DE4226806A1 - Linearisierungsverfahren für eine HF-Verstärkerendstufe - Google Patents

Description

Linearisierungsverfahren für eine HF-Verstärkerendstufe und eine HF-Verstärkerendstufe zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Zusätzlich zu den kennlinienbedingten Verzerrungen einer Verstärkerendstufe treten in einer transistorisierten End­ stufe thermisch bedingte Nichtlinearitäten auf, die auf schwankende Erwärmungen der Transistorsperrschichten zu rückzuführen sind. Diese thermischen Nichtlinearitäten können dem erfolgreichen Einsatz von Transistoren in HF-Verstärkerendstufen in den Anwendungsfällen entgegen­ stehen, in denen die Stufen wegen des damit erzielbaren guten Wirkungsgrades für den Gegendtakt-AB-Betrieb aus­ geführt sind. Dies ist beispielsweise bei der Übertra­ gung von Fernsehsignalen der Fall. Der sich ändernde Gleichanteil des Fernsehsignales, mit dem die Hellig­ keit des Bildes gesteuert wird, führt zu einer schwan­ kenden Stromaufnahme des Verstärkers, welche die voran­ stehend erwähnten Temperaturänderungen in den Transistor­ sperrschichten zur Folge hat. Dadurch tritt eine Quali­ tätsverschlechterung in der Fernsehübertragung auf, was z. B. die S/W-Abhängigkeit, die Synchronimpulslänge oder andere Qualitätsdaten betrifft.

In dem Patent US-1686792 ist ein Korrekturverfahren für HF-Verstärker beschrieben, das eine Unterdrückung von Intermodulationsprodukten bewirkt, die bei Vollaussteue­ rung des Signales in den Verstärkern erzeugt werden. In diesem bekannten Verfahren werden in einem Balancierungs­ glied die Intermodulationsprodukte aus dem verzerrten Ver­ stärkerausgangssignal separiert, indem eine geeignete Über­ lagerung des Verstärkerausgangssignales mit dem unverzerr­ ten Eingangssignal erfolgt. Die separierten Signalanteile (Intermodulationsprodukte) werden nach einer angepaßten Verstärkung in einem zusätzlichen Korrekturverstärker und nach einer 180-Grad-Phasenverschiebung in einem ausgangs­ seitigen Balancierungsglied mit einem parallel am Ausgang des verzerrenden Verstärkers abgegriffenen Ausgangssignal gegeneinander ausbalanciert, so daß sich die Intermodula­ tionsprodukte des Ausgangssignales mit den separierten In­ termodulationsprodukten gegenseitig kompensieren. Am Aus­ gang des letztgenannten Balancierungsgliedes liegt das un­ verzerrt verstärkte Eingangssignal der Endstufe an. Einer Anwendung dieses bekannten Verfahrens als Linearisierungs­ verfahren für VHF- und UHF-Endstufen steht die geringe Bandbreite des bekannten Verfahrens entgegen, die durch die Verstärkungsfrequenzgänge der Verstärker bedingt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein breitbandiges Linearisierungsverfahren für eine Gegentakt-AB-Verstärker­ endstufe und eine zur Durchführung des Verfahrens geeigne­ te Verstärkerendstufe zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den An­ sprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbil­ dungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in vorteilhafter Weise die Linearität, der Verstärkungsfrequenzgang und das Wärmeverhalten einer erfindungsgemäßen Gegentakt-AB-Ver­ stärkerendstufe auf die diesbezüglich positiven Eigenschaf­ ten eines Linearverstärkers zurückgeführt. Die Erfindung hat den Vorteil, daß dabei der bekannt gute Wirkungsgrad einer Gegentakt-AB-Verstärkerstufe nahezu erhalten bleibt. Die Breitbandigkeit der Linearisierung wird in vorteilhaf­ ter Weise nur durch die erfindungsgemäß eingesetzten Richt­ koppler und nicht von Verstärkungsfrequenzgängen begrenzt. Bei Anwendung der Erfindung in einem Sender, kann eine ZF-Linearitätsvorentzerrung eingespart werden. In den Un­ teransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung aufgezeigt, welche einen kompakten Aufbau der Er­ findung ermöglichen und Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in mehrstufigen und parallelen Verstärkerstu­ fen betreffen.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Er­ findung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild eine Gegentakt-AB-Ver­ stärkerendstufe zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Linearisierungsverfahrens,

