DE3933805A1 - Hochfrequenz-verstaerkerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Verstärkerschal­ tung mit extrem geringen Verzerrungen.

Zur verzerrungsarmen Verstärkung von Hochfrequenzsignalen werden stark gegengekoppelte Operationsverstärker benutzt, bei denen vorhandene Nichtlinearitäten entsprechend der Schleifenverstärkung reduziert werden. Die Schleifenver­ stärkung sinkt jedoch mit steigender Signalfrequenz in­ folge der Notwendigkeit, die Phasendrehung der Schleife kleiner als 360° zu halten, solange die Schleifenverstär­ kung nicht kleiner als 1 ist. Die Schwierigkeiten, Nicht­ linearitätseffekte bei solchen Verstärkern gering zu halten, steigen damit mit der Signalfrequenz. Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, nur einen kleinen Teil der Verstärkerkennlinie auszusteuern; dies führt jedoch zu erhöhtem Betriebsleistungsverbrauch und zu Wärmeprob­ lemen, auch ist hierbei meist keine Optimierung bezüglich Rauschen erreichbar. Zur Lösung dieses Problems einge­ setzte Gegentaktschaltungen führen oft zu eigenen Prob­ lemen und vermindern nur symmetrische Verzerrungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine im Aufbau ein­ fache Hochfrequenz-Verstärkerschaltung zu schaffen, die bei geringstem Leistungsverbrauch geringe Verzerrungen und geringes Rauschen besitzt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Verstärkerschaltung mit einem üblichen gegengekoppelten Operationsverstärker durch eine Anordnung nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen hierzu ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erste erfindungsgemäße Maßnahme nach Anspruch 1 wird der vom gegengekoppelten Operationsverstärker an die Last zu liefernde Laststrom von einem zusätzlichen Hilfsverstärker geliefert, der Operationsverstärker selbst braucht also an die Last keinen Strom liefern. Der Opera­ tionsverstärker kann also mit minimalsten Eingangsspan­ nungsänderungen maximale Ausgangsspannungsänderungen erzeugen und damit können die durch Nichtlinearitäten im Operationsverstärker entstehenden Verzerrungen sehr klein gehalten werden, der Operationsverstärker arbeitet also extrem verzerrungsarm. Diese erfindungsgemäße Maß­ nahme ist insbesondere für solche Verstärkerschaltungen von Vorteil, die infolge niedrigen Lastwiderstandes von beispielsweise nur 50 Ohm einen erheblichen Ausgangsstrom liefern müssen. Im Hilfsverstärker entstehen zwar größere Verzerrungen, die jedoch durch den zusätzlichen Wider­ stand, der mit der Ausgangsimpedanz des stark gegenge­ koppelten Operationsverstärkers einen Spannungsteiler bildet, nur einen geringen Einfluß an der Last haben. Mit dieser erfindungsgemäßen Stromkompensationsmaßnahme können verglichen mit üblichen Operationsverstärkerschal­ tungen Verzerrungsverbesserungen von etwa 10 dB erreicht werden.

Mit der zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe vorge­ schlagenen Hochfrequenz-Verstärkerschaltung nach Anspruch 2 können Verzerrungen, die in dem gegengekoppelten Ope­ rationsverstärker entstehen, ebenfalls weitgehendst kom­ pensiert werden.

