-
Transistor-Gegentaktverstärker, insbesandere zur Verwendung als Leitungsverstärker
in Trägerfrequenz-Nachrichtenübertragungssystemen Die Erfindung betrifft einen Transistor-Gegentaktverstärker,
insbesondere zur Verwendung als hochwertiger Leitungsverstärker in Trägerfrequenz-Nachrichtenübertragungssystemen,
der mit einer kombinierten Strom- und Spannungsgegenkopplung versehen ist. Eine
derartige kombinierte Gegenkopplung erlaubt bekanntlich (vgl. FTZ, 1954, Heft 7,
S. 362 bis 370) eine Änderung der Verstärkung durch Änderung des Gegenkopplungsgrades,
ohne daß sich dabei die vorhandene Anpassung an den Belastungswiderstand ändert.
-
Bei der bekannten klassischen Gegentaktschaltung ist eine derartige
kombinierte Gegenkopplung nicht zu verwirklichen, da es keinen Zweig in der Schaltung
gibt, durch den beide Ausgangsströme der in Gegentakt betriebenen. Transistoren
in der richtigen Phasenlage hindurchfließen.
-
Eine bekannte, für diesen Zweck geeignete spezielle Gegentaktverstärkerschaltung
für A-Betrieb (vgl. Transitron, Transistor-Datenblatt B-3-56) ist in Fig.l dargestellt.
Die Schaltung umfaßt einen normalen Vorverstärker V1, der die an seinem Eingang
vorhandene Wechselspannung u1 um den Verstärkungsfaktor v vergrößert an die in seinem
Ausgang liegende Primärwicklung 1 eines Gegentakt-Eingangsübertragers U1 liefert.
Die Sekundärwicklungen 2 und 3 dieses Übertragers liegen in den Eingangskreisen
zweier in Emitterschaltung betriebener TransistorenTl und TZ der Verstärkerendstufe.
Die Emitter-Kollektor-Strecken der beiden Transistoren sind gleichstrommäßig in
Serie geschaltet. Widerstände REl und RE2 in den Emitterzuleitungen bewirken eine
Eigengegenkopplung der jeweiligen Verstärkerstufe. Die Arbeitspunkteinstellung der
beiden Transistoren erfolgt mittels eines über der Betriebsspannung UB liegenden
Spannungsteilers aus drei Widerständen R4, R5 und R6. Zwischen der gemeinsamen Klemme
der Widerstände R4 und RS einerseits und der dem Basisanschluß des Transistors T2
abgewandten Klemme der Wicklung 3 andererseits ist eine Drossel L eingeschaltet,
die für Gleichstrom eine niederohmige und für Wechselstrom eine sehr hochohmige
Impedanz darstellt. Der an den Klemmen A und B liegende Ausgangskreis
der Gegentaktendstufe besteht aus einer Serienschaltung dreier Widerstände R1, R2,
R3 und einem Ausgangsübertrager Ü2, dessen Primärwicklung 4 parallel zur Serienschaltung
der Widerstände R1 und R2 liegt und dessen Sekundärwicklung 5 mit dem Arbeitswiderstand
Ra des Verstärkers verbunden ist. Die kombinierte (strom- und spannungsabhängige)
Gegenkopplungsspannung ug wird zwischen den Widerständen R1 und R2 einerseits und
dem Massepunkt (Potential 0) andererseits abgenommen und über ein um den
Dämpfungsfaktor ß veränderbares Dämpfungsnetzwerk D in Serie zur Eingangsspannung
u1 des Verstärkers V1 geschaltet. Die an den Eingangsklemmen a, b des Gesamtverstärkers
benötigte Steuerspannung uo setzt sich somit aus der Summe der Gegenkopplungsspannung
ßug und der Vorverstärker-Eingangsspannung u1 zusammen. Die Widerstände R1, R2,
R3 und der zwischen den Punkten A und B in die Schaltung hineingesehene
Innenwiderstand Ri bilden eine Brücke, in deren einem Diagonalzweig die Primärwicklung
des Übertragers ü2 liegt und an deren anderem Diagonalzweig die kombinierte Gegenkopplungsspannung
ug abgenommen wird. Der von der Ausgangsspannung ua herrührende Anteil der Gegenkopplungsspannung
wird über dem Spannungsteilerwiderstand R2 abgenommen. Der vom Ausgangsstrom herrührende
Anteil der Gegenkopplungsspannung wird über dem phasenrichtig durchflossenen Widerstand
R3 gebildet.
