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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerstruktur und
insbesondere auf die eines Höchstfrequenzverstärkers. Sie
stellt eine Verbesserung dar, die dazu bestimmt ist, den
elektrischen Wirkungsgrad des Verstärkers zu erhöhen.
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Die Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades von Verstärkern
mit Feldeffekttransistoren ist für derzeitige und zukünftige
elektronische Systeme wegen der Erhöhung der Anzahl von
Schaltungen unbedingt erforderlich. Diese
Leistungsverbesserungen ergeben sich wegen:
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- der Verbesserung der Herstellungstechnologie der
Transistoren,
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- der Verringerung der Verluste passiver
Anpassungsschaltungen,
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- der Optimierung des Vorspannungspunkts der Transistoren
durch Ändern der Funktionsklasse.
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Es ist dieser letzte Punkt, auf den sich die im
Patentanspruch 1 definierte Erfindung bezieht.
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Es ist bekannt, daß die Kenngrößen eines unterhalb seiner
Abschnürspannung vorgespannten Transistors nicht
reproduzierbar sind. Sie hängen von der Herstellungstechnologie des
Bauelements ab und werden von keinem Hersteller garantiert.
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Es ist auch bekannt, daß beim Anlegen einer Spannung mit
sehr hohem Absolutwert an den Gate-Anschluß eines
Feldeffekttransistors dieser eine Art Hysterese erfährt: wenn
die Gate-Spannung auf einen Wert zurückkehrt, der zwischen
der Abschnürspannung und der maximalen Gate-Spannung liegt,
reagiert der Transistor nicht sofort. Er bleibt für eine
gewisse Zeitperiode gesperrt, in deren Verlauf das
Eingangssignal nicht verstärkt wird, was somit einer Verringerung des
Wirkungsgrades und einem unnützen Energieverbrauch führt.
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Das Ziel der Erfindung ist es somit, in die Struktur eines
Verstärkers Mittel einzuführen, die die an den Gate-Anschluß
angelegte Spannung auf Werte zwischen der Durchbruchspannung
und maximalen Gate-Spannung grenzen, so daß der Transistor
ständig mit genau kontrollierten Kenngrößen arbeitet. Diese
Begrenzung der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung kann
auf verschiedene Arten erhalten werden, etwa mittels einer
Diode, die für die negative Phase des Signals einen
Kurzschluß bildet oder mittels einer für die zweite Harmonische
als Gegenkopplung wirkenden Schaltung.
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Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Verstärker mit
hohem Wirkungsgrad mit wenigstens einem
Feldeffekttransistor, einem Eingangsvierpol zum Anpassen des
Eingangssignals, der mit dem Gate-Anschluß des Transistors verbunden
ist, und einem Ausgangsvierpol, der mit dem Drain-Anschluß
des Transistors verbunden ist, dessen Source-Anschluß an
Masse liegt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er Mittel
zum Begrenzen der Abweichung der an den Gate-Anschluß
angelegten Spannung auf Werte zwischen der Abschnürspannung
Vp des Transistors und der maximalen positiven Gate-Spannung
VGSmax enthält.
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Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen,
die anhand der anliegend beigefügten Figuren dargelegt
werden, die zeigen:
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- Fig. 1 statische Kennlinien eines Feldeffekttransistors
gemäß dem Stand der Technik,
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- Fig. 2 das Schaltbild eines Verstärkers, der mit einem
ersten Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades nach der
Erfindung ausgestattet ist,
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- Fig. 3 Kurven der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung
für den Fall der Schaltung der vorhergehenden Figur,
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- Fig. 4 das Schaltbild eines Verstärkers, der mit einem
zweiten Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades nach der
Erfindung ausgestattet ist,
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- Fig. 5 die Form der an den Gate-Anschluß angelegten
Spannung für den Fall der Schaltung der vorhergehenden Figur.
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Fig. 1 zeigt die vereinfachten statischen Kennlinien eines
Transistors: sie gibt das Zeitverhalten von Spannungen und
Strömen an, wenn eine Spannung
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VGS = VGSO + VGS1 cosωt
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zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß angelegt
wird. In dieser Figur sind:
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- IDS = Drain-Source-Strom
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- VDS = Drain-Source-Spannung
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- VGSo = Gleichvorspannung des Gate-Anschlusses
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- VDSo = Gleichvorspannung am Drain-Anschluß
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- Vp = Abschnürspannung
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- t = Zeit
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θ repräsentiert für ein an den Gate-Anschluß angelegtes
Wechselsignal den Öffnungs- oder Leitungswinkel des
Transistors: entspricht dem Zeitintervall, in dessen Verlauf der
Drain-Strom IDS nicht Null ist (rechts in der Figur).
