-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Breitband-Spannungsverstärker und insbesondere einen Verstärker, der dafür
eingerichtet ist, Signale zu verarbeiten, die von einem Element der
induktiven Art wie einem Magnetlesekopf eines Videorekorders
kommen.
-
Fig. 1 stellt in sehr schematischer Weise ein derartiges
induktives Element 1 dar, das mit dem Eingangsanschluß 2 eines
Verstärkers A verbunden ist, welcher die Spannung zwischen
diesem Eingangsanschluß 2 und einem Ausgangsanschluß 3
verstärkt. Dieser Verstärker könnte ein Vorverstärker sein, der
die Eingangsstufe einer Verstärkerschaltung bildet, die
weitere Elemente enthält.
-
Fig. 2 stellt eine herkömmliche Realisierung eines Verstärkers
A dar. Sie umfaßt:
-
- eine Stromversorgung 11, bei der ein erster Anschluß 12
mit dem Ausgangsanschluß über einen Widerstand R1
verbunden ist und deren zweiter Anschluß 13 mit der Masse
verbunden ist,
-
- einen NPN-Bipolartransistor T, dessen Basis mit dem
Eingangsanschluß 2 verbunden ist, dessen Kollektor mit dem
Ausgangsanschluß 3 verbunden ist und dessen Emitter mit
der Masse verbunden ist, und
-
- einen Widerstand R2, der zwischen dem Kollektor und der
Basis des Transistors T geschaltet ist.
-
Die Stromversorgung 11 dient dazu, den Transistor T über die
Widerstände R1 und R2 zu polarisieren.
-
Der Spannungsverstärkungsfaktor G1 des Verstärkers A schreibt
sich
-
G1 = (ΔV/VT){R1/[R1 + (R2/β)]}, (1)
wobei
-
VT ein Koeffizient ist, der nur von der Temperatur abhängt,
-
ΔV die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung an dem
Ausgangsanschluß und die Spannung an dem Eingangsanschluß
ist und
-
β der Verstärkungsfaktor des Transistors T ist, welcher
gleich dem Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom IC und
dem Basisstrom IB ist.
-
Für übliche konstante Widerstände R1 und R2 sieht man, daß der
Verstärkungsfaktor G1 von β abhängt. Dieser Verstärkungsfaktor
β kann jedoch wesentlich von einem Transistor zu einem anderen
variieren. Tatsächlich hängt er insbesondere von der Breite
der Basis ab, welche sehr klein ist und die man nicht mit
einer sehr großen Genauigkeit bestimmen und reproduzieren kann.
-
Es war daher in der Schaltung der Fig. 2 ein Widerstand R2
vorgesehen, der durch seine Herstellung mit dem
Verstärkungsfaktor β des Transistors verknüpft ist. Um diese Art von
Widerstand herzustellen, die Widerstand mit eingeschnürter Basis
(résistance base pincée) genannt wird, realisiert man zuerst
eine Diffusion (Basiszone) gleichzeitig mit den Basisbereichen
der Transistoren. Man bildet dann eine weniger tiefe
Ergänzungszone, welche von der gleichen Art ist und zur selben Zeit
realisiert wird wie die Emitterbereiche der Transistoren. Der
Wert des Widerstands hängt von der Dicke zwischen den unteren
Grenzen der beiden Diffusionen (man hat eine Einschnürung
realisiert)
in der gleichen Weise ab, wie β von der Dicke
zwischen der unteren Grenze des Basisbereichs und der unteren
Grenze des Emitterbereichs abhängt. Demzufolge ändert sich der
Widerstand R2 proportional zu β. Der Verstärkungsfaktor G1 des
Verstärkers hängt daher nicht mehr von β ab.
-
Dieses Erreichen eines konstanten Spannungsverstärkungsfaktors
hat jedoch zur Folge, daß die Eingangsimpedanz des Verstärkers
Z1 (Z1 = R2 VT/ΔV), welche proportional zu R2 ist, nicht mehr
in reproduzierbarer Weise von einem Verstärker zu einem
anderen festgelegt ist.
-
Diese Nichtreproduzierbarkeit der Eingangsimpedanz stellt
jedoch einen redhibitorischen Nachteil im Fall der Anwendung für
die Verstärkung von Signalen von einem Lesekopf eines
Videorekorders dar. Tatsächlich kann die Frequenz der Signale, die an
den Eingangsanschluß des Verstärkers angelegt werden, auf
einem breiten Frequenzband variieren, z.B. zwischen 100 kHz und
10 MHz. Die Impedanz des Kopfes kann dann in einem breiten
Bereich variieren und ist von derselben Größenordnung wie die
Eingangsimpedanz des Vorverstärkers. Daraus folgt, daß die
effektive Verstärkung des Vorverstärkers nicht festgelegt ist
und nicht von einem Herstellungsposten zu einem anderen
reproduzierbar ist.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Breitbandverstärker mit einer Spannungsverstärkung, die von
einem Verstärker zu einem anderen konstant ist, und mit einer
Eingangsimpedanz zu schaffen, die festgelegt und bei hohen
Frequenzen schwach ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst, indem ein Breitbandverstärker
zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß
vorgesehen wird, der einen Bipolartransistor, dessen Basis mit dem
Eingangsanschluß verbunden ist, dessen Kollektor mit dem
Ausgangsanschluß
verbunden ist, der seinerseits mit einer
Stromversorgung über einen ersten Widerstand verbunden ist, und
dessen Emitter mit der Masse verbunden ist, einen zweiten
Widerstand, dessen Wert sich gleichzeitig mit dem
Stromverstärkungsfaktor des Transistors ändert und der zwischen dem
Ausgangsanschluß und der Basis des Transistors geschaltet ist,
eine Kapazität, die zu den Ahschlüssen des zweiten
Widerstandes parallel geschaltet ist, und einen dritten Widerstand
umfaßt, der zwischen dem zweiten Widerstand und der Basis des
Transistors geschaltet ist.
