DE2751566C2 - Entzerrungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Entzerrungsschaltung für Breitbandverstärker der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art, wie sie aus »A. E. Ü.« 14 (1960), Seilen 204 bis 216 bekannt ist. Der Widerstand des Netzwerkes kann hierbei durch eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode ersetzt werden. Diese Druckschrift beschäftigt sich in erster Linie mit Maßnahmen zur Verbesserung der Kreuzmodulationsfestigkeit.

Entzerrungsschaltungen sind insbesondere für Zwischenverstärker von Koaxialkabeln von Bedeutung.

Die Datenübertragung mit Hilfe von Trägerströmen über gröi3ere Entfernungen erfordert, daß zum Ausgleich der Dämpfungsverluste in den Koaxialkabeln eine Vielzahl (bis zu einigen hundert) von Leitungsverstäfkern in der Übertragungsleitung vorgesehen sein

müssen.

An diese Verstärker werden sehr hohe Anforderungen gestellt, um die Qualitätsanforderungen, die von der CCITT empfohlen werden, zu erfüllen, insbesondere hinsichtlich der Störungen durch Intermodulation, von denen vor allem diejenige der dritten Ordnung störend ist, da sie mit dem Quadrat der Anzahl der Zwischenverstärker anwächst

Einer der Hauptgründe der Intermodulationsstörung in Transistorverstärkern ist der sogenannte Varaktoreffekt der darin besteht daß sich die Basis-Kollektor-Kapazität der Transistoren im Rhythmus des Signales ändert und eine Intermodulationsstörung erzeugt, die in Abhängigkeit von der Frequenz und dem Leistungspegel zunimmt. Dies letztere ist von Bedeutung für Endstufentransistoren bei Zwischenverstärkern für Übertragungsleitungen großer Kapazität

Es ist bekannt diesen Schwierigkeiten dadurch abzuhelfen, daß Spezialtransistoren verwendet werden, die mit relativ großen Strömen und Vorspannungen a; beiten. Nachteilig ist hierbei, daß teure Spezialtransistoren erforderlich sind die den Energieverbrauch eines Zwischenverstärkers erhöhen und gleichzeitig seine Zuverlässigkeit herabsetzen.

Des weiteren ist es bekannt, eine Entzerrung der Verstärker entweder durch Gegenkopplung oder durch Vorwärtskopplung, die in der englischen Literatur als »feed forward« bezeichnet wird, vorzunehmen, wobei das verstärkte Signal dadurch entzerrt wird, daß die Störungsanteile in Gegenphase dem Ausgangssignal zugefügt werden. Nachteilig ist, daß der hierbei notwendige Phasenabgleich kompliziert ist und Stabilitätsprobleme hinzutreten können, falls die Entzerrungsschaltung eine Gegenkopplungsschaltung ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entzerrungsschaltung der eingangs genannten Art dahin zu verbessern, daß die durch den o. g. Varaktoreffekt hervorgerufenen Verzerrungen weitgehend kompensiert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruches 1 beschrieben.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Entzerrungsschaltung nach der Erfindung in einem Verstärker mit einem Transistor in Emitterschaltung;

F i g. 2 eine weitere Ausführungsform der Entzerrungsschaltung bei Anwendung in einer Verstärkungsstufe mit einer Kollektorschaltung gefolgt von einer Basisschaltung.

Gemäß F i g. 1 enthält ein npn-Transistor 1 an seiner Basis 2 eine Wechselspannung, die von einem Generator 3 mit Innenwiderstand R\ geliefert wird. Sein Kollektor 4 ist an eine Ausgangsklemme 5 und an eine positive Vorspannungsquelle B\ über einen Widerstand Ri angeschlossen. Sein Emitter 6 liegt über einem Widerstand /?5 an Masse. Der Emitter 6 ist des weiteren mit jeweils einer Seite von zwei Kondensatoren Ci und Ci verbunden, deren andere Seiten jeweils über die Anoden-Kathoden-Strecke einer Varaktordiode (Kapazitätsdiode) 10 und die Kathoden-Anoden-Strecke einer Varaktordiode 11 an Masse liegen. Eine negative Vorspannungsquelle Bi versorgt die Anode der Varaktordiode 10 über einen Widerstand Rj, während eine positive Vorspannungsquelle Bi die Kathode der Varaktor-

diode 11 über einen Widerstand /?₄ versorgt.

Diese Verstärkerstufe in Emitterschaltung liefert an ihrem Ausgang 5 verstärkte Signale, die denjenigen an der Basis 2 entsprechen.

Die Basis-Kollektor-Grenzschicht dieses Transistors ist die Ursache eines störenden Varaktoreffektes, der mit Hilfe eines Ersatzschaltbildes veranschaulicht werden kann, das eine variable Störkapazität C_p enthält, die sich im umgekehrten Sinne wie die an die Kapazität über einen Widerstand R_p angelegte Spannung ander.

