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Mehrstufiger, in der Verstärkung regelbarer Breitband-Transistorverstärker
Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrstufigen, in der Verstärkung regelbaren Breitband-Transistorverstärker, bei dem zwischen zwei, insbesondere in Basisschaltung betriebenen Transistorstufen ein Dämpfungsnetzwerk eingeschaltet ist, das mit einem Richtleiter ausgestattet ist, dessen Vorstrom in Durchlassrichtung eingestellt wird und bei dem die gegebenenfalls vorhandenen frequenzselektiven Kreise den Transistorstufen vor-und/oder nachgeschaltet sind.
Verstärker für hohe Frequenzen sollen häufig in ihrer Verstärkung stetig einstellbar oder regelbar sein. Insbesondere trifft dies zu für die Zwischenfrequenzverstärker in Richtfunksystemen zur Übertragung vieler Telegraphie-oder Telephoniekanäle, bei denen zur Fading-Regelung einstellbare Dämpfungsglieder verwendet werden, die zwischen die einzelnen Verstärkerstufen gelegt sind. Hiebei ist die Forderung gegeben, dass im Übertragungsfrequenzbereich bei der Regelung keine wesentlichen Änderungen des Amplituden-und Gruppenlaufzeitganges des Verstärkers auftreten. Diese Forderung ist für regelbare Verstärker im Bereich höherer Frequenzen, beispielsweise im Bereich zwischen 50 und 100 MHz und bei grossen Verstärkerbandbreiten, z. B. 30 MHz und mehr schwer zu erfüllen. Ausserdem soll die Einstellung der Dämpfungsglieder auch einfach erfolgen, z.
B. mit einem Steuergleichstrom, der eine automatische Regelung auf elektrischem Wege zulässt. In den Dämpfungsgliedern werden als Regelglieder meist Richtleiter verwendet ; denn deren Widerstand ist steuerbar. Es hat sich aber gezeigt, dass dieser Widerstand bei höheren Frequenzen nicht mehr rein reell ist, sondern Blindkomponenten hat, die abhängig von der Aussteuerung des Richtleiters sind. Damit ist es schwierig, bei Dämpfungsnetzwerken mit Richtleitern die vorstehenden Forderungen zu erfüllen.
Insbesondere sollen diese Forderungen bei einem mehrstufigen Breitbandverstärker mit einem grossen Regelbereich, beispielsweise bis zu 40 Dezibel und darüber erfüllt werden.
Diesen Schwierigkeiten kann bei einem mehrstufigen, in der Verstärkung regelbaren Breitband- Transistor verstärker, bei dem zwischen zwei, insbesondere in Basisschaltung betriebenen Transistorstufen ein Dämpfungsnetzwerk eingeschaltet ist, das mit einem Richtleiter ausgestattet ist, dessen Vorstrom in Durchlassrichtung eingestellt wird und bei dem die gegebenenfalls vorhandenen frequenzselektiven Kreise den Transistorstufen vor-und/oder nachgeschaltet sind, gemäss der Erfindung erfolgreich dadurch begegnet werden, dass in an sich bekannter Weise in Serie mit dem parallel zum Ausgang einer Stufe angeschalteten Richtleiter die Parallelschaltung eines Widerstandes und eines vorzugsweise einstellbaren Kondensators gelegt ist, dass ferner die Werte dieser Parallelschaltung so gewählt sind, dass bei Einstellung auf maximale Übertragungsdämpfung, d. h.