Fig. 2 zeigt in Abwandlung zu Fig. 1 eine HF-Verstär­ kerendstufe mit parallel geschalteten Verstär­ kermodulen und

Fig. 3 zeigt eine zweistufige Verstärkerendstufe zur Durchführung der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Gegentakt-AB-Verstärkerendstufe besteht aus einem Gegentakt-AB-Verstärker 1, einem Line­ arverstärker 2, einem eingangsseitigen Richtkoppler 4, einem Koppler 5, Anpaßnetzwerken 7 für die Verstärker 1 und 2 und aus einer ausgangsseitigen Korrekturschleife, die einen Pegelverstärker 3, ein Verzögerungsglied 8, einen Phasenschieber 9 und einen Richtkoppler 6 aufweist. Die Richtkoppler 4 und 6 sind entsprechend ihrer Schal­ tungsfunktion in bekannter Weise mit Abschlußwiderständen 10 bestückt. Die Anordnung hat einen Endstufeneingang 17 und einen Endstufenausgang 18.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Richtkoppler 4 als ein planarer Streifenleiterkoppler und der Koppler 5 als ein "branch line"-Koppler ausgeführt. Der eingesetzte "branch line"-Koppler bildet aus zwei Eingangssignalen ein Differenz- und ein Summensignal, wobei er intern das Diffe­ renzsignal in der Phase um 90 Grad gegenüber dem Summen­ signal verschiebt. Durch diese erfindungsgemäße Kombination eines planaren Streifenleiterkopplers mit einem "branch line"-Koppler läßt sich ein kompakter Aufbau der Endstufe erreichen. Die Verstärker 1 und 2 sind aus gleichen Tran­ sistortypen aufgebaut, weisen gleiche Verstärkungsfrequenz­ gänge und gleich aufgebaute Anpaßnetzwerke 7 an ihren Ein- und Ausgängen auf.

Das am Endstufeneingang 17 anstehende Signal mit dem Ein­ gangsspektrum 11, das beispielsweise als Zwei-Ton-Signal eingespeist ist, wird in dem Richtkoppler 4 leistungsmäßig auf die parallelgeschalteten Verstärker 1 und 2 aufgeteilt. Die Ausgangssignale dieser Verstärker 1 und 2 sind je auf einen Eingang des Kopplers 5 gegeben. Die am AB-Verstärker 1 auftretenden Verzerrungen des Zwei-Ton-Signales sind zu­ sammen mit diesem in dem Ausgangsspektrum 12 aufgezeigt. Das Ausgangsspektrum 13 zeigt das Ausgangssignal des Line­ arverstärkers 2 mit vernachlässigbaren Verzerrungsanteilen. Den Verstärkern 1 und 2 sind zur Anpassung an ein 50 Ohm- System die Anpaßnetzwerke 7 zugeschaltet.

Am Differenzausgang D des Kopplers 5 steht das Differenz­ signal der beiden in den Koppler 5 eingespeisten Verstär­ kerausgangssignale an. Dieses Differenzsignal entspricht bei geeigneter Wahl der Koppelfaktoren den in dem Gegen­ takt-AB-Verstärker 1 erzeugten Störanteilen. Das Diffe­ renzspektrum 14 der Fig. 1 zeigt diese Störanteile. In dem Differenzspektrum 14 ist ein kleiner Restwert der Feh­ leramplitude des Ausgangssignals des Gegentakt-AB-Verstär­ kers 1 - bezogen auf das Ausgangssignal des Linearverstär­ kers 2 - enthalten. Dieser Restwert resultiert aus der Pa­ rameterstreuung der Transistoren und der Anpaßnetzwerke 7. Außerdem sind in diesem Restwert die thermischen Nicht­ linearitäten des AB-Verstärkers 1 enthalten, die z. B. bei der Übertragung eines Videosignales durch die sich ändernde Bildhelligkeit als langsame Pegelschwankungen an dem Ver­ stärker 1 auftreten. Alle mit dem Differenzsignal erfaßten Störanteile können in der nachgeschalteten Korrekturschleife der Endstufe kompensiert werden.

Das am Summenausgang S anstehende Signal ist in Fig. 1 durch das Summenspektrum 15 dargestellt. Dieses Signal weist er­ findungsgemäß gegenüber dem Ausgangssignal des AB-Verstär­ kers (Ausgangsspektrum 12) eine erhöhte Nutzsignalamplitude bei gleichen Störamplituden auf. Dieses ist ein Merkmal der Erfindung, das ebenfalls zu einer Verbesserung der Übertra­ gungsqualität beiträgt.

