DE2751566A1 - Entzerrungsschaltung - Google Patents

Description

DIETRICH LtWlNSKY

reinlr pril.tsc?;

MÖNCHEN 21 ₈

GOTTHARDSTR.81 lö.11.1977

9929-V/Nl

Thomson-CSP, Bl. Haussmann 173, F-75OO8 Paris (Prankreich)

" Entzerrungsschaltung "

Priorität: 19. November 1976, No 76 3^913, Prankreich

Die Erfindung betrifft eine Entzerrungsschaltung für Breitbandverstärker mit mindestens einem Transistor, dessen Basis-Kollektor-Kapazität sich in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangs+

signales ändert. ,

Derartige Entzerrungsschaltungen sind insbesondere für Zwischen- ! verstärker von Koaxialkabeln von Bedeutung. i

Die Datenübertragung mit Hilfe von Trägerströmen über größere Entfernungen erfordert, daß zum Ausgleich der DämpfungsVerluste In den Koaxialkabeln eine Vielzahl (bis zu einigen hundert) von j Leitungsverstärkern in der übertragungsleitung vorgesehen sein j müssen.

An diese Verstärker werden sehr hohe Anforderungen gestellt, um die Qualitätsanforderungen, die von der CCITT empfohlen werden, _; zu erfüllen, insbesondere hinsichtlich der Störungen durch Inter-! modulation, von denen vor allem diejenige der dritten Ordnung störend ist, da sie mit dem Quadrat der Anzahl der Zwischenverstärker anwächst.

Einer der Hauptgründe der Intermodulationsstörung in Transistorverstärkern ist der sogenannte Varaktoreffekt, der darin -2-

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besteht, daß sich die BaeiB-Kollektor-Kapazität der Transistoren im Rhythmus des Signales ändert und eine Intermodulatlonsstörung erzeugt, die in Abhängigkeit von der Frequenz und dem Leistungspegel zunimmt. Dies letztere ist von Bedeutung für Endstufentransistoren bei Zwischenverstärkern für Übertragungsleitungen großer Kapazität.

Ls ist bekannt, diesen Schwierigkeiten dadurch abzuhelfen, daß Spezialtransistoren verwendet werden, die mit relativ großen Strömen und Vorspannungen arbeiten. Des weiteren wird eine umfassende Korrektur der Verstärker entweder durch Gegenkopplung oder durch Vorwärtskopplung, die in der englischen Literatur als "Peed Forward" bezeichnet wird, vorgenommen, wobei das verstärkte Signal dadurch korrigiert wird, daß die Störungsanteile in Gegenphase dem Ausgangssignal zugefügt werden.

Nachteilig ist bei diesen bekannten Schaltungen, daß teuere Spezialtransistoren erforderlich sind, die den Energieverbrauch eines Zwischenverstärkers erhöhen und gleichzeitig seine Zuverlässigkeit herabsetzen. Darüber hinaus erfordern die bekannten Schaltungen eine Korrekturschaltung, die wegen des zwangsläufig notwendigen Phasenabgleiche kompliziert ist. Hinzu kommen Stabilitätsprobleme, falls die Korrekturschaltung eine Gegenkopplungsschaltung ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entzerrungsschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Anforderungen an die Transistoren sowie ihr Energieverbrauch relativ gering sind und bei denen die Anzahl der eventuell verbleibenden geringfügigen Korrekturen klein ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Verringerung der Betriebsanforderungen und des Leistungsverbrauchs der Transistoren wird erfindungsgemäß durch eine einfache Korrekturschaltung in den Transistorstufen erreicht, welche die Ursache der Gesamtheit der Störungen darstellen.

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Die Erfindung wird Im folgenden anhand der In den Figuren schema-j tisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine Entzerrungsschaltung nach

der Erfindung In einem Verstärker

mit einem Transistor In Emitterschaltung

Figur 2 eine weitere Ausführungsform der

Entzerrungsschaltung bei Anwendung in einer Verstärkungsstufe mit einer Kollektorschaltung gefolgt von einer Basisschaltung.

