.2 führt ein Herabsetzen der Versorgungsspannung Ub zu einem steileren Abfall der Verstärkung ν bei höheren Frequenzen gegenüber tiefen, wodurch sich eine größere Phasendrehung der Stufe ergibt- Ein solcher Abfall der Verstärkung ergibt sich für Versorgungsspannungen unterhalb des Sollwertes am Verlauf b. Bei mehrstufigen Verstärkern mit Schleifengegenkopplung kann dies eine kurzzeitige oder auch dauernde Instabilität bewirken. Die Phasenverhältnisse bleiben jedoch gleich, wenn es gelingt, auch die Verstärkung bei tiefen Frequenzen in Abhängigkeit der Versorgungsspannung Ub gleichzeitig mit abzusenken, d. h. im Idealfall eine konstante Verschiebung der Verstärkung über der Frequenz entsprechend dem Verlauf c in F i g. 2 für VersQrgungsspannungsn unter dem Sollwert zu erreichen.

In den F i g. 3, 7 und 8 sind Verstärkerschaltungen gezeigt, die im Zusammenspiel mit Feldeffekttransistoren diese Wirkung aufweisen, so daß das dynamische Verhalten wesentlich verbessert ist.

Fig.3 zeigt eine Verstärkerstufe mit einem Feldeffekttransistor 41 in der Stromgegenkopplung, der von der Versorgungsspannung Ub gesteuert wird. Die in F i g. 3 gezeigte Emitterstufe geht von der bekannten Schaltung nach F i g. 1 aus. Abweichend von der bfkannten Schaltung ist der zwischen dem Emitter des Transistors 3 und der Versorgungsspannung Ue liegende Widerstand als Serienschaltung der Widerstände 141 and 142 ausgebildet, wobei der Widerstand 142 mit einem Ende an der Versorgungsspannung — Ub liegt.

Parallel zum Widerstand 142 liegt ein Zweipol 4, der durch eine Serienschaltung, bestehend aus dem Kondensator 42 und dem Kanalwiderstand des Feldeffekttransistors 41 gebildet ist. Dabei ist der Kondensator an den Verbindungspunkt der Widerstände 141 und 142 angeschlossen. Das Gate des Feldeffekttransistors 41 liegt am Abgriff eines Spannungsteilers 5, der aus den Widerständen 51 und 52 besteht, wobei der Widerstand 52 mit einem Ende an Masse liegt.

Der Gegenkopplungswiderstand dür Emitterstufe besteht teilweise aus dem Feldeffektransistor 41, dessen Gate von d?r Versorgungsspannung Ub gesteuert wird.

Dieser Feldeffekttransistor 41 ist ein ^: iosfet.

Feldeffekttransistoren stellen zwischen ihren Anschlüssen »Drain« und »Source« einen mit der »Gate«-Spannung veränderbaren reellen Widerstand ros mit einer konstanten Parallelkapazität Cds dar, die i. a.

etwa ei.-'ige pF beträgt. Bei dem Mosfet-Transistor ändert sich der Kanalwiderstand ros umgekehrt mit der Gate-Source-Spannung.

Die Gate-Spannung des Feldeffekttransistors ist proportional der Versorgungsspannung Ue- Sinkt die Versorgungsspannung Ub, so erhöht sich der Kanaiwiderstand bzw. Drain-Source-Widerstand ros des Mosfets, die Emitterstufe wird stärker gegengekoppelt und die Verstärkung nimmt ab. Die Verstärkung ν der stromgegengekoppelten Emitterstufe ergibt sich vereinfacht als Quotient aus dem Wert Rl des Lastwiderstandes 13 und der Summe des in der Erniuerzuleitung liegenden Widerstandes 141 und der Parallelschaltung aus dem Widerstand 142 und dem Zweipol 4.

Führ hohe Frequenzen wird die Wirkung des FETs durch seine Parallelkapazität Cds eingeschränkt.

Durch geeignete Wahl des Mosfets einerseits, seines Widerstandsbereiches und der Werte der Widerstände 141 und 142 andererseits läßt sich die gewünschte Absenkung der Verstärkung ν erreichen. Der Widerstsmd 141 kann im Grenzfall den Wert 0, der Widerstand ΊΙ42 im Grenzfall den Wert «> annehmen.

Zur Erzielung eines bestimmten Verstärkungsverlaufes über der Frequenz können die Widerstände 141 und/ oder 142 reell oder komplex sein. Ferner kann zu diesem Zweck ein weiterer Zweipol zwischen dem Emitter des Transistors 3 und dem Anschluß Ub bzw. Masse angeordnet werden, der insbesondere ein Kondensator sein krnn.