In der dem "branch-line"-Koppler nachgeschalteten Korrektur­ schleife wird das Summensignal in dem Verzögerungsglied 8 einer Laufzeitanpassung unterworfen und anschließend erfolgt in dem Phasenschieber 9 ein Phasenfeinabgleich des Summen­ signales für die genaue Einstellung der 180-Grad-Phasenver­ schiebung gegenüber dem Differenzsignal.

Das Differenzsignal wird in der Korrekturschleife mit einem Pegelverstärker 3 so verstärkt, daß sich die nachfolgende Kompensation der Störanteile in dem Richtkoppler 6 am Aus­ gang der Korrekturschleife einstellt. Diese Verstärkung des Differenzsignales erfolgt bei kleinen Pegeln und kann daher auch bei Verwendung von nichtidealen Linearverstärkern näherungsweise als linear angenommen werden. Bei Anwendung des bekannten Korrekturverfahrens aus der US-1686792 müßte in der Korrekturschleife die zum Teil sehr viel größere Fehleramplitude des AB-Verstärkers 1 kompensiert werden, die auch den realen Verstärkungsfrequenzgang beinhaltet.

In dem Richtkoppler 6 werden das aufbereitete Differenz- und das Summensignal gegeneinandergekoppelt, so daß sich die im Summensignal enthaltenen Störanteile und das Dif­ ferenzsignal wegen der Amplitudengleichheit und inversen Phase kompensieren und am Endstufenausgang 18 ein unverzerr­ tes Verstärkersignal mit dem Ausgangsspektrum 16 ansteht.

Die Erfindung läßt sich auch in HF-Verstärkerendstufen rea­ lisieren, die in Abweichung zu dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel anstelle des "branch line"-Kopplers und des Streifenleiterkopplers mit anderen bekannten Kopplern ausgerüstet sind, die zu einer Ausgabe desselben Differenz- und Summensignales führen.

Fig. 2 zeigt eine Endstufe, die zum Zwecke der Leistungs­ steigerung aus zwei parallelen Verstärkermodulen aufgebaut ist, die in eine einzelne ausgangsseitige Korrekturschleife einspeisen. Jedes der Verstärkermodule besteht wiederum aus einer Parallelschaltung von zwei Gegentakt-AB-Verstärkern 1. Der den AB-Verstärkern 1 erfindungsgemäß parallelgeschal­ tete Linearverstärker 2 teilt in dem gezeigten Ausführungs­ beispiel seine Ausgangsleistung auf die beiden Module auf.

Jedes der Module enthält einen "branch line"-Koppler mit einem Summenausgang S und einem Differenzausgang D. Wie vorangehend zu Fig. 1 beschrieben, sind auch in der Schal­ tung gemäß Fig. 2 die "branch line"-Koppler durch Strei­ fenleiterkoppler oder durch andersartige Richtkoppler er­ setzbar.

Alle erforderlichen Leistungsaufteilungen und - Zusammenfüh­ rungen von Signalen werden zwischen und innerhalb der Ver­ stärkermodule mit 3 dB - Kopplern 19 vorgenommen. In der Korrekturschleife ist der Linearverstärker wegen der großen Leistung, die er liefern muß aus einer Parallel- und Hinter­ einanderschaltung mehrerer einzelner Linearverstärker aufge­ baut. Anstelle von Linearverstärkern kann auch ein einzelner AB-Verstärker als Leistungsstufe Verwendung finden, wenn ein damit verbundener kleiner Restfehler akzeptiert wird. Alle Anpaßnetzwerke 7 sind in Fig. 2 der besseren Übersicht wegen nicht eingezeichnet, aber gleichwohl an jedem Verstärker er­ forderlich.

Zur Erzielung von Verstärkerleistungen im KW-Bereich können mehrere nach dem vorangehend beschriebenen Prinzip ausgebil­ dete Endstufen wiederum parallelgeschaltet werden.

