DE2847375C3 - Stromversorgung für abgestimmte Rückkopplungsverstärker - Google Patents

Description

Diti Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung für abgestimmte Rückkopplungsverstärker mit einer Mehrzahl von Kaskadenstufen nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Abgestimmte Verstärker, also Verstärker mit gegebenem Verstärkungsfaktor in einem verhältnismäßig engen Frequenzband und einer relativen Dämpfung außerhalb dieses Frequenzbandes, werden im allgemeinen nach verschiedenen Kriterien ausgebildet, die sich voneinander beispielsweise durch das Vorgehen unterscheiden, gemäß dem die Frequenzcharakteristik bestimmenden Stufen verteilt sind.

Gemäß einem ersten Vorgehen folgt einem passiven Filter, das die Anforderungen an die Selektivität erfüllt, eirt Breitbandverstärker von geeigneter Verstärkung. Der Nachteil eines solches Systems besteht in dem breitbandigen Rauschen, das unvermeidlich am Verstärkerausgang auftritt und gelegentlich störend wirkt. Zur Vermeidung dieses Nachteils kann das Bandfilter hinter dem Verstärker angeordnet sein, aber bei eine solchen Anordnung ergeben sich Nachteile aufgrund der Überlastung des Verstärkers durch die Außerbandsignale, mit resultierenden Sättigungsund Intermodulationseffekten.

Die Verwendung eines eingangsseitigen Filters und eines weiteren, ausgangsseitigen Filters stellt aufgrund der hohen Kosten von hochselektiven Filtern allgemein eine aufwendige Lösung dar. Außerdem kann das Eingangsfilter aufgrund schneller Impedanzänderungen in der Nähe der Betriebsfrequenz dadurch stören, daß es zu einem Verlust an Selektivitätsextraktion führt.

Es erweist sich schließlich in vielen Fällen als beste Lösung, wenn einige selektive Stufen in Kaskade geschaltet sind, die so entworfen sind, daß die insgesamte Frequenzcharakteristik, die durch das Produkt der Charakteristiken der einzelnen Stufen gegeben ist, den geforderten Verlauf hat. In diesem Fall wird die Stromversorgung der den abgestimmten Verstärker zusammensetzenden Elementarstufen allgemein durch dieselben last-resonanten Schaltungen und/ oder über Drosselspulen bewirkt, die diese Schaltungsteile dem Gleichstrom einen ausreichenden niedrigen Widerstand entgegensetzen und gleichzeitig ausreichend hohe Impedanzwerte für die Signale aufweisen. Drosselspulen werden auch dazu verwendet, die verschiedenen in Kaskade geschalteten abgestimmten Verstärker gegenseitig zu entkoppeln. Tatsächlich wird zur Vermeidung parasitärer Kopplungen der verstärkten Signale in den ersten Stufen jeder Verstärker über Tiefpaßfilter in einer Anordnung gespeist, bei der die Drosselspulen einen Serienzweig und Uberbrückungskapazitäten Parallelzweige darstellen. Beim Entwurf eines abgestimmten Verstärkers ist es aber jedenfalls empfehlenswert, die Verwendung solcher Drosselspulen zu beschränken, und zwar aus zwei Gründen: sie sind teuer, und sie sind mit parasitären Elementen behaftet, die aus dem Serienwiderstand, der zwischen benachbarten Windungen verteilten Kapazität, der nicht unendlichen In-

duktanzanden absorbierenden Frequenzen, also dem Impedanzverlust in sehr engen Frequenzbändern, bestehen.

Demgegenüber ermöglicht es die im Anspruch 1 gekennzeichnete erfindungsgemäße Stromversorgung für abgestimmte Rückkopplungsverstärker mit einer Mehrzahl von Kaskadenstufen, nur eine einzige Drosselspule und einen einzigen Überbrückungskondensator zu verwenden, wobei der Leistungsverbrauch in den passiven Komponenten sehr niedrig bleibt. Die Erfindung bietet darüber hinaus den Vorteil, daß zwischen den verschiedenen Stufen keine Filterprobleme auftreten und so unerwünschte parasitäre Signalkopplungen vermieden werden.

