DE102007059350B4 - Impedanzabbildende Verstärkerschaltung mit ausschließlich reaktiver Gegenkopplung und Reihenschaltung - Google Patents
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Abstract
Verstärkerschaltung,
– wobei die Verstärkerschaltung ein Transistorelement (2) aufweist, das einen Eingangsanschluss (3), einen Ausgangsanschluss (4) und einen dritten Anschluss (5) aufweist,
– wobei dem Eingangsanschluss (3) ein zu verstärkendes Eingangssignal (E) zugeführt wird,
– wobei am Ausgangsanschluss (4) das verstärkte Eingangssignal (E) als Ausgangssignal (A) abgegeben wird,
– wobei der Eingangsanschluss (3) mit dem Ausgangsanschluss (4) über eine Induktivität (6) verbunden ist,
– wobei der dritte Anschluss (5) über eine Kapazität (7) mit einem Nullpotenzial verbunden ist,
– wobei ein Induktivitätswert (L) der Induktivität (6) und ein Kapazitätswert (C) der Kapazität (7) die Beziehungen erfüllen, wobei L der Induktivitätswert, C der Kapazitätswert, ω0 eine mit 2π multiplizierte Nennfrequenz (f), g ein bei der Nennfrequenz (f) wirksamer Verstärkungsfaktor, ZE die am Eingangsanschluss (3) wirkende gewünschte Eingangsimpedanz und ZA die am Ausgangsanschluss (4) angeschlossene Ausgangsimpedanz sind.
– wobei die Verstärkerschaltung ein Transistorelement (2) aufweist, das einen Eingangsanschluss (3), einen Ausgangsanschluss (4) und einen dritten Anschluss (5) aufweist,
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung,
- – wobei die Verstärkerschaltung ein Transistorelement aufweist, das einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen dritten Anschluss aufweist,
- – wobei dem Eingangsanschluss ein zu verstärkendes Eingangssignal zugeführt wird,
- – wobei am Ausgangsanschluss das verstärkte Eingangssignal als Ausgangssignal abgegeben wird.
- Derartige Verstärkerschaltungen sind allgemein bekannt. Bei ihnen ist in der Regel der Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss über einen ohmschen Widerstand verbunden. Der dritte Anschluss ist über einen weiteren ohmschen Widerstand mit einem Nullpotential verbunden. Eine derartige Verstärkerschaltung ist beispielsweise aus dem Prospekt „RF & Microwave Signal Processing Components” der Adams-Russell Corporation vom August 1990 bekannt. Dieser Verstärker arbeitet im Prinzip bereits recht gut, weist jedoch insbesondere bei einem relativ kleinen Verstärkungsfaktor schlechte Rauscheigenschaften auf.
- Aus der
DE 10 2005 038 442 A1 bzw. der korrespondierendenUS 2007/0040612 A1 - Aus der
US 5,164,682 A und derUS 4,156,173 A sind weitere Verstärkerschaltungen der eingangs beschriebenen Art bekannt. - Auch aus der
US 5,805,023 A ist eine Verstärkerschaltung der eingangs genannten Art bekannt. Bei dieser Verstärkerschaltung ist der Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss über einen ersten Blindwiderstand verbunden. Der dritte Anschluss ist über einen zweiten Blindwiderstand mit einem Nullpotenzial verbunden. Der zweite Blindwiderstand ist als Induktivität ausgebildet, und der erste Blindwiderstand als Kapazität. - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verstärkerschaltung zu schaffen, die auch bei einem relativ niedrigen Verstärkungsfaktor rauscharm arbeitet, bei der eine am Ausgang angeschlossene Lastimpedanz sich am Eingang in gleicher Höhe oder um einen Faktor skaliert ausbildet und die auch in magnetfeldbelasteten Umgebungen einsetzbar ist.
- Die Aufgabe wird durch eine Verstärkerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Reihenschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2, 4 und 5.
-
- L ist hierbei der Induktivitätswert, C der Kapazitätswert. ω0 ist eine mit 2π multiplizierte Nennfrequenz. g ist ein bei der Nennfrequenz wirksamer Verstärkungsfaktor. ZE und ZA sind die am Eingangsanschluss wirkende gewünschte Eingangsimpedanz und die am Ausgangsanschluss angeschlossene Ausgangsimpedanz.
- Das Transistorelement kann nach Bedarf ausgebildet sein. Insbesondere kann es alternativ als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor ausgebildet sein.