-
Dieser bekannten Schaltung haften folgende Nachteile an: 1. Der wechselstrommäßige
Bezugspunkt A des oberen Teiles der Gegentaktendstufe mit dem Transistor T2 liegt
nicht, wie üblich, an Erde, sondern an der zwischen den Punkten A und
B
auftretenden Nutzspannung n1 - ua, worin n1 und 2 n2 die Windungszahlen
der Wicklungen 4 und 5 des Übertragers Ü2 bedeuten. Bei breitbandigen Verstärkern
kann daher die zwischen dem
genannten Schaltungsteil und Erde auftretende
Kapazität, die parallel zu dem auf die Primärseite des Ausgangsübertragers U2 übersetzten
Arbeitswiderstand Ra liegt, das zu übertragende Frequenzband nach hohen Frequenzen
unzulässig stark begrenzen.
-
2. Der in der Gegentaktendstufe zur Einstellung der Arbeitspunkte
der Transistoren benötigte Basisspannungsteiler, der aus den Widerständen R4, RS
und RB besteht, würde bei Fehlen der Drossel L wechselstrommäßig mit dem Wert
zwischen den Punkten A und B, d. h. parallel zu dem auf die Primärseite
des Ausgangsübertragers U2übersetztenArbeitswiderstandRa, liegen und somit eine
unerwünschte Belastung der Gegentaktendstufe darstellen. Dieser Spannungsteiler
muß bei einer guten Stabilisierung des Arbeitspunktes über der Umgebungstemperatur
bzw. zur weitgehenden Ausschaltung von Exemplarstreuungen der Transistoren relativ
niederohmig gewählt werden, so daß die dadurch zusätzlich entstehende Ausgangsbelastung
des Verstärkers nicht mehr tragbar ist. Dieser Nachteil kann zwar durch den Einbau
der Drossel L weitgehend ausgeschaltet werden. Diese Drossel muß aber bei einem
breitbandigen Leitungsverstärker über einen großen Frequenzbereich eine sehr hohe
Impedanz darstellen und ist daher, wenn überhaupt, nur mit sehr großem Aufwand zu
realisieren.
-
Die Nachteile der bekannten Schaltung werden erfindungsgemäß dadurch
vermieden, daß der gemeinsame Ausgangskreis der Transistoren aus einem mit dem Arbeitswiderstand
des Verstärkers belasteten Gegentakt-Ausgangsübertrager besteht, dessen Primärwicklungen
über die Serienschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes miteinander verbunden
sind, und daß über dessen eine, nicht direkt anMasse liegende Primärwicklung ein
Spannungsteiler aus zwei Widerständen geschaltet ist, zwischen dessen Abgriff Punkt
und Masse die kombinierte Gegenkopplungsspannung abgenommen und dem Eingang der
Gegentakt-Endstufe oder einerVorstufe über ein regelbares Dämpfungsnetzwerk zugeführt
ist.
-
Soll der Verstärker im A-Betrieb arbeiten, so ist die Bemessung so
zu wählen, daß die Bedingung erfüllt ist: RiR2 =2R,'R,, worin Ri den Innenwiderstand
einer Einzelstufe der Gegentaktstufe, R, und R2 die Spannungsteilerwiderstände und
R3 den resultierenden Widerstand aus der Parallelschaltung des Widerstandes der
Serienschaltung und der Basisspannungsteilerwiderstände bedeuten.
-
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung zeigen die Fig.
2 und 4, während die Fig. 3 die wechselstrommäßige Ersatzschaltung der Fig.2 darstellt.
-
In Fig. 2 speist die vom Vorverstärker V, gelieferte Spannung vu,
über die Sekundärwicklungen 2, 3 des Eingangsübertragers Ü, die Eingangskreise
der Transistoren T, und T2; deren Emitter-Kollektor-Strecken über die Emittervorwiderstände
RE, und RE, und die beiden Primärwicklungen 4' und 4" des Gegentakt-Ausgangsübertragers
UZ gleichstrommäßig in Reihe geschaltet sind.
