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Verstärkerschaltung für Wechsel spannung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung für Wechselspannung
unter Verwendung mehrerer in Kette geschalteter Verstärkerstufen mit jeweils einem
symmetrisch aufgebauten Halbleiterverstärkerelement.
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Die Verstärkungsrichtung eines Verstärkers liegt bei üblichen Schaltungen
fest. Durch die Erfindung soll eine Lösung aufgezeigt werden, nach der die Verstärkungsrichtung
der Wechselspannungsverstärkerkette unter Verwendung einfacher Schaltmittel umschaltbar
gemacht wird. Diese Möglichkeit soll nicht nur auf Verstärker beschränkt sein, sondern
sich auch auf Mischstufen ausdehnen, so daß sich auch ein kompletter Verstärkerzug
mit Frequenzumsetzungen in der Verstärkungsrichtung umschalten läßt Gemäß der Erfindung
ist diese Lösung dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannungszuführung für
die Emitterelektrode (Source) und für die Kollektorelektrode (Drain) der einzelnen
in Basis- (Gate-) Schaltung betriebenen Halbleiterverstärkerelemente umschaltbar
ausgebildet ist, derart, daß jedes dieser Verstärkerelemente in Abhängigkeit vom
jeweils eingestellten Betriebsspannungsschaltzustand in einer der beiden Verstärkungsrichtungen
betrieben werden kann, daß bei der ersten und
der letzten der in
Kette geschalteten Verstärkerstufen Anschlüsse vorgesehen sind, welche in Abhängigkeit
vom jeweiligen, an allen Verstärkerelementen stets die gleiche Verstärkungsrichtung
bewirkenden Betriebsspannungszustand als Signaleingang oder -ausgang der gesamten
Verstärkerkette dienen, und daß zwischen den einzelnen Verstärkerstufen jeweils
ein Vierpol-Netzwerk mit Bandpaßverhalten eingeschaltet ist, das für beide Verstärkungsrichtungen
den jeweiligen Ausgangswider stand einer Verstärkerstufe in den Eingangswiderstand
der betriebsrichtungsmäßig nachfolgenden Verstärkerstufe transformiert.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird somit davon Gebrauch gemacht,
daß für einige Halbleiterbauelemente die Verstärkungsrichtung erst durch das Anlegen
von bestimmten Gleichspannungen festgelegt ist und damit durch das Ändern dieser
Spannungen umschaltbar ist. Das Problem der Anpassung zwischen den verstärkenden
Elementen für beide Verstärkungsrichtungen wird
durch verschiedene NetzwerKe mit HaNpaßverhalten gelöst.
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Dadurch kann man prinzipiell beispielsweise einen Empfänger in einen
Sender umschalten. Ein Sende-Empfänger läßt sich gegenüber üblichen Konzepten erheblich
vereinfachen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von 6 Figuren näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Schaltbild einer einzigen, in der Verstärkungsrichtung
umschaltbaren Verstärkerstufe, Fig. 2 das Schaltbild einer Verstärkerkette mit umschaltbarer
Verstärkungsrichtung unter Verwendung überkritisch gekoppelter Bandfilter zwischen
den Stufen, Fig. 3 das Schaltbild einer in der Verstärkungsrichtung umschaltbaren
Mischstufe, Fig. 4 das Blockschaltbild eines FM-Sender/Empfängers, der nach der
Erfindung arbeitet, Fig. 5 einen ebenfalls nach der Erfindung arbeitenden Einseitenband-Sender/Empfänger
in Blockschaltbildform,
Fig. 6 das Blockschaltbild eines Repeaters
(WSderholer), der nach dem Prinzip der Erfindung arbeitet.
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In Fig. 1 ist das Schaltbild einer einzigen, in der Verstärkungsrichtung
umschaltbaren Verstärkerstufe dargestellt. Sie weist ein symmetrisch aufgebautes
Halbleiterelement, im Beispiel einen Feldeffekttransistor 1 auf. Bei symmetrisch
aufgebauten Halbleiterelementen, beispielsweise symmetrisch dotierten Transistoren
bzw. Feldeffakttransistoren, erhalten der Kollektor und der Emitter bzw. Drain und
Source ihre Bedeutung erst durch das Anlegen entsprechender Betriebsspannungen.
Betreibt man derartige Halbleiterelemente in Basis-bzw. Gateschaltung, so läßt sich
die Verstärkungsrichtung durch Umschalten der Betriebsspannungen ebenfalls umschalten.
