DE3010095C2

DE3010095C2 - Regelbarer Transistor-Wechselspannungs-Differenzverstärker

Info

Publication number: DE3010095C2
Application number: DE19803010095
Authority: DE
Inventors: Siegfried 8000 München Wagner
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1980-03-15
Filing date: 1980-03-15
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE3010095A1

Description

50

Die Erfindung betrifft einen im Verstärkungsgrad über eine Regelspannung regelbaren Transistor-Wechselspannungs-Differenzverstärker laut Oberbegriff des Hauptanspruches sowie einen damit aufbaubaren mehrstufigen Verstärker.

Differenzverstärker laut Oberbegriff des Hauptanspruches sind bekannt (VALVO Berichte Band XIX, Heftl, Seiten 3 und 4, Juni 1974). Die beiden Verstärkungszweige werden hierbei gleichphasig mit dem zu verstärkenden Eingangssignal angesteuert Der über die Regelspannung UR angesteuerte Zweig liegt hierbei unmittelbar an der Betriebsspannung, arbeitet also auf einem Arbeitswiderstand Null, während der mit der vorbestimmten konstanten Schwellwertspannung Ui gesteuerte Zweig unmittelbar auf den ausgangsseitig angeschalteten Lastwiderstand arbeitet Ein solche!' bekannter Differenzverstärker besitzt die in F i g. 2 in Abhängigkeit von der Regelspannung UR dargestellte Verstärkungskennlinie S, wobei im Bereich für UR kleiner als Ui der Differenzverstärker konstante maximale Verstärkung (Kennlinienbereich 51) und ab dem Überschreiten der Schwellwertspannung Ui in einem anschließenden Kennlinienbereich S 2 bis gegen Null etwa logarithmischen Verlauf besitzt Dies ist für verschiedene Anwendungsfälle solcher Differenzverstärker nachteilig. In verschiedenen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, daß die Verstärkung mit steigender Regelspannung nicht bis gegen Null absinkt, sondern ab einem bestimmten Minimalwert konstant bleibt

Bekanntlich verschlechtert sich die Empfindlichkeit eines regelbaren Verstärkers mit zunehmender Verstärkungsreduzierung, und es ist daher bei einem mehrstufigen Verstärker beispielsweise eines Funkempfängers zur Erzielung des bestmöglichen Störabstandes (Verhältnis von Signalleistung zu Eigenrauschleistung) erforderlich, daß bei steigender Eingangsspannung und damit steigender Regelspannung zunächst die letzten im Verstärkerzug liegenden Stufen in ihrer Verstärkung um einen definierten Betrag herabgeregeit werden, und erst bei weiter steigender Eingangs- und Regelspannung die vorderen Stufen, damit die Empfindlichkeit der Gesamtanordnung bis zu möglichst großen Eingangsspannungen erhalten bleibt, und somit der Störabstand bis zu großen Eingangsspannungen weitgehend linear mit der Eingangsspannung ansteigt

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Differenzverstärkerschaltung der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden und zu verbessern, daß sie eine vorbestimmte genau definierte minimale Verstärkung besitzt und auch bei weiter steigender Regelspannung diese minimale Verstärkung nicht unterschritten wird, also eine Differenzverstärkerschaltung, die insbesondere geeignet ist zum Aufbau von kaskadierten mehrstufigen Verstärkern.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Differenzverstärker laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen eines solchen Differenzverstärkers ergeben sich aus den Unteransprüchen, ebenso eine besonders vorteilhafte Möglichkeit hiermit einen mehrstufigen Verstärker aufzubauen, bei dem eine logarithmische Eingangsspannungsanzeige von der den in Kaskade geschalteten Stufen gemeinsamen Regelspannung abgeleitet wird.

Ein erfindungsgemäßer Differenzverstärker besitzt also einen genau definierten Wert für minimale Verstärkung, sein Verstärkungsbereich ist also genau definiert zwischen der über die Schwellwertspannung gegebenen maximalen Verstärkung und der allein Ober das Arbeitswiderstandsverhältnis bestimmten minimalen Verstärkung. Mit steigender Regelspannung UR fällt also nicht mehr wie bei den bekannten Schaltungen gemäß Fig.2 die Verstärkung im Kennlinienzweig 52 bis gegen Null ab, sondern ab dem allein durch die Dimensionierung der Schaltung bestimmten Punkt 53 der Kennlinie bleibt die minimale Verstärkung konstant wie dies schematisch durch den Kennlinienzweig 54 für einen Regelbereich von 20 dB angedeutet ist Auf diese Weise kann allein durch entsprechende Dimensionierung der Schaltung über das definierte Verstärkungsverhältnis V_mu zu Vmin aus dem insgesamt zur Verfügung stehenden Kennlinienbereich 5 für die verschiedensten Schaltungen der gewünschte Regelbereich ausgewählt werden. So ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung möglich, aus mehreren

derartigen in Kaskade geschalteten Differenzverstärkerschaltungen, die mit abgestaffelten Schwellwertspannungen angesteuert werden, einen Verstärker aufzubauen, der in einem weiten Bereich der Regelspannung logarithmischen Verstärkungsverlauf besitzt, so daß also über die Regelspannung im logarithmischen Maßstab beispielsweise in bekannter Weise die Eingangsspannung eines Hochfrequenzempfängers angezeigt werden kann. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, stromgesteuerte und in Basisschaltung betriebene Stufen mit Transformatoren zu verwenden, bei denen Vom gleich eins ist und damit V_1nJ VWn und auch V_ma nur durch das Obersetzungsverhältnis des Transformators bestimmt ist

