DE921995C - Schaltungsanordnung zum Verstaerken einer elektrischen Signalschwingung mittels eines Transistors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Verstärken einer elektrischen Signalschwingung mittels eines Transistors. Sie bezweckt, insbesondere eine Schaltungsanordnung zu schaffen, bei der der Rauschpegel des verstärkten Signals gering im Vergleich zu demjenigen bei üblichen Schaltungsanordnungen dieser Art ist. Zu diesem Zweck wird dem Stromkreis zwischen der Basis- und der Emissionselektrode des Transistors außer der Signalschwingung auch eineHilfsschwingung zugeführt, so daß sich eine an sich bekannte Modulationsschaltung der Signalschwingung mit der Hilfsschwingung ergibt.

Gemäß der Erfindung wird die verstärkte Schwingung als rauscharme Mischschwingung der Signal- und der Hilfsschwingung mit wesentlich über die Signalfrequenz hinausgehender Frequenz an einer in den Kreis zwischen der Basis- und der Kollektorelektrode eingefügten, für die Mischfrequenz verhältnismäßig hohen Impedanz erzeugt, und zu ao diesem Zweck sind die Transistorvorspannungen und die Impedanzen in den Elektrodenkreisen so bemessen, daß unter dem Einfluß der Hilfsschwingung jedenfalls die Verstärkungsimpedanz Z_m des Transistors starke, die ganze im Kollektorkreis as effektive Impedanz Z_c-\-Z_a jedoch eine im Vergleich dazu nahezu vernachlässigbare relative Änderung erfahren.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung näher erläutert.

Fig. ι stellt ein einfaches Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dar;

Fig. 2 stellt ein Ersatzschaltbild der Schaltung gemäß der Fig. ι dar;

Fig·. 3 stellt eine Kennlinie eines Transistors dar,

wie er in der Schaltung gemäß Fig. ι Anwendung findet;

Fig. 4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dar, in dem Maßnahmen getroffen wurden, damit die Basisimpedanz des Transistors gleichsam den Wert Null annimmt;

to Fig. 5 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dar, in dem der Transistor als selbstschwingende Mischschaltung geschaltet ist; Fig. 6 stellt eine Abart des in Fig. 5 dargestellten

Ausführungsbeispiels dar.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 bezeichnet ι einen Transistor mit einer Emissionselektrode e, einer Kollektorelektrode c und einer Basiselektrode b. In dem Kreis zwischen der Emissionselektrode e und der Basiselektrode b liegen eine Signalquelle V₁ und eine Vorspannungsquelle 2, so daß im Ausgangskreis zwischen der Basiselektrode b und der Kollektorelektrode c mit einer Ausgangsimpedanz Z_n und einer Vorspannungsquelle 3 eine verstärkte Schwingung erzeugt wird.

Wie weiter unten erläutert, kann erreicht werden, daß eine verstärkte Schwingung mit geringem Rauschpegel erzeugt wird, sofern eine Hilfsspannungsquelle V₀ in dem Kreis zwischen der Emissionselektrode e und der Basiselektrode b liegt.

Bekanntlich wird hierdurch der SignalschwingungF,-die Hilf sschwingung V₀ auf moduliert, wobei die verstärkte Schwingung als Mischschwingung an einem in der Ausgangsimpedanz Z₁₁ enthaltenen Parallelresonanzkreis 9 erzeugt wird und gewünschtenfalls mittels eines Demodulators 4 mit einem Ausgangsfilter 5 demoduliert werden kann, so daß an den Ausgangsklemmen 6 eine verstärkte Schwingung mit der Signalfrequenz erzeugt wird.

Fig. 2 stellt ein Ersatzschaltbild der Schaltung gemäß Fig. 1 dar. Darin ist der Transistor 1 auf übliche Weise durch die Impedanzen Z_e, Z_c und Z₀ in T-Schaltung und eine Spannungsquelle Z_mi_e in Reihe mit der Impedanz Z_c ersetzt. Nachstehend werden die Impedanz Z_e als Emissionsimpedanz, die Impedanz Z_c als Kollektorimpedanz, die Impedanz Z₀ als Basisimpedanz und die Impedanz Z_m als Verstärkungsimpedanz bezeichnet. Diese Impedanzen sind durch die Eigenschaften des Transistors bedingt, wobei im allgemeinen die Impedanzen Z_c und Z_m groß sind im Verhältnis zu Z_e und Z₀. Weiterhin wird der Strom i_e als Emissionsstrom und der Strom i_c als Kollektorstrom bezeichnet.