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Bei der Anordnung nach Fig. 1 dienen zum Umschalten der Betriebsspannung
UB die beiden gemeinsam bctriebenen, zwei Schaltstellungen A und B aufweisenden
Umschalter 2 und 3.
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Das Gate des Transistors 1 liegt in beiden Schalterstellungen A und
B auf gleichem Gleichspannungspotential, da dieses zwischen den beiden Widerständen
4 und 5 abgenommen wird.
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Den als Drain bzw. Source wirksamen Elektroden wird die Betriebsgleichspannung
über die beiden Wechselspannungsdrosseln 6 und 7 zugefXlrt. Zur Gleichspannungsentkopplung
sind noch die Kondensatoren 8, 9 und 10, 11 vorgesehen. Der Eingangswiderstand ist
in beiden Verstärkungsrichtungen mit RE und der Ausgangswiderstand mit RA bezeichnet.
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In Fig. 2 ist das Schaltbild einer dreistufigen Verstärkerkette mit
umschaltbarer Verstärkungsrichtung unter Verwendung überkritisch gekoppelter Bandfilter
zwischen den Stufen dargestellt. In einem mehrstufigen Verstärker ergibt sich das
Problem, den hochohmigen Ausgangswiderstand RA einer Stufe in den niedrigen Eingangswiderstand
RE der folgenden Stufe für beide Verstärkungsrichtungen zu transformieren. Die Bedingung
gleicher Transformationen für beide Verstärkungsrichtungen läßt sich durch die Verwendung
symmetrischer An-
paßvierpole erreichen und der Ausgangswiderstand
RA in den Eingangswiderstand RE transformieren, wenn der Vierpolwellenwiderstand
Zw =
ist und die Vierpolphase °W = 900 beträgt. In der Schaltungsanordnung nach Fig.
2 ist sowohl zwischen die erste und die zweite Stufe als auch zwischen die zweite
und die dritte Stufe ein als solches Transformierglied wirkendes überkritisch gekoppeltes
Bandfilter 12 eingeschaltet. Jedes dieser beiden Bandfilter 12 besteht aus zwei
Parallelresonanzkreisen mit den Elementen L und C sowie einem Koppelkondensator
CK zwischen diesen beiden Kreisen. Wählt man bei einem solchen symmetrischen Bandfilter
12 und beidseitigem Abschluß mit dem Widerstand RA den Kopplungsfaktor
so ist es für diesen Abschluß überkritisch gekoppelt und trãnsrRrmlert den Widerstand
RA in den Widerstand RE entk sprechend - = RE. Die übrigen Schaltungselemente in
der Schaltung Wach Fig. 2 stimmen mit denjenigen Elementen nach der Fig. 1 überein,
welche mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Je nach der Stellung der Umschalter
2 und 3 arbeitet die Schaltung von links nach rechts oder von rechts nach links
als Verstärker.
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Einfache; für eine Widerstandstransformation verwendbare und für eine
Realisierung interessante Vierpole sind außer dem beschriebenen überkritisch gekoppelten
Bandfilter beispielsweise noch A/4-Leitungen mit einem Wellenwiderstand
Anstelle einer tatsächlichen Leitung läßt sich auch eine Leitungsnachbildung aus
Induktivitäten und Kapazitäten verwenden. Als Anpaßvierpol verwendbar sind auch
symmetrische rt und T-Schaltungen. Hiervon ist wegen der einfachen Betriebsspannungszuführung
eine 1t-Schaltung mit Induktivitäten als Querglieder und einer Kapazität als Längsglied
von besonderem Interesse. Die Anpassung läßt sich allerdings nur mit Bandpaßcharakteristik
erreichen. Bei dem gewählten symmetrischen Aufbau ergibt sich für beide Verstärkungsrichtungen
die gleiche Mittenfrequenz. Verwendet man unsymmetrische Anpaß schaltungen, so lassen
sich unterschiedliche Mittenfrequenzen für beide Verstärkungsrichtungen erzielen.
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Neben diesen Geradeausverstärkern lassen sich nach dem Prinzip der
Erfindung auch Mischstufen aufbauen, deren Verstärkungsrichtung umschaltbar ist.
Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer solchen in der Verstärkungsrichtung umschaltbaren
Mischstufe, das weitgehend mit demjenigen der Verstärkerschaltung nach Fig. 1 übereinstimmt.