In den F i g. 4 bis 6 ist die Wirkungsweise der in F i g. 3 gezeigten Verstsikerstufe schematisch dargestellt. F i g. 4 zeigt den unerwünschten Abfall der Verstärkung ν mit abnehmender Versorgungsspannung Ub- Dabei ist in Fig.4 für eine Verstärkerstufe nach Fig. 1 die Verstärkung ν über der Frequenz /"für verschiedene Ver-

6Q sorgungsspannungen U_B als Parameter aufgetragen, und zwar für die normale Betriebsspannung L'sn, und für kleinere Versorgungsspannungen (< L'bn)-

F i g. 5 zeigt für die in F i g. 3 dargestellte Verstärkerstufe den Einfluß df"s Feldeffekttransistors 41 auf die Verstärkung v. Dabei ist für eine konstante Betriebsspannung L^ der Verstärkerstufe die Verstärkung ν für verschiedene Gate-Source-Spannungen Ucs als Parameter über der Frequenz aufgetragen, und zwar für

normale Gate-Source-Spannung Ugsn und für kleinere Werte (< Ugsn). Man erkennt die Verstärkungsänderung in Abhängigkeit von der Gate-Spannung Uc;s-

In F i g. 6 sind beide Effekte (entsprechend F i g. 4 und 5) überlagert gezeigt. Dabei ist für die in F i g. 3 gezeigte Verstärkerstufe die Verstärkung ν über der Frequenz / für verschiedene Versorgungsspannungen Ub als Parameter aufgetragen, wobei die Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors 41 der Spannung Ub proportional ist, also Ua = k ■ Ucs ist. Man sieht, daß für Versorgungsspannungen, die kleiner als die vorgesehene Betriebsspannung Ug\ sind, die Verstärkung in einem großen Bereich praktisch unabhängig von der Frequenz ist.

Weitere Verstärkerstufen mit jeweils einem von der Betriebsspannung Ub gesteuerten Feldeffekttransistor als spannungsgesteuerten Widerstand sind in den F i g. 7 und 8 gezeigt.

6 beschrieben, ergibt sich bei Einschalten eines Sperrschicht-Feldeffektransistors in den Parallelgegenkopplungsweg der Emitterstufe nach F i g. 7.

Fig. 7 zeigt eine Verstärkerstufe, die entsprechend Fig. 1 als Emitterstufe ausgebildet ist. Ausgehend von einer derartigen Emitterstufe ist der Kollektor des Transistors 3 über einen Zweipol 4, bestehend aus dem Widerstand 43, dem Kanalwiderstand des Feldeffekttransistors 41 und dem Kondensator 42 an die Basis des Transistors 3 geführt. Das Gate des Feldeffekttransistors 4t liegt am Abgriff des aus den Widerständen 51 und 52 bestehenden Spannungsteilers, der mit dem Widerstand 51 an der Betriebsspannung Ub und mit dem Widerstand 52 an Masse liegt.

Bei der Emitterstufe liegt ein durch die Versorgungsspannung Ub gesteuerter Feldeffekttransistor 41 in der ja Spannungsgegenkopplung. Der in Serie zum Kanalwiderstand dieses Feldeffekttransistors 41 liegende Widerstand 43 bietet die Möglichkeit, den Zweipol 4 an den gewünschten Verstärkungsverlauf anzupassen und kann gegebenenfalls den Wert 0 annehmen. Weiterhin kann bei der Verstärkerstufe auch der Widerstand 14 den Wert 0 haben, so daß sich eine reine Spannungsgegenkopplung ergibt

Der Kanalwiderstand des Sperrschicht-Feldeffekttransistors 41 wird mit der Gatespannung größer. Diese Schaltung ist wegen der Vergrößerung der effektiven Rückwirkungskapazität cos des Feldeffekttransistors, insbesondere für Verstärker im niedrigeren Frequenzbereich geeignet

Günstigere Hochfrequenzeigenschaften hat die Verstärkerstufe, die tr· F i g. 8 dargestellt ist

Bei dieser Verstärkerstufe ist, ausgehend von der Verstärkerstufe nach Fig. 1, parallel zum Lastwiderstand 13 ein Zweipol 41, bestehend aus dem Widerstand 43, dem Kanalwiderstand des Feldeffekttransistors 41 und dem Kondensator 42 angeordnet. Das Gate des Feldeffekttransistors 41 liegt am Abgriff des aus den Widerständen 51 und 52 bestehenden Spannungsteilers 5, der zwischen Versorgungsspannung Ub und Masse liegt

Bei dieser Versiärkerstufe dient der Widerstand 43 dazu, den Zweipol 41 an den gewünschten Frequenzgang der Verstärkung anzupassen. Bei geeignetem Feldeffekttransistor 41 kann der Widerstand 43 den Wert 0 haben. Andererseits kann der Lastwiderstand 13 gegen «> gehen.

