DE3625213A1 - Verstaerker zum verstaerken von signalen in der elektrischen nachrichtentechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstärker zum Verstärken von Signalen in der elektrischen Nachrichtentechnik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Ein solcher Verstärker ist aus dem Buch "Halbleitungsschal­ tungstechnik" von U. Tietze u. Ch. Schenk, 2. Auflage, 1971 S. 162, Abb. 10.3, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der obigen Art folgendermaßen weiterzubilden:

• a) Es sollen binäre Eingangssignale unterschiedlicher Amplitude und geringer Flankensteilheit so verstärkt werden, daß rechteckförmige Ausgangssignale mit kon­ stanter Amplitude und einer Flankensteilheit ≦ 1 ns entstehen.
• b) Es soll eine Anschlußmöglichkeit für ein Meßgerät geschaffen werden, um die Parameter des Ausgangs­ signals zu messen. Dabei sollen durch den Anschluß des Meßgerätes die Parameter des Ausgangssignals nur in einem vernachlässigbaren Maß verändert wer­ den.
• c) Im Bereich von einer unteren Grenzfrequenz von 0,1 MHz bis zu einer oberen Grenzfrequenz von 500 MHz sollen der Signaleingang und der Signal­ ausgang vorgegebene Ein- bzw. Ausgangswiderstände aufweisen.
• d) Die Amplitude von Überschwingern im Ausgangssignal darf nicht höher als 1% der Amplitude des Ausgangs­ signals selbst sein.
• e) Der Verstärker soll in einer kostengünstigen Bau­ weise aufgebaut sein.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruches gelöst.

Aus der Abb. 9.1 auf der S. 145 des vorgenannten Buches ist es an sich bekannt, bei einem Differenzverstärker nicht nur einen Transistor (wie in der Abb. 10.3) sondern beide Tran­ sistoren mit Kollektorwiderständen zu beschalten.

Aus der Abb. 9.3 auf der S. 150 des vorgenannten Buches ist es an sich bekannt, bei einem Differenzverstärker die Basis des zweiten Transistors über einen Basisvorwiderstand mit einer Referenzspannung zu verbinden.

Aus der Abb. 10.33 auf der S. 188 des vorgenannten Buches ist es an sich bekannt, bei einem Emitterfolger in die Ver­ bindung der Basis des betr. Transistors mit der Signalquelle einen Längswiderstand einzufügen sowie den Kollektor mit der Basis über eine Reihenschaltung eines Gegenkopplungswider­ standes mit einem Kondensator zu verbinden.

Aus der deutschen Auslegungsschrift 10 01 433, Fig. 2, ist es an sich bekannt, bei einem mehrstufigen Verstärker die letzte Verstärkerstufe mit einem Betriebsausgang und einem Meßausgang auszustatten, wobei der Betriebsausgang über ei­ nen Entkopplungswiderstand und der Meßausgang über einen Spannungsteiler angeschlossen ist.

Die Erfindung wird anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es ist ein Verstärker mit einer ersten und einer zweiten Stufe dargestellt + U und - U sind die beiden Pole einer Betriebsspannungsquelle und mit M ein Masseanschluß bezeichnet.

Die erste Stufe, welche als Differenzverstärker ausgebil­ det ist, besteht aus den Transistoren Ts 1 und Ts 2, den Kollektorwiderständen R 2 und R 3, einem für beide Transi­ storen gemeinsamen Emitterwiderstand R 4 sowie einer Spule L 1. Mit E ist ein Signaleingang bezeichnet. Er ist über einen Kondensator C 1 mit der Basis des ersten Transistors Ts 1 verbunden. Die Basis des zweiten Transistors Ts 2 ist über Basisvorwiderstand R 5 mit einer Referenzspannungs­ quelle verbunden, welche eine Referenzspannung U _ref ab­ gibt. Die Referenzspannung U _ref ist eine Gleichspannung, und die Referenzspannungsquelle ist so ausgebildet, daß diese Gleichspannung einstellbar ist. Der Kollektor und die Basis des ersten Transistors Ts 1 sind miteinander über eine Reihenschaltung eines ersten Gegenkopplungs­ widerstandes R 1 und eines ersten Gegenkopplungskondensa­ tors C 2 verbunden.