Der Erfindung liegen Messungen an Transistorverstärkern zugrunde, die ergeben, daß der Verstärkerrausch vorwiegend in dem Kontaktrauschen der Kollektorelektrode des Transistors seine Ursache findet und die Rauschamplitüde angenähert umgekehrt proportional zur Frequenz verläuft. Das Rauschen kann im Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 durch eine mit der Emissionsimpedanz Z_e in Reihe geschalteteSpannungsquelle N_e wiedergegeben werden, die ein Maß für das Kontaktrauschen der Emissionselektrode e ist, und durch eine mit der Kollektorimpedanz Z₀ in Reihe geschaltete wesentlieh größere Spannunggsquelle N_c, die ein Maß für das Kontaktrauschen der Kollektorelektrode c ist. Diese Rauschspannungsquellen werden vorläufig als angenähert konstante Größen angesehen.

Für die Ströme und Spannungen in den geschlossenen Stromzweigen für i_e und i_c in der Fig. 2 gilt

^le Z₀ l_c, Zm ^le + N_c = (Z _c + Z_u + Z₀) i_c —Z₆ { _e

Hieraus ergibt sich für den Kollektorstrom [V_t + N.) [Z_n + Z₆) + N_c [Z_e+Zi + Z₆) [Z₆ +Z_n + Z_b)-[Z. + Zt + Z_b) -Z₆ [Z_n +Z₆) ■

Beim Fehlen der Hilfsspannungsquelle V₀ würde sich hieraus für das Signalrauschrverhältnis ergeben:

N_e (Z_m + Z_b)

Z₁ + Z₀)

wobei für die Rauschspannungen N_c und N_e diejenigen Werte genommen werden müssen, die sie bei der Signalfrequenz f\ besitzen. Die Erfahrung zeigt, daß das Glied mit N_e in diesem Ausdruck gegenüber demjenigen mit N_c vernachlässigbar ist. Des weiteren ergibt sich, daß die Amplitude der Spannung N_c angenähert umgekehrt proportional zu der Frequenz verläuft, so daß bei niedrigeren Frequenzen wesentlich mehr Rauschen gefunden wird als bei höheren.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich durch Überlagerung des Signals auf eine höhere Frequenz eine Verbesserung dieses Signalrauschverhältnisses erreichen läßt. Zu diesem Zweck wird die Hilfsquelle V₀ in den Kreis zwischen der Emissionselektrode e und der Basiselektrode b eingefügt, wodurch die Verstärkungsimpedanz Z_m und auch die Emissionsimpedanz Z_e im Rhythmus der Hilfsfrequenz f₀ moduliert werden. Dabei wird aber gemäß der Erfindung dafür Sorge getragen, daß in diesem Falle die Kollektorimpedanz Z_c eine wesentlich geringere Änderung erleidet, und die Erfahrung zeigt, daß die Änderung der Basisimpedanz Z₀ meistens nur unbedeutend ist.

Infolge dieser Modulierung enthält der Kollek torstromi_c eine Komponente mit einer Mischfrequenz, beispielsweise der Frequenz f_o+fi, welche Komponente aus einem durch die Signalspannung Vi bedingten Beitrag, einem durch die Emissionsrauschspannung N_e bedingten Beitrag und einem durch die Kollektorrauschspannung N_c bedingten Beitrag entsteht, und diese Rauschbeträge bestehen aus je einer Anzahl von Komponenten, nämlich aus einer bei der Mischfrequenz f₀+f_t von der Rauschspannung gelieferten Komponente und aus sich durch Modulierung der Rauschspannungen bei den Frequenzen /,·, f₀ —fi, 2f_o±ff usw. ergebenden Komponenten. Ist die Mischfrequenz f_a+fi wesentlich größer als die Signalfrequenz, beispielsweise mehr als das Dreifache dieser Frequenz, so stellt sich heraus, daß von all diesen Komponenten die durch Modulierung der Kollektorrauschspannung N_c bei

der Signalfrequenz f_t entstandene die wichtigste Rolle spielt, einmal dadurch, daß die Emissionsrauschspannung N_e gegenüber der Kollektorrauschspannung N_c vernachlässigbar ist, zum anderen dadurch, daß die Amplitude der Kollektorrauschspannung N_c 'angenähert umgekehrt proportional zu der Frequenz verläuft, so daß im allgemeinen die Amplitude der Kollektorrau'schspannung bei der Signalfrequenz /_; die größte der betrachteten Komponenten ist.

