DE2847098B2 - Korrekturschaltungsanordnung für einen an einem Signaleingang liegenden Halbleiterverstärker - Google Patents
Korrekturschaltungsanordnung für einen an einem Signaleingang liegenden HalbleiterverstärkerInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Korrekturschaltungsanordnung
für einen an einem Signaleingang liegenden Halbleiterverstärker mit wenigstens einem an
den Signaleingang angekoppelten pn-Übergang.
In Breitbandverstärkern soll ein konstanter Frequenzgang
im gesamten Frequenzbereich vorhanden sein. Aufgrund von Halbleiterbauelementen eigenen
physikalischen Beschränkungen, welche zu nicht linearen Verzerrungen, durch thermische Effekte bedingten
Verzerrungen, zu Frequenzverzerrungen oder zu Phasenverschiebungsverzerrungen führen können, isi
die Aufrtchterhaltung eines genauen Frequenzgangs in einem großen Frequenzbereich ohne Frequenzkompensations-
und Signalsprungkompensations-Maßnahmen nur schwer realisierbar.
Es ist grundsätzlich beispielsweise aus der DE-AS 2140 851 und der FR-OS 23 41227 bekannt, die
Verzerrung eines Verstärkers dadurch zu kompensieren, indem einem Verstärker ein Parallelzweig zugeordnet
wird, der die Verzerrung des Verstärkers nachbildet und ein Korrektursignal erzeugt, das vom Signal am
Verstärkerausgang subtrahiert wird.
Beispielsweise bei der Korrektur nach der DE-AS 21 40 851 erfolgt eine Vorverzerrung des Signals vor
der Einspeisung in den Verstärker. Gemäß der FR-PS 23 41 227 wird das Signal zunächst in zwei Zweige
aufgeteilt, von denen einer auf den eigentlichen Verstärker und der andere auf einen Korrekturzweig
führt. Hinter dem eigentlichen Verstärker erfolgt erneut eine Aufteilung in zwei Zweige, von denen einer auf den
Korrekturzweig und ein weiterer auf den Ausgang führt, auf den auch der Ausgang des Korrekturzweiges
geführt ist.
Bei den vorstehend genannten bekannten Lösungen ist der eigentliche Verstärkcrkanal am Korrekturvor
gang beteiligt. Dadurch ergeben sich jedoch Beschränkungen in der Frequenzcharakteristik (Bandbreite)
Breitbandige Differenzverstärker, wie sie beispielsweise
in Vcrtikal-Verstärkcrkanälcn von Oszillographen verwendet werden, besitzen bei tieferen Frequenzen
eine große Verstärkung und bei höheren I-Yequcn-
zen eine reduzierte Verstärkung. Um einen konstanten Frequenzgang im gesamten Bandbreitebereich des
Verstärkers zu realisieren, kann die Hochfrequenzverstärkung durch Zuschaltung von WC Netzwerken
zwischen die Emitter von als Differenzverstärker geschalteten Transistoren des Verstärkers angehoben
werden. Bei sehr hohen Frequenzen von beispielsweise oberhalb 500MHz beeinflußt jedoch das induktive
Verhalten von Zuleitungen der Halbleiterbauelemente die Frequenzcharakteristik in nachteiliger Weise. Der
Schaltungsentwickler sieht sich dabei dem Dilemma gegenüber, daß er einerseits Leitungslängen verkürzen
und andererseits zur Realisierung der Anhebung der Verstärkung bei hohen Frequenzen zusätzliche Schaltelemente
vorsehen muß.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine die vorstehend erläuterten Nachteile
vermeidende Korrekturschaltungsanordnung zur Korrektur von Fehlern im Frequenzgang eines Verstärkers
anzugeben.
Insbesondere soll mit einer derartigen Korrekturschaltungsanordnung
durch Korrektur von Fehlern bei tiefen Frequenzen eine konstante Verstärkung in einem
breitbandigen Differenzverstärker realisierbar sein.
Die Korrekturschaltungsanordnung soll dabei vorzugsweise auch so ausgebildet sein, daß sie mit den
möglichen Herstellungstechniken für Verstärker kompatibel ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Korrekturschaltungsanordnung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
F.ine an den Signaleingang angekoppelte, dem Halbleiterverstärker parallelliegende Schaltung mit einem
Kreis, der die durch den pn-übergang bedingte Verzerrung nachbildet und ein Korrektursignal erzeugt,
das der durch die verzerrende Wirkung des pn-Übergangs bedingten Fehlerkomponente im Verstärkersignal
proportional ist, und eine das Korrektursignal und das Verstärkersignal zwecks Eliminierung der Fehlerkomponente
aus dem Verstärkersignal überlagernde Stufe.