Gemäß Figur 1 ehält ein npn-Transistor 1 an seiner Basis 2 eine Wechselspannung, die von einem Generator 3 mit Innenwiderstand R₁ geliefert wird. Sein Kollektor 4 1st an eine Ausgangsklemme 5 und an eine positive Vorspannungsquelle B₁ über einen Widerstand R„ angeschlossen. Sein Emitter 6 liegt über einem Widerstand Rr an Masse. Der Emitter 6 1st des weiteren mit jeweils einer Seite von zwei Kondensatoren C₁ und C 2 verbunden, deren andere Seiten jeweils über die Anoden-Kathoden-Strecke einer Varaktordiode (Kapazitätsdiode) 10 und die Kathoden-Anoden-Strecke einer Varaktordiode 11 an Masse liegen. Eine negative Vorspannungsquelle B~ versorgt die Anode der Varaktordiode 10 über einen Widerstand R,, während eine positive Vorspannungsquelle B, die Kathode der Varaktordiode 11 über einen Widerstand R₁. versorgt.

Diese Verstärkerstufe in Emitterschaltung liefert an ihrem Ausgang 5 verstärkte Signale, die denjenigen an der Basis 2 entsprechen.

Die Basls-Kollektor-Grenzschicht dieses Transistors ist die Ursache eines störenden Varaktoreffektes, der mit Hilfe eines Ersatzschaltbildes veranschaulicht werden kann, das eine variable Störkapazität C enthält, die sich im umgekehrten Sinne wie die _^_

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an die Kapazität über einen Widerstand R angelegte Spannung ändert.

Diese Schaltung weist für ein Ubertragungssignal der Kreisfre-

rag

(1)

quenz <x> eine übertragungsfunktion T auf, für die gilt:

wo C sich in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ändert. Das Änderungsgesetz ist eine charakteristische Eigenschaft des verwendeten Transistors. Es besitzt die Form:

C=C (1+aV+bV²+...) P ο

wobei C die Ruhekapazität, d.h. die Kapazität bei Abwesenheit des Wechselspannungsslgnales,darstellt.

a und b sind Parameter, die die Nicht linearität des Systems kennzeichnen und die für die Intermodulatlonsstörungen der zweiten Ordnung durch lineare Veränderung der Kapazität in Abhängigkeit der Signalamplituden und für die Intermodulationsstörungen der dritten Ordnung durch Veränderung der Kapazität in quadratischer Abhängigkeit von der Signalamplitude verantwortlich sind.

Diese Störungen oder Verzerrungen werden durch eine Korrekturoder Entzerrungsschaltung gemäß der Erfindung, die in den Emitterkreis des Transistors 1 geschaltet ist, kompensiert.

In dieser Schaltung üben die Kondensatoren C₁ und C₂ eine Trennfunktion für die Vorspannungen (Gleichspannungen) B₂ und B, aus. Die Kondensatoren C₁ und C₂ weisen eine Impedanz auf, die für die zu verstärkenden Wechselströme vernachlässigbar klein ist. Die Widerstände R, und R^. sind groß gegenüber den Impedanzen der Varaktordioden 10 und 11 für dieselben Ströme, die folglich eine Impedanz Z_£ des Emitterkreises "sehen". Der Emitterkreis besteht aus dem Widerstand R,-»der parallel mit einer variablen Kapazität

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Cy geschaltet 1st, die aus den gegensinnig geschalteten Varaktordioden 10 und 11 besteht. Für diese Impedanz gilt:

wobei co die Kreisfrequenz des übertragenen Wechselstromes 1st.

Wenn die Stromverstärkung /3 des Transistors wesentlich größer alsj 1 ist und wenn der Innenwiderstand R₁ des Generators 3 vernach- \ lässigbar gegenüber dem Produkt /3 Z₄. ist, ist die Stufenverstärkung, d.h. das Verhältnis der Spannung an den Klemmen des Lastwlderstandes Rp zu der von dem Generator 3 abgegebenen Spannung, gegeben durch:

R R
^{b s} ΪΓ ^s RT 'I⁺JK₅V^

Man erhält folglich eine übertragungsfunktion:

(2) T_v * |-

des In der Korrekturschaltung fließenden Wechselstroms, die gleich dem Reziproken der übertragungsfunktion T der die Störung beschreibenden Ersatzschaltung gemäß Gleichung (1) ist.

