DE2758933C3

DE2758933C3 - Linearer Transistor-Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE2758933C3
Application number: DE2758933A
Authority: DE
Inventors: Jean Jacques Paris Fyot
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-12-31
Filing date: 1977-12-30
Publication date: 1981-05-07
Also published as: CA1091776A; DE2758933A1; NL7714512A; DE2758933B2; US4131860A; FR2376556B1; SE426198B; SE7714805L; FR2376556A1; GB1560329A

Description

]/(Si-S_r

Τ-Θ R

die den Bezugswert (V₀) ergeben, und daß die Recheneinrichtungen der zweiten Regelschaltung die folgenden Operationen durchführen

deren Ergebnis durch Einstellung des Dämpfungsglieds gleich dem Wert Vo² gemacht wird.

Die Erfindung betrifft einen linearen Transistor-Leistungsversiärker mit einer eine Gleichspannung liefernden Stromversorgungsanordnung und mit einem Eingangsdämpfungsglied, die beide mittels eines elektrischen Steuersignals einstellbar sind.

Aus der DE-AS 21 37 249 ist ein Leistungsverstärker bekannt, der mit einer regelbaren Stromversorgungs-Gleichspannung arbeitet, die im Hinblick auf Aussteuerung mit Verlustleistung optimal bemessen ist. Darüber hinaus ist es aber bei linearen Transistor-Leistungsverstärkern der eingangs genannten Art erwünscht, die Eigenschaften in Abhängigkeit von verschiedenen Anwendungsbedingungen, wie Impedanz-Fehlanpassung, Übersteuerung, Änderung der Umgebungstemperatur usw. zu optimieren, insbesondere bei Transistor-Leistungsverstärkern für die AB-Verstärkung von amplitudenmodulierten Hochfrequenzsignalen, deren Kenngrößen einer strengen Linearitätsbedingung unterworfen sind.
Es ist bekannt, Verstärker sehr weit überzudimensionieren, um die minimalen Anforderungen zu erfüllen, die auch unter den ungüstigsten vorkommenden Anwendungsbedingungen gestellt werden, für die der Verstärker dann optimiert ist.
Diese Lösung ist aufwendig, denn die Fähigkeiten der

so Schaltungen werden während des größten Teils der Zeit, in welchem die Anwendungsbedingungen die Erzielung besserer Ergebnisse erlauben würden, schlecht ausgenutzt.

Nun ist es im allgemeinen zulässig, daß die Solleigenschaften für einen bestimmten Prozentsatz der Zeit nicht erreicht werden, und es ist auf jeden Fall erwünscht, die Schaltungen besser auszunutzen, damit eine zusätzliche Übertragungsreserve zur Verfugung steht.

bo Zu diesem Zweck ist es auch bekannt, die Eigenschaften eines Verstärkers unter den Nenn-Anwendungsbedingungen zu optimieren und ein Überwachungssystem vorzusehen, das dann, wenn die Anwendungsbedingungen sich ungünstig entwickeln, eine systematische Verschlechterung dieser Eigenschaften verursacht, insbesondere durch Verringerung der Stro'iversorgungs-Gleichspannung, die einstellbar ausgebildet ist, und/oder durch Herabsetzung des Ein-

gangspegels des Verstärkers mit Hilfe eines einstellbaren Dämpfungsglieds; diese Lösung erfordert aber ein schnelles und kompliziertes Sicherheitssystem und ist ebenfalls wenig anpassungsfähig, denn es ist schwierig, mehr als eine Stufe in der Verschlechterung der Eigenschaften vorzusehen, ohne daß das Sicherheitssystem so kompliziert wird, daß die Zuverlässigkeit der gesamten Anordnung schwerwiegend beeinträchtigt würde, und ohne daß die Kosten so sehr erhöht würden, daß der Vorteil wieder verlorenginge, der gegenüber der zuvor angegebenen Lösung durch die geringere Dimensionierung der Schaltungen erzielt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung dieser verschiedenen Nachteile durch Schaffung eines Verstärkers, der in jedem Zeitpunkt die optimalen Ergebnisse in Abhängigkeit von den Anwendungsbedingungen liefert