Die Wirkung dieser Komponente könnte durch derartige Einregelung des Transistors beseitigt werden, daß der Koeffizient von N_c in der Formel für i_c unabhängig von den Transistorimpedanzen wird. Dies würde dann zur Bedingung (Z_c-\-Z_b) (Z_e+Z(+Z_b)=Z_b(Z_m + Z_b) führen. Wird jedoch diese Bedingung bei einer bestimmten Einstellung des Transistors erfüllt, so läßt sich praktisch sehr schwierig erreichen, daß sie auch bei Modulierung der Impedanzen Z_m und Z_e durch die Hilfswechselspannung V₀ noch erfüllt bleibt.

Gemäß der Erfindung ist die Hilfsquelle V₀ derart geschaltet, daß wenigstens die Impedanz Z_m im Rhythmus der Hilfsfrequenz f₀ stark geändert wird, die Impedanz Z_c jedoch fast nicht. Zu diesem Zweck muß einerseits die Spannung V₀ im Kreis zwischen der Basiselektrode b und der Emissionselektrode e des Transistors wirksam sein und nicht oder nur in geringem Maße in dem die Kollektorelektrode enthaltenden Kreis, während andererseits die an der Ausgangsimpedanz Z₁₁ erzeugte· Spannung mit der Hilfsfrequenz f₀ so klein bleiben muß, daß der Augenblickswert der Spannung zwischen der Kollektor- und der Basiselektrode nicht über die sich bei einer Basisspannung in der Nähe der Kollektorspannung ergebende Krümmung in der den Basisstrom i_b des Transistors als Funktion der Basisspannung V_b bei konstanter Emissionspannung V_e und Kollektorspannung V_c darstellenden Kennlinie hinausgeht.

Zur Erläuterung sind in Fig. 3 zwei als K und K' bezeichnete Beispiele dieser Kennlinie dargestellt. Es stellt sich heraus, daß für in der Nähe der Kollektorspannung V_c liegende Werte der Basisspanniung V_b die Kollektorimpedanz Z_c und die Verstärkungsimpedanz Z_m des Transistors geringe Werte annehmen. Geht die Basisspannung V₀ über den der Krümmung der dargestellten Kennlinie entsprechenden Wert V_k hinaus, so gelangt man in den üblichen Arbeitsbereich des Transistors, wobei sich eine wesentliche Verstärkung ergibt, während die Kollektorimpedanz Z_c einen großen und nur noch in geringem Maße mit der Spannung V_b wechselnden Wert annimmt. Wenn die Bas.isspannung V_b schließlich über die Spannung V_e der Emissionselektrode hinausgeht, wird eine wesentliche Verringerung der Verstärkungsimpedanz Z_m und eine wesentliche Erhöhung der Emissionsimpedanz Z_e gefunden. Deshalb wird der Transistor in der Nähe dieses letzteren Wertes der Basisspannung V_b eingestellt, wobei die Amplitude der Hilfsschwingung V₀ nie über den der Spannung V^ entsprechenden Wert hinausgehen darf.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 wurden zu diesem Zweck diese Amplitude und die Größe der Vor-Spannungsbatterien 2 und 3 entsprechend bemessen. Auch muß dafür gesorgt werden, daß die Amplitude der durch unmittelbare Transistorverstärkung der Hilfsschwingung an der Ausgangsimpedanz Z_u erzeugten Spannung hinreichend klein bleibt, und zu diesem Zweck muß die Impedanz Z_u also einen kleinen Wert für die Hilfsfrequenz f₀ haben. Dahingegen ist es zum Erreichen eines großen Signalrauschverhältnisses vorteilhaft, wenn bei der Signalfrequenz /; die Impedanz Z_u einen im Verhältnis zu der Basisimpedanz Z₆ hohen Wert aufweist, da in diesem Falle der Koeffizient des Kollektorrausches N_c in der Formel für den Kollektorstrom i_c gegenüber dem Koeffizienten der Signalspannung V₁ verkleinert wird. Auch muß die effekti ve Impedanz Z_e + Z₁ im Emissionskreis klein bleiben.