Obwohl jede der Kompensationsmaßnahmen nach Anspruch 1 oder 2 für sich bereits eine erhebliche Verringerung der Verzerrungen und des Rauschens ermöglicht, hat es sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen, diese beiden Maßnahmen kombiniert anzuwenden. Da der Hilfsverstärker nach der ersten Kom­ pensationsmaßnahme selbst nicht verzerrungsfrei ist, kann durch diese Maßnahme nur eine Verbesserung der Ver­ zerrung von etwa 10 dB erreicht werden. Wird gleichzeitig jedoch auch noch die zweite Kompensationsmaßnahme zur Feinkompensation angewendet, die für sich beispielsweise eine Verzerrungsverbesserung von 20 dB ermöglicht, so kann durch diese Kombination insgesamt eine Verbesserung der Verzerrung von etwa 30 dB erreicht werden. Die erfin­ dungsgemäße Kombination bringt den überraschenden Vorteil, daß der vorhandene Fehler durch Differenzbildung aus dem Eingangssignal und aus dem durch nahezu fehlerfreie Teilung vergleichbar gemachten Ausgangssignal ermittelt und gegenphasig zugeführt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Figur zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungs­ gemäßen Hochfrequenz-Verstärkerschaltung und zwar in kombinierter Anwendung der beiden alternativen Kompensa­ tionsmaßnahmen. Der Operationsverstärker V1 ist in be­ kannter Weise über die Widerstände R1 und R2 stark gegen­ gekoppelt und arbeitet als nichtinvertierender Verstärker mit hohem Eingangswiderstand und definiertem geringen Ausgangswiderstand. An seinem nichtinvertierenden Eingang E1+ liegt das zu verstärkende Hochfrequenz-Eingangssignal U_E an, sein Ausgang A1 ist - in dem gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel über einen Anpassungswiderstand R7, der jedoch nicht erforderlich ist - mit dem Lastwiderstand R_L verbunden. Der Operationsverstärker V1 muß am Eingang um so stärker ausgesteuert werden, je größer der von seinem Ausgang an die Last R_L zu liefernde Laststrom I_L ist. Zu diesem eigentlichen Laststrom I_L kommt noch ein innerer Laststromanteil I_i hinzu, der abhängig ist von der am Ausgang A1 des Operationsverstärkers V1 er­ zeugten Ausgangsspannung U1, der also auch bei Wegfall der äußeren Last vorhanden ist. Dieser zusätzliche innere Laststrom kann im Ersatzschaltbild durch eine am Ausgang des Operationsverstärkers V1 parallel zur Last geschaltete Zusatzlast dargestellt werden.

Die verstärkte Ausgangsspannung U1 des Operationsverstär­ kers V1 wird dem nichtinvertierenden Eingang E2+ eines Hilfs-Operationsverstärkers V2 zugeführt, der wiederum durch die Widerstände R9 und R10 in bekannter Weise als nichtinvertierender stark gegengekoppelter Verstärker ausgebildet ist. Die Ausgangsspannung U2 dieses Hilfsver­ stärkers V2 ist (R9+R10)/R10 mal so groß wie die Aus­ gangsspannung U1 des Operationsverstärkers V1. Über den Widerstand R11 wird ein Ausgangsstrom I₂ zum Ausgang A1 des Operationsverstärkers V1 und damit auch zur Last R_L geliefert. Dieser Kompensationsstrom I₂ der auch von einer durch U1 spannungsgesteuerten bipolaren Stromquelle bekannter Bauart geliefert werden könnte, wird durch entsprechende Bemessung des Verstärkungsfaktors v2 des Hilfsverstärkers V2 und des Widerstandes R11 so bemessen, daß der durch diesen Hilfsverstärker V2 an den Ausgang des Verstärkers V1 gelieferte Kompensationsstrom I₂ etwa gleich dem Gesamtstrom I_L+I_i ist, der vom Operationsver­ stärker V1 geliefert werden müßte, wenn der Widerstand R11 unendlich hoch wäre (I₂ = I_L+I_i). Hierfür gilt: I₂ = (U2-U1) /R11 und (U2-U1)/U1 = v₂-1. Der Verstär­ kungsfaktor v₂ wird vorzugsweise nur etwas größer als 1 gewählt, beispielsweise 1,1 bis 1,2. Der vom Opera­ tionsverstärker V1 zu liefernde Laststrom wird hauptsäch­ lich bestimmt durch den Lastwiderstand R_L (und falls vorgesehen durch den zusätzlichen Anpassungswiderstand R7), aber auch durch die Widerstände R1 und R2 sowie andere mit dem Ausgang des Verstärkers zusammengeschaltete Widerstände (beispielsweise die Widerstände R3, R4, R5 und R6 der noch zu beschreibenden Kompensationsschaltung mit dem Differenzverstärker V3). Auch eine je nach Bauart des Verstärkers V1 gegebene ausgangsspannungsabhängige Aussteuerung kann durch eine laststromabhängige und somit durch einen zusätzlichen parallelgeschalteten Lastwider­ stand dargestellt und mit kompensiert werden. Dies macht die Erfindung auch bei hochohmiger echter Last vorteil­ haft.