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati- _]5 scher Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert

Fig. 1 zeigt die einfachste Möglichkeit für den Aufbau eines erfindungsgemäßen spannungsteuerten Differenzverstärkers. Die beiden eingangsseitig gleich.-phasig mit dem zu verstärkenden Eingangssignal Ue angesteuerten Transistor-Verstärkungszweige 71 und 72, bei denen es sich auch um Feldeffekttransistoren oder um Mehrfachtransistoren handeln kann und von denen der eine Zweig Tl über eine vorbestimmte konstante Schwellwertspannung Vi und der andere über eine beliebig von außen beispielsweise in Abhängigkeit vom Ausgang über eine geschlossene Regelschleife erzeugten Regelspannung UR angesteuert ist, arbeiten auf unterschiedlich große Arbeitswiderstände. Der Zweig TX arbeitet auf die Summe der Widerstände R X und R 2 während der andere Zweig 72 nur auf den Widerstand R 2 arbeitet Solange die Regelspannung UR klein gegen die Schwellwertspannung UX ist, besitzt der Verstärker maximale Verstärkung, da der Zweig 72 gesperrt ist In dem anschließenden durch die physikalischen Eigenschaften bestimmten Bereich sind beide Zweige TX und 72 wirksam und die Verstärkung nimmt allmählich ab, wie in Fig.2 durch die Kurve S3 für einen Regelbereich von 20 dB gezeigt ist Im Kennlinienbereich 54, in dem UR groß gegen UX ist wird 71 gesperrt und es ist nur noch der Zweig 72 wirksam, der auf den kleineren Arbeitswiderstand R 2 arbeitet und damit die hierdurch gegebene minimale Verstärkung V_mi„ besitzt Bei der erfindungsgemäßen Schaltung kann also allein durch die Wahl des Widerstandsverhältnisses der Arbeitswiderstände das Verhältnis zwischen maximaler Verstärkung und minimaler Verstärkung bestimmt werden.

Fig.3 zeigt eine weitere Möglichkeit für die Realisierung der unterschiedlich großen Arbeitswiderstände der beiden Zweige 71 und 72 und zwar wiederum für eine spannungsgesteuerte Verstärkungsstufe. Hier ist ein for beide Zweige gemeinsamer Arbeitswiderstand RL vorgesehen und dieser wird über einen Spartransformator F mit einem vorbestimmten Obersetzungsverhältnis öals Arbeitswiderstände für die Ausgänge der beiden Zweige 71 und 72 transformiert so daß der Zweig 72 schließlich auf einem um Ü² kleineren Arbeitswiderstand als der Zweig 71 arbeitet Daraus ergibt sich, daß das Verhältnis 6V = V_m„ : V_mi„ unmittelbar bestimmt ist durch das Übersetzungsverhältnis 0. Anstelle des dargestellten Spartransformators könnte natürlich ebensogut ein üblicher Transformator mit getrennten Wicklungen verwendet werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Transformator Fnaeh F i g. 3 durch eine Kapazität Czu einem Parallelschwingkreis ergänzt, so daß eine auf eine vorbestimmte Resonanzfrequenz abgestimmte frequenzselektive Verstärkungsstufe entsteht, die beispielsweise unmittelbar als Zwischenfrequenz-Verstärkerstufe in einem Empfänger verwendet werden kann.

Fig,4 zeigt einen stromgesteuerten Differenzverstärker, bei dem durch einen Spartransformator F mit dem Obersetzungsverhältnis ü am Ausgang der beiden Zweige 71 und 72 die Summierung der Ströme erfolgt Der Transistor 71 arbeitet auf einen um das Quadrat des Obersetzungsverhältnisses vergrößerten Arbeitswiderstand während der Transistor 72 unmittelbar auf den durch den Abschlußwiderstand RL bestimmten Arbeitswiderstand arbeitet Aus dem Transistor 71 fließt damit bei gesperrtem Zweig 72 ein um das Obersetzungsverhältnis ü vergrößerter Eingangsstrom Ie in den Arbeitswiderstand RL (maximale Verstärkung), während bei gesperrtem Transistor 71 über den Transistor 72 nur noch der Strom Ie fließen kann (minimale Verstärkung). Auch hier kann natürlich wieder ein üblicher Transformator mit getrennten Wicklungen verwendet werden. In de· Schaltung nach Fig.4 wird nicht nur das Verhältnis V„ax zu V_mi„ sondern auch die maximale Stromverstärkung V_m„ durch das Obersetzungsverhältnis ü des Transformators bestimmt