- Der Verstärkungsfaktor der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltungen ist frequenzabhängig. Wenn das Eingangssignal monofrequent oder relativ schmalbandig ist, ist die Verwendung einer Verstärkerschaltung in der Regel dennoch ausreichend. Wenn das Eingangssignal hingegen breitbandig ist, wird vorzugsweise eine Reihenschaltung verwendet, bei der zwei Verstärkerschaltungen miteinander in Reihe geschaltet sind. Beider weiteren Verstärkerschaltung ist die Induktivität zwischen dem dritten Anschluss der weiteren Verstärkerschaltung und dem Nullpotential angeordnet. Die Kapazität ist zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss der weiteren Verstärkerschaltung angeordnet. Bei der weiteren Verstärkerschaltung erfüllen der Induktivitätswert der Induktivität und der Kapazitätswert der Kapazität die Beziehungen
- Durch diese Ausgestaltung kompensieren sich die Frequenzabhängigkeiten der Verstärkerschaltungen gegenseitig, so dass über einen großen Frequenzbereich eine zumindest im Wesentlichen konstante Gesamtverstärkung erreicht werden kann.
- Auch bei der weiteren Verstärkerschaltung kann das Transistorelement alternativ als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor ausgebildet sein.
- Die beiden Verstärkerschaltungen können nahe beieinander angeordnet sein, insbesondere auch auf einer den Verstärkerschaltungen gemeinsamen gedruckten Schaltungsplatine. Dies ist jedoch nicht erforderlich. In einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann jede der Verstärkerschaltungen auf je einer eigenen gedruckten Schaltungsplatine angeordnet sein.
- Die beiden Schaltungsplatinen können im letztgenannten Fall weit entfernt voneinander angeordnet sein. Die Verstärkerschaltungen sind hierbei über ein geschirmtes Kabel miteinander verbunden, das einen geeigneten Wellenwiderstand aufweist.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
-
1 und2 je eine schematische Ausgestaltung einer Verstärkerschaltung, -
3 und4 je eine vollständige Beschaltung der Verstärkerschaltungen der1 und2 und -
5 eine Reihenschaltung zweier Verstärkerschaltungen. - Gemäß den
1 und2 weist eine Verstärkerschaltung1 ein Transistorelement2 auf. Das Transistorelement2 weist einen Eingangsanschluss3 , einen Ausgangsanschluss4 und einen dritten Anschluss5 auf. - Bei den Darstellungen gemäß den
1 und2 ist das Transistorelement2 als Bipolartransistor ausgebildet. In diesem Fall entspricht der Eingangsanschluss3 der Basis des Transistorelements2 , der Ausgangsanschluss4 dem Kollektor des Transistorelements2 und der dritte Anschluss5 dem Emitter des Transistorelements2 . Alternativ könnte das Transistorelement2 als Feldeffekttransistor ausgebildet sein. In diesem Fall entspräche der Eingangsanschluss3 dem Gate, der Ausgangsanschluss4 dem Drain und der dritte Anschluss5 der Source des Feldeffekttransistors. - Dem Eingangsanschluss
3 wird gemäß den1 und2 ein Eingangssignal E zugeführt. Das Eingangssignal E weist hierbei entweder eine Nennfrequenz f auf oder liegt in einem Frequenzbereich, der sich von einer Minimalfrequenz fmin bis zu einer Maximalfrequenz fmax erstreckt. Die Nennfrequenz f liegt in diesem Fall in dem durch die Minimalfrequenz fmin und die Maximalfrequenz fmax definierten Frequenzbereich. Sie kann insbesondere gleich dem geometrischen Mittelwert von Minimalfrequenz fmin und Maximalfrequenz fmax sein oder in der Nähe dieses Mittelwerts liegen - Das Eingangssignal E wird mittels des Transistorelements
2 zu einem Ausgangssignal A verstärkt. Das Ausgangssignal A wird am Ausgangsanschluss4 abgegeben. Wenn das Eingangssignal E die Nennfrequenz f aufweist, ist hierbei das Ausgangssignal A gegenüber dem Eingangssignal E um einen Verstärkungsfaktor g verstärkt. g ist die Leistungsverstärkung der Verstärkerschaltung1 , also das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung. - Der Eingangsanschluss