In der in Fig. 3 gezeigten zweistufigen Ausführung der HF-Verstärkerendstufe entspricht die Treiberstufe bis auf den ausgangsseitigen Richtkoppler der in Fig. 1 dargestell­ ten und vorangehend beschriebenen Endstufe. Das Differenz­ signal aus dem Koppler 5 wird in dem Richtkoppler 6 nicht nur zur Fehlerkompensation des Summensignales herangezogen, sondern zusätzlich auf einen Treiberstufenausgang 23 durch­ geschleift. Das entsprechend dem zu Fig. 1 beschriebenen Beispiel von seinen Störanteilen befreite Summensignal ge­ langt an einen anderen Ausgang des Richtkopplers 6, der als weiterer Treiberstufenausgang 22 dient. Das verzerrungsfreie Summensignal dieses Ausganges 22 ist auf einen Gegentakt-AB- Endstufenverstärker 20 gegeben. Das durchgeschleifte Diffe­ renzsignal am Ausgang 23 gelangt auf einen Endstufenline­ arverstärker 21 zur Pegelanpassung für die Entzerrung des Ausgangssignales des AB-Endstufenverstärkers 20. Diese Ent­ zerrung erfolgt in einem ausgangsseitigen Endstufenricht­ koppler 24 wiederum durch das phaseninverse Gegeneinander­ koppeln der Störanteile.

Die in Fig. 3 gezeigte zweistufige Endstufe kann in beiden Stufen aus mehreren parallel geschalteten Verstärkermodulen gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen.

Claims (7)

1. Linearisierungsverfahren für eine HF-Verstärkerend­ stufe mit einer Separierung von verstärkungsbedingten Störanteilen aus dem Ausgangssignal des verzerrenden Verstärkers der Endstufe, mit einer 180-Grad-Phasenver­ schiebung und einer Pegelanpassung dieser separierten Störanteile in bezug auf ein zweites, parallel zu diesem Separierungszweig direkt abgegriffenes Ausgangssignal des verzerrenden Verstärkers in einer Korrekturschleife der Endstufe, mit einer Zusammenfassung der aufbereiteten separierten Störanteile und des direkt abgegriffenen Ausgangssignales in einem Koppler am Ausgang der Korrek­ turschleife, wobei eine Kompensation der Störanteile in dem direkt abgegriffenen Ausgangssignal erfolgt und die­ ses somit unverzerrt am Ausgang des Kopplers als Endstu­ fenausgangssignal ansteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal der Endstufe auf einen Gegentakt-AB- Verstärker (1) und auf einen parallel zu diesem Gegen­ takt-AB-Verstärker (1) angeordneten Linearverstärker (2) aufgeteilt wird, daß der Gegentakt-AB-Verstärker (1) und der Linearverstärker (2) aus gleichen Transistortypen auf­ gebaut sind, daß beide Verstärker (1, 2) gleich aufgebaute Anpaßnetzwerke (7) aufweisen, daß sich der Verstärkungs­ frequenzgang beider Verstärker (1, 2) qualitativ gleich verhält, daß die Ausgangssignale der Verstärker (1, 2) auf einen Koppler (5) gegeben sind, der einen Differenz­ ausgang (D) und einen Summenausgang (S) aufweist, daß der Koppler (5) durch eine Gegeneinanderkopplung der beiden Verstärkerausgangssignale an seinem Differenzausgang (D) die im Gegentakt-AB-Verstärker (1) erzeugten Störanteile separiert und an seinem Summenausgang (S) die Summe der beiden Verstärkerausgangssignale erzeugt und daß das Dif­ ferenz- und Summensignal in die Korrekturschleife der HF- Verstärkerendstufe gegeben wird.

2. HF-Verstärkendstufe mit einem Verstärker dem ein Kopp­ ler nachgeschaltet ist, der Störanteile des verzerrten Verstärkerausgangssignales durch ein Gegeneinanderkoppeln von Signalen separiert, mit einem weiteren Direktabgriff des Verstärkerausgangssignales, mit einer Korrekturschlei­ fe in welche die separierten Störanteile und das direkt abgegriffene Verstärkerausgangssignal parallel eingespeist sind, mit einem 180-Grad-Phasenschieber und einem Pegel­ verstärker in dem Zweig der Korrekturschleife, der die Störanteile führt, mit einem weiteren Koppler am Ausgang der Korrekturschleife, der die phasenverschobenen und im Pegel angepaßten Störanteile mit dem Verstärkerausgangs­ signal gegeneinanderkoppelt und dessen Ausgang den End­ stufenausgang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der End­ stufeneingang (17) auf einen Richtkoppler (4) geschaltet ist, der als Leistungsteiler für das Eingangssignal ausge­ bildet ist, daß eines der Eingangssignalteile in einen Ge­ gentakt-AB-Verstärker (1) und das andere in einen Linearver­ stärker (2) eingespeist ist, daß die Ausgänge der Verstär­ ker (1, 2) auf einen Koppler (5) gegeben sind, daß der Koppler (5) die Verstärkersignale gegeneinanderkoppelt und das Ergebnis dieser Signalkopplung an einem Differenzaus­ ganges (D) ausgibt, daß neben dieser Gegeneinanderkopplung die eingegebenen Verstärkersignale von dem Koppler (5) zu­ sammengefaßt werden und an einem Summenausgang (S) in die Korrekturschleife eingespeist sind, wobei das Signal am Dif­ ferenzausganges (D) in den Zweig der Korrekturschleife mit dem Pegelverstärker (3) eingespeist ist und daß die paral­ lelgeschalteten Verstärker (1, 2) am Eingang der Endstufe gleiche Transistortypen, gleiche Verstärkungsfrequenzgänge und gleich aufgebaute Anpaßnetzwerke (7) aufweisen.