Die vorstehend definierte erfindungsgemäße Korreklurschaltungsanordnung
zur Korrektur von Fehlern im Frequenzgang eines Verstärkers liegt nach Art eines
Nebenschlusses parallel zum Verstärker. Insbesondere liegt sie dabei parallel zu den Verzerrungen erzeugenden
Teilen des Verstärkers, wobei der das Korrektursignal erzeugende Kreis die die Verzerrung hervorrufenden
physikalischen Mechanismen nachbildet. Das durch die Korrekturschaltungsanordnung erzeugte Korrektursignal
wird in der überlagernden Stufe vom Verstärkersignal subtrahiert, so daß das Verstärkerausgangssignal
fehlerfrei ist.
In einem breitbandigen Differenzverstärker wirkt die
Korrekturschaltungsanordnung unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Verstärkung bei tieferen
Frequenzen größer und bei höheren Frequenzen kleiner ist. Es kann dabei davon ausgegangen werden, daß die
Verstärkung bei tieferen Frequenzen überhöht ist. Die Korrekturschaltungsanordnung korrigiert dabei niederfrequentc
Fehler im Frequenzgang des Verstärkers, so daß die Verstärkung im gesamten Frequenzbereich
konstant ist. Das durch die Korrektursehaltiingsanordunrig
erzeugte Korrektursignal kann zur I ehlerkorreklur in den Verstärker eingespeist werden. Die
Korrcklurseh.'ltungsanordnung enthalt dabei gemäß einer besonderer, Ausgestaltung eier Erfindung mindestens
ein regelbares Tiefpaßfilter zur Signalformung
sowie zur Erzeugung eines Korrektursignals in einem
vorgegebenen Frequenzbereich, der als Korrekturfrequenzband bezeichnet werden kann. Außerhalb dieses
Korrekturfrequenzbandes, d. h, bei höheren Frequenzen,
ist die Korrekturschaltungsanordnung unwirksam, so daß für sie keine speziellen Hochfrequenzeigenschaften
erforderlich sind. Die Korrekturschaltungsanordnung erzeugt keine Nichtlinearitäten. Andere Ver-Gtärkerauslegungen,
beispielsweise Verstärker mit einer
to hochfrequenten Resonanzanhebung für eine Optimierung
einer Sprungsignalcharakteristik sind mit der erfindungsgemäßen Fehlerkorrektur kompatibel. Die
erfindungsgemäße Korrekturschaltungsanordnung ist auch sowohl für Verstärker mit einem einzigen Eingang
'"> als auch für Verstärker mit einem differentiellen
Eingang anwendbar.
Weitere spezielle Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker;
F i g. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßer, Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker mit einem Eingang;
F i g. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßer, Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker mit einem Eingang;
Fig. 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker
mitdifferentiellem Eingang und
w F i g. 4 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform
für einen Verstärker mit differentiellem Eingang.
Gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 1 wird ein Eingangssignal Van einer Eingangsklemme tO in einen
Verstärker 12 eingespeist. Dieser Verstärker 12 besitzt
'"' einen Verstärkungsfaktor K, der durch eine dem
Verstärker eigene Verzerrung d um einen bestimmten Betrag geändert wird, so daß sich eine Übertragungsfunktion
V(K + d) ergibt. Die durch den Verstärker bedingten Verzerrungen können verschiedener Natur
4(1 sein. Es kann sich beispielsweise um Nichtlinearitäten,
um durch thermische Effekte bedingte Verzerrungen, um Frequenzverzerrungen oder Phasenverschiebungsverzerrungen
handeln. Die Natur der die Verzerrungen bedingenden Mechanismen sind bekannt, so daß eine
4~> Nachbildung durch ein Netzwerk mit einem Verzerrungsfaktor
rf'möglich ist. Das Eingangssignal V wird über einen Pufferverstärker 14 in ein die Verzerrung
nachbildendes Netzwerk 16 eingespeist, um ein Korrektursignal Vrf' zu erzeugen. Dieses Korrektursi-
Γ)0 gnal und das Verstärkersignal werden in einem
Summalionsknoten 18 überlagert, wobei das Korrektursignal Vrf'vom Verstärkersignal V(Tv' + ^subtrahiert
wird. Das Ausgangssignal an einer Ausgangsklemme 20 ist Y = VK + V(d — d'). Wird der die Verzerrungen
