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Schutzschaltung für den Eingangstransistor von Hochfre-
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quen zverstärkern Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Schutz
des Eingangstransistors eines Hochfrequenzverstärkers vor Uberspannungen.
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Die Eingangstransistoren von Hochfrequenzverstärkern, die unmittelbar
beispielsweise mit einer Antenne verbunden sind, also beispielsweise die Eingangsverstärkerstufe
eines Empfängers bilden oder als Verstärkerelement am Fusspunkt einer aktiven Antenne
benutzt werden, müssen vor Überspannungen geschützt werden, die beispielsweise durch
atmosphärische Entladungen über die Antenne dem Verstärkereingang zugeführt werden.
Es ist bekannt, zu diesem Zweck parallel zum Eingang des Transistors eine schnell
schaltende Schottky-Diode gegen Masse zu schalten. Diese bekannte Schutzmassnahme
ist für hohe Frequenzen beispielsweise über 500MHz nicht mehr brauchbar, da die
Sperrschichtkapazität der Schottky-Diode für das hochfrequente Eingangssignal einen
Nebenschluss darstellt und dadurch die Eingangsimpedanz des Eingangstransistors
in einen unbrauchbaren Bereich transformiert wird, so dass für hohe Frequenzen ein
Verstärkungsabfall eintritt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schutzschaltung für solche Eingangstransistoren
zu schaffen, die diesen Nachteil vermeiden und durch welche der Transistor vor Uberspannungen
sicher geschützt ist, ohne dass hierdurch die Verstärkungseigenschaften bei höheren
Frequenzen beeinträchtigt werden.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schutzschaltung laut Oberbegriff
des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäss der Erfindung ist die Schutzdiode nicht mehr parallel zum Verstärkereingang
geschaltet sondern vielmehr unmittelbar zwischen Basis und Emitter des zu schützenden
Transistors. Je nach Polung und Vorspannung dieser Schutzdiode wird so die Basis-Emitter-Strecke
des Transistors vor negativen oder positiven Überpsannungsspitzen geschützt, ohne
dass der Sperrschichtkapazitätswert der Schutzdiode die Eingangsimpedanz des Verstärkers
für hohe Frequenzen herabsetzt. Der Widerstand der Schutzdiode wird dynamisch vergrössert
und stört daher nicht weiter. Die erfindungsgemässe Massnahme ist sowohl für Eingangstransistoren
in Emitterschaltung als auch für solche in Kollektorschaltung geeignet. Im allgemeinen-genügt
es, die Schutzdiode so zwischen Basis und Emitter des zu schützenden Transistors
zu schalten, dass sie durch die Basis-Emitterspannung des Emitters in Sperrichtung
vorgespannt ist und so die Basis-Emitter-Strecke vor negativen Spannungsspitzen
schützt, da positive Spannungsspitzen über die Basis-Emitter-Strecke abgeleitet
werden. Sollte dieser Schutz vor positiven Spannungsspitzen durch den Transistor
selbst nicht ausreichen, ist es vorteilhaft, zusätzlich noch eine Schutzdiode so
gepolt und so vorgespannt einzuschalten, dass diese Schutz-
wirkung
vor positiven Spannungsspitzen noch verbessert wird.
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Bei der erfindungsgemässen Schaltung wirkt die parasitäre Kapazität
der Schottky-Diode als StXromgegenkopplung zwischen Emitter und Basis des Transistors
und es wird hierdurch noch der überraschesndè Vorteil erzielt, dass in bekannter
Weise durch entsprechende Kompensation der Basis-Emitter-Induktivität die Eingangsimpedanz
des Verstärkers bei höheren Frequenzen vergrössert wird, der Verstärkungsabfall
zu höheren Frequenzen also in einen Bereich verschoben wird, bei dem dieser nicht
mehr weiter stört. Es wird also mit ein und derselben Massnahme sowohl ein sicherer
Schutz der Basis-Emitter-Strecke des Transistor vor Spannungsspitzen und gleichzeitig
eine Verbesserung der Verstärkungseigenschafter bei höheren Frequenzen erzielt,
wodurch es erstmals möglich ist, gegen überspannungen geschützte Eingangstransistor.verstärker
auch im Frequenzbereich über 500 MHz bis in den Bereich von 1000 MHz und mehr mit
einfachen Mitteln zu realisieren. Die erfindungsgemässe Massnahme ist insbesondere
füz sogenannte aktive Antennen von Vorteil, bei denen -der Eingangstransistor unmittelbar
am Fusspunkt der Antenne eingebaut ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Figuren 1 und 2 zeigen die Anwendung der Erfindung bei in Emitterschaltung
betriebenen Eingangstransistoren, Figuren 3 und 4 zeigen die Verwirklichung bei
in Kollektorschaltung betriebenen Eingangstransistoren.