3 ist gemäß den1 und2 mit dem Ausgangsanschluss4 über einen ersten Blindwiderstand6 verbunden. Der erste Blindwiderstand6 ist hierbei gemäß1 als Induktivität ausgebildet, gemäß2 als Kapazität. Weiterhin ist der dritte Anschluss5 über einen zweiten Blindwiderstand7 mit einem Nullpotenzial8 verbunden. Der zweite Blindwiderstand7 ist gemäß1 als Kapazität ausgebildet, gemäß2 als Induktivität. Sowohl bei der Ausgestaltung gemäß1 als auch bei der Ausgestaltung gemäß2 ist somit einer der Blindwiderstände6 ,7 als Induktivität ausgebildet, der andere der Blindwiderstände6 ,7 als Kapazität. -
- Der Kapazitätswert C erfüllt die Beziehung
- ω0 ist hierbei die mit 2π multiplizierte Nennfrequenz f. Sie entspricht also einer Nennkreisfrequenz. ZE ist die am Eingangsanschluss
3 wirkende, gewünschte Eingangsimpedanz. ZA ist die am Ausgangsanschluss4 angeschlossene Ausgangsimpedanz. Sowohl bei der Ausgestaltung gemäß1 als auch bei der Ausgestaltung gemäß2 gilt daher die BeziehungL / C = ZEZA - Die Eingangsimpedanz ZE liegt in der Regel zwischen einem Zehntel und dem zehnfachen der Ausgangsimpedanz ZA. Oftmals liegen die Eingangsimpedanz ZE und die Ausgangsimpedanz ZA bei 50 bis 200 Ohm. Sie können insbesondere gleich groß sein.
- Bei den Darstellungen gemäß den
1 und2 ist nur die Wechselspannungsbeschaltung dargestellt. Bauelemente, die für die Einstellung eines Gleichspannungs-Arbeitspunktes und/oder für eine Gleichspannungsentkopplung innerhalb der Verstärkerschaltungen1 bzw. nach außen hin erforderlich sind, sind in den1 und2 der Einfachheit halber weggelassen worden. Diese Darstellung ist Fachleuten allgemein bekannt und vertraut. Dennoch sind in den3 und4 die korrespondierenden vollständigen Beschattungen dargestellt, also einschließlich der Bauelemente, die zur Einstellung des Gleichspannungs-Arbeitspunktes und der Gleichspannungsentkopplung erforderlich sind. - In den
3 und4 sind im Vergleich zu den1 und2 zunächst Koppelkondensatoren9 vorhanden. Sie weisen Kapazitätswerte CK auf, welche die Beziehung erfüllen. ω entspricht hierbei bei monofrequentem bzw. quasi-monofrequentem Eingangssignal E der Nennkreisfrequenz ω0, bei Betrieb in einem größeren Frequenzband der mit dem Faktor 2π multiplizierten Minimalfrequenz fmin. Das Zeichen „<<” bedeutet hierbei in der Regel einen Unterschied um mindestens eine Größenordnung, also den Faktor 10. Die Kapazitätswerte CK der Koppelkondensatoren9 können untereinander gleich sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. - Weiterhin sind in den
3 und4 gegenüber den1 und2 Drosselinduktivitäten10 vorhanden. Die Drosselinduktivitäten10 weisen Induktivitätswerte LD auf, welche die BedingungωLD >> MAX( 1 / ωC, ZA) 10 können untereinander gleich sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. - Schließlich sind in den
3 und4 gegenüber den1 und2 Arbeitspunktwiderstände11 vorhanden. Die Arbeitspunktwiderstände11 werden nach Bedarf dimensioniert. Der mit dem Eingangsanschluss3 verbundene Arbeitspunktwiderstand11 muss hierbei relativ zur an den Eingangsanschluss3 angeschlossenen Quellimpedanz groß dimensioniert sein, da er anderenfalls das Rauschverhalten der Verstärkerschaltung1 negativ beeinflussen würde. Er kann gegebenenfalls durch eine Drosselinduktivität ersetzt werden. In der Regel weist die Eingangsimpedanz ZE den gleichen Wert auf wie die Quellimpedanz, so dass in der Regel die Eingangsimpedanz ZE als Maßstab zur Dimensionierung des Arbeitspunktwiderstandes11 (bzw. der den Arbeitspunktwiderstand11 ersetzenden Drosselinduktivität) herangezogen werden kann. - Die Verstärkerschaltungen