Diese SchrJtung weist für ein Übertragungssignal der Kreisfrequenz ω eine Übertragungsfunktion T_p auf, für die gilt:

Man erhält folglich eine Übertragungsfunktion:

7V =

des in der Korrekturschaltung fließenden Wechselstroms, die gleich dem Reziproken der Übertragungsfunktion T₁, der die Störung beschreibenden Ersatzschaltung gemäß G leichung (1) ist.

Die Schaltungen bzw. die Ersatzschaltungen mit den Übertragungsfunktionen 7", und T_p sind in Serie geschaltet und die resultierende Übertragungsfunktion Tr wird durch das Produkt Γ, χ T_p gegeben. Es gilt:

T =

_T = _K

l+jR_nC_pa>

wo C_p sich in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ändert. Das Änderungsgesetz ist eine charakterisiische Eigenschaft des verwendeten Transistors. Es besitzt die Form:

Q=C_n(I + aV+bV² + ...)

wobei C₁, die Ruhekapazität, d. h. die Kapazität bei Abwesenheit des Wechselspannungssignales, darstellt.

a und b sind Parameter, die die Nichtlinearität des Systems kennzeichnen und die für die Intermodulationsstörungen der zweiten Ordnung durch lineare Veränderung der Kapazität in Abhängigkeit der Signalamplituden und für die Intermodulationsstörungen der dritten Ordnung durch Veränderung der Kapazität in quadratischer Abhängigkeit von der Signalamplitude verantwortlich sind.

Diese Störungen oder Verzerrungen werden durch eine Korrektur- oder Entzerrungsschaltung gemäß der Erfindung, die in den Emitterkreis des Transistors 1 geschaltet ist, kompensiert.

In dieser Schaltung üben die Kondensatoren Ci und Ci eine Trennfunktion für die Vorspannungen (Gleichspannungen Ö2 und Bi aus. Die Kondensatoren C\ und Q weisen eine Impedanz auf, die für die zu verstärkenden Wechselströme vernachlässigbar klein ist. Die Widerstände /?3 und Ra sind groß gegenüber den Impedanzen der Varaktordioden 10 und 11 für dieselben Ströme, die folglich eine Impedanz Ze des Emitterkreises »sehen«. Der Emitterkreis besteht aus dem Widerstand Rs, der parallel mit einer variablen Kapazität Cv geschaltet isi, die aus den gegensinnig geschalteten Varaktordioden 10 und 11 besteht. Für diese Impedanz gilt:

Zr =

+jR₅C_vü> '

wobei ω die Kreisfrequenz des übertragenen Wechselstromes ist.

Wenn die Stromverstärkung β des Transistors wesentlich größer als 1 ist und wenn der Innenwiderstand R\ des Generators 3 vernachlässigbar gegenüber dem Produkt ßZ\ ist, ist die Stufenverstärkung, d. h. das Verhältnis der Spannung an den Klemmen des Lastwidersuindes R: zu der von dem Generator 3 abgegebenen Spannung, gegeben durch:

>■ - ^R2 _ /?3 ,

Die Störung wird aufgehoben, wenn Tr unabhängig von Cv und C₉ ist. Dies wird erhalten, wenn R$ = R_n und wenn C, = Cp. Die letztere Gleichung bestimmt die Wahl der Varaktordioden 10 und 11 sowie die Wahl ihrer Arbeitspunkte, die durch die Einstellung der Vorspannungen B₂ und S₃ getroffen wird.

Die im folgenden anhand von F i g. 2 beschriebene Entzerrungsschaltung gemäß der Erfindung dient als Verbindung zwischen einem Eingangstransistor in Kollektorschaltung und einem Ausgangstransistor in Basisschaltung.

Gemäß Fig. 2 erhält ein npn-Transistor 11 an seiner Basis 12 eine Wechselspannung, die von einem Generator 13 mit einem Innenwiderstand An geliefert wird. Sein Kollektor 14 ist mit einer positiven Spannungsquelle Ba und sein Emitter 16 über einen Widerstand R\? mit dem Emitter 26 eines Transistors 21 verbunden. Die Basis des Transistors 26 liegt an Masse und sein Kollektor 24 steht mit der Ausgangsklemme 25 und mit einer positiven Spannung 05 über einen Lastwiderstand R\ 2 in Verbindung. Eine Korrektur- oder Entzerrungsschaltung, analog der in F i g. 1 dargestellten, liegt zwischen den Emittern 16 und 26 und besteht neben dem bereits erwähnten Widerstand Rr, aus zwei zu diesem parallelen Zweigen, von denen der erste eine Varaktordiode 30 in Serie mit einem Kondensator Cn und der zweite einen Kondensator Cu in Serie mit einer Varaktordiode 31 enthält. Schließlich sind die Anoden der Varaktordioden 30 und 31 jeweils mit negativen Spannungen Bw und Bu über entsprechende Widerstände Äu und /?n verbunden.

