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Sendestufe mit hoher Ausgangsleistung für mehrstufige
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digitale Signale mit sehr hoher Schrittgeschwindigkeit Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung 2n-stufiger digitaler Signale aus
n binären Signalen und deren Komplementärwerten mit wenigstens einem basisgekoppelten
ausgangsseitigen und zwei Transistoren enthaltenden Differenzverstärker mit Gegentaktsteuerung
und mit Stromquellen, die nach Potenzen von 2 gestufte Ströme abgeben.
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Dabei sollen unter binären Signalen sehr hoher Bitrate solche mit
einer Bitrate von wenigstens einigen hundert Mbit/s verstanden werden und n 2 sein.
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Der Ausbau des PCM-Weitverkehrsnetzes führt durch Zusammenfassung
von Zeitmultiplexsignalen unterer Hierarchiestufen zu Zeitmultiplexsignalen, die
eine Vielzahl von Nachridten beinhalten und deshalb Bitraten von einigen hundert
Mbit/s aufweisen können. Die Ubertragung dieser Signale erfolgt in der Regel über
Koaxialkabel, die beim Ausbau des Trägerfrequenznetzes gelegt wurden und beispielsweise
als Reservekabel für dieses Netz vorgesehen waren. Die Regeneratoren für die PCM-Signale
sind deshalb in die bereits vorhandenen Trägerfrequenz-Verstärkerstellen mit einzubauen,
so daß der Regeneratorabstand des PCM-Netzes damit dem Verstärkerabstand des Trägerfrequenznetzes
entspricht und die Sende stufe des Jeweiligen Regenerators oder Leitungsendgerätes
eine zur Uberbrückung dieses Abstandes ausreichende Leistung abgeben muß.
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Bei Koaxialkabeln ist die Streckendämpfung näherungsweise proportional
der Quadratwurzel aus der Signalfrequenz,
so daß mit zunehmender
Ubertragungsbandbreite der verfügbare Störabstand bzw. die überbrückbare Streckenlänge
schnell abnimmt. Zur Verringerung der Signalfrequenz wird deshalb von der Möglichkeit
Gebrauch gemacht, anstelle binärer Signale mehrstufige Signale zu übertragen.
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Eine Anordnung zur Erzeugung 2n-stufiger digitaler Signale aus n binären
Signalen sehr hoher Bitrate ist aus der DE-AS 28 23 383 bekannt. Die dort beschriebene
Anordnung enthält einen mittels zweier Multiemittertransistoren symmetrisch aufgebauten
basisgekoppelten Differenzverstärker, wobei über den einzelnen Emittern der Multiemittertransistoren
vorgeschaltete Emitterfolgerstufen die binären Signale bzw. deren Komplementärwerte
zugeführt werden. Unter Verwendung von Stromquellen mit nach Potenzen von 2 gestuften
Strömen entsteht durch Addition eines ersten binären Signals mit einfacher Amplitude
und eines zweiten binären Signals mit doppelter Amplitude ein beispielsweise vierstufiges
Ausgangssignal.
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Weitere Anordnungen zür Erzeugung mehrstufiger digitaler Signale aus
binären Signalen sehr hoher Bitrate sind in den deutschen Patentanmeldungen P 29
37 264.3, P 29 37 697.4 und P 29 37 728.4 vorgeschlagen worden.
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Die Vermeidung zusätzlicher Verstärkereinrichtungen und damit die
Verringerung des Aufwandes führt zu dem Wunsch, eine Anordnung entsprechend der
DE-AS 28 23 383 gleichzeitig als Sendestufe mitzuverwenden. Im Hinblick auf die
bei Multiemittertransistoren für derartige Frequenzen begrenzte Strombelastung sind
diese Transistoren in Sendestufen hoher Ausgangsleistung nicht verwendbar, außerdem
enthält die bekannte Anordnung eine Vielzahl an Stromquellen und besitzt damit einen
hohen Strom- bzw. Leistungsverbrauch.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine Sendestufe mit
hoher Ausgangsleistung für mehrstufige digitale Signale sehr hoher Schrittgeschwindigkeit
anzugeben, die unter Verwendung leistungsstarker HF-Einzeltransistoren einen vergleichsweise
geringen Strom- bzw.