bei maximalem Richtleitervorstrom, eine frequenz- unabhängige Stromaufteilung zwischen dem Richtleiterzweig und dem parallel dazu liegenden Eingangskreis der folgenden Transistorstufe besteht, und dass parallel zum Richtleiterzweig eine zusätzlich veränderliche Kapazität-C-gelegt und so gewählt ist, dass bei Einstellung des Richtleitervorstromes auf minimale Dämpfung, d. h. bei maximalem Richtleiterwiderstand, die parallel zum Richtleiterzweig
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sammensetzt, zusammen mit dem Eingangswiderstand des folgenden Transistors, der sich aus einer Induktivität--Le--in Serie mit einem Widerstand --Re-- zusammensetzt und dem ein zusätzlicher Widerstand-R-in Serie geschaltet ist, einen Tiefpass bildet, wobei folgende Bedingung eingehalten wird :
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der ohmschen Komponente-R-und der induktiven Komponente--LR--. In Serie zu--RR und LR-liegt die erwähnte Parallelschaltung von-C und R -. Durch Wahl des Kapazitätswertes von-C2- und des Widerstandswertes von --R2- kann der Impedanzwert des die Serieninduktivität des Richtleiters enthaltenden Querzweiges bei maximaler Übertragungsdämpfung des Vierpols so eingestellt werden, dass in einem grossen Frequenzbereich eine praktisch frequenzunabhängige Stromaufteilung-J/J.-zwi- schen dem Parallelzweig, bestehend aus --RR, Lr, C2, R2-- und dem Längszweig, bestehend aus - -R1'Re, Le-- gegeben ist.
Die Kapazitäten--CC und C,-sind im Übertragungsfrequenzband gegen- über dem Parallelzweig hochohmig und haben bei der Einstellung auf maximale Übertragungsdämpfung, d. h. bei niederohmigem Richtleiter, im Durchlassbereich des Verstärkers keinen wesentlichen Einfluss auf dessen Amplitudenabhängigkeit von der Betriebsfrequenz (Amplitudengang). Die Feineinstellung des Amplitudenganges in diesem Regelzustand wird mit Hilfe des Kondensators-C-, der z. B. als
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in diesem Fall wie eine Kappazität --CR--. Das Erastzschalthild für diesen Fall, d. h. für minimale Übertragungsdämpfung des Netzwerkes, ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 liegt parallel zu der Strom- quelle-J-die Parallelschaltung der Kondensatoren --CC. C1 und CR--.
Die Elemente des Längs- zweige Re-Le--sind ebenso wie in Fig. 2 gegeben. Das Netzwerk hat somit Tiefpasscharakter. Durch den veränderbaren Kondensator der beispielsweise als Trimmerkondensator ausgebildet ist, lässt sich die Gesamtkapazität im Parallelzweig einstellen und damit ein maximal flacher Amplitudengang der Stufe erreichen. Hiezu ist es erforderlich, dass folgende Gleichung erfüllt wird :
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Es ist vorteilhaft, wenn die Grenzfrequenz des Tiefpasses möglichst weit über dem Übertragungsfrequenzband liegt. Die Grenzfrequenz des Netzwerkes ist gegeben durch die Gleichung
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Meist genügt es, wenn die Grenzfrequenz den doppelten Wert der höchsten Frequenz des Übertragungsfrequenzbandes hat. In diesem Fall fliesst dann praktisch der gesamte Signalwechselstrom ohne
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Bei einer derartigen Dimensionierung der Schaltung nach Fig. 1 bleibt im Ubertragungsfrequenzbereich der Amplitudengang des Koppelnetzwerkes bei allen Einstellungen des Richtleitervorstromes zwischen maximaler und minimaler Dämpfung praktisch konstant. Auch der Laufzeitgang des Dämpfungsnetzwerkes ist praktisch nicht mehr störend, weil die Grenzfrequenz des durch den Dämpfungsvierpol gebildeten Tiefpasses weit oberhalb der höchsten Betriebsfrequenz liegt.
Die erfindungsgemässe Schaltung zeichnet sich somit durch eine ebene Durchlasskurve und eine praktisch konstante Gruppenlaufzeit für eine sehr grosse Bandbreite innerhalb des gesamten Regelbereiches aus. Weiterhin ist die Durchlasskurve beim Minimalwert und beim Maximalwert der Dämpfung mit je einem Trimmerkondensator unabhängig voneinander einstellbar und der Minimalwert der Dämpfung des Koppelnetzwerkes kann praktisch gleich null Dezibel gewählt werden.
Bei Verwendung der erfindungsgemässen Schaltung zur Pegelregelung in Verstärkern ist ein Dämpfungsregelbereich bis etwa 15 dB ohne weiteres erreichbar. In Breitbandverstärkern, bei denen an den Laufzeitgang und an den Amplitudengang des Verstärkers grössere Anforderungen gestellt werden, ist es vorteilhaft, einen Regelumfang von etwa 10 dB nicht zu überschreiten. Die Verstärkung der vorausgehenden Stufe sollte der Maximaldämpfung des nachfolgenden Dämpfungsreglers angepasst sein, d. h. etwa dieser gleich sein.