3. HF-Verstärkerendstufe nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der eingangsseitige Richtkoppler (4) als planarer Streifenleiterkoppler ausgebildet ist, daß der Koppler (5) ein "branch line"-Koppler mit einer integrier­ ten 90-Grad-Phasenverschiebung für das Differenzsignal ist und daß die nachgeschaltete Phasenverschiebung in der Kor­ rekturschleife 90 Grad beträgt.

4. HF-Verstärkerendstufe nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufe zum Zwecke der Leistungssteigerung aus mehreren parallelen Verstärkermo­ dulen aufgebaut ist, von denen mehrere zusammen in eine einzelne ausgangsseitige Korrekturschleife einspeisen, daß für die Leistungsaufteilung und -zusammenführung 3 db-Kopp­ ler (19) eingesetzt sind, daß jedes der parallelgeschalte­ ten Verstärkermodule mindestens aus einem Gegentakt-AB-Ver­ stärker (1) besteht, daß ein Linearverstärker (2) parallel zu den Gegentakt-AB-Verstärkern (1) wirkt, daß jedes Ver­ stärkermodul einen Koppler (5) mit einem Differenzausgang (D) und einen Summenausgang (S) aufweist, daß die über 3 db-Koppler (19) zusammengefaßten Signale dieser Koppler­ ausgänge in die Korrekturschleife eingespeist sind, deren Pegelverstärker (3) aus einer Parallel- und Hintereinander­ schaltung mehrerer Linearverstärker besteht.

5. HF-Verstärkerendstufe nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Pegelverstärker (3) in der Korrektur­ schleife aus mindestens einem Gegentakt-AB-Verstärker be­ steht.

6. HF-Verstärkerstufe nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearverstärker (2) über eine Aufspaltung seiner Ausgangsleistung mittels eines 3 dB-Kopplers (19) in mehreren parallel geschalteten Ver­ stärkermodulen wirkt.

7. HF-Verstärkerendstufe nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufe eine vorgeschaltete Treiberstufe aufweist, die aus dem eingangsseitigen Richt­ koppler (4), dem Gegentakt-AB-Verstärker (1), dem dazu pa­ rallelgeschalteten Linearverstärker (2), den Anpaßnetzwer­ ken (7) für die Verstärker (1, 2), dem Koppler (5) mit dem Differenzausgang (D) und dem Summenausgang (S), einer Kor­ rekturschleife mit der 180-Grad-Phasenverschiebung der Störsignale, dem Pegelverstärker (3) und dem ausgangssei­ tigen Richtkoppler (6) besteht, daß der Richtkoppler (6) das verstärkte entzerrte Signal am Treiberstufenausgang (22) ausgibt und an einem dazu parallelen zweiten Treiber­ stufenausgang (23) die 180-Grad-phasenverschobenen pegelan­ gepaßten Störanteile der Treiberstufe durchschaltet, daß das Signal vom Treiberstufenausgang (22) auf einen Gegen­ takt-AB-Endstufenverstärker (20) gegeben ist, daß das Signal vom Treiberstufenausgang (23) auf einen Endstufen­ linearverstärker (21) gegeben ist, daß diese beiden Ver­ stärker (20, 21) parallel in einen Endstufenrichtkoppler (24) speisen, in dem die Signale der Verstärker (20, 21) gegeneinander gekoppelt sind und daß der Ausgang des Kopp­ lers (24) den Endstufenausgang (18) der zweistufigen HF- Verstärkerendstufe bildet.