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Leistungsverbrauch aufweist und insgesamt nicht aufwendiger als bekannte
Schaltungen ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß n Differenzverstärkerkombinationen
vorgesehen sind, von denen jede einem der n binären Signale zugeordnet ist, daß
die Differenzverstärkerkombinationen jeweils einen emittergekoppelten und einen
basisgekoppelten Differenzverstärker enthalten und dabei die Ausgangsanschlüsse
des emittergekoppelten Differenzverstärkers mit den Eingangsanschlüssen des basisgekoppelten
Differenzverstärkers verbunden sind, daß die beiden Eingangsanschlüsse des emittergekoppelten
Differenzverstärkers jeweils getrennt mit einer Quelle für eines der umzuformenden
binären Signale und einer Quelle für dessen Komplementärwert verbunden sind, daß
die Emitteranschlüsse der Transistoren des emittergekoppelten Differenzverstärkers
mit einer Quelle für einen Emitterstrom verbunden sind und die Werte für die Emitterströme
sich von Differenzverstärkerkombination zu Differenzverstärkerkombination jeweils
verdoppeln, daß die Kollektoranschlüsse einer ersten Gruppe und einer zweiten Gruppe
der in den basisgekoppelten Differenzverstärkern enthaltenden Transistoren miteinander
und über Verbraucherwiderstände mit Bezugspotential verbunden sind, daß die erste
Gruppe durch die Transistoren gebildet wird, die mit den direkt von den binären
Signalen angesteuerten Transistoren der emittergekoppelten Differenzverstärker verbunden
sind und daß die zweite Gruppe durch die Transistoren gebildet wird, die mit den
von den Komplementärwerten der
binären Signale angesteuerten Transistoren
der emittergekoppelten Differenzverstärker verbunden sinde Die Erfindung ermöglicht
durch Verwendung emittergekoppelter Differenzverstärker eine Verringerung der Anzahl
der Stromquellen und damit des Stromverbrauchs auf die Hälfte ohne den Nachteil,
daß durch Parallelschaltung der als Rückkopplungskapazität bei emittergekoppelten
Differenzverstärkern wirksamen Kollektor-Basiskapazität der Transistoren eine Verschlechterung
der Form der Ausgangssignale eintritt.
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Eine spezielle Lösung der Anordnung nach der Erfindung ergibt sich
dadurch, daß zur Erzeugung vierstufiger digitaler Signale zwei Differenzverstärkerkombinationen
vorgesehen sind, daß die erste Differenzverstärkerkombination einen aus einem ersten
und einem zweiten npn-Transistor gebildeten emittergekoppelten Differenzverstärker
und einen aus einem dritten und einem vierten npn-Transistor gebildeten basisgekoppelten
Differenzverstärker enthält, daß der Basisanschluß des ersten Transistors mit einer
Quelle für ein erstes binäres Signal und der Basisanschluß des zweiten Transistors
mit einer Quelle für den Komplementärwert des ersten binären Signals verbunden ist,
daß die Emitteranschlüsse des ersten und des zweiten npn-Transistors miteinander
und über einen ersten Widerstand mit einem Anschluß' für eine Betriebsspannung verbunden
sind, daß der Kollektoranschluß des ersten Transistors mit dem Emitteranschluß des
dritten Transistors und der Kollektoranschluß des zweiten Transistors mit dem Emitteranschluß
des vierten Transistors verbunden ist, daß die Basisanschlüsse des dritten und des
vierten Transistors miteinander und über einen zweiten Widerstand mit Bezugspotential
verbunden sind, daß eine zweite Differenzverstärkerkombination vorgesehen ist, die
einen fünften bis achten npn-Transistor
enthält und daß der Basisanschluß
des fünften Transistors mit einer Quelle für ein zweites binäres Signal und der
Basisanschluß des sechsten npn-Transistors mit einer Quelle für den Komplementärwert
des zweiten binären Signals verbunden ist, daß die Emitteranschlüsse des fünften
und des sechsten Transistors miteinander und über einen dritten Widerstand mit dem
Anschluß für die Betriebs spannung verbunden sind, daß der dritte Widerstand einen
gegenüber dem ersten Widerstand halben Widerstandswert aufweist, daß der Kollektoranschluß
des fünften Transistors mit dem Emitteranschluß des siebten Transistors und der
Kollektoranschluß des sechsten Transistors mit dem Emitteranschluß des achten Transistors
verbunden sind, daß die Basisanschlüsse des siebten und des achten Transistors miteinander
und über einen vierten Widerstand mit Bezugspotential verbunden sind, daß der Kollektoranschluß
des dritten Transistors mit dem Kollektoranschluß des siebten Transistors mit einem
Ausgangsanschluß für ein inverses Ausgangssignal und über einen ersten Verbraucherwiderstand
mit Bezugspotential verbunden ist, daß der Kollektoranschluß des vierten Transistors
mit dem Kollektoranschluß des achten Transistors sowie mit einem Ausgangsanschluß
für ein Ausgangssignal und über einen zweiten Verbraucherwiderstand mit Bezugspotential
verbunden ist.