Bei bekannten abgestimmten Verstärkern, bei denen alle Stufen parallel über Tiefpaßfilter mit Drosselspulen gespeist werden, sind die Ausgangs- und die Eingangsstufen durch Filter getrennt, und wenn die hierdurch eingeführte Dämpfung niedriger ist als der Verstärkungsgrad, kann eine Oszillation eintreten. Im Gegensatz hierzu können gemäß der Erfindung zwischen der Eingangsstufe und der Ausgangsstufe so viele Parallelresonanzkreise in Reihe geschaltet sein, als Stufen den Verstärker bilden, so daß alle von ihnen bewirkten Kopplungen gewünscht und zum Zweck der Verstärkungsgradfestlegung gesteuert sind.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit drei Kaskadenstufen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, deren Figur den Blockschaltplan eines abgestimmten Verstärkers zeigt, der eine erfindungsgemäße Stromversorgung verwendet.

Ein spezielles Anwendungsgebiet der Erfindung sind abgestimmte Verstärker zum Extrahieren des Pilotsignals zur Steuerung von Leistungsverstärkern oder -wiederholern. In diesem Fall treffen am Verstärkereingang Signale ein, die bezüglich der Pilotsignalfrequenz eine sehr hohe Leistung aufweisen. Die relative Bandbreite ist gelegentlich nicht so schmal, 4(1 daß teure Quarzfilter verwendet werden müßten. Jedoch muß ausgangsseitig das Hintergrundrauschen niedrig gehalten werden.

Die Schaltung gemäß der Zeichnung weist drei aktive Elemente Al, A2 und A3 mit geeigneter Abschneidfrequenz auf. Beim beschriebenen Beispiel können ohne Differenzierung Röhren, bipolare Transistoren und Feldeffekttransistoren verwendet werden. Die aktiven Elemente Al, A2 und A3 werden durch drei Belastungsschaltungen BNl, ßN2 bzw. ÖN3 vorgespannt bzw. vorpolarisiert. Diese Belastungsschaltungen bestehen aus drei üblichen Widerständen mit ausreichend hohem Widerstandswert, so daß die Eingangsimpedanz der jeweiligen damit verbundenen aktiven Elemente nicht zu sehr fällt.

Zwischen den Stufen liegt jeweils eine von drei Koppelschaltungen MNl, MNl und MN3, von denen die Koppelschaltung ΛίΛΊ hauptsächlich eine Eingangsimpedanz-Anpassungsschaltung ist. Bei Bearf kann auch eine Ausgangsimpedanz-Anpassungs- e>o schaltung verwendet wer<>n :.'üe Koppelschaltungen sind so geschaltet, daß sie eine ausreichend hohe Belastungsimpedanz für die vorhergehende Stufe darstellen, während die durch sie gegebene Eingangsimpedanz für die Stufe, an deren Eingangsklemmen sie b5 geschaltet sind, verhältnismäßig niedrig ist. Auf diese Weise ist die Verstärkung dieser Stufen im wesentlichen unabhängig von den Charakteristiken der folgenden Stufe und hängt fast nur von einer Rückkopplungsschaltung (LN/BN) ab, wenn die aktiven Elemente A eine ausreichend hohe Verstärkung haben. Ohne die Koppelschaltungen MN würde die Verstärkung extrem von den Charakteristiken der aktiven Elementen A abhängen, was bedeuten würde, daß das Verhalten des Verstärkers nicht die speziellen Charakteristiken des Rückkopplung^verstärkers haben kann.

Eine spezielle Anforderung an die Koppelschaltungen MNl, MN2 und MN3 besteht in einem sehr niedrigen Gleichstromwiderstand zwischen den Eingangs- und den Ausgangsklemmen und umgekehrt einem sehr hohen Widerstand zur Erdklemme. Die Gründe hierfür werden später im einzelnen bei der Beschreibung des Betriebs erläutert.