Die Schaltungen bzw. die Ersatzschaltungen mit den Übertragungsfunktionen T_y und T sind in Serie geschaltet und die resultieren de übertragungsfunktion T_R wird durch das Produkt Τ_γχΤ gegeben. Es gilt:

T_R = K

Die Störung wird aufgehoben, wenn T_R unabhängig von C_y und C lst.| Dies wird erhalten, wenn R₅ * R und wenn C_y « C . Die letztere ■ Gleichung bestimmt die Wahl der Varaktordioden 10 und 11 sowie '

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die Wahl ihrer Arbeitspunkte, die durch die Einstellung der Vorspannungen B₂ und B, getroffen wird.

Die Im folgenden anhand von Figur 2 beschriebene Entzerrungsschaltung gemäß der Erfindung dient als Verbindung zwischen einem Eingangstransistor in Kollektorschaltung und einem Ausgangstransistor in Basisschaltung.

Gemäß Figur 2 erhält ein n-p-n-Transistor 11 an seiner Basis 12 eine Wechselspannung, die von einem Generator 13 mit einem Innenwiderstand R₁₁ geliefert wird. Sein Kollektor 14 1st mit einer positiven Spannungsquelle B^ und sein Emitter 16 über einen Widerstand R₁,- mit dem Emitter 26 eines Transistors 21 verbunden. Die Basis des Transistors 26 liegt an Masse und sein Kollektor 24 steht mit der Ausgangsklemme 25 und mit einer positiven Spannung B₅ über einen Lastwiderstand R₁₂ in Verbindung. Eine Korrektur* oder Entzerrungsschaltung, analog der in Figur 1 dargestellten, liegt zwischen den Emittern 16 und 26 und besteht neben den bereits erwähnten Widerstand R₁,- aus zwei zu diesem parallelen Zweigen, von denen der erste eine Varaktordiode 30 In Serie mit einem Kondensator C₁₁ und der zweite einen Kondensator C₁₂ in Serie mit einer Varaktordiode 31 enthält. Schließlich sind die Anoden der Varaktordioden 30 und 31 jeweils mit negativen Spannungen B₁₁ und B₁₂ über entsprechende Widerstände R₁-, und R^. verbunden.

Wenn die Stromverstärkungen der beiden Transistoren weit größer als Eins sind, wenn der Widerstand R₁₁ der Quelle vernachlässigbazf 1st und unter der Annahme, daß die Eingangsimpedanz des Translstore 21 in Basisschaltung klein gegenüber der Impedanz der Korrekturschaltung ist, erhält man für die Spannungsverstärkung:

R₁₂

^{G =} h~

wobei Zp die Impedanz des Emitterkreises des Transistors 11 ist, die, unter den vorstehend genannten Bedingungen, sich auf die

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Impedanz der Korrekturschaltung beschränkt. Und zwar gilt:

²F =

wobei C'_v die Kapazitöt der gegensinnig geschalteten Varaktor- ι dioden 30 und 31 ist. ;

Man erhält folglich dieselben Bedingungen, wie bei der Schaltung gemäß Figur 1, wobei in diesem Fall C'_y gewählt wird, um den Varaktoreffekt zweier Transistoren, nämlich der Transistoren 11 ■ und 21, zu kompensieren.

Die beschriebenen Schaltungen wurden mit MOTOROLA-Translstoren ; Typ 2N51O9 und mit Varaktordioden mit hyperscharfem p-n-übergang ^! (MOTOROLA Typ WiIkOk) untersucht. Diese Transistorentypen wurden ί für die Entzerrungsschaltung zusammen mit zwei gegensinnig ge- i

schalteten Varaktordioden, entsprechend einer der zahlreich mug- i liehen Schaltungsvarianten, verwendet. '

Bei anderen Transistoren kann es sich als notwendig erweisen, daß andere Typen von Varaktordioden in Serie und/oder parallel geschaltet werden müssen.