Nach der Erfindung ist ein linearer Transistor-Leistungsverstärker mit einer eine Gleichspannung liefernden Stromversorgungsanordnung und mit einem Eingangsdämpfungsglied, die beide mittels eine;» elektrisehen Steuersignals einstellbar sind, gekennzeichnet durch eine erste Regelschaltung, welche die Gleichspannung V auf einem Wert hält, der im wesentlichen in der Nähe von und geringfügig unterhalb einem ersten Bezugswert Vo Hegt, der einer Verlustleistung der Transistoren entspricht, die bei jeder Amplitude der Eingangssignale des Verstärkers kleiner als oder gleich einem Grenzwert ist, der in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Betriebssicherheitsbedingung festgelegt ist, und durch eine zweite Regelschaltung, die das Dämpfungsglied auf einen Dämpfungswert einstellt, bei welchem das Ausgangssignal des Verstärkers eine maximale Spitzenspannung hat, die mit einer vorbestimmten Bedingung minimaler Linearität des Verstärkers vereinbar ist, und bei welchem ein Kollektorstrom / der Transistoren erhalten wird, der unter einem vorbestimmten Wert liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 das Prinzipschema eines Leistungsverstärkers mit optimierten Eigenschaften nach der Erfindung,

F i g. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltung von F i g. 1 und

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.

Der in F i g. 1 dargestellte lineare Leistungsverstärker 1 empfängt an einem Eingang 2 über ein elektrisch einstellbares Dämpfungsglied 3 die an einen Eingang 4 der Anordnung angelegten zu verstärkenden Signale, und er liefert die verstärkten Signale an einer Ausgangsklemme 5. Der Verstärker wird an einem Eingang 6 mit Energie von einer Stromversorgungsanordnung 7 mit elektrisch einstellbarer Spannung versorgt. Eine Steueranordnung 8 gibt an ihren Ausgängen 9 und 10 die elektrischen Steuerspannungen ab, die für das Dämpfungsglied 3 bzw. die Stromversorgungsanordnung 7 bestimmt sind. Diese Steuerspannungen werden aufgrund von Signalen gebildet, die den to Eingängen 11, 12 und 13 der Anordnung 8 zugeführt werden. Das dem Eingang 13 zr^eführte Signal ist für die Umgebungstemperatur kennzeichnend; die den Eingängen 11 und 12 zugeführten Signale sind für die Betriebsbedingungen kennzeichnend, die den Transisto- b5 ren des Verstärkers 1 auferlegt sind, und sie werden vom Verstärker 1 bzw. von der Stromversorgungsanordnung 7 abgegeben.

Wenn beispielsweise angenommen wird, daß der Verstärker 1 durch eine im linearen AB-Betrieb arbeitende herkömmliche Gegentaktschakung mit zwei Transistoren gebildet ist, kann die Verlustleistung P jedes Transistors, die gleich der Differenz zwischen der zugeführten Leistung und der abgegebenen Leistung ist, im Verlauf eines Zyklus des verstärkten Wechselspannungssignals in der folgenden Form ausgedrückt werden:

P = VIcF₁-IlF₂. (1)

Darin sind:

V die Stromversorgungs-Gleichspannung;

Ic der Spitzenwert des Stroms des ankommenden Signals, der im Kollektorkreis fließt;

Fi und F2 zwei Parameter, die von den Lastbedingungen des Verstärkers und von der Frequenz des verstärkten Signals abhängen.

Es ist zu erkennen, daß die Funktion (1) für

Ic =

VF₁

IF-,

durch ein Maximum geht und somit den folgenden Maximalwert annimmt:

V²F\ 4F₂

der gleich der übertragenen Leistung ist.

Da der Strom leim linearen Bereich dem Eingangspegel des Verstärkers proportional ist, kann daraus geschlossen werden, daß P_M die maximale Verlustleistung des betreffenden Transistors, unabhängig vom Eingangspegel, für eine optimale Spannung Ko ist, die gegeben ist durch:

V_n =

_2_
F₁

Die Wahl von Pm bestimmt die Betriebssicherheit des Transitors. Man leitet daraus einen optimalen Wert Vo der Stromversorgungsspannung entsprechend der obigen Definition ab, für welchen die Verlustleistung P für jeden Wert des Ansteuerungspegels höchstens gleich Pm gehalten wird, und insbesondere für einen Ansteuerungspegel, der den Grenzwert der gestellten Linearitätsbedingungen erreicht

Auf diese Weise wird eine Optimierung des Betriebs für jeden Wert erhalten, den die Funktionen Fi und F₂ annehmen. Zur Erzielung einer konkreten Realisierung müssen diese Funktionen jedoch noch genauer erläutert werden.

Ein Beispiel hierfür ist in F i g. 2 dargestellt.

Der in F i g. 2 dargestellte lineare Leistungsverstärker 21, der eine Ausgangsklemme 25 hat, empfängt an seiner Eingangsklemme 22 die dem Eingang 24 der Anordnung zugeführten, zu verstärkenden Signale über ein Dämpfungsglied 23, das dem Dämpfungsglied 3 von F i g. 1 entspricht.

