DE3742796A1 - Verstaerker mit einer stromgegengekoppelten transistorstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker mit einer stromgegengekoppelten Transistorstufe, deren Verstärkung einstellbar ist und deren Stromgegenkopplungswiderstand aus einem Ohmschen Widerstand und einem hierzu parallel geschalteten steuerbaren Widerstand besteht, dessen Widerstandswert durch Anlegen von Spannungen veränderbar ist.

Ein derartiger Verstärker mit einstellbarer Verstärkung ist aus der DE-PS 26 41 525 bekannt, bei dem eingangsseitig eine Gleich- und/oder Wechselspannung anlegbar ist und ausgangsseitig eine Weichenschaltung vorgesehen ist, die beide Spannungen voneinander trennt, und bei dem eine dieser Spannungen, die zu verstärkende Nutzspannung, und die andere eine mit konstanter Amplitude zugeführte Kontrollspannung darstellt. Die Kontrollspannung wird dabei an einen ersten Eingang eines Differenzverstärkers gelegt, dessen zweiter Eingang mit einer veränderbaren Steuerspannung, einer Wechselspannung, beaufschlagt ist. Weiterhin ist ein für Gleich- und Wechselstrom wenigstens annähernd gleiche Widerstandswerte aufweisender steuerbarer Widerstand vorgesehen, der von der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers auf einen solchen Widerstandswert eingestellt wird, daß sich die Eingangsspannungen des Differenzverstärkers einander möglichst weitgehend angleichen. Um den Temperaturgang des so ausgebildeten Verstärkers besonders niedrig zu halten, ist zu dem Ohmschen Widerstand in der gegengekoppelten Transistorstufe ein steuerbarer Widerstand parallel geschaltet, über den in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers die Gegenkopplung gesteuert wird.

Weiterhin ist dem Transistor der Transistorstufe ein zweiter Transistor entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps derart vorgeschaltet, daß sich die temperaturabhängigen Schwankungen der Basisemitterspannung beider Transistoren gegenseitig ausgleichen. Als steuerbarer Widerstand wird in einem praktischen Beispiel ein Feldeffekttransistor eingesetzt, dessen Source Drain-Strecke parallel zum Ohmschen Widerstand geschaltet ist und dessen Gate-Anschluß mit dem Differenzverstärker verbunden ist. Dem Ausgang des Differenzverstärkers ist ein Gleichrichter solcher Polung parallel geschaltet, daß etwaige Ausgangsspannungskomponenten einer den Feldeffekttransistor zerstörenden Polarität von diesem ferngehalten werden. Dadurch wird ein sicherer Schutz des Feldeffekttransistors gewährleistet. Ein weiterhin mit dem Gate-Anschluß verbundener und gegen Masse geschalteter Kondensator unterbindet Störungen durch höherfrequente Wechselspannungs- oder Rauschanteile, die ebenfalls am Ausgang des Differenzverstärkers unerwünschterweise auftreten können.

Weiterhin ist aus der DE-PS 28 13 720 eine Schaltungsanordnung zur Einstellung des Verstärkungsgrades bei einem Verstärker bekannt, in dessen Rückkopplungskreis einzelne Widerstände wirksam bzw. unwirksam schaltbar sind, wobei der Eingangskreis des Verstärkers durch zusätzliche Widerstandszweige erweitert ist, deren Widerstände im Verhältnis zu den im Rückkopplungskreis des Verstärkers liegenden Widerständen so bemessen und in Abstimmung mit dem Schalten dieser Widerstände derart wirksam bzw. unwirksam schaltbar sind, daß sich der Verstärkungsgrad des Verstärkers stufenweise um einen stets gleichbleibenden vorgegebenen Faktor ändert. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß zum Einstellen von 16 unterschiedlichen Verstärkungsgraden mit einem 4 Bit-Steuersignal den ansteigenden Stellenwertigkeiten entsprechend schaltbare Kontaktmittel ansteuerbar sind.