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Bei den erfindungsgemäßen Anordnungen sind die Kollektoranschlüsse
der in den basis gekoppelten Differenzverstärkern enthaltenen Transistoren in zwei
Gruppen zusammengefaßt. Dadurch ergibt sich zwar eine gruppenweise Summierung der
Kollektor-Basiskapazität der genannten Transistoren, diese Kapazität wirkt aber
nicht als Rückkopplungs-, sondern als Parallelkapazität.
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Als Weiterbildung der Erfidnung ergibt sich die Möglichkeit der Kompensation
dieser Parallelkapazitäten
dadurch, daß den Ausgangsanschlüssen
jeweils eine die Kollektorbasiskapazität der angeschlossenen Transistoren kompensierende
Induktivität vorgeschaltet ist.
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Zur weiteren Steigerung der Ausgangsleistung ist eine bevorzugte Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Anordnung so aufgebaut, daß die beiden Verbraucherwiderstände
durch einen einzigen Verbraucherwiderstand mit vorgeschaltetem Leitungsübertrager
ersetzt sind und daß dieser Leitungsübertrager aus zwei gleichlangen Doppelleitungen
besteht, daß die erste Doppelleitung auf einen hochpermeablen Kern aufgewickelt
ist und die erste Ader der ersten Doppelleitung über einen ersten Anschluß mit dem
Ausgangsanschluß für das komplementäre Ausgangssignal und über einen zweiten Anschluß
mit Bezugspotential verbunden ist, daß die zweite Ader der ersten Doppelleitung
über einen, dem ersten Anschluß der ersten Ader benachbarten ersten Anschluß mit
Bezugspotential und über einen zweiten Anschluß mit dem gemeinsamen Verbraucherwiderstand
sowie mit einem zweiten Anschluß der ersten Ader der zweiten Doppelleitung verbunden
ist, daß der erste Anschluß dieser ersten Ader der zweiten Doppelleitung mit dem
Ausgangsanschluß für das Ausgangssignal verbunden ist, daß die beiden Anschlüsse
der zweiten Ader der zweiten Doppelleitung mit Bezugpotential verbunden sind und
daß die Anschlüsse der einzelnen Adern jeweils an den Enden der Doppelleitungen
vorgesehen sind.
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Durch diese Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, daß die gegenphasigen
Ausgangssignale der basisgekoppelten Differenzverstärker zu einem gemeinsamen Ausgangssignal
doppelter Leistung zusammengefaßt werden können.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert
werden.
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Dabei zeigt Fig. 1 die Erzeugung eines vierstufigen Signale aus zwei
binären Signalen im Impulsdiagramm und Fig. 2 eine Anordnung zur Erzeugung eines
vierstufigen digitalen Signals aus zwei binären Signalen mit der Möglichkeit des
Anschlusses eines Leitungsübertragers entsprechend Fig. 2a.