Zu diesem Zweck besteht die Impedanz Z_u in Fig. ι aus einem auf die betreffende Mischfrequenz fo+fi abgestimmten Kreis 9 und einem Filter oder etwa einem Parallelresonanzkreis io, die für die Signalfrequenz /,· eine große, für die Hilfsfrequenz f₀ jedoch eine kleine Impedanz aufweisen.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, in der die der Fig. 1 entsprechenden Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist auch eine Stromgegenkopplung zwischen dem Kollektor- und dem Emissionskreis dargestellt, mittels der die Basisimpedanz Z₆ gleichsam den Wert Null annimmt. In der Formel für i_c findet man dann, daß der Koeffizient des Kollektorrausches N_c nur noch die ganze im Kollektorkreis effektive Impedanz Z_c + Z_u enthält, die durch entsprechende Bemessung der Impedanzwerte und der Vorspannungen nur eine geringe Relativänderung mit der Hilfsschwingung V₀ erleiden wird.

Die in Rede stehende Stromgegenkopplung ergab sich mittels eines Umkehrtransformators 12, dessen eine Wicklung in den Kreis zwischen Basis- und Emissionselektrode und dessen andere Wicklung mit entgegengesetztem Wicklungssinn in den Kreis zwischen Basis- und Kollektorelektrode eingefügt sind. Durch entsprechende Bemessung der zu diesen Wicklungen parallel geschalteten Impedanz 13 läßt sich die effektiv auftretende Basisimpedane auf einen beliebigen Wert einstellen. Wird beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis 1 : 1 verwendet, so muß die Impedanz 13 so groß bemessen werden wie der Eigenwert der Basisimpedanz des Transistors 1.

Fig. 5 stellt eine weitere Abart der Fig. 1 dar, bei der der Transistor 1 mittels eines in den Basiskreis eingefügten abgestimmten Kreises 15 zum Selbstschwingen gebracht ist. Die Vorspannungen des Transistors und die Impedanz des Resonanzkreises 15 sind derart bemessen, daß die erzeugte Schwingung V₀ angenähert zwischen den Schnittpunkten.w_1; M₂ der i_b —F₆-Kennlinie nach Fig. 3 mit der gestrichelten Linie schwingt, deren Neigung der Resomanzimpedanz des Kreises 15 entspricht. Dazu muß die Basisvorspannung V_b io der Nähe der Emissionsvorspannung V_e eingestellt werden,

und ein Hinausgehen über den Punkt Ji₁, der vorzugsweise möglichst nahe beim Punkt K gewählt wird ohne zu starke Änderung von Z_c, wird erforderlichenfalls mittels eines parallel zum Kreis 15 geschalteten Gleichrichters 21 mit einer Vorspannungsquellesa und/oder mittels eines für die Signalfrequenz fi entkoppelten Widerstandes 23 im Emissionskreis verhütet. In dem Falle ergibt sich, wie vorstehend beschrieben, eine starke Änderung der Impedanzen Z_m und Z_e mit der Hilfsschwingung V₀, während die Impedanz Z₀ nur in geringem Maße geändert wird.

Im vorstehenden wurden vorläufig die Rauschspannungsquellen N_e und N_c als konstant angenommen. In Wirklichkeit hängt N_c jedoch noch etwas sowohl ΛΌη der Spannung als auch von dem Strom zwischen der Kollektor- und der Basiselektrode ab. Indem die Ausgangsimpedanz Z_n als ein verhältnismäßig kleiner Widerstand für die Hilfsfrequenz f₀ bemessen wird, beispielsweise durch Einfügung eines verhältnismäßig kleinen Kollektorreihenwiderstandes 25 in die Schaltung gemäß Fig. i, läßt sich jedoch erreichen, daß die Modulierung des Kollektorrausches N_c durch die KoI-lektorstromkomponente i_c. mit der Hilfsfrequenz f₀ wesentlich durch die auf diese Weise an dem Widerstandes erzeugte Spannung mit dieser Frequenz f₀ ausgeglichen wird.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 wird diese Wirkung mittels des Basiskreises 15 erreicht, wobei erforderlichenfalls eine größere Spannüngsänderung in den Kollektorkreis eingeführt werden kann, indem, wie dies in Fig. 6 darggestellt ist, der Emissionskreis an eine Anzapfung des Kreises 15 angeschlossen wird. Dabei darf jedoch wieder der Augenblickswert der Spannung zwischen der Basis- und der Kollektorelektrode nicht über die kritische Spannung V_k nach Fig. 3 hinausgehen. Erforderlichenfalls kann weiterhin beispielsweise die durch den Kreis 9 eingeführte reaktive Komponente der Impedanz Z_n mittels eines nicht dargestellten phasendrehenden Netzwerkes ausgeglichen werden. Gewünschtenfalls kann bei den Schaltungsanordnungen gemäß der Fig. 4 und 5 die betreffende Mischschwingung, anstatt der Ausgangsklemme 17 entnommen zu werden, demoduliert werden, beispielsweise ähnlich wie bei der Schaltung gemäß Fig. i, wodurch sich wieder eine verstärkte rauscharme Schwingung der Signalfrequenz f_t ergibt. Auch läßt sich die an den Klemmen 17 erzeugte modulierte Schwingung einem in seinem Emissionssperrpunkt betriebenen, nicht dargestellten Transistor zuführen, dessen Ausgangsschwingung dann einen höheren Modulationsgrad zeigt, der sich, gewünschtenfalls nach Verstärkung, demodulieren läßt.