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker eingangs genannter Art so auszubilden, daß die Verstärkung durch Umschalten der Stromgegenkopplung stufenweise veränderbar ist und gleichzeitig auch eine Regelung mit Hilfe einer Regelspannung zur automatischen Verstärkungsregelung möglich ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene technische Lehre, wonach der einstellbare Widerstand im Stromgegenkopplungszweig stufenweise durch Anlegen umschaltbarer Gleichspannungen auf verschiedene Widerstandswerte einstellbar ist und der angelegten fest eingestellten Spannung eine gleichgerichtete aus dem Ausgangssignal des Verstärkers abgeleitete Regelspannung wahlweise aufschaltbar ist. Die Regelspannungsinformation wird dabei der Einstellspannung für die Bestimmung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers hinzuaddiert bzw. überlagert und verändert den Widerstand proportional der anliegenden Regelspannung, so daß innerhalb der benachbarten Verstärkungsstufen eine Ausregelung möglich ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verstärkers ist im Anspruch 2 angegeben. Danach wird als steuerbarer Widerstand ein Feldeffekttransistor verwendet. Der Einsatz eines Feldeffekttransistors als steuerbarer Widerstand ist z.B. aus dem Fachbuch "Tietze/Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik", 3. Auflage 1974, Seite 135 ff., bekannt. Feldeffektransistoren verhalten sich wie Ohmsche Widerstände, solange ihre Drain Source-Spannung unter der Kniespannung liegt. Der Drain Source-Widerstand ist bei kleinen Drain- Source-Spannungen weitgehend unabhängig und verhält sich wie ein Ohmscher Widerstand. Sein Wert hängt stark von der angelegten Gate Source-Spannung ab und läßt sich je nach Typ zwischen wenigen Ohm und mehreren Gigaohm variieren. Diesen Umstand macht sich auch die Erfindung zunutze, indem zu dem Ohmschen Widerstand im Stromgegenkopplungszweig ein Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand parallel geschaltet wird, dessen Gate-Spannung stufenweise verändert wird und zwischen den Stufen nochmals durch eine anlegbare Regelspannung (AGC-Spannung) veränderbar ist. Dies hat besondere Vorteile, wenn der Verstärker in Schaltungen eingesetzt werden soll, bei denen zum einen in Abhängigkeit des zu verstärkenden Signals die Verstärkung stufenweise infolge unterschiedlicher Hübe, z.B. bei der FM-Übertragung, veränderbar sein soll, und andererseits bei bestimmten Signalen zur Einhaltung eines konstanten Ausgangspegels eine automatische Regelung der unterschiedlichen Typen des Empfangssignals erfolgen muß. Dies wird anhand der Figur näher beschrieben.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Feldeffekttransistor mit einer Drain Gate- Gegenkopplungsschaltung versehen wird, mittels der ein Teil der Drain Source-Spannung zur Gate-Spannung addiert wird, wodurch die Kennlinie bei größerer Aussteuerung über einen weiteren Bereich linearisiert wird. Diese Art der Beschaltung ist ebenfalls in der vorzitierten Literaturstelle "Tietze/Schenk", Seite 137, beschrieben.

Um den Arbeitspunkt unabhängig von der Verstärkung festzulegen, ist in weiterer Ausgestaltung nach Anspruch 4 vorgesehen, daß in Reihe mit dem einstellbaren Widerstand ein Kondensator geschaltet ist, um bei großem Regelbereich den DC-Pegel zu beschränken.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Spannungsteilerstufe mit wirksam und unwirksam schaltbaren Widerständen in dem Stromversorgungspfad des Feldeffekttransistors angeordnet ist, wobei die Zuschaltung oder Abschaltung der einzelnen Widerstände in der Weise erfolgt, daß die Verstärkung des Verstärkers in gewünschter Weise bewerkstelligt wird. Es kann aber auch ein Stufen- Widerstandsschalter bekannter Bauart eingesetzt werden. Als Spannungsquelle kann eine solche vorgesehen sein, die an der Spannungsteilerstufe über einen Emitterfolger anliegt, dessen Stromregelung durch die anschaltbare AGC-Spannung, z.B. von einer aus dem D2-MAC-Decoder abgegriffenen Regelspannung, gesteuert wird, welcher Transistor bzw. die anliegende Spannung an der Basis so geschaltet ist, daß beim Abschalten der AGC-Regelspannung der Transistor voll leitend ist.