-
Die Gleichstromarbeitspunkte der beiden Transistoren werden mit Hilfe
eines über der Betriebsspannung UB liegenden Basisspannungsteilers, der aus den
Widerständen R7, R$ und R9 besteht, eingestellt. Der Spannungsabfall am Widerstand
R9 bestimmt in erster Linie den durch die beiden Transistoren fließenden Strom,
während der mit Hilfe von R$ eingestellte Potentialunterschied zwischen dem zwischen
den Widerständen R, und R8 liegenden Punkt M und der vom Emitter des TransistorsT2
abgewandten Klemme N des Widerstandes RE, die Spannungsverteilung an den beiden
Transistoren bestimmt. RE1 und RE, sind zwei in die Emitterzuleitungen der TransistorenT,
und TZ eingeschaltete Widerstände, die eine Gleichstromgegenkopplung der beiden
Transistorstufen bewirken und damit deren Arbeitspunkte gegenüber Schwankungen der
Umgebungstemperatur, der Betriebsspannung und Transistorstreuungen stabilisieren.
Sofern die Widerstände RE, und RE, wechselstrommäßig nicht überbrückt werden, bewirken
sie außerdem für das Nutzsignal eine Wechselstromgegenkopplung der jeweiligen Stufe.
-
Der gemeinsame Ausgangskreis der Transistoren besteht aus einem mit
dem Arbeitswiderstand Ra des Verstärkers belasteten Gegentakt-Ausgangsübertrager
Ü2, dessen Primärwicklungen 4' und 4" über die Serienschaltung eines
Kondensators C3 und eines Widerstandes R3 miteinander verbunden sind. Über die nicht
direkt an Masse liegende Primärwicklung 4"
ist ein Spannungsteiler aus zwei
Widerständen R, und R2 geschaltet. Diese Widerstände bilden zusammen mit der Impedanz
der Reihenschaltung C,R3 und dem in die Schaltung gesehenen Innenwiderstand die
Zweige einer Brücke, in deren einer Diagonale die Primärwicklung 4" des Ausgangsübertragers
UZ liegt und an deren anderer Diagonale die kombinierte Gegenkopplungsspannung abgenommen
wird. Zur Erläuterung des Wechselstromverhaltens dieser im Gegentakt-A-Betrieb arbeitenden
Verstärkerschaltung ist in der Ersatzschaltung nach Fig. 3 nur das hierfür Nötige
eingetragen, wobei die Transistoren jeweils durch eine Ersatzschaltung Ti bzw. T.,'
dargestellt sind, die im Eingangskreis einen Widerstand Re enthält und deren Ausgangskreis
durch eine von dem Spannungsabfall u, am Eingangswiderstand Re gesteuerte Spannung,uue
und dem in Serie liegenden Innenwiderstand Ri dargestellt ist. Der Betrag des Scheinwiderstandes
der Kapazitäten Cl, C2, C3 und C4 soll klein sein gegenüber den zu ihnen in Serie
oder parallel liegenden Widerständen, so daß sie für die zu übertragenden Wechselstromsignale
als Kurzschlüsse angesehen werden können und daher bei der Betrachtung des Wechselstromverhaltens
unberücksichtigt bleiben können.
-
An Hand der Fig. 3 ist leicht zu erkennen, daß der wechselstrommäßige
Bezugspunkt N des den Transistor TZ enthaltenden oberen Teiles der Schaltung im
Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 1 nur noch um den relativ kleinen Spannungsabfall
an der Parallelschaltung der Widerstände R3, R7 und R8 über dem Massepotential liegt.