-
Vorzugsweise ist der Wert des dritten Widerstandes sehr viel
kleiner als der des zweiten Widerstandes, woraus folgt, daß
die Impedanz des Verstärkers fest und bei hohen Frequenzen
gering ist.
-
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden genauer in der folgenden Beschreibung
einer speziellen Ausführungsform beschrieben, welche mit Bezug
auf die beigefügten Figuren vonstatten geht, in denen
-
Fig. 1 bereits beschrieben wurde und in sehr schematischer
Weise einen Verstärker darstellt, der an seinem
Eingang mit einem Element der induktiven Art verbunden
ist,
-
Fig. 2 bereits beschrieben wurde und einen Verstärker nach
dem Stand der Technik darstellt und
-
Fig. 3 einen Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
-
Fig. 3 stellt eine Ausführungsform eines Verstärkers gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. Wie in der Fig. 2 umfaßt er
zwischen einem Eingangsanschluß 2 und einem Ausgangsanschluß 3
eine Stromversorgung 11, welche einerseits mit dem
Ausgangsanschluß über einen Widerstand R1 und andererseits mit der
Masse verbunden ist. Ein Transistor T ist mit seiner Basis mit
dem Eingangsanschluß verbunden; sein Kollektor ist mit dem
Ausgangsanschluß und sein Emitter mit der Masse verbunden.
-
Ein Widerstand R2 von der Art mit eingeschnürter Basis besitzt
ebenfalls einen ersten Anschluß, welcher mit dem
Ausgangsanschluß verbunden ist. Jedoch ist ein Widerstand R3 in Reihe
zwischen dem zweiten Anschluß des Widerstands R2 und der Basis
des Transistors T eingefügt. Eine Kapazität C ist weiterhin
parallel zu den Ahschlüssen des Widerstands R2 hinzugefügt.
-
Die Stromversorgung ermöglicht es, den Transistor T über die
Widerstände R1, R2 und R3 zu polarisieren. Der
Spannungsverstärkungsfaktor G2 dieses Verstärkers A schreibt sich:
-
G2 = (ΔV/VT){R1/[R1 + (R2 + R3)/β]}. (2)
-
Der Widerstand R2, welcher proportional zu β ist, ist
gegenüber dem Widerstand R3 groß gewählt. Die Werte dieser
Widerstände sind z. B. R2 = 150 kΩ und R3 = 30 kΩ. Daher kann man
in der Relation (2) R3 gegenüber R2 vernachlässigen und die
Relation (2) geht in die Relation (1) über. Demzufolge hängt
der Verstärkungsfaktor G2 sehr wenig von β ab.
-
Weiterhin ist die Eingangsimpedanz Z2 des Verstärkers in
Abhängigkeit von der Frequenz ω durch
-
Z2(ω) = (VT/ΔV)[R3 + R2/(1+R2 C ω)] (3)
gegeben.
-
Für hohe Frequenzen wird (R2 c ω) groß gegenüber 1 und diese
Eingangsimpedanz wird
-
Z2(ω) = (VT/ΔV)R3.
-
Sie hängt nicht mehr von R2, sondern nur noch von R3 ab.
-
Da der Widerstand R3 einen festgelegten, reproduzierbaren Wert
besitzt, hat man nun einen Vorverstärker mit einem konstanten
Spannungsverstärkungsfaktor (und daher mit einem festgelegten
Rauschstrom) dank der Wahl von R2 und mit einer festgelegten,
reproduzierbaren Eingangsimpedanz bei hohen Frequenzen dank
der Wahl von R3 geschaffen.
-
Als numerisches Beispiel kann man für einen Lesekopf, der eine
lmpedanz besitzt, die zwischen 50 Ω bei tiefen Frequenzen und
1000 Ω bei 10 MHz variieren kann, wählen:
-
R1 = 1,2 kΩ
-
R2 = 150 kΩ
-
R3 = 30 kΩ
-
C = 10 pF.
-
Demzufolge wird bei β = 50, ΔV = 4,4 V und VT = 0,026 V
(R2 C ω) groß gegenüber 1, wenn die Frequenz 100 kHz
übersteigt. Der Eingangswiderstand wird dann konstant und ist von
der Größenordnung 200 Ω, während der
Spannungsverstärkungsfaktor im wesentlichen gleich 50 bleibt.
-
Die vorliegende Erfindung, wie sie vorangehend beschrieben
wurde, ist zahlreichen Varianten und Abwandlungen zugänglich,
die für den Fachmann ersichtlich sind. Der Verstärker kann
z.B. realisiert werden, indem man eine Technologie mit PNP-
Bipolartransistoren anstelle der NPN-Transistoren verwendet.
Weiterhin kann ein zusätzlicher Bipolartransistor in Reihe
zwischen dem Kollektor des Transistors T und dem
Ausgangsanschluß (der Transistor T ist in Kaskodenform geschaltet)
hinzugefügt werden, um den Betrieb bei hohen Frequenzen zu
ermöglichen.