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In der Fig. 1 sind mit El und E2 die beiden binären Signale bezeichnet,
aus denen das vierstufige digitale Ausgangssignal EA erzeugt werden soll. Die Umformung
erfolgt dabei nach folgender Vorschrift:
| EA 0 1 2 3 |
| El 0 1 0 1 |
| E2 0 0 1 1 |
In der Fig. 1 ist die Verknüpfung der beiden binären Signale in einem Beispiel gezeigt,
wobei die Impulsfolgen der binären Signale beliebig gewählt wurden.
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Es zeigt sich, daß bei einem Signalpegel 0 für die beiden binären
Signale auch das Ausgangssignal EA den Signalpegel 0 hat, während bei der Kombination
zweier Signale, wovon das Signal El den Signalpegel 1 und das Signal E2 den Signalpegel
0 hat, das Ausgangssignal EA den Signalpegel 1 hat. Zum nächsten Zeitschritt hat
das erste binäre Signal El den Signalpegel 0, während das zweite binäre Signal E2
den Signalpegel 1 hat, in diesem Falle ergibt sich ein Signalpegel von 2 für das
Ausgangssignal EA. Der vierte Zeitschritt zeigt die letzte noch verbliebene Möglichkeit,
daß beide binäre Signale den Signalpegel 1 haben. In diesem Falle hat das Ausgangssignal
den maximalen Pegel 3.
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Die Verknüpfung der beiden binären Signale El und E2 und deren Komplementärwerte
U und § erfolgt in der Anordnung nach Fig. 2 in zwei Differenzverstärkerkombinationen.
Die
erste Differenzverstärkerkombination enthält vier npn-Transistoren T1...T4, wobei
die ersten beiden Transistoren T1 und T2 durch Verbindung ihrer Emitteranschlüsse
miteinander und über einen ersten Widerstand Rl mit Betriebsspannung -Ub einen ersten
emittergekoppelten Differenzverstärker bilden. Die Ansteuerung dieses Differenzverstärkers
erfolgt über die Transistorbasen, wobei der Basisanschluß des ersten Transistors
T1 mit einer Quelle für das erste binäre Signal Ei und der Basisanschluß des zweiten
Transistors T2 mit einer Quelle für den Komplementärwert E7 des ersten binären Signals
verbunden ist.
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Dem ersten emittergekoppelten Differenzverstärker ist ein erster basisgekoppelter
Differenzverstärker nachgeschaltet, der durch den dritten und den vierten Transistor
T3, T4 sowie durch einen zweiten Widerstand R2 gebildet wird, der auf der einen
Seite mit Bezugsspannung und auf der anderen Seite mit den beiden Basisanschlossen
des dritten und des vierten Transistors verbunden ist. Der Emitteranschluß des dritten
Transistors T3 ist mit dem Kollektoranschluß des ersten Transistors T1, der Emitteranschluß
des vierten Transistors T4 ist mit dem Kollektoranschluß des zweiten Transistors
T2 verbunden, während der Kollektoranschluß des dritten Transistors mit einem Anschluß
einer ersten Serieninduktivität L1 und der Kollektoranschluß des vierten Transistors
T4 mit einem Anschluß einer zweiten Serieninduktivität L2 verbunden ist.
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Analog zur ersten Differenzverstärkerkombination ist die zweite Differenzverstärkerkombination
aufgebaut, die einen fünften bis achten npn-Transistor T5...T8 enthält. Der emittergekoppelte
Differenzverstärker dieser Differenzverstärkerkombination wird durch die Transistoren
T5 und T6 gebildet, deren Emitteranschlüsse wiederum miteinander und über einen
dritten Widerstand
R3 mit Betriebsspannung -Ub verbunden ist. Der
Widerstandswert des dritten Widerstandes R3 ist dabei halb so groß wie der des ersten
Widerstandes R1, so daß in die zweite Differenzverstärkerkombination ein gegenüber
der ersten verdoppelter Strom eingeprägt wird.
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Mit dem Basisanschluß des fünften Transistors T5 ist eine Quelle für
das zweite binäre Signal E2 verbunden, während an den Basisanschluß des sechsten
Transistors T6 eine Quelle für den Komplementärwert 'jZ des zweiten binären Signals
angeschlossen ist.