Ersetzt man den Widerstand 14 durch eine unmittelbare Verbindung, so ergibt sich eine Verstärkerstufe mit reiner Spannungsgegenkopplung.

Hier wird die Verstärkung der Stufe über den Lastwiderstand Rl mit einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor von der Spannung Ub gesteuert.

Bei Verstärkerstufen in Basis- oder Kollektorschaltung ergeben sich entsprechende Möglichkeiten, mit einem Feldeffekttransistor als spannungsgesteuertem Widerstand das dynamische Verhalten abhängig von der Versorgungsspannung Ub zu verbessern. Beispielsweise kann der Zweipol parallel oder in Serie zum Lastwiderstand einer Kollektorstufe angeordnet sein.

Zur Erzielung eines bestimmten Verstärkungsverlaufe:s über der Frequenz kann man bei den Verstärkern nach F i g, 7 oder 8 jeweils die Widerstände 13, 14 und/ oder 43 als einen reellen oder komplexen Zweipol ausführen.

In vorteilhafter Weise läßt sich die Brummodulation, z. B. im oberen Nutzbandbereich von mehrstufigen, ge-

bimensionierung der FET-Steuerung mit der Versorgungsspannung bzw. -strom in einem engeren Bereich um den Normalbetriebszustand so erfolgen, daß sich die K.lemmenverstärkung des gegengekoppelten Verstärkers abhängig von einer gestörten Betriebsspannung Up von einem gestörten Beiriebsstrom Is nicht ändert.

Das Ausgangskennlinienfeld des Feldeffekttransistors ist nur in der Nähe des Ursprungs linear, d. h. der Kanal« Verstand ras ist nur bei kleinen Aussteuerungen als ein linearer Widerstand anzusehen. Es ist daher zweckmäßig, den FET gleichstromfrei und für den Betriebszustand des Verstärkers bei möglichst kleinen 'Pegdn zu betreiben.

Mit bekannten Maßnahmen läßt sich auch die Linearität des Kanalwiderstandes noch verbessern, z. B. dadurch, daß das Substrat an einen parallel zum Kanalwiderstand liegenden Spannungsteiler angeschlossen ist.

Das dynamimische Verhalten über der Versorgungsspannung kann sich besonders bei mehrstufigen Transistorverstärkern, die über mehrere Stufen gegengekoppelt sind, ungünstig bemerkbar machen. Mit dem von di;r Versorgungsspannung Ub gesteuerten Feldeffekttransistor zur Steuerung der Verstärkung ergibt sich die Möglichkeit, dieses dynamische Verhalten zu verbessern.

Von Vorteil ist ferner, daß der Feldeffekttransistor nicht in der Stufe eines mehrstufigen Verstärkers eingesetzt werden muß, in der die ungünstige Abhängigkeit von der Gleichspannung vorwiegend erzeugt wird, zumeist in der Endstufe, sondern man kann hierfür vorteilhaft eine Verstärkerstufe auswählen, die sich besonders eignet, z. B. wegen des niedrigen Signalpegels eine Vorstufe.

Ferner kann die Gleichspannungsabhängigkeit bzw. Eiinschaltverhalten und Brummodulation eines mehrstufigen Verstärkers mit nur einem Feldeffekttransistor, aiso für mehrere Stufen gemeinsam, verbessert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strom- und/oder spannungsgekoppelter, wenigstens einstufiger Breitbandverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweipol (4), der den Kanalwiderstand eines mittels der Versorgungsspannung (Ub) gesteuerten Feldeffekttransistors (4t) enthält, im Gegenkopplungskreis oder im Lastkreis wenigstens einer Verstärkerstufe angeordnet isL

2. Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung, daß die bei tiefen Frequenzen vorhandene Verstärkung der Stufe bei abnehmender Versorgungsspannung (Ub) oder bei abnehmendem Versorgungssrom durch den Zweipol (4) abgesenkt wird.

3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung bei Versorgungsspannungen (Ub) oder -strömen in der Umgebung des Sollwertes unabhängig vom Wert der Betriebsspannung (Us) ist

4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärke."· ein mehrstufiger, über alles gegengekoppelter Transistorverstärker ist.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (4) einen in Serie zum Kanalwiderstand liegenden Kondensator (42) enthält (F i g. 3).