Selbstverständlich können die Widerstände und Schalter so angeordnet sein, daß eine binär gestaffelte Ansteuerung der Spannungsteilerstufe möglich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Abbildung dargestellten Stromlaufplans näher erläutert, wobei davon ausgegangen wird, daß der hier dargestellte Verstärker in einer Empfangseinrichtung für verschiedene Satellitennormen zur Verstärkung der Zwischenfrequenz eingesetzt wird. Es ist bekannt, daß bei der Übertragung von Fernsehsignalen über einen Satelliten die Signale der verschiedenen Satellitennormen in unterschiedlichen Hüben übertragen und empfangen werden, die im einzelnen festgelegt sind, so daß durch Umschalten der Verstärkung des Verstärkers diesem Umstand Rechnung getragen werden kann. Z.B. weisen die vom ECS-Satelliten abgestrahlten Signale unterschiedliche Hübe auf, die am Demodulatorausgang unterschiedliche Videoausgangspegel bedingen. Diese müssen, um in einem Fernsehgerät verarbeitet werden zu können, möglichst eine konstante Amplitude besitzen. Da für jeden empfangenen Kanal die Verstärkung unterschiedlich sein kann und in Stufen voneinander abweicht, wird die Umschaltung der Verstärkerstufe auf die entsprechende Verstärkung durch stufenweise Veränderung des Stromgegenkopplungswiderstandes so vorgenommen, daß die Videoausgangspegel nahezu konstant sind. Bei Empfang von D2-MAC-Signalen ist es erforderlich, daß für die Signalselektion und Signalverarbeitung konstante Videoausgangspegel bei gleichzeitiger Berücksichtigung der abweichenden Hübe von den übrigen empfangenen Kanälen sichergestellt sind. Hier sieht nun die Erfindung vor, daß zusätzlich zu der Schaltfunktion, die die Verstärkung vorgibt, eine automatische Regelung über ein und denselben Zweig ermöglicht wird, indem z.B. die aus dem D2-MAC-Decoder gewonnene Regelspannung zur automatischen Nachsteuerung der Schaltspannung hinzuaddiert wird.

Der Verstärker besteht im einzelnen aus einem Transistor 3, dessen Basis über einen Entkoppelkondensator 2 mit der Eingangsklemme 1 verbunden ist, über die das zu verstärkende Eingangssignal UE eingespeist wird. Der Kollektor des Verstärkungstransistors 3 ist mit der Basis eines nachgeschalteten weiteren in Emitterschaltung angeordneten Transistors 4 verbunden, dessen Strom durch den Transistor 3 gesteuert wird. Die beiden Transistoren 3 und 4 arbeiten zwar beide in Emitterschaltung, sind aber durch die starke Gegenkopplung durch die Widerstände 5 und 6 im Stromgegenkopplungszweig extrem linear.

Dem Transistor 3 ist ein das Basispotential definierender an der Betriebsspannungsquelle UB angeschlossener Spannungsteiler mit den Widerständen 7 und 8 zugeordnet. Der Emitter des zweiten Transistors 4 ist über einen Widerstand 9 ebenfalls an der Betriebsspannungsquelle +UB angeschlossen. Der Kollektorwiderstand 10 des Transistors 3 verbindet die Betriebsspannungsquelle mit dem Kollektor desselben und ist zugleich an der Basis des Transistors 4 angeschlossen. Der aus dem npn-dotierten Transistor 3 und dem pnp-dotierten Transistor 4 gebildete zweistufige Verstärker ist somit über die Widerstände 5 und 6 gegengekoppelt. Wegen der niedrigen Spannung am Widerstand 10 lassen sich mit dem Transistor 3 nur Verstärkungen in der Größenordnung von 10 erreichen. Die Schaltung eignet sich zwar nicht für höhere Spannungsverstärkungen, sie hat aber bekanntlich den Vorteil, daß sie extrem linear ist, einen hochohmigen Eingang und einen niederohmigen Ausgang aufweist, der für bestimmte Einsatzfälle ausschlaggebend ist. Die Widerstände 5 und 6 bestimmen den Verstärkungsgrad des Verstärkers. Eine derartige Verstärkerstufe ist grundsätzlich bekannt.