1 der1 bis4 wurden unter Zugrundelegung eines Bipolartransistors des Typs BFR193 und mit einer Verstärkung von 10 dB bei 10 MHz simuliert. Es ergab sich eine Rauschzahl von 1,3 dB. Eine vergleichbare Simulation mit ohmschen Gegenkoppelwiderständen lieferte hingegen eine Rauschzahl von ca. 3,7 dB. - Wenn das Eingangssignal E monofrequent oder relativ schmalbandig ist, arbeiten die Verstärkerschaltungen
1 gemäß den1 bis4 völlig zufriedenstellend. Wenn das Eingangssignal E jedoch breitbandig ist, also ein Quotient zwischen der Maximalfrequenz fmax und der Minimalfrequenz fmin relativ groß ist, wirkt sich nachteilig aus, dass der Verstärkungsfaktor g bei den Verstärkerschaltungen1 der1 bis4 frequenzabhängig ist. Im Falle eines relativ großen abzudeckenden Frequenzbereichs ist daher eine Ausgestaltung vorzuziehen, wie sie nachfolgend in Verbindung mit5 näher erläutert ist. - Gemäß
5 sind zwei erfindungsgemäße Verstärkerschaltungen1 miteinander in Reihe geschaltet. Das Ausgangssignal A der einen Verstärkerschaltung1 entspricht also dem Eingangssignal E der anderen Verstärkerschaltung1 . Gemäß5 ist die vorgeordnete Verstärkerschaltung1 , deren Ausgangssignal A der anderen Verstärkerschaltung1 zugeführt wird, entsprechend1 bzw.3 ausgebildet. Die andere Verstärkerschaltung1 , die das Ausgangssignal A der erstgenannten Verstärkerschaltung1 als Eingangssignal E entgegen nimmt, ist entsprechend2 bzw.4 ausgebildet. Die Reihenfolge der beiden Verstärkerschaltungen1 könnte jedoch auch vertauscht sein. - Die Verstärkungsfaktoren g der Verstärkerschaltungen
1 können unabhängig voneinander gewählt werden. Sie können untereinander (also von der einen Verstärkerschaltung1 zur anderen Verstärkerschaltung1 ) gleich oder ungleich sein. Es ist lediglich zu beachten, dass das Produkt der Verstärkungsfaktoren g der Verstärkerschaltungen1 gleich einer gewünschten Gesamtverstärkung ist. - Die Reihenschaltung gemäß
5 weist einen relativ flachen Frequenzgang der Gesamtverstärkung auf. Er erstreckte sich bei einer Simulation einer derartigen Reihenschaltung (wieder unter Zugrundelegung des Transistortyps BFR193 und mit einer Gesamtverstärkung von 10 dB bei 10 MHz) über mehr als zwei Oktaven, konkret von 4,2 MHz bis 20,3 MHz. Die Rauschzahl lag weiterhin bei ca. 1,3 dB. - Es ist möglich, die beiden Verstärkerschaltungen
1 von5 auf einer den Verstärkerschaltungen1 gemeinsamen gedruckten Schaltungsplatine anzuordnen. Gemäß5 ist jedoch jede der Verstärkerschaltungen1 auf je einer eigenen gedruckten Schaltungsplatine12 angeordnet. Die Schaltungsplatinen12 können weit voneinander entfernt angeordnet sein. Die Verstärkerschaltungen1 sind hierbei über ein geschirmtes Kabel13 (in der Regel ein Koaxialkabel13 ) miteinander verbunden, das einen geeigneten Wellenwiderstand aufweist. - In einer besonders bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung befindet sich die Verstärkerschaltung
1 (bzw. im Falle einer Reihenschaltung mehrerer Verstärkerschaltungen1 mindestens eine der Verstärkerschaltungen1 ) im Einflussbereich des Grundmagneten einer Magnetresonanzanlage, also des Magneten, der das statische Grundmagnetfeld erzeugt, das zusammen mit dem gyromagnetischen Verhältnis der zu detektierenden Atomkerne die Larmorfrequenz bestimmt. Ganz besonders bevorzugt ist hierbei, wenn diese Verstärkerschaltung(en)1 in der Nähe einer Lokalspulenanordnung14 angeordnet ist bzw. sind, insbesondere in diese integriert ist bzw. sind. Die nachgeordnete Verstärkerschaltung1 (so sie vorhanden ist) kann in diesem Fall beispielsweise nahe einer Auswertungseinrichtung15 der Magnetresonanzanlage angeordnet sein, insbesondere in diese integriert sein. Das geschirmte Kabel13 kann sich insbesondere in dieser Ausgestaltung, aber prinzipiell auch bei anderen Ausgestaltungen, über eine erhebliche Länge erstrecken, beispielsweise mehrere Meter. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verstärkerschaltungen