v"'. bedingende Mechanismus richtig nachgebildet, so wird
der zweite Summand auf der rechten Seite der Gleichung gleich Null, so daß lediglich der verstärkte
Signalanteil erhalten bleibt.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines breitbandigen
1(1 Differenzverstärkers mit einem Nebenschluß-Korrekturkanal
zur Korrektur von niederfrequenten Fehlern im Frequenzgang des Verstärkers, so daß die Verstärkung
im gesamten Frequenzbereich konstant ist. Hin konventioneller breitbandiger Differenzverstärker mit
einem einzigen Eingang und einem Gegentaktausgang enthalt ein Paar von Transistoren 40 und 42, deren
Emitter über einen Widerstand 44 gekoppelt sind. Die Kollektoren der Transistoren 40 und 42 liegen über
einen Lastwiderstand 46 bzw. einen Lastwiderstand 48
an einer positiven Versorgungsspannung + V, während die Emitter über Stromsenken 50 und 52 an einer
negativen Versorgungsspannung - V liegen. Die Basis des Transistors 42 liegt über einen Widerstand 54 an
Masse, um eine Eingangsreferenzspannung für den Verstärker zu erzeugen. Das Eingangssignal wird über
eine Eingangskiemme 60 in die Basis des Transistors 40
eingespeist. Die Signalspannung fällt am Widerstand 44 ab, wodurch über die Transistoren 40 und 42 zur
Erzeugung eines Gegentakt-Ausgangssignals an den Widerständen 46 und 48 ein Signalstrom fließt. Das
Ausgangssignal ist an Ausgangsklemmen 66 und 68 abnehmbar. Die Nebenschluß-Korrekturschaltungsancrdnung
liegt zwischen der Eingangsk'emrnc 60 und der
Basis des Transistors 42. Das Eingangssignal wird zunächst durch einen Operationsverstärker 100 mit
zugehörigen Widerständen 101 und 103 auf einen geeigneten Wert verstärkt. Am Ausgang des Verstärkers
100 liegt ein Tiefpaßfilter-Netzwerk mit regelbaren Filtern 110, 120 und 130. Die Filter sind mit Ausnahme
der Werte ihrer Schaltungselemente identisch ausgebildet, wobei die Werte so gewählt sind, daß jedes Filter
einen vorgegebenen Frequenzbereich besitzt, in dem es Signale ohne Verluste überträgt. Beispielsweise kann
das Filter 110 Signale in einem Frequenzbereich fa bis ft,
das Filter 120 Signale in einem Frequenzbereich von /Ί
bis h und das Filter 130 Signale in einem Frequenzbereich
von h bis h durchlassen. Damit ist ein Korrekturfrequenzband
k bis Z3 realisiert. Für eine niederfrequente
Korrektur kann es vorteilhaft sein, die untere Bandgrenze der Filter auf die Frequenz Null und die
oberen Bandgrenzen auf die Frequenzen f\, {7 und h zu
legen, da die an Operationsverstärker-Eingangswiderständen 118, 128 und 138 abfallenden Spannungen
summiert werden. Anstelle der dargestellten Zahl von drei Filtern können als Funktion des geforderten
Korrekturfrequenzbandes auch andere Anzahlen von Filtern vorgesehen werden. In einer praktischen
kommerziell erhältlichen Ausführungsform sind vier Fiiier-Ndzwerke mit jeweils einem Frequenzbereich
\on 0 bis zu einer höheren Frequenz vorgesehen, um zur
Reduzierung der Frequenzüberhöhung bei tiefen Frequenzen in einem Breitbandverstärker ein Korrekturfrequenzband
von 0 bis etwa 2 MHz zu realisieren.
Das gefilterte Signal wird invertiert und durch einen Operationsverstärker 150 mit einem zugehörigen
Rückkoppelwiderstand 152 verstärkt und sodann durch Widerstände 154 und 54 gedämpft, um an der Basis des
Transistors 42 ein Korrektursignal mit dem richtigen Wert zu erzeugen. Da das Korrektursignal im
Gleichtakt mit dem Eingangssignal eingespeist wird. wird eine überhöhte Amplitude im Korrekturfrequenzband
kompensiert. Bei höheren Frequenzen, das heißt, bei Frequenzen oberhalb des Korrekturfrequenzbandes
von 0 bis 2 MHz ist die Korrekturschaltungsanordnung unwirksam, wobei der breitbandige Verstärker dann
allein wirksam ist. Die Korrekturschaltungsanordnung bewirkt keinerlei Nichtlinearitäten. wobei darüber
hinaus auch andere Verstärkerausführungsformen, beispielsweise Verstärker mit Resonanzüberhöhung zur
Optimierung des Verstärkerverhaltens vorgesehen werden können.