Obgleich vorstehend immer von einer Mischfrequenz f_o+fi die Rede war, kann jede Mischschwingung, deren Frequenz eine lineare Kombination von /„ und /,· ist, Anwendung finden, sofern die erzielte Mischfrequenz wesentlich über die Signalfrequenz /,· hinausgeht. Insbesondere kann die Hilfsfrequenz f₀ bei einem Wert gewählt werden, bei dem die Verstärkung des Transistors schon erheblich abzufallen anfängt, während die Misch- frequenz f₀ —f_t bei einem Wert liegt, bei dem die Verstärkung noch verhältnismäßig groß ist.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   ι. Schaltungsanordnung zum Verstärken einer elektrischen Signalschwingung, die gemeinsam mit einer Hilfsschwingung dem Kreis zwischen der Basis- und der Emissionselektrode eines Transistors zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkte Schwingung als rauscharme Mischschwingung der Signal- und der Hilfsschwingung mit wesentlich über die Signalfrequenz hinausgehender Frequenz an einer in den Kreis zwischen der Basis- und der Kollektorelektrode eingefügten, für die Mischfrequenz verhältnismäßig hohen Impedanz erzeugt wird und zu diesem Zweck die Tramsistorvorspannungen und die Impedanzen in den Elektrodenkreisen so bemessen sind, daß jedenfalls die Verstärkungsimpedanz (Z_m) des Transistors eine starke, die ganze im Kollektorkreis effektive Impedanz (Z_c-\-Z_u) jedoch eine im Vergleich dazu nahezu vernachlässigbare Relativänderung unter der Einwirkung der Hilfsschwingung erleiden.
2. 2. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Kollektorkreis eingefügte Ausgangsimpedanz (Z_n) nicht nur bei der Mischfrequenz, sondern auch bei der Signalfrequenz (f_t) groß ist im Verhältnis zu der bei der Signalfrequenz (/,-) gemessenen effektiven Impedanz (Z₆) im Basiskreis.
3. 3. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorkreis eine Impedanz (10) enthält, die bei der Signalfrequenz (fi) einen verhältnismäßig großen, bei der Hilfsfrequenz (f₀) jedoch einen verhältnismäßig geringen Wert hat.
4. 4. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromgegenkopplung, beispielsweise mittels eines in den Basiskreis eingefügten Umkehrtransformators (12), vorgesehen ist, durch die die Basisimpedanz (Zj) des Transistors praktisch den Wert Null annimmt,
5. 5. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verhüten einer Modulierung der Kollektorrauschspannungsquelle (N_c) im Rhythmus der Hilfsfrequenz (f₀) die Ausgangsimpedanz (Z_n) bei der Hilfsfrequenz (f₀) einen kleinen Widerstand bildet.
6. 6. Schaltungsanordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der in den Basiskreis ein auf die Hilfsfrequenz abgestimmter Parallelresonanzkreis zum Bewirken des Selbstschwingetii des Transistors eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzimpedanz dieses Kreises (15) und die Vorspannungen des

   Transistors so bemessen sind, daß sich der Augenblickswert der Basisspannung über die Krümmung in der Basisstrom—Basisspannungs-Kennlinie in der Nähe der Vorspannung der Emissionselektrode hinausbewegt, aber über die Krümmung in dieser Kennlinie in der Nähe der Vorspannung der Kollektorelektrode nicht hinausgeht.
7. 7. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Emissionskreis an eine Anzapfung dieses in den Basiskreis eingefügten Kreises angeschlossen ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ©9577 12.54