Die Schaltung umfaßt weiterhin drei Belastungsund Rückkopplungsschaltungen LNl, LN2, LN3 für die aktiven Elemente Al, Al bzw. A3. Diese Rückkopplungsschaltungen bestehen gemäß einer möglichen Ausführungsform aus einem erforderlichenfalls entsprechend gedämpften Parallelresonanzkreis. Eine Drosselspule LN4 erlaubt den Durchtritt des Speisestroms. Die Rückkopplungsschaltungen LNl, LN2 und LN3 weisen gemäß ihrem Aufbau einen derartigen Gütefaktor (Q) auf, daß das gesamte Paßband des abgestimmten Verstärkers wie gefordert ist, und sind außerdem so dimensioniert, daß in Verbindung mit dem Aufbau der Koppelschaltungen MNl, MN2 und MN3 die gewünschte Gesamtverstärkung auftritt. Zusätzlich muß auch bei diesen Schaltungen der Gleichstromwiderstand zwischen den Eingangs- und den Ausgangsklemmen niedrig sein, während der Widerstand zwischen diesen Klemmen und Erde hoch sein muß.

In dem in der Zeichnung dargestellten Blockdiagramm erfüllen übliche elektrische Kondensatoren Cl, C2 und C3 von ausreichend hoher Kapazität, um den bei der Betriebsfrequenz verursachten Scheinwiderstand zu vernachlässigen, die Funktion, daß sie die korrekte Vorspannungsanlegung an jedes der durch die Belastungsschaltungen BNl, BN2 und BN3 betriebenen aktiven Elemente Al, Al bzw. A3 ermöglichen. Drei Blöcke Rl, Rl und R3, die im allgemeinen jeweils aus einem einzigen Widerstand bestehen, sollen die Stabilität gegen Oszillationen sicherstellen.

Der abgestimmte Verstärker hat eine Eingangsklemme 1, eine Ausgangsklemme 2 und eine Klemme 3, die für die Belastungsschaltungen gemeinsam ist, die zusammen mit einer Stromklemme 4 allgemein mit der Stromquelle verbunden sind, über die der Gleichstrom aus den Ausgangsklemmen der aktiven Elemente Al, Al und A3 eintrifft, ferner eine Erdklemme 5.

Der in der Zeichnung dargestellte abgestimmte Verstärker besteht im wesentlichen aus drei Kaskadenstufen, die so rückgekoppelt sind, daß drei Transimpedanz-Verstärker entstehen.

Wird beispielsweise die erste Stufe betrachtet, von der Al, MNl und LNl die bei der Verarbeitung des Signals beteiligten Blöcke darstellen, so zeigt sich eine Spannungs-Nebenschluß-Rückkopplung, bei der Al das aktive Element, LNl der Rückkopplungszweig zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme und MNl der in Reihe mit der Eingangsklemme liegende Zweig sind. Außerdem hat, wie angegeben wurde, die Koppelschaltung MNl die Funktion der Impedanzanpassung und die Rückkopp-

lungsschaltung LNl zusammen mit den anderen mit der Ausgangsklemme von Al verbundenen Schaltungen auch eine Belastungsfunktion.

Durch Kaskadenschaltung einiger Stufen der beschriebenen Art kann der gewünschte Gesamt-Spannungsverstärkungsgrad erhalten werden, der im Idealfall, in dem der Wechselspannungs-Verstärkungsgrad jedes aktiven Elements unendlich ist, durch den Ausdruck gegeben ist:

- LNl ■ LN3/MN1 ■ MNl ■ MN3.

wobei die Schaltungssymbole verwendet werden, um deren unmittelbare Impedanz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsk'crnmc anzugeben.

Das Stromversorgungssystem der einzelnen den abgestimmten Verstärker bildenden Stufen wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die aus MNl, LNl, MN3, LN3 und LNA zusammengesetzte Reihenschaltung stellt für Gleichstrom einen niedrigen Widerstand zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme und einen hohen Widerstand in bezug zur Erde dar, da jeder der diese Reihenschaltung bildenden Blöcke nach diesen Kriterien entworfen ist. Außerdem ist jede Ausgangsklemme der aktiven Elemente Al, Al und A3, also die Anode, falls Al. Al und A3 Röhren sind, der Kollektor, falls sie Sperrschichttransistoren sind, oder der Abfluß, falls sie Feldeffekttransistoren sind, gleichstrommäßig mit dieser Reihenschaltung verbunden.