Parallel zu dem Ohmschen Widerstand 6 im Stromgegenkopplungszweig ist ein Feldeffekttransistor 11 geschaltet, dessen Drain-Anschluß mit dem Emitter des Transistors 3 und dessen Source-Anschluß mit einem Elektrolytkondensator 12 verbunden ist, der auf Masse liegt. Der zwischen Drain und Gate geschaltete Gegenkopplungswiderstand 13 bewirkt eine Linearisierung des Ausgangskennlinienfeldes des so gebildeten steuerbaren Widerstandes. Mit dem Gate des Feldeffekttransistors ist eine Spannungsteilerstufe 13 verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem ersten Widerstand 14 und einem gegen Masse schaltbaren Widerstand 15 besteht, mit dem in Reihe ein Schalter 16 angeordnet ist. Der so bildbare Spannungsteiler ist mit einem zweiten Spannungsteiler verbunden, dessen Widerstand 17 an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 14 und 15 einerseits verbunden ist und andererseits an dem Widerstand 18 angeschlossen ist, der über den Schalter 19 gegen Masse schaltbar ist. Ein dritter Spannungsteiler, der in Serie angeordnet ist, besteht aus einem Längswiderstand 20, der mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 17 und 18 einerseits verbunden und andererseits mit einem gegen Masse schaltbaren Widerstand 21 verbunden ist, mit dem ebenfalls in Reihe ein Schalter 22 angeordnet ist. Weiterhin ist ein Kondensator 23 an der Verbindungsleitung zwischen den Widerständen 14 und 15 angeschaltet und auf Massepotential gelegt. Dieser Kondensator unterbindet Störungen durch höherfrequente Wechselspannungs- oder Rauschanteile, die u.U. in dem Gleichspannungsweg auftreten können.

Der letzte Spannungsteiler, bestehend aus dem Widerstand 20 und dem Anschaltwiderstand 21, ist mit dem Emitter eines npn- dotierten Transistors 23 verbunden, der zur Stromverstärkung vorgesehen ist. Der Arbeitspunkt des Transistors ist über den Basisspannungsteiler aus den Widerständen 24 und 25 eingestellt, wobei der Widerstand 25 an die Spannungsquelle UB 2 angeschlossen ist, die zugleich am Kollektor des Transistors 23 liegt, und der Widerstand 25 zwischen Basis und Masse angeordnet ist. Weiterhin ist zur Festlegung des Kollektorstroms in Reihe mit dem Emitter ein Widerstand 26 gegen Masse geschaltet. An der Basis des Transistors 23 liegt die aus dem von dem Ausgang des Verstärkers am Kollektor des Transistors 4 abgegriffene Ausgangsspannung UA abgeleitete Regelspannung (AGC) an, die den bei Wegfall der Spannung leitendgesteuerten Transistor 23 derart steuert, innerhalb eines vorgegebenen Bereiches der Transistor mehr oder minder hochohmiger wird und somit die an seinem Emitter über den Widerstand 26 abgreifbare Spannung in Abhängigkeit von der anliegenden Regelspannung AGC sich ändert. Gleichsam ändert sich auch die Spannung am Gate des Feldeffekttransistors, so daß dieser seinen Ohmschen Widerstand ändert. Um die Verstärkung des Transistors 3 stufenweise zu verändern, können die einzelnen Schalter 16, 19, 22 wahlweise geschaltet werden. Dadurch wird die am Emitter des Transistors 23 abgreifbare Spannung nochmals geteilt, so daß eine mehr oder minder niedrige Gate-Steuerspannung an dem Gate des Feldeffekttransistors anliegt, die abhängig von der AGC- Spannung in den Stufen variiert.