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Der elektrische Wirkungsgrad eines Transistors kann auf zwei
Arten ausgedrückt werden.
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Der Drain-Wirkungsgrad ηD ist gleich dem Verhältnis der
Ausgangsleistung bei der Anwendungsfreguenz zu der von den
Generatoren eingespeisten Leistung:
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Dieser Wirkungsgrad ist um so größer, je kleiner der
Öffnungswinkel ist.
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Der Wirkungsgrad ηaj der hinzugefügten Leistung leitet sich
daraus unter Berücksichtigung der am Eingang des Transistors
bei der Frequenz eingegebenen Leistung ab:
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wobei ηaj von der Verstärkung G des Transistors abhängt:
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Das angestrebte Ziel ist es, den Wirkungsgrad ηaj der
hinzugefügten Leistung zu erhöhen, jedoch begegnet diese
Erhöhung drei Einschränkungen.
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Die erste Einschränkung betrifft die Abhängigkeit des
Wirkungsgrades im Verhältnis zum Verstärkungsfaktor. Damit der
Drain-Wirkungsgrad ηD größer wird, also der Öffnungswinkel
abnimmt, muß an dem Gate-Anschluß des Transistors eine
höhere Spannung, also eine höhere Eingangsleistung PE(ω)
angelegt werden, die ηaj herabsetzt. Es gibt somit einen
optimalen Öffnungswinkel θ für einen Transistor.
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Die zweite Einschränkung leitet sich aus dem Betrieb des
Transistors unterhalb seiner Abschnürspannung ab. Wie oben
bereits angegeben wurde, werden die Kenngrößen eines
Transistors in dieser Zone der Betriebsart nämlich von keinem
Hersteller garantiert. Sie hängen von der
Herstellungstechnologie des Transistors ab und sind nicht reproduzierbar. Wenn
außerdem das an den Gate-Anschluß angelegte Eingangssignal
sehr viel kleiner als die Abschnürspannung ist,
beispielsweise - 2 Vp oder - 3 Vp, nimmt der Transistor seine normale
Arbeitsweise nicht auf, sobald das Signal wieder größer als
Vp wird: es tritt eine gewisse Verzögerung auf, in der der
Transistor nicht arbeitet, was den Wirkungsgrad
verschlechtert.
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Die dritte Einschränkung betrifft ebenfalls die Arbeitsweise
unterhalb der Abschnürspannung Vp; sie ist mit dem
Ausgangsleistungspegel verbunden. Wenn in Fig. 1 die Änderungen
von VGS und VDS in Abhängigkeit von der Zeit T betrachtet
werden, ist zu erkennen, daß sie gegenphasig sind. Bei einer
maximalen Ausgangsleistung nimmt die Abweichung von VGD
(Gate-Drain-Spannung) zu, wenn der Absolutwert von VGS
größer wird, jedoch ist sie durch ein Lawinenphänomen
begrenzt. Es ergibt sich
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VGDmax = VGS + VDS cste
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Wenn VGS größer wird, um den Öffnungswinkel zu verkleinern
und den Wirkungsgrad zu verbessern, muß VDS abnehmen: in
diesem Fall nimmt die Ausgangsleistung ab. Die Erfindung
schlägt zwei Mittel vor, um diese drei Einschränkungen zu
vermeiden. Das erste Mittel ist in Fig. 2 dargestellt.
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Es kann angenommen werden, daß ein Verstärker im
wesentlichen ein Feldeffekttransistor 1 ist. Er ist Teil einer
Schaltung mit einem an seinem Gate-Anschluß angeschlossenen
Vierpol 2 und einem an seinem Drain-Anschluß angeschlossenen
Vierpol 3, wenn der Transistor in Source-Schaltung
geschaltet ist.
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Das Höchstfrequenz-Eingangssignal wird an den Eingang E
dieses Vierpols angelegt, jedoch wird auch eine
Gleichvorspannung VGo, die einen Wert nahe der Abschnürspannung Vp hat,
an dem Gate-Anschluß des Transistors 1 angelegt. Ein
Schaltungsteil aus einer Drossel 4 und einer Kapazität 5 dient
als Höchstfrequenzfilter, damit die
Gleichspannungsversorgung nicht gestört wird.