Durch den Kompensationsstrom I₂ wird also die Aussteuerung des Operationsverstärkers V1 entlastet, der die Last R_l speisende Strom wird nämlich praktisch allein durch den Kompensationsstrom I₂ geliefert. Dadurch wird die signalbedingte eingangsseitige Differenzspannung des Operationsverstärkers V1 und der zugehörige Differenzstrom minimiert und so die durch Nichtlinearitäten entstehenden Verzerrungen innerhalb des Operationsverstärkers V1. Der Operationsverstärker V1 arbeitet also selbst nahezu verzerrungsfrei, nur der Hilfsverstärker V2, der ja stär­ ker ausgesteuert wird als der Operationsverstärker V1 ohne Hilfsverstärker V2 ausgesteuert würde, verzerrt. Diese Verzerrung durch den Hilfsverstärker V2 kann als eine an dessen Ausgang hinzugefügte Störspannung betrach­ tet werden, die jedoch an dem durch den Widerstand R11 und dem extrem niedrigen Ausgangswiderstand (nahezu Null) des Operationsverstärkers V1 gebildeten Spannungsteiler stark reduziert wird. Auch Rauschen, das im Hilfsverstär­ ker V2 entsteht, wird hierdurch stark unterdrückt.

Über den zusätzlichen Differenzverstärker V3 wird die zweite erfindungsgemäße Kompensationsmaßnahme durchge­ führt, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Kombi­ nation mit der Kompensationsmaßnahme mittels des Hilfsver­ stärkers V2 dargestellt ist, die jedoch unter bestimmten Voraussetzungen auch allein angewendet werden kann. Die Ausgangsspannung U1 des Operationsverstärkers V1 wird einem Spannungsteiler R3/R4 zugeführt, das Teilungsver­ hältnis dieses Spannungsteilers ist so gewählt, daß dem invertierenden Eingang E3- des Differenzverstärkers V3 eine um den Verstärkungsfaktor V_i geteilte Ausgangsspan­ nung U1 zugeführt wird. Dem nichtinvertierenden Eingang E3+ des Differenzverstärkers V3 wird das Eingangssignal U_E zugeführt. Der Ausgang A3 des Differenzverstärkers V3 ist über einen Widerstand R5 mit der Last RL verbunden. Die beiden Widerstände R5 und R7 bilden eine Spannungs­ summierschaltung, durch welche die Ausgangsspannung U1 mit der Ausgangsspannung U3 am Lastwiderstand RL zusam­ mengeführt sind. Anstelle der Summierwiderstände R5, R7 könnte auch eine andere bekannte Spannungssummier­ schaltung, beispielsweise eine Brückenschaltung, verwendet werden die bei bekanntem Lastwiderstand so bemessen wird, daß die beiden Verstärker V1 und V2 Leistung an den Last­ widerstand liefern, ohne sich jedoch gegenseitig zu be­ einflussen.

Sind die beiden Eingangssignale an den Eingängen E3+ und E3- gleich groß, so wird der Differenzverstärker V3 nicht ausgesteuert. Besteht zwischen diesen Eingangs­ signalen jedoch eine Differenz, so wird diese durch den Differenzverstärker V3 verstärkt und invertiert über den Widerstand R5 der Last RL zugeführt. Die Verstärkung des Differenzverstärkers V3 wird mittels des Widerstandes R8 so bemessen, daß eine am Ausgang des Operationsver­ stärkers V1 auftretende Störspannung (beispielsweise ein Verzerrungsprodukt oder Rauschen) durch die am Ausgang des Differenzverstärkers V3 entstehende Gegenspannung an der Last RL kompensiert, also unterdrückt wird (R8 ≧ R3×R5/R7). Damit bestimmt der am geringsten be­ lastete Differenzverstärker V3 fast allein das Rauschen der Gesamtschaltung. Damit der Differenzverstärker V3 nur durch die Differenz der Eingangssignale, nicht jedoch auch durch das Eingangssignal selbst von seinem Ausgang her angesteuert wird, wird der Widerstand R6 so gemessen, daß durch den Spannungsteiler R5/R6 die Ausgangsspannung auf die Größe der Eingangsspannung reduziert wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist durch eine zusätzliche Steuereinrichtung, im gezeigten Ausführungs­ beispiel durch den Transformator T, dafür gesorgt, daß auch den Betriebsspannungen U- und U+ für den Operations­ verstärker V1 und/oder für den Differenzverstärker V3 ein dem Eingangssignal entsprechender Wechselspannungs­ anteil überlagert wird, also den Verstärkern an denen das Eingangssignal direkt anliegt. Dieser dem Eingangs­ signal U_E entsprechende Wechselspannunganteil wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Bruchteil der Aus­ gangsspannung U2 des Hilfsverstärkers V2 über die Primär­ wicklung des Transformators T gewonnen, die über die Parallelschaltung eines Kondensators C und eines Dämp­ fungswiderstandes R12 mit dem Ausgang A2 des Hilfsver­ stärkers V2 verbunden ist. Bei anderem Übersetzungsver­ hältnis des Transformators T könnte dazu jedoch auch U1, die Ausgangsspannung des Verstärkers V1, verwendet werden. Die Sekundärwicklungen des Transformators T liegen in den Betriebsspannungszuleitungen für die Verstärker V1 und V3 und die Betriebsgleichspannungen dieser Ver­ stärker sind daher mit dem Eingangssignal moduliert. Dadurch werden nicht nur Verzerrungen durch Aussteuerungen mit den Gleichtaktsignalen (spannungsabhängige Strom­ quellen im Verstärker), sondern auch Verzerrungen vermie­ den, die durch Aussteuerung der signalspannungsabhängigen (parasitären) Eingangskapazitäten der Verstärker entste­ hen. Anstelle des Transformators T könnte die Modulation der Betriebsspannungen beispielsweise auch durch eine schnelle Regelschaltung erfolgen, wobei die Stellgröße beispielsweise aus der Ausgangsspannung des Operations­ verstärkers V1 bzw. des Hilfsverstärkers V2 durch einen entsprechenden Spannungsteiler auf die Eingangssignal­ amplitude gebracht wird. Bei einer massefreien Spannungs­ versorgung der Verstärker könnte deren Bezugspunkt bei­ spielsweise auch über einen Verstärker so geregelt sein, daß er annähernd dem Eingangssignal folgt.