Der Feldeffekttransistor 11 arbeitet nur als variabler Widerstand in der Nähe des Nullpunktes. Wenn der in der Schaltung vorgesehene Kondensator 12 nicht vorhanden ist, so liegt über den Feldeffekttransistor der Spannungsabfall des Ohmschen Widerstandes 6 und der Feldeffekttransistor wird nicht mehr in der Nähe des Nullpunktes betrieben. Um dies zu verhindern, ist der Kondensator 12 der Schaltung vorgesehen.

Die Regelspannung AGC, die in dem beschriebenen Fall nur bei Empfang des D2-MAC-Signals gewonnen wird, ist eine Funktion, die der D2-MAC-Demodulation im Fernsehgerät entnommen wird. Insbesondere bei Einsatz in einer Satellitenempfangseinrichtung für D2-MAC ist es erforderlich, daß zur Digitalisierung des D2-MAC-Signals eine konstante Amplitude gewährleistet ist, um nicht durch zu große oder zu kleine Signale eine Begrenzung des Signals bzw. eines Verlustes der Information in Kauf nehmen zu müssen. Die Schaltung bietet aber zugleich den Vorteil, daß die AGC auch abgeschaltet werden kann, so daß nur noch die konstanten stufenweise veränderbaren Verstärkungen zum Tragen kommen, wie sie z.B. für den Empfang von Signalen von verschiedenen Satellitennormen nach PAL oder SECAM abgestrahlter Signale erforderlich ist. Somit kann durch entsprechende Vorgaben die Schaltung den unterschiedlichen Hüben sequentiell angepaßt werden. Zugleich ist es aber auch möglich, dann, wenn dies erforderlich ist, zusätzlich eine Regelungsgröße einzubringen, um innerhalb eines Bereiches eine optimale Regelung zu gewährleisten, um das verstärkte Signal auf einer konstanten Amplitude zu halten.

Claims (6)

1. Verstärker mit einer stromgegengekoppelten Transistorstufe, deren Verstärkung einstellbar ist und deren Stromgegenkopplungswiderstand aus einem Ohmschen Widerstand und einem hierzu parallel geschalteten steuerbaren Widerstand besteht, dessen Widerstandswert durch Anlegen von Spannungen veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Widerstand stufenweise durch Anlegen umschaltbarer Gleichspannungen auf verschiedene Widerstandswerte einstellbar ist und daß der angelegten fest eingestellten Spannung eine gleichgerichtete aus dem Ausgangssignal des Verstärkers abgeleitete Regelspannung wahlweise aufschaltbar ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkerstufe mit einem in Emitterschaltung angeordneten Transistor vorgesehen ist, an dessen Basis das zu verstärkende Signal anliegt und dessen Emitter mit dem Gegenkopplungswiderstand verbunden ist, und daß der einstellbare Widerstand aus einem Feldeffekt-Transistor besteht, dessen Widerstandswert durch Anlegen der stufenweise veränderbaren Spannungen an der Steuerelektrode (Gate) veränderbar ist, wobei die Spannung durch eine Spannungsteilerstufe mit mehreren wirksam und unwirksam schaltbaren Widerständen stufenweise veränderbar ist, und daß eine Additionsschaltung vorgesehen ist, über die die Spannung für die automatische Regelung an einem solchen Punkt der Spannungsteilerstufe einkoppelbar ist, daß sich die voreingestellte Spannung um den Wert der Regelspannung verändert.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekt-Transistor eine Drain-Gate- Gegenkopplungsschaltung aufweist.

4. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem einstellbaren Widerstand ein Kondensator geschaltet ist.

5. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Addition der Regelspannung ein Emitterfolger mit der Spannungsteilerstufe verbunden ist.

6. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilerstufe aus parallel hinzuschaltbaren Spannungsteilern besteht, die annähernd binär gestaffelt sind.