6. Verstärker nach einen· der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (4) einen in Serie zur; Kanalwiderstand liegenden Widerstand (43) enthält

7. Verst&rker nach einem uer Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate des Feldeffekttransistors (41) am Abgn_;r eines an der Betriebsspannung (Ub) liegenden Spannungsteilers (51. 52)lisgt

8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (4) in einem Strom- oder Spannungsgegenkopplungszweig angeordnet ist.

9. Verstärker nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe eine durch einen in der Emitterzuführung liegenden Widersland (141, 142) stromgegengekoppelte Emitterstufe ist, und daß wenigstens ein Teil des Widerstandes (142) mittels des Zweipoles (4) überbrückt ist.

10. Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol (4) zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors (3) einer Emitterstufe angeordnet ist.

11. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalwiderstand des Feldeffekttransistors (41) parallel zum Lastwiderstand (13) einer Emitterstufe angeordnet ist.

12. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine derartige Dimensionierung des Zweipoles (4), daß sich für den Verstärker ein optimaler Brummodulationsabstand ergibt.

13. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol bei einer Kollektorstufe parallel zum oder in Serie mit dem Lastwiderstand angeordnet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Verstärker ist bereits aus der DE-OS 19 27 587 bekannt Der bekannte Verstärker ist ein Breitbandverstärker, der aus einem Verstärker und einem vorgeschalteten Stellglied besteht Zur Änderung der Verstärkung verwendet wird dabei im Gegenkoppfungszweig des Verstärkers ein an seiner Gateelektrode mit einer Steuerspanr.ung beaufschlagter Fddeffekttransistor.

Bei Verstärkern, insbesondere bei mehrstufigen Breitbandverstärkern, beobachtet man häufig ein ungünstiges dynamisches Verhalten in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung, insbesondere ein unbefriedigendes Einschaltverhalten. Die Gründe hierfür liegen unter anderem in den spannungs- und stromabhängigen Transistorparametern, insbesondere in der Stromverstärkung ßo, der Transitfreqeunz fr und der Rückwirkungskapazität Ci2E-

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gegengekoppel-

»n VprctörUpr

liehst vorteilhaftes Verhalten auch bei Versorgungsspannungen ergibt die unter dem Nennwert bzw. Sollwert liegen. Insbesondere soll bei einem gegengekop- pelten Verstärker das Einschaltverhalten oder die Brummodulation verbessert werden.

Ein Herabsetzen der Versorgungsspannung führt zu einem steileren Abfall der Verstärkung bei höheren Frequenzen gegenüber tiefen, wodurch sich eine größere Phasendrehung der einzelnen Stufe und der Gegenkopplungsschleife ergibt Bei mehrstufigen Verstärkern mit Schleifengegenkopplung kann dies eine kurzzeitige oder auch dauernde Instabilität bewirken, insbesondere bei hohen Schleifenverstärkurigen und/oder bei abnehmendem Gegenkopplungsfaktor über die Frequenz in den einzelnen Stufen.

Es ist eine Erkenntnis im Rahmen der Erfindung, daß sich das Einschaltverhaiten dadurch verbessern läßt, daß auch die Verstärkung bei tic^n Frequenzen für Spannungen unterhalb der Betriebsspannung entsprechend mit abgesenkt wird, wodurch die Phasenverhältnisse dann etwa gleich bleiben.

Gemäß der Erfindung wird der Verstärker entsprechend den kennzeichnenden Merkmaien des Patentan-Spruches 1 ausgebildet. Dabei läßt sich eine vorgegebene Abhängigkeit des Frequenzvorganges der Verstärkung von der Versorgungsspannung oder einem Versorgungsstrom erzielen. In einem Verstärker mit mehreren Stufen kann die Verbesserung der Versorgungsso Spannungsabhängigkeit mit Hilfe eines Feldeffekttransistors in nur einer Stufe oder auch mit Hilfe von Feldeffekttransistoren in mehreren Stufen gemeinsam für den Gesamtverstärker durchgeführt werden. Die Versorgungsspannung kann dabei Werte annehmen, die von der vorgesehenen Betriebsspannung abweichen. Der Feldeffekttransistor kann jeweils in einer beliebigen Stufe eingesetzt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine derartige Anordnung gewählt, daß die bei tiefen Frequenzen vorhandene Verstärkung der Stufe für Spannungen unterhalb der Betriebsspannung durch den Zweipol abgesenkt wird.

Durch diese Maßnahmen ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Verringerung der Phasendrehung und dadurch eine Erhöhung der Stabilität gegen Selbsterregung des ein- oder mehrstufigen Transistorverstärkers. Darüber hinaus ergibt sich, daß für das gewünschte dynamische Verhalten im Normalbetriebszustand eerin-