Für Breitbandverstärker, z. B. mit einer Bandbreite von etwa 40 MHz und einer zulässigen Frequenz-
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gangänderung von etwa 0,5 Dezibel, erhält ein Regelvierpol vorteilhaft einen Regelbereich von etwa 10 bis 15 Dezibel. Da derartige Verstärker in der Praxis einen grösseren Regelbereich haben müssen, ist in der Weise vorzugehen, dass, wie in Fig. 5 angedeutet, mehrere Regelvierpole vorgesehen werden, die über vorzugsweise mehrstufige Transistorverstärker verbunden sind. Bei Schmalbandverstärkern gibt man dem Regelvierpol unter Umständen einen grösseren Regelbereich.
Den Verstärkungswert der zwischen aufeinanderfolgenden Regelvierpolen liegenden Verstärkerstufen bemisst man dann zweckmässig im Absolutwert etwa gleich der maximal möglichen Übertragungsdämpfung des jeweils vorausgehenden Regelvierpols.
Die einzelnen Regelvierpole könnten an sich alle gleichzeitig geregelt werden. Für einen Breitbandverstärker, beispielsweise für einen Frequenzbereich von 50 bis 90 MHz, ist es jedoch vorteilhaft, eine bevorrechtigte Regelung in der Weise vorzunehmen, dass bei ansteigendem Eingangspegel zunächst der in Übertragungsrichtung letzte Regelvierpol des gesamten Verstärkers wirksam wird, u. zw. so lange, bis er seine maximale Übertragungsdämpfung erreicht. Bei weiter ansteigendem Eingangspegel behält dieser Regelvierpol seine maximale Übertragungsdämpfung bei und der unmittelbar vorausgehende Regelvierpol wird wirksam gemacht, u. zw. ebenfalls bis er seinen Maximalwert erreicht.
Steigt der Eingangspegel noch weiter an, so bleiben beide Regelvierpole auf ihrem maximalen Übertragungsdämpfungswert eingestellt und der nächste unmittelbar vorausgehende Regelvierpol wird in gleicher Weise wirksam gemacht.
Diese Art der Bevorrechtigung, der hinsichtlich der Anzahl der Regelvierpole keine Grenzen gesetzt sind, hat für Breitbandverstärker den grossen Vorteil, dass die Frequenzcharakteristik des Verstärkers innerhalb des Regelbereiches günstig beeinflusst werden kann. Man kann nämlich in den einzelnen Regelvierpol frequenzabhängige Widerstände so einfügen, dass sich für minimale Übertragungsdämpfung des Vierpols und für maximale Übertragungsdämpfung desselben praktisch gleiche Frequenzcharakteristiken ergeben. Nur in dem dazwischenliegenden Regelbereich ist dann eine geringfügige Änderung der Frequenzcharakteristik gegeben.
Da bei der bevorrechtigten Regelung jeweils nur ein Regelvierpol diese Änderung der Frequenzcharakteristik zeigen kann, wird somit auch bei vielen Regelstufen, entsprechend einem sehr grossen Regelbereich, die Änderung der Frequenzcharakteristik des Gesamtverstärkers sehr gering gehalten. Ausserdem wird durch diese Bevorrechtigung der Regelung erreicht, dass die Rauschzahl des Verstärkers bei sich änderndem Eingangssignal möglichst klein bleibt.
Die Ableitung der Regelspannungen vor allem hinsichtlich der Bevorrechtigung zwischen den Regel- vierpolen--1, IIundII1-kanninderWeise erfolgen, dass die Ausgangsspannung des Verstärkers in-D- gleichgerichtet und drei Regelspannungsstufen-I', II', III'-parallel zugeführt wird. Jeder dieser Regelspannungsstufen ist ein bestimmter von Regelspannungsstufe zu Regelspannungsstufe steigender Schwellwert der gleichgerichteten Spannung zugeordnet, ab dem die Stufe wirksam wird.
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