Die F i g. 3 und 4 zeigen Ausführungsformen von Korrekturschaltungsanordnungen für Verstärker mit
differentiellen Eingangssignalen. In diesen Figuren sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Ein differentielles Eingangssignal wird über Eingangsklemmen 200 und 202 in die Basen eines Paar
von Transistoren 204 und 206 eingespeist, deren Emitte
über einen Emitterwiderstand 208 gekoppelt sind. Di Kollektoren der Transistoren 204 und 206 liegen übe
j einen Lastwiderstand 212 bzw. 214 an einer posiiivei
Versorgungsspannung + V, während ihre Emitter übe einen Emitterwiderstand 216 bzw. 218 an eine
negativen Versorgungsspannung — V liegen. An der Kollektoren der Transistoren 204 und 206 entsteht eit
Gegentakt-Ausgangssignal, das an Ausgangsklemmet 220 und 222 abnehmbar ist.
Die differentiellen Eingangssignale werden übe Widerstände 230 und 232 in einen Operationsverstärke
235 eingespeist. Ein Widerstand 236 bildet einer ' ι\υν,ι\ινυμρ\Ί tv iuvijlui ivj 1 iii u\.ti v^p\-i uiiuiut Ci jiui rvv, t
während ein Widerstand 238 mit dem Widerstand 23: einen Spannungsteiler bildet.
Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers wire in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 in eir
Filternetzwerk 110', 120', 130' und einen Operationsver
stärker 150' eingespeist, wobei diese Komponenten mi den entsprechenden Komponenten der Schaltungsan
Ordnung nach Fig. 2 identisch sind. Das am Ausgan; des Verstärkers 150' erzeugte Korrektursignal wir(
2ϊ durch einen Korrektursignal-Differenzverstärker mi
Transistoren 250 und 252 in ein Gegentaktsigna überführt, wobei die Emitter dieser Transistoren übe
einen Emitterwiderstand 254 miteinander gekoppel sind. Die Kollektoren der Transistoren 250 und 25i
jo liegen an den Kollektoren der Transistoren 204 und 206
während die Emitter der Transistoren 250 und 252 übe
einen Emitterwiderstand 256 bzw. 258 an der negativer Versorgungsspannung — V liegen. Die Basis de
Transistors 250 liegt an einer Referenzspannung
J5 beispielsweise an Masse, während in die Basis de
Transistors 252 das Korrektursignal eingespeist wird Wegen der beiden Polaritätsinversionen in der Korrek
turschaltungsanordnung ist das Korrektursignal an dei Basis des Transistors 252 mit der Verstärker-Eingangs
Signalkomponente an der Basis des Transistors 204 ir Phase und gegen die Verstärker-Eingangssignalkompo
nente an der Basis des Transistors 206 um 180° in dei Phase verschoben. Das differentielle Korrektursignal ar
den Kollektoren der Transistoren 250 und 252 besitz dabei gegen das differentielle Signal an den Kollektorer
der Transistoren 204 und 206 gegensinnige Polarität, se
daß das Korrektursignal zur Erzeugung eines fehlerfrei en Ausgangssignals an den Ausgangsklemmen 220 unc
222 vom Verstärkersignal subtrahiert wird.
In der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 wird da Ausgangssignal des Operationsverstärkers 235 in eir
einen regelbaren Spannungsteiler enthaltendes Filter netzwerk eingespeist, das durch zwischen Masse unc
der negativen Versorgungsspannung — V liegend« Widerstände 270, 272, 274 und 276, Widerstände 280
282, 284 und 286 sowie Kapazitäten 292, 294 und 29(
gebildet wird. Das am Ausgang des Filter-Netzwerke: erzeugte Korrektursignal wird durch einen Korrektur
signal-Differenzverstärker mit Transistoren 300 und 30;
in einen Gegentaktsignal überführt, wobei die Emitter dieser Transistoren über einen Widerstand 304 mitein
ander gekoppelt sind und über einen Widerstand 306 ai der negativen Versorgungsspannung — V liegen. Die
Kollektoren der Transistoren 300 und 302 sind mit der Kollektoren der Transistoren 204 und 206 gekoppelt
um das Korrektursignal vom Verstärkersignal zi subtrahieren, wodurch an den Ausgangsklemmen 22(
und 222 ein fehlerfreies Ausgangssignal entsteht. Eir
durch Widerstände 310, 312 und 314 gebildeter Spannungsteiler liegt an der Basis des Transistors 302,
um den Korrektursignal-Differenzverstärker abgleichen zu können.