Claims (5)

1. Hochfrequenz-Verstärkerschaltung mit einem gegenge­ koppelten Operationsverstärker (V1), dessen Ausgang (A1) mit einer Last (R_L) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (A1) des Operationsverstärkers (V1) mit dem Eingang (E2+) eines Hilfsverstärkers (V2) verbunden ist, dessen Ausgang (A2) über einen Widerstand (R11) ebenfalls mit dem Ausgang (A1) des Operationsverstärkers (V1) verbunden ist, wobei die Größe des Widerstandes (R11) und der Verstärkungsfaktor (v2) des Hilfsverstärkers (V2) so bemessen sind, daß der durch diesen Hilfsver­ stärker (V2) dem Operationsverstärker (V1) zugeführte Strom (I₂) etwa gleich dem Strom (I_L+I_i) ist, der vom Operationsverstärker (V1) insgesamt geliefert werden müßte, wenn der Widerstand (R11) unendlich hoch wäre.

2. Hochfrequenz-Verstärkerschaltung mit einem gegenge­ koppelten Operationsverstärker (V1), dessen Ausgang (A1) mit einer Last (R_L) verbunden ist, insbesondere in Kombination mit einer Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Differenzverstärker (V3), dessen einem Eingang (E3+) die zu verstärkende Eingangsspannung (U_E) und dessen anderem Eingang (E3-) die durch den Verstär­ kungsfaktor (v₁) geteilte Ausgangsspannung (U1) des Operationsverstärkers (V1) zugeführt ist und dessen Ausgangsspannung (U3) über eine Summierschaltung (R5, R7) mit der Ausgangsspannung (U1) des Operations­ verstärkers (V1) im störspannungskompensierenden Sinne zusammengeführt ist.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (A1, A3) des Operations- und Differenzverstärkers über Serienwiderstände (R5, R7) mit der Last (R_L) verbunden sind und der Verstärkungsfaktor (v3) des Differenzver­ stärkers (V3) und die Serienwiderstände (R5,R7) so bemessen sind, daß eine am Ausgang des Operationsver­ stärkers (V1) auftretende Störspannung durch die am Ausgang des Differenzverstärkers (V3) entstehende entsprechende Kompensationsspannung (U3) an der Last (R_L) kompensiert wird.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspan­ nungen (U+, U-) des Operationsverstärkers (V1) und/oder des Differenzverstärkers (V3) durch eine Steuerschal­ tung (T) entsprechend den Wechselspannungsänderungen des Eingangssignales (U_E) geändert werden.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (U2) des Hilfs-Operationsverstärkers (V2) oder die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (V1) der Primärwicklung eines Transformators (T) zugeführt ist, dessen Sekundärwicklungen in den Betriebsgleich­ spannungs-Zuleitungen zu den Verstärkern (V1, V3) liegen.