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Der basisgekoppelte Differenzverstärker der zweiten Differenzverstärkerkombination
wird durch einen siebten und einen achten Transistor T7, T8 gebildet, wobei die
BasisanschlUsse beider Transistoren miteinander und über einen vierten Widerstand
R4 mit Bezugspotential verbunden sind. Der Emitteranschluß des siebten Transistors
T7 ist mit dem Kollektoranschluß des fünften Transistors T5 und der Emitteranschluß
des achten Transistors T8 ist mit dem Kollektoranschluß des sechsten Transistors
T6 verbunden. Der Kollektoranschluß des siebten Transistors T7 ist mit dem Kollektoranschluß
des dritten Transistors T3 und der Kollektoranschluß des achten Transistors T8 ist
mit dem Kollektoranschluß des vierten Transistors T4 verbunden, so daß Jeweils zwei
Kollektoranschlüsse mit dem einen Anschluß der ersten bzw. zweiten Induktivität
L1, L2 verbunden sind. Der andere Anschluß der ersten Induktivität L1 ist mit einem
Anschluß A für das inverse Ausgangssignal und über einen ersten Verbrauchswiderstand
RV1 mit Bezugspotential verbunden, während der andere Anschluß der zweiten Induktivität
L2 mit einem Anschluß A für das vierstufige Ausgangssignal und über einen zweiten
Verbrauchswiderstand RV2 mit Bezugspotential verbunden ist.
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Zur Erhöhung der Ausgangsleistung sind die beiden Verbraucherwiderstände
RV1, RV2 durch einen einzigen Verbraucherwiderstand RV mit einem vorgeschalteten
Leitungsübertrager ersetzt. Durch diesen Leitungsübertrager werden die Ausgangs
signale der beiden Ausgangsleitungen zu einem einzigen Ausgangssignal mit entsprechend
doppelter Leistung zusammengefaßt. Dieser Leitungsübertrager ist als symmetrisch-unsymmetrischer
4:1-Leitungsübertrager aufgebaut, wie er aus der Veröffentlichung von Chamberlayne
in "Electronics Letters" vom 11.12.75, Seiten 609 und 610 bekannt ist. Der Leitungsübertrager
enthält zwei gleichlange Doppeleitungen Lt1 und Lt2, wobei die erste Doppelleitung
Lt1 auf einen hochpermeablen Kern aufgewickelt ist. Die erste Ader der ersten Doppelleitung
Ltl hat an ihrem einen Ende einen ersten Anschluß, der mit dem Anschluß Ä für das
inverse Ausgangssignal verbunden ist, während der andere Anschluß der ersten Ader
am anderen Ende dieser Ader mit Bezugspotential verbunden ist. Der dem ersten Anschluß
der ersten Ader benachbarte erste Anschluß der zweiten Ader der ersten Doppelleitung
Ltl ist mit Bezugspotential verbunden, während der zweite Anschluß dieser Ader mit
der ersten Ader der zweiten Doppelleitung und über den gemeinsamen Verbraucherwiderstand
RV mit Bezugspotential verbunden ist. Der zweite Anschluß der ersten Ader der zweiten
Doppelleitung ist mit dem Anschluß A für das vierstufige Ausgangssignal verbunden,
während die zweite Ader der zweiten Doppelleitung an ihren beiden Endpunkten mit
Bezugspotential verbunden ist. Auf der der Sendestufe zugewandten Seite des Leitungsübertragers
liegen die Eingänge der Leitungen in Serie, während auf der dem Verbraucherwiderstand
zugewandten unsymmetrischen Seite die Ausgänge der Leitungen parallelgeschaltet
sind.
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Die Funktion der Sende stufe nach der Fig. 2 besteht in der Verknüpfung
der binären Eingangssignale entspre-
chend Fig. 1 und in der Erzeugung
der gewünschten Ausgangsleistung. Das erste binäre Signal El und dessen Komplementärwert
§5 steuern über die Eingänge des ersten emittergekoppelten Differenzverstärkers
die erste Differenzverstärkerkombination, während das zweite binäre Signal E2 und
dessen komplementärer Wert § über die Eingänge des zweiten emittergekoppelten Differenzverstärkers
die zweite Differenzverstärkerkombination steuern. Die komplementären Ausgangsströme
dieser Differenzverstärker steuern den jeweils nachgeschalteten basisgekoppelten
Differenzverstärker, die zusammengefaßten, zueinander komplementären Ausgangsströme
der beiden basisgekoppelten Differenzverstärker erzeugen die gewünschte Ausgangsspannung
an dem ersten bzw. zweiten Verbraucherwiderstand RV1, RV2.