Der zuvor beschriebenen ersten Stufe ist eine zweite, als Emitterfolge ausgebildete Stufe mit einem dritten Tran­ sistor Ts 3 nachgeschaltet. Die Basis dieses Transistors ist mit dem Kollektor des zweiten Transistors Ts 2 verbun­ den, und in diese Verbindung ist ein Kondensator C 3 und ein Längswiderstand R 6 eingefügt. Auch der dritte Tran­ sistor Ts 3 ist mit einem Kollektorwiderstand R 8 beschal­ tet, mit R 9 ist der zugehörige Emitterwiderstand bezeich­ net. Mit diesem in Reihe liegt eine Spule L 3. Die Basis und der Kollektor des dritten Transistors Ts 3 sind mit­ einander über eine Reihenschaltung eines zweiten Gegen­ kopplungswiderstandes R 7 und eines zweiten Gegenkopplungs­ kondensators C 4 verbunden.

Die zweite Stufe weist einen Betriebsausgang A 1 und einen Meßausgang A 2 auf. Der Betriebsausgang A 1 ist über eine Reihenschaltung eines Entkopplungswiderstandes R 10 und eines Kondensators C 5 mit dem Emitter des dritten Tran­ sistors Ts 3 verbunden. Der Meßausgang A 2 ist über einen Kondensator C 6 mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden. Der Spannungsteiler besteht aus einem ersten und einem zweiten Spannungsteilerwiderstand R 11 bzw. R 12. Der erste Spannungsteilerwiderstand R 11 ist mit dem Emitter des dritten Transistors Ts 3 verbunden. Der zweite Spannungsteilerwiderstand R 12 ist mit dem zwei­ ten Pol - U der Betriebsspannungsquelle, also mit einem für das Ausgangssignal neutralen Pol, verbunden. In Rei­ he mit dem zweiten Spannungsteilerwiderstand R 12 liegt ein Kondensator C 7.

Beiden Stufen ist gemeinsam, daß die Kollektorwiderstände R 2, R 3 und R 8 mit dem ersten Pol + U und die Emitterwider­ stände R 4 und R 9 mit dem zweiten Pol - U der Betriebsspan­ nungsquelle verbunden sind. Die Basis des ersten Transi­ stors Ts 1 und die Basis des dritten Transistors Ts 3 ist über je eine Spule L 1 bzw. L 2 mit dem Masseanschluß M verbunden. Da hier npn-Transistoren angenommen wurden, führt der erste Pol + U positive und der zweite Pok - U negative Spannung gegenüber dem Masseanschluß M.

Die Funktion ist folgende:

Das zu verstärkende binäre Eingangssignal wird an dem Si­ gnaleingang E gelegt. Es gelangt über den Kondensator C 1 auf die Basis des ersten Transistors Ts 1 und wird dadurch in der ersten Stufe verstärkt. Dabei wirkt die Reihenschal­ tung aus dem ersten Gegenkopplungswiderstand R 1 und dem ersten Gegenkopplungskondensator C 2 zusammen mit dem Kol­ lektorwiderstand R 2 als Gegenkopplung. Eine weitere Gegen­ kopplung bewirkt der Basisvorwiderstand R 5 zusammen mit dem Kollektorwiderstand R 3 und dem Emitterwiderstand R 4.

Das binäre Eingangssignal weist wegen seiner Übertragung über eine lange Leitung oder wegen einer Signalverarbei­ tung in den diesem Verstärker vorgeschalteten Baugruppen nicht mehr die für ein binäres Signal ideale Rechteck­ form auf. Es können außerdem Signale mit unterschiedlich hohem Pegel auftreten. Durch die Wahl geeigneter Werte für den ersten Gegenkopplungswiderstand R 1, den Kollek­ torwiderständen R 2 und R 3, den Emitterwiderstand R 4 und den Basisvorwiderstand R 5 ist die Verstärkung so hoch be­ messen, daß bei der Mindest-Amplitude des Eingangssigna­ les diese erste Stufe schon übersteuert ist und somit am Kollektor des zweiten Transistors Ts 2 ein rechteckförmi­ ges Signal mit der geforderten Flankensteilheit und kon­ stanter Amplitude entsteht. Die Gegenkopplungen verhin­ dern eine Schwingungsneigung, die wegen der hohen Ver­ stärkung während der Impulsflanken bestehen kann. So wird erreicht, daß die Amplitude von Überschwingern den vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

Im Eingangssignal können die Signalelemente für die lo­ gische Eins (im folgenden kurz "Impuls" genannt) und die­ jenigen für die logische Null "Pausen" genannt) unter­ schiedliche Kurvenformen aufweisen. Das heißt Impulse und Pau­ sen sind gegenüber einer gedachten Mittellinie nicht sym­ metrisch, wenn man die Mittellinie als Symmetrieachse an­ sieht und die zeitliche Verschiebung zwischen Impulsen und Pausen unberücksichtigt läßt. Durch geeignete Einstellung der Referenzspannung U _ref läßt sich erreichen, daß im Aus­ gangssignal Impulse und Pausen symmetrisch sind.