Wenn die Stromverstärkungen der beiden Transistoren weit größer als Eins sind, wenn der Widerstand R\\ der Quelle vernachlässigbar ist und unter der Annahme, daß die Eingangsimpedanz des Transistors 21 in Basisschaltung klein gegenüber der Impedanz der Korrekturschaltung ist, erhält man für die Spannungsverstärkung:

wobei Zl· die Impedanz des Emitterkreises des Transistors 11 ist, die, unter den vorstehend genannten Bedingungen, sich auf die Impedanz der Korrekturschaltung beschränkt. Und zwar gilt:

wobei C\ die Kapazität der gegensinnig geschalteten Varaktordioden 30 und 31 ist.

Man erhält folglich dieselben Bedingungen, wie bei der Schaltung gemäß Fig. i, wobei in diesem Fall C\ gewählt wird, um den Varaktoreffekt zweier Transistoren, nämlich der Transistoren 11 und 21, zu kompensieren.

Die beschriebenen Schaltungen wurden mit MOTO-ROLA-Transistoren Typ 2N5109 und mit Varaktordioden mit hyperscharfem pn-übergang (MOTOROLA Typ MV1404) untersucht. Diese Transistorentypen wurden für die Entzerrungsschaltung zusammen mit zwei gegensinnig geschalteten Varaktordioden, entsprechend einer der zahlreich möglichen Schaltungsvarianten, verwendet.

Bei anderen Transistoren kann es sich als notwendig erweisen, daß andere Typen von Varaktordioden in Serie und/oder parallel geschaltet werden müssen.

Obgleich die Speisung der Entzerrungsschaltung durch einen Emitterkreis auf einfache Weise die Bedingung eines geringen Innenwiderstandes erfüllt, kann die Entzerrungsschaltung auch anders angeschlossen werden, insbesondere zwischen den Kollektor eines ersten Transistors und die Basis eines zweiten Transistors, unter der Bedingung, daß der erste Transistor einen ausreichend geringen Lastwiderstand besitzt und daß der zweite Transistor mit relativ hohen Strömen arbeitet und dementsprechend eine geringe Eingangsimpedanz besitzt.

Die Untersuchungen haben gezeigt, daß mit der beschriebenen Schaltung die Intermodulationsieistung für alle Frequenzen des Netzfrequenzbereichs von Breitbandverstärkern um bis zu 1OdB reduziert werden konnte.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Entzerrungsschaltung für Breitbandverstärker, mit mindestens einem Transistor in Emitter- oder Kollektorschaltung, zu dessen Basis-Emitter-Übergang ein Netzwerk aus einer kapazitiven Impedanz parallel zu einem Widerstand in Serie geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Impedanz (10,11; 30, 31) zur Kompensation der Verzerrungen, die durch die in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals sich ändernde Basis-Kollektor-Kapazität verursacht sind, aus mindestens einem Element (10,11; 30,31) besteht, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von seiner Klemmenspannung nach einer Übertragungsfunktion ändert, die reziprok zu der von der Basis-Kollektor-Kapazität erzeugten Übertragungsfunktion ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1 für einen Verstärker mit einem Transistor in Emitterschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Impedanz zwei Varaktordioden (10,11) aufweist, daß die Anode der einen Varaktordiode und die Kathode der anderen Varaktordiode gemeinsam auf einem festen Potential liegen, daß die beiden anderen Elektroden der Varaktordioden einerseits mit dem Emitter des Transistors (1) über Trennkondensatoren (Q, Cj) und andererseits mit einstellbaren Vorspannungsquellen (B2. Bi) verbunden sind, die für die beiden Varaktordioden entgegengesetztes Vorzeichen haben.

3. Schaltung nach Anspruch 1 für einen zweistufigen Verstärker mit einem ersten Transistor in Kollektorschaltung, dessen Emitter an denjenigen eines zweiten Transistors in Basisschaltung angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Impedanz zwei gegensinnig parallel geschaltete Varaktordioden (30, 31) aufweist und die Kathode der ersten Varaktordiode (30) mit dem Emitter des ersten Transistors (11), die Kathode der zweiter* Varaktordiode (31) mit dem Emitter des zweiten Transistors (21), die Anode der ersten Varaktordiode (30) über einen Trennkondensator (Q\) mit dem Emitter des zweiten Transistors (21), die Anode der zweiten Varaktordiode (31) über einen zweiten Trennkondensalor (Cn) mit dem Emitter des ersten Transistors (11) verbunden ist und daß die Anoden der Varaktordioden (30,31) jeweils mit einer einstellbaren Vorspannungsquelle (B\\, #12) in Verbindung stehen.