Die oben beschriebenen breitbandigen Differenzverstärker
stellen lediglich ein einfaches Beispiel zur
Erläuterung des erfindungsgemäßen Korrekturkonzeptes dar. In der Praxis können auch hochfrequente
mehrstufige Cascode-Verstärker verwendet werden, wie sie beispielsweise in der US-PS 36 33 120 beschrieben
sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Korrekturschaltungsanordnung für einen an einem Signaleingang liegenden Halbleiterverstärker
mit wenigstens einem an den Signaleingang angekoppelten pn-übergang, gekennzeichnet
durch eine an den Signaieingang (10; 60; 200,202)
angekoppelten, dem Halbleiterverstärker (12; 40, 42; 204, 206) parallelliegenden Schaltung (14, 16;
100, 103, 110, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, 154; 235, 236, 110', 118', 120', 128', 130', 138', 150',
152'; 235, 236, 270-276, 282-286, 292-296) mit einem Kreis (16; 110, 118, 120, 128, 130, 138, 150,
152, 54, 154; 110', 118', 120', 128', 130', 138', 150', 152'; 72 bis 276, 280 bis 286, 292 bis 296), der die
durch den pn-übergang bedingte Verzerrung nachbildet und ein Korrektui signal erzeugt, das der
du:'ch die verzerrende Wirkung des pn-Übergangs bedingten Fehlerkomponente im Verstärkersignal
proportional ist, und durch eine das Korrektursignal und das Verstärkersignal zwecks Eliminierung der
Fehlerkomponente aus dem Verstärkersignal überlagernde Stufe (18; in 40,42; 250,252; 300,302).
2. Korrekturschaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Korrektur von durch eine Verstärkungsüberhöhung
im Niederfrequenzbereich eines Breitbandverstärkers bedingten Fehlern, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Verstärker-Eingangssignal
aufnehmende Stufe (14; 100, 103; 235, 236) vorgesehen ist, und daß der das Korrektursignal
erzeugende Kreis (16; 110, 118, 120, 128, 130, 138,
150, 152, 54, «54; UO', 118', 128', 130', 138', 150', 152'; 272 bis 276, 280 bis 286, 292 bis 296) das
Korrektursignal erzeugt, wenn die Frequenz des Verstärker-Eingangssignals in einem vorgegebenen
Korrekturfrequenzband liegt, und das Verstärker-Eingangssignal sperrt, wenn dessen Frequenz
außerhalb des vorgegebenen Korrekturfrequenzbandes liegt.
3. Korrekturschaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß die das
Eingangssignal aufnehmende Stufe (14; 100, 103; 235,236) als Operationsverstärker mit vorgegebener
Verstärkungscharakteristik ausgebildet ist.
4. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Operationsverstärker (235, 236) ein differentielles Eingangssignal aufnimmt (F i g. 3 und 4).
5. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
das Korrektursignal erzeugende Kreis (16; 110, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, 154; HO', 118', 120',
128', 130', 138', 150', 152; 272 bis 276,280 bis 286,292
bis 296) Tiefpaßfilter (110, 120, 130; 110', 120', 130';
270 bis 276, 282 bis 286, 292 bis 296) enthält, welche in dem vorgegebenen Korrekturfrequenzband liegende
Signale durchlassen.
6. Korreklurschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Tiefpaßfilter (110, 120, 130; 110', 120', 130'; 270 bis
276, 282 bis 286, 292 bis 296) regelbare Spannungsteiler (116, 126, 136; 282 bis 286) zur Einstellung der
Sign.'ildämpfung enthalten.
7. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß der
das Korrektursignal erzeugende Kreis (16; 110, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, 154; 110', 118', 120',
128', 130', 138', 150', 152'; 272 bis 276. 280 bis 286.
292 bis 296) eine Ausgangs-Operationsverstärkerstufe
(150,152; 150', 152') enthält
8. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für einen Breitbandverstärker in
Form eines Differenzverstärkers mit einem Paar von emittergekoppelten Transistoren (40,42), in atm öie
Basis eines ersten Transistors (40) das Verstärker-Eingangssignal aufnimmt und die Basis eines zweiten
Transistors (42) an Bezugspotential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal zur Überlagerung
mit dem Verstärkersignal h die Basis des zweiten Transistors (42) und damit im Gleichtakt mit
dem Verstärker-Eingangssignal eingespeist ist (Fig. 2).
9. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als
Überlagerungsstufe ein parallel zum Breitbandverstärker (204, 206) liegender Differenzverstärker mit
Transistoren (250, 252; 300, 302) vorgesehen ist, deren Kollektoren zur algebraischen Subtraktion
des Korrektursignals vom Verstärkersignal mit den Kollektoren der Transistoren (204, 206) des Breitbandverstärkers
gekoppelt sind (F i g. 3 und 4).
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