Es wird lediglich auf die Basis bzw. das Gate des Feldeffekttransistors 1 von einem
Schwingungserzeuger 13 eine Oszillatorspannung Uosz gegeben und dem Emitter bzw.
der Source die Eingangsfrequenz f1 zugeführt, während man am Kollektor bzw. am Drain
des Transistors 1 die gewünschte Mischfrequenz f2 auskoppelt. Wenn die Umschalter
2 und 3 umgeschaltet werden, arbeitet die dargestellte Mischstufe umgekehrt, d.h.
die Frequenz f1 ist dann nicht mehr die Eingangsfrequenz, sondern die Ausgangsfrequenz,
und die Frequenz f2 ist die Eingangsfrequenz. Die dargestellte Mischstufe arbeitet
als Aufwärtsmischer, wenn die Frequenz f1 die Eingangsfrequenz fein ist und die
Ausgangsfrequenz faus durch die Frequenz f2 = f1 + fosz gebildet wird. Dagegen arbeitet
die Mischstufe als Abwärtsmischer, wenn die Eingangsfrequenz fein = f2 ist, da dann
die Ausgangsq- Z faus = 2 fosz = f1 ist. Dabei werden im allgemeinen der Eingangswiderstand
ReM1 und der Ausgangswiderstand RaM1 der Mischstufe nach dem Umschalten der Verstärkungsrichtung
nicht mit dem Eingangswiderstand Re2 und dem Ausgangswiderstand Ra2 der anschließenden
Verstärkerstufe übereinstimmen. Hier läßt sich für beide Verstärkungsrichtungen
eine Leistungsanpassung ohne Verluste dadurch erreichen, daß ein unsymmetrisch ausgebildetes
Vierpol-Netzwerk vorgesehen ist, dessen Vierpol-Wellenwiderstand in der einen Richtung
dessen Vierpol-Wellenwiderstand in der anderen Richtung
und dessen Vierpol-Phase G 90L> beträgt, wobei ReM1 der Eingangswiderstand eIner
Mischstufe, RaM1 der Ausgangswiderstand dieser Mischstufe, Re2 der Eingangswiderstand
und Ra2 der Ausgallgswiderstand (in umgekehrter Betrlebsrlchtun) dgr anschließenden
Verstärkerstufe ist und die Bedingung
gilt. Läßt man
in den Anpaßschaltungen Verluste'zu, so lassen sich
prinzipiell beliebige Kombinationen von Eingangs- und Ausgangswiderständen anpassen.
Hierzu kann man durch Parallel- bzw. Serienschaltung von Widerständen zunächst gleiche
Verhältnisse der Ausgangs- und Eingangswiderstände der beiden anzupassenden Stufen
erzielen und anschließend mit einem unsymmetrischen Vierpol Anpassung für beide
Verstärkungsrichtungen erreichen.
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Dabei werden zwar die Verluste mit zunehmender Abweichung der Widerstandsverhältnisse
ebenfalls zunehmen. Vorhandene Blindkomponenten aer Eingangs- und Ausgangswiderstände
bzw.
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-leitwerte lassen sich in den Anpaßvierpolen berücksichtigen.
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Verwendet man derartige Anpaßschaltungen in den Geradeausverstärkerstufen
so entfällt die eingangs der Beschreibung gemachte Einschränkung auf symmetrische
Dotierung der Halbleiterelemente bzw. auf symmetrischen Aufbau.
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Als gewisses Problem stellt sich die Anpassung des Verstärkers am
Eingang und am Ausgang auf einen konstanten Widerstand für beide Verstärkungsrichtungen
oder die Anpassung an Baugruppen im Verstärkerzug, welche gleiche Eingangs- und
Ausgangswiderstände besitzen, beispielsweise Quarztilter, dar. Diese Anpassung läßt
sich mit der vorstehend beschriebenen Methode nicht ohne weiteres durchführen, da
bei exakter Anpassung die Dämpfung wegen des Widerstandsverhaltnisses von 1 gegen
oo geht.
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In diesem Fall müßte man Fehlanpassung zulassen. Man kann jedoch schaltbare
Elemente in den Transformationsschaltungen vorsehen, wobei Halbleiterdioden zur
Umschaltung dieser Elemente verwendet werden können. Die Schaltspannungen für diese
Dioden lassen sich in einfacher Weise aus den Betriebsspannungen ableiten, die bei
der Umschaltung der Verstärkungsrichtung ebenfalls umgeschaltet werden. Die Anpassung
des niedrigen Eingangswiderstandes RE und des hochohmigen Ausgangswiderstandes RA
an einen konstanten Widerstand läßt sich z.B. durch Umschaltung des Koppelfaktors
eines Bandfilters erreichen.