Es sind nur die wesentlichen Bestandteile des Verstärkers 21 dargestellt, nämlich zwei Transistoren 211,212, aeren Basen symmetrisch durch die Eingangssignale über einen Transformator 213 angesteuert werden, dessen Sekundärwicklung eine Mittelanzapfung hat, die mit einer Vorspannungsquelle B verbunden

ist. Die Emitter der beiden Transistoren liegen an Masse, und ihre Kollektoren sind mit den beiden Enden einer symmetrischen Primärwicklung eines Transformators 214 verbunden, deren Mittelanzapfung 215 eine Stromversorgungsspannung V von einer Stromversorungsanordnung 27 über eine Sperrdrossel 216 empfängt. Die an den Klemmen der asymmetrischen Sekundärwicklung des Trsnformators 214 abgegebenen verstärkten Signale werden der Ausgangsklemme 25 über einen Richtkoppler 218 zugeführt, der an seinen Ausgängen 28 und 29 elektrische Spannungen liefert, deren Amplitude von der Leistung der ankommenden bzw. der verstärkten Signale abhängt, die in dem (nicht dargestellten) Lastkreis des Verstärkers fließen. Die Ausgänge 28 und 29 sind parallel mit Eingängen von zwei Regelschaltungen 30 und 31 verbunden, die jeweils eine Anaiogrecheneinheit enthalten und außerdem parallel zwei Signale empfangen, welche die Ausgangsspannung bzw. den Ausgangsstrom der Stromversorgungsanordnung 27 darstellen und von zwei zusätzlichen Ausgängen 32 und 33 der Stromversorgungsanordnung 27 geliefert werden. Die Regelschaltung 30 empfängt außerdem an einem Eingang 34 ein elektrisches Signal, das für die Umgebungstemperatur kennzeichnend ist und von einem nicht dargestellten Fühler geliefert wird, und die Regelschaltung 31 empfängt an einem Eingang 35 die Spitzenspannung des Wechselstromsignals, das am Kollektor des Transistors 212 besteht, wobei dieses Signal mit Hilfe einer Detektordiode 219 und einer zwischen dem Eingang 35 und Masse angeschlossenen Parallelschaltung aus einem Widerstand 220 und einem Kondensator 221 erhalten wird. Ein Differenzverstärker 36 empfängt an seinem Eingang 37 das Signal vom Ausgang 33 der Stromversorgungsanordnung 27 und an seinem Eingang 38 ein Bezugssignal; er liefert über ein Diode 39 ein resultierendes Signal, das einem Eingang einer Summierschaltung 40 zugeführt wird, die an ihrem anderen Eingang das Ausgangssignal der Regelschaltung 31 empfängt Der Ausgang der Summierschaltung 40 ist mit dem Steuereingang 41 des Dämpfungsglieds 23 verbunden, und der Ausgang 42 der Regelschaltung 30 ist mit dem Steuereingang der Stromversorgungsanordnung 27 verbunden.

Die Basisvorspannung .öder Transistoren 211 und 212 des Verstärkers 21 gewährleistet bei fehlender Ansteuerung einen Ruhestrom, der ein sehr kleiner Bruchteil (beträchtlich kleiner als 1%) des mittleren Maximalstroms ist

Die obige Gleichung (1) ist somit immer noch gültig, und sie kann unter Berücksichtigung der Anordnung von zwei Transistoren folgendermaßen geschrieben werden:

schreiben:

gNt V= V₀ und 2Pm=5,-5_r; man kann also

2P=Vl- [S₁-S,).
Darins sind:

(3)

/ der von den beiden Transistoren verbrauchte

mittlere Gleichstrom;
Si die in die Last eingehende Leistung des verstärkten

Signals;
Sr die im Lastkreis reflektierte Leistung des verstärkten Signals.

P und V haben die gleiche Bedeutung wie zuvor.
Aus der Gleichung (3) kann man ableiten:

IP_M +(S₁-S,) = 2 ! 2P_M(S_i-~ST)-

Wenn man andererseits Pm durch den üblichen Ausdruck ersetzt:

I - H

Pt, = -

mit:

T die für den Transistor maximal zulässige Temperatur

despn-Übergangs;
θ die Umgebungstemperatur;

R der gesamte thermische Obergangswiderstand vom pn-Übergang zur Umgebung des Trsnsistors in °C/Watt;

erhält man:

(S, - S_r)