Wird die Stromquelle mit der Klemme 4 verbunden, die eine der Endklemmen der betrachteten Reihenschaltung ist, so wird aus den beschriebenen Gründen jede der den abgestimmten Verstärker bildenden Stufen gespeist, ohne daß Drosselspulen oder Überbrückungskondensatoren verwendet werden. Die Verwendung einer Drosselspule kann allenfalls für die Ausführung des Blocks LN4 zweckmäßig sein.

Der Leistungsverbrauch in den passiven Komponenten ist erheblich vermindert, da der Speisestrom bei den aktiven Elementen Al, Al und A3 über die Spulen eintrifft, die die auf die Betriebsfrequenz abgestimmten Schaltungen zusammensetzen, die einen erheblich verminderten Reihenwiderstand aufweisen. Der niedrige in den aus MNl, LNl, MN3, LN4 zusammengesetzten Reihenschaltung erfolgende Spannungsabfall beeinträchtigt den Betrieb des Verstärkers nicht wesentlich, da durch den Anschluß dei Stromquelle am hinteren Ende der Reihenschaltung der Stufen, in denen der Signalpegel niedriger ist, mil niedrigerer Leistung gespeist werden.

Die dargestellte Schaltung kann in verschiedenei Weise verändert und abgewandelt werden. Beispielsweise ist es bei niedrigerem Wirkungsgrad möglich, das beschriebene Stromversorgungssytem für einen Verstärker zu verwenden, bei dem die Selektivität se reduziert ist, daß er als Breitbandverstärker definierl werden kann, sofern eine geeignete Wahl des die Selektivität bewirkenden Netzwerks durchgeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Stromversorgung für abgestimmte Rückkopplungsverstärker mit einer Mehrzahl von Kaskadenstufen, die aus aktiven Elementen, Koppelschaltungen und Rückkopplungsschaltungen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung zu jedem der aktiven Elemente (Al, Al, A3) über in Serie geschaltete Koppelschaltungen (MNl, MN3) und Rückkopplungsschaltungen (LNl, LNl, LN3) erfolgt, wobei die Stromquelle über eine Entkopplungseinrichtung (LN4) an einen beliebigen Punkt der Reihenschaltung angeschlossen ist.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsklemme jedes der aktiven Elemente (Al, Al, A3) mit Vorbelastungseinrichtungen (BNl, BNl, BN3) und Kondensatoren (Cl, Cl, C3) und die Ausgangsklemme gleichstrommäßig und wechselstrommäßig mit den Koppelschaltungen (MNl, MN3) und den Rückkopplungsschaltungen (LNl, LNl, LN3), die über die Kondensatoren an die jeweilige Eingangsklemme der aktiven Elemente angeschlossen sind, verbunden sind.

3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Koppelschaltung (MNl) zum Justieren der Eingangsimpedanz des abgestimmten Verstärkers auf einen entsprechenden Wert dimensioniert ist.

4. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Koppelschaltungen (Λί/Vlh MNl, MN3) und den Rückkopplungsschaltungen (LNl, LNl, LN3) bestehende Reihenschaltung zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang einen den Spannungsabfall aufgrund des Speisestroms der aktiven Elemente auf einem zulässigen Wert haltenden beschränkten Gleichstromwiderstand hat.

5. Stromversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung gegen die geerdete Klemme (5) des abgestimmten Verstärkers einen die darin umgesetzte Leistung in bezug zu der von allen Stufen des abgestimmten Verstärkers umgesetzten Leistung zulässigen Wert haltenden hohen Widerstand aufweist.

6. Stromversorgung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Rückkopplungsschaltungen (LNl, LNl, LN3) aus so miteinander verbundenen Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen besteht, daß bei der Betriebsfrequenz des Verstärkers die Impedanz zwischen der Eingar.gsklemme und der Ausgangsklemme der einzelnejn Rückkopplungsschaltungen im Vergleich zur Impedanz zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme jeder der Koppelschaltungen (MNl, MNl, MN3) einen hohen Wert aufweist.

7. Stromversorgung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Rückkopplungsschaltungen (LNl, LNl, LN ) aus einem Parallelresonanzkreis besteht, der auf die Betriebsfrequenz des abgestimmten Verstärkers abgestimmt ist.

8. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschaltungen (MNl, MNl, MN3) aus Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten bestehen, die zur Erzeugung einer höchstmöglichen Eingangsimpedanz geschaltet sind.