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In Fig. 4 ist das Blockschaltbild eines FM-Sender/Empfängers dargestellt,
der in Abhängigkeit von der Einschaltung der jeweiligen Verstärkungsrichtung entweder
als Sender oder als Empfänger arbeitet. Auf eine an einer Antenne liegende, verstärkungsrichtungsmäßig
umschaltbare Hochfrequenz-Vorstufe 14 folgt eine von einem Oszillator 15 betriebene,
ebenfalls hinsichtlich ihrer Verstärkungsrichtung umschaltbare Mischstufe 16, an
welche ein hinsichtlich der Verstärkungsrichtung umschaltbarer Zwischenfrequenz-Verstärker
17 angeschlossen ist. Diesem Zwischenfrequenz-Verstärker 17 folgt ein phasengeregelter
Oszillator für Frequenz- und Phasenmodulation, welcher aus einem Phasendiskriminator
18, einem spannungsgeregelten Oszillator 19 (VCO) und einem Tiefpaß 20 zusammengesetzt
ist. Es handelt sich bei diesem phasengeregelten Oszillator um einen Demodulator,
der sich ebenfalls als Modulator verwenden läßt. Am Ausgang des Tiefpasses 20 kann
je nach der eingeschalteten Verstärkungsrichtung ein niederfrequentes Ausgangssignal
an der Klemme 21 abgenommen oder ein niederfrequentes Eingangssignal an der Klemme
22 zugeführt werden.
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Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild eines ähnlich arbeitenden Einseitenband-Sender/Empfängers,
der ebenfalls in Abhängigkeit von der jeweiligen Verstärkungsrichtung entweder als
Sender oder als Empfänger arbeitet. An eine verstärkungsrichtungsmäßig umschaltbare,
an einer Antenne liegende Hochfreauenz-Vorstufe 2v ist eine Mischstufe 24 angeschlossen,
welche von einem Oszillator 25 betrieben wird und ebenfalls bezüglich ihrer Verstärkungsrichtung
umschaltbar ausgelegt ist. Der Mischstufe 24 folgt ein hinsichtlich der Verstärkungsri
chtung umschaltbarer Zwischenfrequenz-Verstärker 26, an welchen ein Einseitenbandfilter
27 angeschlossen ist. Als Demodulator bzw. als Modulator in der anderen Verstärkungsrichtung
dient ein an einem geregelten Oszillator 28 angeschlossener Ringmischer 29 für Einseitenband-
und Amplitudenmodulation. Dem Ringmischer 29 kann je nach Verstarkungs-
richtung
an einer Klemme 30 ein niederfrequentes Ausgangssignal abgenommen oder ein niederfrequentes
Eingangssignal zugeführt werden. Es läßt sich demnach mit Schaltungen, deren Verstärkungsrichtung
umschaltbar ausgelegt ist, ein Empfänger mit Frequenzumsetzungen, Selektionsmitteln
und Demodulator aufbauen, der nach Umschaltung der Verstärkungsrichtung als Sender
ein moduliertes und in der Frequenz umgesetztes Signal über die nun als Leistungsverstärker
arbeitende Hochfrequenzvorstufe 23 an die Antenne abgibt.
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Eine andere Art einer Sende/Empfangsstation unter Verwendung eines
umschaltbaren Verstärkers nach der Erfindung ist in Blockschaltbildform in Fig.
6 dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Repeater (Wiederholer),
d.h. um eine Station, die ein empfangenes Signal verzögert wieder als Sendesignal
in verstärkter Form abgibt. Zu diesem Zweck ist an eine Antenne 31 ein hinsichtlich
seiner Verstärkungsrichtung umschaltbarer Verstärker 32 angeschlossen, dem eine
Verzögerungseinrichtung 33 nachgeschaltet ist. Vom empfangenen und verzögerten Signal
wird über eine Diode 34 ein monostabiler Multivibrator 35 angestoßen, der den Verstärker
32 für eine bestimmte Zeit von der Empfangsrichtung in die Senderichtung umschaltet.
Während dieser Zeit läuft das reflektierte (Reflexionsfaktor r e 1), empfangene
Signal über die Verzögerungsleitung 33 zurück, wird im Verstärker 32 verstark und
über die Antenne 31 wieder abgestrahlt.
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14 Patentansprüche 6 Figuren