In der zweiten Stufe wirkt die Reihenschaltung, des zwei­ ten Gegenkopplungswiderstandes R 7 mit dem zweiten Gegen­ kopplungskondensator C 4 zusammen mit dem Längswiderstand R 6 und dem Kollektorwiderstand R 8 ebenfalls als Gegenkopp­ lung. Durch diese Gegenkopplung wird ein linearer Fre­ quenzgang erreicht.

Beiden Stufen gemeinsam ist, daß alle Kondensatoren zur Gleichstromabriegelung dienen. Sie sind so bemessen, daß ihre Scheinwiderstandswerte auch bei der unteren Grenz­ frequenz von 0,1 MHz vernachlässigbar klein sind. Die Spulen L 1, L 2 und L 3 dienen der Gleichstromführung. Ihre Induktivität ist so groß gewählt, daß der Schein­ widerstand auch bei der unteren Grenzfrequenz einen ver­ nachlässigbaren Einfluß hat. Der Emitterwiderstand R 9 dient zusammen mit dem Kollektorwiderstand R 8 zur Gleich­ strom-Arbeitspunkt-Einstellung des Transistors Ts 3.

Der Verstärker ist in konventioneller Leiterplattenbau­ weise aufgebaut. Dabei ergeben sich parasitäre Elemente, das sind Kapazitäten zwischen den Leiterbahnen und Induk­ tivitäten der Leiterbahnen. Auch die elektrischen Bauele­ mente (Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Transistoren) weisen parasitäre Elemente auf.

Der erste und zweite Gegenkopplungswiderstand R 1 bzw. R 7, die Kollektorwiderstände R 2, R 3 und R 8, die Emitterwider­ stände R 4 und R 9, der Basisvorwiderstand R 5, der Längs­ widerstand R 6, der Entkopplungswiderstand R 10 sowie der erste und zweite Spannungsteilerwiderstand R 11 bzw. R 12 sind unter Berücksichtigung der parasitären Elemente so bemessen, daß im Bereich von einer unteren Grenzfrequenz von 0,1 MHz bis zu einer oberen Grenzfrequenz von 500 MHz erreicht werden:

• a) Der Signaleingang E weist einen vorgegebenen Ein­ gangswiderstand auf.
• b) Die zweite Stufe weist einen Eingangswiderstand auf, der zum Ausgangswiderstand der ersten Stufe konjugiert komplex ist.
• c) Es besteht eine vorgegebene Kopplungsdämpfung zwi­ schen dem Betriebsausgang A 1 und dem Meßausgang A 2. Es ist eine solche Kopplungsdämpfung vorgege­ ben, daß ein Anschluß eines Meßgerätes mit belie­ bigem Eingangswiderstand nur einen vernachlässig­ bar geringen Einfluß auf die Parameter des am Be­ triebsausgang A 1 liegenden Ausgangssignal hat.
• d) Der Betriebsausgang A 1 und der Meßausgang weisen vorgegebene Ausgangswiderstände auf.
• e) Der Pegel am Meßausgang A 2 ist um einen vorgege­ benen Pegelunterschied niedriger als derjenige am Betriebsausgang A 1.

Die vorgenannte Berücksichtigung der parasitären Elemente hat den Vorteil, daß die sonst zur Erzielung der hohen Grenzfrequenz angewendete, jedoch teure SMD-Bauweise (Surface-Mounted-Device-Bauweise) nicht angewendet werden muß.

Durch die Wahl zueinander konjugiert komplexer Ausgangs- bzw. Eingangswiderstände wird Anpassung und damit Beibe­ haltung der schon in der ersten Stufe erreichten hohen Flankensteilheit erreicht. Außerdem werden dadurch Über­ schwinger vermieden.

Die Anwendung des Spannungsteilers im Zusammenhang mit dem Meßausgang A 2 hat den Vorteil, daß sich die vorgegebene Kopplungsdämpfung auch bei einem verhältnismäßig hohen Ausgangswiderstand der zweiten Stufe erreichen läßt. Der Pegelunterschied gegenüber dem Betriebsausgang A 1 ist kein Nachteil, weil er sich bei der Auswertung der Meßer­ gebnisse leicht berücksichtigen läßt.