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Fig.1 zeigt das Prinzipschaltbild des Fusspunktverstärkers einer aktiven
Antenne bestehend aus einem NPN-Transistor 1,
dessen Basis B über
einen Koppelkondensator 2 unmittelbar mit der Antenne 3 verbunden ist. Der Transistor
1 ist in Emitterschaltung betrieben, das Ausgangssignal wird über einen Koppelkondensator
4 am Kollektor K abgegriffen. Zwischen Basis B und Emitter E des Transistors 1 ist
eine Schottky-.
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Diode 5 geschaltet, der Emitter E liegt über einem Widerstand 6 an
Masse' 7. Die Diode 5 ist so gepolt, dass sie durch die Basis-Emitter-Spannung U
des Transistors 1 in Sperrichtung vorgespannt ist, d.h. die Kathode der Diode 5
ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mitder Basis B und die Anode mit dem Emitter
E des Transistors 1 verbunden.
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Die Vorspannung der Diode 5 in Sperrichtung verbessert das lineare
Verhalten der Schaltung und die Spannungsschwelle, ab der die Diode 5 leitend wird,
wird durch diese Vorspannung auf einen vorbestimmten Wert eingestellt. Die Sperrschichtkapazität
der Diode 5 wirkt als Stromgegenkopplung zwischen Emitter und Basis und hierdurch
wird die Eingångsimpedanz bei höheren Frequenzen vergrössert, der Verstärkungsabfall
also zu höheren Frequenzen verschoben. Die Sperrschichtkapazität einer üblichen
Schottky-Diode beträgt beispielsweise lpf. Wenn dieser Wert für eine gewünschte
Stromgegenkopplung nicht ausreichen sollte, kann es von Vorteil sein, parallel zur
Diode noch einen zusätzlichen Gegegenkopplungskondensator 8 zu schalten. Der Widerstand
6 ist entsprechend der gewünschten Gegenkopplung dimensioniert.
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Über die Diode 5 wird der Transistor vor Beschädigung durch grosse
negative Spannungsspitzen geschützt, da für diese negativen Spannungsspitzen die
Diode 5 leitend wird und damit die Basis-Emitter-Strecke des Transistors kurzgeschlossen
und so vor Zerstörung geschützt wird.
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Grosse positive Spannungsspitzen werden über die Basis-Emitter-Strecke
B-E des Transistors abgeleitet. Wenn dies nicht ausreichen sollte, kann im Sinne
der Fig.2 zusätzlich noch
eine Schottky-Diode 10 hochfrequenzmässig
so parallel zur Basis-Emitter-Strecke B-E geschaltet werden, dass hierdurch zusätzlich
positive Uberspannungsspitzen abgeleitet werden.
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Die Diode 10 ist hochfrequenzmässig über einen Kondensator 12 an die
Basis B angeschaltet und über eine Induktivität 13 gleichstrommässig an Masse 7.
Sie wird durch die Spannung am EwittNrwiderstand 6 in Sperrichtung vorgespannt.
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Fig.3 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem NPN-Transistor 1
in Kollektorschaltung. In dieser Grundschaltung wird das Ausgangssignal über den
Koppelkondensator 4 am Emit terwiderstand 6 abgegriffen, der Kollektor K wird über
einen zusätzlichen Kondensator 14 gleichstrommässig von Masse 7 getrennt. Die Wirkungsweise
der Schutzdiode 5 ist die gleiche wie im Zusammenhang mit Fig.1 beschrieben, Gleiches
gilt für den zusätzlichen Gegenkopplungskondensator 8. Um zu verhindern, dass negative
Spannungsspitzen an die nächstf:öigende nicht dargestellte Verstärkerstufe weitergeleitet
werden, ist es vorteilhaft, parallel zum Emitterwiderstand 6 noch eine zusätzliche
Schottky-Diode 9 als Schutzdiode zu schalten, Fig.4 zeigt ähnlich wie Fig.2 die
Möglichkeit, durch eine zusätzliche entgegengesetzt gepolte Schutzdiode 10 die Schaltung
auch vor positiven Spannungen wirksam zu schützen.
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In den Ausführungsbeispielen sind jeweils NPN-Transistoren benutzt,
die erfindungsgemässe Schutzschaltung ist natürlich in gleicher Weise auch für PNP-Eingangstransistoren
geeignet es ist dazu nur nötig, jeweils die Kathode und Anode der Schutzdioden 5
bzw. 10 entsprechend zu vertauschen und durch geeignete Massnahmen für die richtigen
Vorspannungen zu
sorgen. In Fig.1 müsste für einen PNP-Transistor
beispielsweise die Diode 5 umgekehrt gepolt werden.
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Nach der Erfindung wird als Überspannungsableiter eine Diode, vorzugsweise
eine Schottky-Diode, benutzt, da solche Dioden sehr schnell schalten, also sehr
empfindlich auf Uberspannungen reagiereff. Im Prinzip ist die Erfindung für alle
Überspannungsableiter geeignet, die eine entsprechende Empfindlichkeit besitzen
und ausserdem eine parasitäre Eigenkapazität besitzen, durch welche die vorteilhafte
Stromgegenkopplung erzeugt wird. Gegebenenfalls könnten anstelle der Schottky-Dioden
auch entsprechende Funkenstrecken benutzt werden.
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