T-β

V =

T und R sind für einen gegebenen Transistortyp konstante Paramter und ihre Werte werden direkt in die Recheneinheit der Regelschaltung 30 eingegeben, die von dem Zugriffspunkten 28,29,33,34,32 Analogsignale empfängt die für die Größen Si, S_n I, θ bzw. V

jo kennzeichnend sind, damit die Spannung V durch die Wirkung eines am Ausgang 42 abgegebenen Steuersignals auf den durch die Gleichung (4) definierten Optimalwert Vb gebracht wird.
Somit wird die Spannung V bei jeder Änderung der 5 vier zuvor angegebenen veränderlichen Größen dauernd auf ihrem Optimalwert Vo gehalten, was bedeutet daß die Transitoren auch im ungünstigsten Fall in der Nähe ihrer der gewünschten Betriebssicherheit entsprechenden maximalen Verlustleistung betrieben werden.

Andererseits wird eine Regelung des Ansteuerungspegels auf den mit einer zulässigen Lineariät des Verstärkers vereinbaren Maximalwert auf folgende Weise erhalten:

Der minimale Linearitätspegel kann durch ein Toleranzschema definiert werden, das in das Diagramm /= f(V)des Transistors eingezeichnet wird und in dessen Innerem die Halbellipse eingeschrieben sein muß, die vom Arbeitspunkt des Transistors im Verlauf einer Halbperiode des verstärkten Wechselspannungssignals durchlaufen wird, damit der Arbeitspunkt im linearen Bereich der Transistorkenngrößen bleibt

Im Diagramm von F i g. 3 ist die Kollektorspannung auf der Abszisse und der KoUektorstrom auf der Ordinate aufgetragen. Das zuvor definierte Toleranzschema ist durch eine horizontale Gerade 50 beim Wert /_M=const und durch eine Sättigungsgerade 51 der Steigung ρ definiert Der Strom Im ist der vor Erreichen der Sättigung unabhängig vom Wert der Kollektorspannung maximal zulässige Spitzenwert des Stroms, und die Sättigungsgerade 51 ergibt eine zusätzliche Begrenzung des maximal zulässigen Spitzenwerts des Stroms vor Erreichen der Sättigung bei kleinen Werten der Kollektorspannung. Diese Randbedingungen sind für den verwendeten Transistortyp charakteristisch. Die Kurve 52 wird vom Arbeitspunkt des Transistors bei einer optimalen Kollektorspannung V₀ durchlaufen, wenn ein bestimmter Ansteuerungspegel durch Einstel-

lung des Dämpfungsglieds 23 so bestimmt wird, daß die Kurve 52 die Gerade 51 an einem Punkt C tangiert. Diesem Ansteuerungspegel entspricht ein Wechselspannungs-Spitzenwert Vc, dies ist der maximal zulässige Wert, bei welchem der Verstärker mit dem der Kurve 52 entsprechenden Wert der Lastimpedanz noch linear bleibt.

Die entsprechende Einstellung des Dämfpungsglieds erfolgt automatisch mit Hilfe der Recheneinheit der Regelschaltung 31, die in jedem Zeitpunkt Signale empfängt, welche für die Kollektorgleichspannung V (Klemme 32), den Spitzenwert V_c der Kollektorwechselspannung (Klemme 35), die ankommende Leistung 5, (Klemme 28), die reflektierte Leistung S_r (Klemme 29) und den Gleichstrommittelwert / (Klemme 33) kennzeichnend sind; der Wert der Steigung p, der ein für den verwendeten Transistortyp kennzeichnender Konstanter Paramter ist, wird direkt in die Recheneinheit eingegeben. Die Recheneinheit liefert eine Steuerspannung, welche veranlaßt, daß die zuvor angegebenen veränderlichen Größen Werte annehmen, durch welche die Bedingung der Tangierung am Punkt C erfüllt wird. Dies läßt sich mathematisch durch die folgende Gleichung ausdrücken:

Die Annäherung an den Tangierungspunkt wird andererseits so begrenzt, daß die Augenblicksstromstärke kleiner als Im bleibt. Diese Begrenzung wird vom Differenzverstärker 36 bewirkt, der an seinem einen Eingang 37 den mittleren Gleichstromwert / und am Eingang 38 die Bezugsgröße 2Ι_Μ/π empfängt, die ein Ausdruck für den mittleren Strom ist, den ein Augenblicksstrom erzeugen würde, welcher den Spitzenwert Im linear erreicht. Die Diode 39 läßt nur kennzeichnede Ausgangssignale /> 2Ι_Μ/π durch, die das

κι Dämpfungsglied 23 über die Summierschaltung 40 steuern. Die Verstärkung des Verstärkers 36 ist um so größer, je näher der Maximalwert des Spitzenstroms bei dem festgelegten Grenzwert gehalten werden soll.