Schaltungskapazitäten, die von diesem oberen Teil der Schaltung gegen Erde auftreten,
liegen nur noch parallel zu dem (gegenüber der bekannten Schaltung) sehr viel kleineren
resultierenden
Widerstand R3 der Parallelschaltung der Widerstände
R3, R7 und R3. Die Grenzfrequenz der Verstärkung wird somit erheblich höher. Die
von dem Basisspannungsteiler R, R8, R9 herrührende Ausgangsbelastung fällt weg,
da die Parallelschaltung der Widerstände R, und R$ des Basisspannungsteilers in
den resultierenden Stromgegenkopplungswiderstand R3 einbezogen werden kann. Durch
den resultierenden Widerstand fließen die Nutzwechselströme der beiden in Gegentakt-A
betriebenen Transistoren in der richtigen Phasenlage. Der über R3 entstehende Spannungsabfall
stellt die dem Strom von beiden Transistoren proportionale Gegenkopplungs-Teilspannung
dar. Über dem Spannungsteilerwiderstand R2 wird eine der Ausgangsspannung proportionale
Gegenkopplungs-Teilspannung abgenommen, die über die beiden gekoppelten Wicklungen
4' und 4" des Ausgangsübertragers UZ ebenfalls von beiden Stufen TZ und T1 der Gegentaktschaltung
herrührt.
-
Der in die Ausgangsklemmen c und d hineingesehene Scheinwiderstand
Wb ist unabhängig von der Größe der gegengekoppelten Spannung ß u9, wenn die Bedingung
Ri R2 = 2 R3 R1 erfüllt ist. Sein Wert ist dann
wobei n2 die sekundärseitige Windungszahl des Ausgangsübertragers UZ und n1 die
Summe der beiden einander gleichen primärseitigen Windungszahlen dieses Übertragers
bezeichnet.
-
Die Verstärkung V des gesamten Verstärkers ist gegeben durch die bekannte
Beziehung für gegengekoppelte Verstärker:
aus der hervorgeht, daß sich die Verstärkung Y bei einer Änderung des Gegenkopplungsfaktors
K mittels ß ändert. V, ist die Gesamtverstärkung des Verstärkers ohne Gegenkopplung.
K ist eine Funktion von ß.
-
Für Gegentakt-Ausgangsstufen, die nicht nur im A-Betrieb, sondern
auch im B- oder C-Betrieb arbeiten sollen und bei denen ebenfalls die Forderung
besteht, daß der Ausgangsscheinwiderstand unabhängig von einer Änderung der Verstärkung
durch Änderung der Gegenkopplung sein muß, kann die Schaltung nach Fig. 4 verwendet
werden.
-
Zum Unterschied gegenüber der Schaltung nach Fig.2 ist die Betriebsspannungsquelle
mit einer Mittelanzapfung versehen, die mit der gemeinsamen Klemme des Kondensators
C3 und des Widerstandes R3 verbunden ist. Die beiden Transistoren werden getrennt
jeweils mit der halben Betriebsspannung 1/2 UB betrieben. In diesem Falle
ist es zweckmäßig, für jeden Transistor den Arbeitspunkt getrennt mit Hilfe von
Widerständen Rlo, R11 bzw. R,", R,; einzustellen, die jeweils als Spannungsteiler
über die halbe Betriebsspannung geschaltet sind.
-
Für reinen A-Betrieb können zur Verstärkungserhöhung die Widerstände
R11, R" und RE1, RE,
durch Kapazitäten wechselstrommäßig kurzgeschlossen werden.
Bei reinem B-Betrieb werden zweckmäßig die Widerstände Rlo und R,ä = --%D und die
Widerstände R11 und R,i = 0 gewählt.
-
Der Ausgangsscheinwiderstand WS - gemessen zwischen den Punkten c
und d -ist bei B- und C-Betrieb unabhängig von der Änderung der Verstärkung im Gegenkopplungsweg
mittels ß, wenn die Bedingung Ri R2 = R, R3 erfüllt ist.
-
Sein Wert ist dann
Für A-Betrieb gelten die zuvor angegebenen Beziehungen Ri R2 = 2 R, 'R,
und
unverändert auch hier, wobei R3 den resultierenden Widerstand aus der Parallelschaltung
des Widerstandes R3 und der Serienschaltung aus den Widerständen Rlo und R11 bedeutet.
-
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. So können insbesondere an Stelle von in Emitterschaltung betriebenen
Transistoren auch solche, die in Basis- oder Kollektorschaltung betrieben sind,
verwendet werden.