Claims (2)

1. Verstärker zum Verstärken von Signalen in der elektrischen Nachrichtentechnik mit folgenden Merkmalen:

   • a) Der Verstärker weist eine erste und eine zweite Stufe auf.
   • b) Die erste Stufe ist als Differenzverstärker aus­ geführt und weist einen ersten und einen zweiten Transistor (Ts 1 bzw. Ts 2) sowie einen Signalein­ gang (E) auf.
   • c) Der Signaleingang (E) ist mit der Basis des ersten Transistors (Ts 1) verbunden.
   • d) Der erste Transistor (Ts 1) ist mit einem Kollektor­ widerstand (R 2) beschaltet.
   • e) Der Kollektor und die Basis des ersten Transistors (Ts 1) sind miteinander über eine Reihenschaltung eines ersten Gegenkopplungswiderstandes (R 1) und eines ersten Gegenkopplungskondensators (C 2) ver­ bunden.
   • f) Die Basis des zweiten Transistors (Ts 2) ist über einen Basisvorwiderstand (R 5) mit einer Referenz­ spannungsquelle verbunden, welche eine Referenz­ spannung (U _ref ) abgibt.
   • g) Die zweite Stufe ist mit einem dritten Transistor (Ts 3) als Emitterfolge ausgeführt.
   • h) Die Basis des dritten Transistors (Ts 3) ist mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Ts 2) ver­ bunden.
   • i) In die Verbindung zwischen der Basis des dritten Transistors (Ts 3) und dem Kollektor des zweiten Transistors (Ts 2) ist ein Längswiderstand (R 6) eingefügt.
   • k) Der dritte Transistor (Ts 3) ist mit einem Kollek­ torwiderstand (R 8) beschaltet.
   • l) Die Basis und der Kollektor des dritten Transistors (Ts 3) sind miteinander über eine Reihenschaltung eines zweiten Gegenkopplungswiderstandes (R 7) und eines zweiten Gegenkopplungskondensators (C 4) ver­ bunden.
   • m) Die zweite Stufe weist einen Betriebsausgang (A 1) auf, welcher mit dem Emitter des dritten Transi­ stors (Ts 3) verbunden ist.
   • n) In die Verbindung zwischen dem Betriebsausgang (A 1) und dem Emitter des dritten Transistors (Ts 3) ist ein Entkopplungswiderstand (R 10) eingefügt.
   • o) Die zweite Stufe weist einen Meßausgang (A 2) auf, der mit einem Abgriff eines Spannungsteilers ver­ bunden ist. Der Spannungsteiler besteht aus einem ersten und einem zweiten Spannungsteilerwiderstand (R 11 bzw. R 12). Der erste Spannungsteilerwider­ stand (R 11) ist mit dem Emitter des dritten Tran­ sistors (Ts 3) verbunden. Der zweite Spanungstei­ lerwiderstand (R 12) ist mit einem für das Ausgangs­ signal neutralen Pol (- U) verbunden.
   • p) Der Verstärker ist in konventioneller Leiterplatten­ bauweise aufgebaut.
   • q) Der erste und zweite Gegenkopplungswiderstand (R 1 bzw. R 7), die Kollektorwiderstände (R 2, R 3, R 8), die Emitterwiderstände (R 4, R 9), der Basisvorwider­ stand (R 5), der Längswiderstand (R 6), der Entkopp­ lungswiderstand (R 10) sowie der erste und zweite Spannungsteilerwiderstand (R 11 bzw. R 12) sind un­ ter Berücksichtigung der parasitären Elemente so bemessen, daß im Bereich von einer unteren Grenz­ frequenz von 0,1 MHz bis zu einer oberen Grenzfre­ quenz von 500 MHz erreicht werden:
     • q1) Der Signaleingang (E) weist einen vorgegebenen Eingangswiderstand auf.
     • q2) Es besteht eine vorgegebene, hohe Kopplungs­ dämpfung zwischen dem Betriebsausgang (A 1) und dem Meßausgang (A 2).
     • q3) Der Betriebsausgang (A 1) und der Meßausgang (A 2) weisen vorgegebene Ausgangswiderstände auf.
     • q4) Bei einem Eingangssignal mit Mindest-Amplitude wird ein rechteckförmiges Ausgangssignal mit konstanter Amplitude und einer Flankensteilheit ≦ 1 ns abgegeben.
     • q5) Die Amplitude von Überschwingern im Ausgangssi­ gnal ist nicht höher als 1% der Amplitude des Ausgangssignals selbst.
2. Den Oberbegriff bilden die Merkmale a, b, c, g, h und m. Die übrigen Merkmale bilden den kennzeichnenden Teil.