Obgleich die Speisung der Entzerrungsschaltung durch einen Emitterkreis auf einfache Welse die Bedingung eines geringen Innenwiderstandes erfüllt, kann die Entzerrungsschaltung auch anders angeschlossen werden, Insbesondere zwischen den Kollektor eines ersten Transistors und die Basis eines zweiten Transistors, unter j der Bedingung, daß der erste Transistor einen ausreichend geringen! Lastwiderstand besitzt und daß der zweite Transistor mit relativ ; hohen Strömen arbeitet und dementsprechend eine geringe Eingangs- ; Impedanz besitzt. '

Die Untersuchungen haben gezeigt, daß mit der beschriebenen Schal-

tung die Intermodulatlonsleistung für alle Frequenzen des Netz- j frequenzbereiche von Breitbandverstärkern um bis zu 10 dB reduzier^ werden konnte.

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Claims (2)

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   GOTTHARDSTR.31 18.11.1977

   Thomson-CSP 9929-V/N1

   Patentansprüche:_

   / 1.)Entzerrungsschaltung für Breitbandverstärker mit mindestens :

   einem Transistor, dessen Basis-Kollektor-Kapazität sich in j Abhängigkeit von der Amplitude des anliegenden Signales ändert,!

   dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Schaltkreis j aufweist, in dem eine kapazitive Impedanz (^cio»^Cn»^C3O^{f C}31^

   parallel zu einem Widerstand (Rc» ^R-ic) geschaltet 1st, wobei _: der Schaltkreis in den Verstärker so eingefügt ist, daß er vonj

   dem Im Vergleich zur Impedanz des Schaltkreises nlederohmig j

   verstärkten Strom durchflossen wird, daß die kapazitive Impe- ;

   danz aus mindestens einem Element mit in Abhängigkeit von ^;

   seiner Klemmenspannung sich ändernder Kapazität besteht, wo- j bei die kapazitive Impedanz eine übertragungsfunktion aufweist»

   die zu der übertragungsfunktion mindestens eines die Basis- i

   Kollektor-Kapazität enthaltenden Netzwerks reziprok ist. _:
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1 für einen Verstärker mit einem ^: Transistor in Emitterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Impedanz zwei Varaktordioden (C₁₀, C..) aufweist, daß die Anode der einen Varaktordiode und die Kathode

   der anderen Varaktordiode auf einem festen Potential liegen, j

   daß die beiden anderen Elektroden der Varaktordioden einer- ;

   selts mit dem Emitter des Transistors (1) über Trennkondensa- i toren (C., C₂) und andererseits mit Vorspannungsquellen (B₂, B-,) verbunden sind, wobei die beiden Vorspannungsquellen für die beiden Varaktordioden entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen.

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   ORIGINAL INSPECTED

   Schaltung nach Anspruch 1 für einen zweistufigen Verstärker mit einem ersten Transistor in Kollektorschaltung, dessen Emitterkreis an einen zweiten Transistor in Basisschaltung angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zwei gegensinnig parallel geschaltete Varaktordioden ^,^,C,.) aufweist, bei denen die Kathode der ersten Varaktordiode (30) an den Emitter des ersten Transistors (11), die Kathode der zweiten Varaktordiode (3D an den Emitter des zweiten Transistors (21), die Anode der ersten Varaktordiode (30) über einen Trennkondensator (C₁₁) an den Emitter des zweiten Transistors (21), die Anode der zweiten Varaktordiode (31) über einen zwei» ten Trennkondensator (C₁₂) an den Emitter des ersten Transistors (11) angeschlossen sind und daß die Anoden der Varaktordioden (30, 31) jeweils mit einer einstellbaren Vorspannungsquelle (B₁₁. ^Bi2^ ⁱⁿ Verbindung stehen.

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