Im allgemeinen Fall der Lastbedingungen wird die Kurve 52 zur Berührung mit einer der Geraden 50 und 51 gebracht.

Die zuvor beschriebene Anordnung ergibt somit einen Verstärker, mit welchem in jedem Zeitpunkt in Abhängigkeit von den verschiedenen Anwendungsbedingungen die maximal verfügbare Leistung erhalten werden kann, die mit den festgelegten Grenzen der Betriebssicherheit und der geforderten Linearität vereinbar ist.

Die vorstehende Beschreibung setzt voraus, daß die Recheneinheiten der Regelschaltungen 30 und 31 durch Analog-Operatoren gebildet sind; es ist jedoch auch möglich, Mikroprozessoren zu verwenden, wobei die Eingangsdaten dann durch eine im schnellen Takt erfolgende Abtastung digitalisiert werden.

Hierzu 1 Blatt ZdchnuniiLMi

Claims

Patentansprüche:

1. Linearer Transistor-Leistungsverstärker mit einer eine Gleichspannung liefernden Stromversorgungsanordnung und mit einem Eingangsdämpfungsglied, die beide mittels eines elektrischen Steuersignals einstellbar sind, gekennzeichnet durch eine erste Regelschaltung, welche die Gleichspannung (V) auf einem Wert hält, der im wesentlichen in der Nähe von und geringfügig unterhalb einem ersten Bezugswert (Vo) liegt, der einer Verlustleistung der Transistoren entspricht, die bei jeder Amplitude der Eingangssignale des Verstärkers kleiner als oder gleich einem Grenzwert ist, der in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Betriebssicherheitsbedingung festgelegt ist, und durch eine zweite Regelschaltung, die das Dämpfungsglied auf einen Dämpfungswert einstellt, bei welchem das Ausgangssignal des Verstärkers eine maximale Spitzenspannung hat, die mit einer vorbestimmten Bedingung minimaler Linearität des Verstärkers vereinbar ist, und bei welchem ein Koliektorstrom (I) der Transistoren erhalten wird, der unter einem vorbestimmten Wert liegt

2. Verstärker nach Anspruch 1 zur Verstärkung von amplituden-mcdulierten Hochfrequenzsignalen, mit einer AB-Gegentakt-Verstärkerstufe, die mit einer geraden Anzahl von gleichen Transistoren ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Fühler vorgesehen sind, welche die folgenden Signale liefern: erste Signale, die für die Leistung der vom Verstärker in den Lastkreis gelieferten Hochfrequenzsignale (Si) und der im Lastkreis reflektierten Hochfrequenzsignale (S_r) kennzeichnend sind, die vom Verstärker geliefert werden, sowie für die von der Stromversorgungsanordnung gelieferte Spannung (V) und den von der Stromversorgungsanordnung gelieferten Strom (I), ein zweites Signal, das für die Umgebungstemperatur (Θ) kennzeichnend ist, und ein drittes Signal, das für die Spitzenspannung kennzeichnend ist, weiche die Spannung (Vc) des Hochfrequenzsignals ist, die am Kollektor jedes der Transistoren entsteht, daß die erste Regelschaltung Recheneinrichtungen enthält, welche die ersten und zweiten kennzeichnenden Signale empfangen und den Bezugswert (Vo) bilden, sowie Steuereinrichtungen, die ein Steuersignal zu der Stromversorgungsanordnung liefern, das von den ersten und zweiten Signalen und von dem Wert von zwei festen Parametern abhängt, welche für den Gesamtwärmeübergangswiderstand (R) der Transistoren sowie von der maximal zulässigen Temperatur (T) des pn-Übergangs abhängig ist, daß die zweite Regelschaltung Recheneinrichtungen enthält, welche die ersten und dritten kennzeichnenden Signale empfangen und ein Steuersignal für das Dämfpungsglied in Abhängigkeit von den ersten und dritten Signalen sowie von dem Wert eines festen Parameters liefern, der für die Steigung (p) der Sättigungsgeraden der Transistoren bei kleinen Werten der Kollektorspannung kennzeichnend ist, und daß die zweite Regelschaltung Einrichtungen zur Begrenzung der Änderungen des Werts des Dämpfungsglieds auf solche Änderungen enthält, die es ermöglichen, daß der Wert des Kollektorstroms kleiner als der vorbestimmte Wert ist.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kennzeichnenden Signale und die Parameter digitalisiert sind, und daß die Recheneinrichtungen Mikroprozessoren sind.

4. Verstärker nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtungen der ersten Regelschaltung die folgenden Operationen ausführen