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Die höhere Bewertung des binären Eingangssignals E2 im Ausgangs signal
EA entsprechend dem dritten und vierten Zeitschritt nach Fig. 1 wird dadurch erreicht,
daß der dritte Widerstand R3 in der zweiten Differenzverstärkerkombination nur den
halben Widerstand des ersten Widerstandes R1 der ersten Differenzverstärkerkombination
aufweist und entsprechend die Ströme in der zweiten Differenzverstärkerkombination
den doppelten Wert gegenüber denen der ersten Differenzverstärkerkombination aufweisen.
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Es zeigt sich, daß für die Verknüpfung dreier binärer Signale und
deren Komplementärwerte die Anordnung nach Fig. 2 durch eine weitere Differenzverstärkerkombination
ergänzt werden müßte, wobei diese durch das dritte binäre Signal und dessen Komplementärwert
gesteuert würde und die Ströme in dieser gegenüber den Strömen in der zweiten Differenzverstärkerkombination
wiederum den doppelten Wert haben müßten.
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Die geforderte hohe Ausgangsleistung wird zum Teil dadurch erreicht,
daß Hochfrequenztransistoren mit hoher
Strombelastbarkeit verwendet
werden. Derartige Transistoren besitzen gegenüber HF-Transistoren mit niedrigerer
Strombelastbarkeit eine höhere Kollektor-Basis-Kapazität, die zunächst dem Verbraucherwiderstand
parallel liegt und damit die nutzbare Bandbreite begrenzt.
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In der Anordnung nach der Fig. 2 sind diese Parallelkapazitäten durch
di e Se die Serieninduktivitäten L7 und L2 kompensiert. Da die Kollektor-Basis-Kapazität
der Transistoren von der Jeweiligen Stromaussteuerung abhängt, wird die Kompensation
so durchgeführt, daß bei mittleren Aussteuerungen die Parallelkapazitäten voll kompensiert
sind. Durch diese Serien-Induktivitäten war es beim Ausführungsbeispiel möglich,
die Anstiegszeit der Impulse von zunächst etwa 750 ps auf 500 ps zu verringern.
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Eine weitere Erhöhung der Ausgangsleistung wurde beim Ausführungsbeispiel
dadurch erreicht, daß die beiden vierstufigen Signale, die an den Ausgangsanschlüssen
A und W anstehen, durch den in der Fig. 2a dargestellten Leitungsübertrager zusammengefaßt
werden. Zusätzlich zur Zusammenfassung ergibt sich durch die Verwendung des Leitungsübertragers
eine Aufwärtstransformation des unsymmetrischen Verbraucherwiderstandes RV, der
beispielsweise ein Koaxialkabel mit einem Widerstand von 75 Q darstellt, in diesymmetrisch
gegen Masse liegenden Lastwiderstände RVl und RV2 im Verhältnis von 4:1. Bei einer
zusätzlichen sendeseitigen Anpassung des Koaxialkabels und einem daraus resultierenden
Verbraucherwiderstand RV von 37,5 # ergibt sich durch Verwendung des symmetrisch-
unsymmetrischen 4:1-Leitungsübertragers ein Lastwiderstand jedes Endstufentransistors
von 75 9.
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Zusätzlich ermöglicht der Leitungsübertrager eine sehr einfache Zuführung
der Kollektorspannung der Transisto-
ren, ohne daß ein wesentlicher
Gleichspannungsabfall auftritt. Dadurch ergibt sich eine besonders beim Einsatz
derartiger Sende stufen in Zwischenregeneratoren erwünschte geringere Verlustleistung
bzw. die Verwendung einer geringeren Vers orgungs spannung.
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4 Patentansprüche 2 Figuren
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