Ein ertindungsgemäßer Differenzverstärker eignet sich besonders gut zum Aufbau eines mehrstufigen Verstärkungszuges, wie er beispielsweise als Zwischenfrequenzverstärker in einem Hochfrequenzempfänger benötigt wird. F i g. 5 zeigt drei Differenzverstärkerstufen Vl, V2 und V3 jeweils aufgebaut nach Fig.4, da bei dieser in Fig.4 dargestellten stromgesteuerten Ausführungsform der Regelbereich genau so groß wie die maximale Stufenverstärkung ist. Bei minimaler Verstärkung, also bei größtem zulässigem Eingangssignal, ist die Verstärkung jeder Stufe unabhängig von der Beschallung gleich eins und damit auch die Verstärkung der Kaskade gleich eins, die Wechselstromaussteuerung bei größtem Eingangssignal ist damit in allen Stufen gleich groß und eine Übersteuerung einzelner Stufen wird vermieden. Die einzelnen Stufen nach Fig.4 arbeiten wechselstrommäßig in Basisschaltung, so daß spannungsbedingte Klirrprodukte klein sind und ein Betrieb mit geringer Betriebsspannung möglich ist.

Die einzelnen Verstärkerstufen VX, V2 und V3 sind in Kaskade geschaltet. Allen drei Verstärkerstufen wird eine Regelspannung UR in gleicher Höhe zugeführt. Diese Regelspannung UR wird beispielsweise durch Gleichrichtung vom Ausgang des Gesamtverstärkungszuges abgeleitet, so daß ein geschlossener Regelkreis entsteht Die aufeintnderfolgenden Verstärkerstufen VX, V2 und V3 liegen an unterschiedlich großen Schwellwertspannungen so gestaffelt, daß mit steigender Re^elspannung UR zunächst die Verstärkerstufe Vl in ihrer Verstärkung herabgeregelt wird dann die Stufe V2 und schließlich die Stufe V3. In F i g. «5 ist das zugehörige Verstärkungskennlinienfeld dieses mehrstufigen Verstärkers dargestellt Daraus ergibt sich, daß sich die Kennlinie für die Verstärkung aus den Einzelkennlinien der drei aufeinanderfolgenden Verstirkerstufen zu einer damit in einem weiten Aussteuerbereich logarithmischen Verstärkungskennlinie zusammensetzt also in einem breiten Verstärkungsbereich und damit auch in einem weiten Bereich der Änderung des Eingangssignals 'iber die Regelspannung eine Eingangssignalanzeige im logarithmischen Maßstab möglich ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Im Verstärkungsgrad Ober eine Regelspannung regelbarer Transistor-Wechselspannungs-Differenzverstärker, dessen beide Verstärkungszweige s eingangsseitig gleichphasig mit dem zu verstärkenden Eingangssignal angesteuert sind und unterschiedlich große Arbeitswiderstände aufweisen, wobei der eine Zweig Ober die Regelspannung und der andere Zweig fiber eine konstante Schwellwert- ι ο spannung derart steuerbar ist, daß bei gegenüber der Regelspannung großer Schwellwertspannung maximale Gesamtverstärkung und ab gegenüber der Schwellwertspannung größerer Regelspannung entsprechend herabgeregelte Gesamtverstärkung er- is reicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsverhältnis der Arbeitswiderstände (Ri, R2; fiber Transformator F transformierter Arbeitswiderstand RL) entsprechend einem gewünschten Verstärkungsverhältnis von minimaler zu maximaler Verstärkung (ό V - V_n^_x: Vmu) gewählt ist

2. Differenzverstärker nach Anspruch 1, insbesondere mit stromgesteuerten Verstärkungszweigen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zweige (Ti, T2) über einen Transformator (F) mit einem dem gewünschten Verstärkungsverhältnis (δ V) entsprechenden Obersetzungsverhältnis (Q) an einem gemeinsamen Arbeitswiderstand (RL) angeschaltet sind.

3. Differenzverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich^-t, daß der Transformator (F)za einem Serien- oder Parallelschwingkr 'is ergänzt ist

4. Mehrstufiger Traⁿsistor-Wechselspannungs-Verstärkerzug, dessen einzelne r Kaskade geschaltef.en Verstärkerstufen über eine Regelspannung geregelt sind, insbesondere mit von der Regelspannung abgeleiteter Eingangsspannungsanzeige, dadurch gekennzeichnet, daß die in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen (Vi, V2, VZ) jeweils Diffe- «0 renzverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 sind, die an derart abgestuften unterschiedlich großen Schwellwertspannungen (Ui, 1/2, i/3) liegen, daß eine zusammengesetzte nahezu ideale logarithmische Verstärkungskennlinie im gesamten Verstärkungsbereich der Kaskade entsteht.