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Die Erfindung besteht darin, in die
Eingangsanpassungsschaltung des Transistors 1 eine Diode 6 einzufügen, die in
Richtung von Masse zur Eingangsklemme geschaltet ist. Diese
Diode schließt jedes Eingangssignal kurz, wenn die Spannung,
die es am Gate-Anschluß erzeugt, kleiner als die
Abschnürspannung Vp wird. Anders ausgedrückt bewirkt die
Eingangschaltung des Transistors 1 während der positiven
Halbperiode der Gate-Spannung keine Änderung, während sie während
der negativen Halbperiode zu einem Kurzschluß führt.
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Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Bei einer Spannung VGS (t),
die sich beispielsweise zwischen 0 und - 2 Vp ändert, ist
die Kurve 7 ohne die Diode 6 eine Sinuskurve, die einen
negativen Abschnitt hat. Mit einer Diode 6 bleibt von der an
den Gate-Anschluß angelegten Spannung nur der positive Teil
8 übrig. Nur ein Teil 9 dieser Spannung ist ein wenig
kleiner als Vp: dies entspricht der Durchlaßschwellenspannung
der Diode 6.
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Die passiven Elemente des Eingangsvierpols QE sind so
berechnet, daß die von der Diode erzeugten Harmonischen sich
am Gate-Anschluß des Transistors zu den guten Phasen und
Amplituden des Signals addieren.
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Der Vorteil der Diode besteht darin, daß die in den
Transistor einzugebende Leistung auf den positiven Bereich des
Eingangssignals beschränkt ist. Sie ist mit Diode zweimal
niedriger als ohne Diode. Wenn der Transistor unterhalb
seiner Abschnürspannung Vp nicht benutzt wird, ist sein
Verhalten gut bekannt, und da die Amplitude der Spannung VGS
die gleiche wie in der Klasse A ist, kann die maximale
Ausgangsleistung erzielt werden.
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Das zweite Mittel ist in Fig. 4 dargestellt, in der das
vereinfachte Schaltbild eines Verstärkers aus einem Transistor
1 aufgegriffen wird, der an seinem Gate-Anschluß mit einem
Eingangsvierpol 2 und an seinem Drain-Anschluß mit einem
Ausgangsvierpol 3 verbunden ist. Zum Verbessern seines
Wirkungsgrades ist zwischen dem Ausgang und dem Eingang des
Transistors eine Gegenkopplungsschleife 10 für die zweite
Harmonische geschaltet. Diese Schleife greift am
Drain-Anschluß des Transistors die zweite Harmonische ab, die
natürlich erzeugt wird, und sie speist sie am Gate-Anschluß
wieder ein. Diese Gegenkopplungsschleife ist an sich bekannt
und besteht aus Widerständen, Induktivitäten und
Kapazitäten.
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Die Spannung, die an den Gate-Anschluß des Transistors
angelegt werden soll, hat als Fourrier-Reihe die in Fig. 5
dargestellte Form:
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VGS (t) = Vp [fo (θ) + f&sub1; (θ) cos ωt + f&sub2; (θ) cos 2ωt + ...]
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in der:
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- fo (θ) Vp die Amplitude der Gleichvorspannung am
Gate-Anschluß ist,
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- f&sub1; (θ) Vp die Amplitude der Spannung mit der Frequenz ω,
ist, die durch die am Gate-Anschluß einzugebende Leistung
erzeugt wird,
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- f&sub2; (θ) Vp die Amplitude der Spannung mit der Frequenz 2ω
ist.
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Der Ausgangsstrom IDS des Transistors ist nicht sinusförmig:
er erzeugt stets Harmonische. Es ist dabei vorteilhaft,
diese Energie der zweiten Harmonischen 2ω wiederzugewinnen und
sie in den Eingang des Transistors einzuspeisen.
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Die Auslenkung der Spannung VGS wird in gleicher Weise mit
einer Diode am Eingang begrenzt, jedoch erhöht die
Gegenkopplungsschaltung für die zweite Harmonische den
Wirkungsgrad ηaj der hinzugefügten Leistung, da ein Teil der
Ausgangsleistung wiedergewonnen wird, der ohne Gegenkopplung
verlorengeht.
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Die zwei Mittel zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines
Verstärkers können gleichzeitig verwendet werden.