- 2
- Transistorelemente
- 3
- Eingangsanschlusse
- 4
- Ausgangsanschlusse
- 5
- dritte Anschlusse
- 6, 7
- Blindwiderstande
- 8
- Nullpotenzial Koppelkondensatoren
- 10
- Drosselinduktivitaten
- 11
- Arbeitspunktwiderstande
- 12
- Schaltungsplatinen
- 13
- geschirmtes Kabel
- 14
- Lokalspulenanordnung
- 15
- Auswertungseinrichtung
- A
- Ausgangssignal
- C, CK
- Kapazitätswerte
- E
- Eingangssignal
- f, fmin, fmax
- Frequenzen
- g
- Verstärkungsfaktoren
- L, LD
- Induktivitätswerte
- ZA, ZE
- Impedanzen
- ω, ω0
- Kreisfrequenzen
Claims (5)
- Verstärkerschaltung, – wobei die Verstärkerschaltung ein Transistorelement (
2 ) aufweist, das einen Eingangsanschluss (3 ), einen Ausgangsanschluss (4 ) und einen dritten Anschluss (5 ) aufweist, – wobei dem Eingangsanschluss (3 ) ein zu verstärkendes Eingangssignal (E) zugeführt wird, – wobei am Ausgangsanschluss (4 ) das verstärkte Eingangssignal (E) als Ausgangssignal (A) abgegeben wird, – wobei der Eingangsanschluss (3 ) mit dem Ausgangsanschluss (4 ) über eine Induktivität (6 ) verbunden ist, – wobei der dritte Anschluss (5 ) über eine Kapazität (7 ) mit einem Nullpotenzial verbunden ist, – wobei ein Induktivitätswert (L) der Induktivität (6 ) und ein Kapazitätswert (C) der Kapazität (7 ) die Beziehungen erfüllen, wobei L der Induktivitätswert, C der Kapazitätswert, ω0 eine mit 2π multiplizierte Nennfrequenz (f), g ein bei der Nennfrequenz (f) wirksamer Verstärkungsfaktor, ZE die am Eingangsanschluss (3 ) wirkende gewünschte Eingangsimpedanz und ZA die am Ausgangsanschluss (4 ) angeschlossene Ausgangsimpedanz sind. - Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Transistorelement (
2 ) als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor ausgebildet ist. - Reihenschaltung einer Verstärkerschaltung (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2 mit einer weiteren Verstärkerschaltung (1 ), – wobei die weitere Verstärkerschaltung (1 ) mit folgenden Merkmalen ausgebildet ist; – die weitere Verstärkerschaltung weist ein weiteres Transistorelement (2 ) auf, das einen weiteren Eingangsanschluss (3 ), einen weiteren Ausgangsanschluss (4 ) und einen weiteren dritten Anschluss (5 ) aufweist; – dem Eingangsanschluss (3 ) des weiteren Transistorelements (2 ) wird ein zu verstärkendes Eingangssignal (E) zugeführt, – am Ausgangsanschluss (4 ) des weiteren Transistorelements (2 ) wird das verstärkte Eingangssignal (E) als Ausgangssignal (A) abgegeben, – der Eingangsanschluss (3 ) der weiteren Verstärkerschaltung (1 ) ist mit dem Ausgangsanschluss (4 ) der weiteren Verstärkerschaltung (1 ) über eine weitere Kapazität (6 ) verbunden; – der dritte Anschluss (5 ) der weiteren Verstärkerschaltung (1 ) ist mit dem Nullpotential über eine weitere Induktivität (7 ) verbunden; – es gelten die Beziehungen wobei – stets bezogen auf die weitere Verstärkerschaltung (1 ) – L der Induktivitätswert, C der Kapazitätswert, g ein bei der Nennfrequenz (f) wirksamer Verstärkungsfaktor, ZE die am Eingangsanschluss (3 ) wirkende gewünschte Eingangsimpedanz und ZA die am Ausgangsanschluss (4 ) angeschlossene Ausgangsimpedanz sind. - Reihenschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Transistorelement (
2 ) der weiteren Verstärkerschaltung (1 ) als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor ausgebildet ist. - Reihenschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (
1 ) und die eitere Verstärkerschaltung (1 ) auf je einer eigenen gedruckten Schaltungsplatine (12 ) angeordnet ist, dass die Schaltungsplatinen (12 ) entfernt voneinander angeordnet sind und dass die beiden Verstärkerschaltungen (1 ) über ein geschirmtes Kabel (13 ) miteinander verbunden sind, das einen geeigneten Wellenwiderstand aufweist.
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