DE2847098C3 - Korrekturschaltungsanordnung für einen an einem Signaleingang liegenden Halbleiterverstärker - Google Patents
Korrekturschaltungsanordnung für einen an einem Signaleingang liegenden HalbleiterverstärkerInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Korrekturschaltungsanordnung für einen an einem Signaleingang
liegenden Halbleiterverstärker mit wenigstens einem an den Signaleingang angekoppelten pn-übergang.
In Breitbandverstärkern soll ein konstanter Frequenzgang im gesamten Frequenzbereich vorhanden
sein. Aufgrund von Halbleiterbauelementen eigenen physikalischen Beschränkungen, weiche zu nicht linearen Verzerrungen, durch thermische Effekte bedingten
Verzerrungen, zu Frequenzverzerrungen oder zu Phasenverschiebungsverzerrungen führen können, ist
die Aufrechterhaltung eines genauen Frequenzgangs in einem großen Frequenzbereich ohne Frequenzkompensations- und Signalsprungkompensations-Maßnahmen
nur schwer realisierbar.
Es ist grundsätzlich beispielsweise aus der DE-AS 2140851 und der FR-OS 23 41227 bekannt die
Verzerrung eines Verstärkers dadurch zu kompensieren, indem einem Verstärker ein Parallelzweig zugeordnet wird, der die Verzerrung des Verstärkers nachbildet
und ein Korrektursignal erzeugt das vom Signal am Verstärkerausgang subtrahiert wird.
Beispielsweise bei der Korrektur nach der DE-AS 21 40 851 erfolgt eine Vorverzerrung des Signals vor
der Einspeisung in den Verstärker. Gemäß der FR-PS 23 41 227 wird das Signal zunächst in zwei Zweige
aufgeteilt von denen einer auf den eigentlichen Verstärker und der andere auf einen Korrekturzweig
führt Hinter dem eigentlichen Verstärker erfolgt erneut eine Aufteilung in zwei Zweige, von denen einer auf den
Korrekturzweig und ein weiterer auf den Ausgang führt, auf den auch der Ausgang des Korrekturzweiges
geführt ist
Bei den vorstehend genannten bekannten Lösungen ist der eigentliche Verstärkerkanal am Korrekturvorgang beteiligt. Dadurch ergeben sich jedoch Beschränkungen in der Frequenzcharakteristik (Bandbreite).
Breitbandige Differenzverstärker, wie sie beispielsweise in Vertikal-Verstärkerkanälen von Oszillographen verwendet werden, besitzen bei tieferen Frequenzen eine große Verstärkung und bei höheren Frequen-
zen eine reduzierte Verstärkung. Um einen konstanten Frequenzgang im gesamten Bandbreitebereich des
Verstärkers zu realisieren, kann die Hochfrequenzverstärkung durch Zuschaltung von ÄC-Netzwerken
zwischen die Emitter von als Differenzverstärker geschalteten Transistoren des Verstärkers angehoben
werden. Bei sehr hohen Frequenzen von beispielsweise oberhalb 500MHz beeinflußt jedoch das induktive
Verhalten von Zuleitungen der Halbleiterbauelemente die Frequenzcharakteristik in nachteiliger Weise. Der
Schaltungsentwickler sieht sich dabei dem Dilemma gegenüber, daß er einerseits Leitungslängen verkürzen
und andererseits zur Realisierung der Anhebung der Verstärkung bei hohesi Frequenzen zusätzliche Schaltelemente
vorsehen muß.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine die vorstehend erläuterten Nachteile
vermeidende Korrekturschaltungsanordnung zur Korrektur von Fehlern im Frequenzgang eines Verstärkers
anzugeben.
Insbesondere soll mit einer derartigen Korrekturschaltungsanordnung
durch Korrektur von Fehlern bei tiefen Frequenzen eine konstante Verstärkung in einem
breitbandigen Differenzverstärker realisierbar sein.
Die Korrekturschaltungsanordnung soll dabei vorzugsweise auch so ausgebildet sein, daß sie mit den
möglichen Herstellungstechniken für Verstärker kompatibel ist
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Korrekturschaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
durch folgende Merkmale gekennzeichnet: Eine an den Signaleingang angekoppelte, dem Halbleiterverstärker
parallelliegende Schaltung mit einem Kreis, der die durch den pn-übergang bedingte
Verzerrung nachbildet und ein Korrektursignal erzeugt, das der durch die verzerrende Wirkung des pn-Übergangs
bedingten Fehlerkomponente im Verstärkersignal proportional ist, und eine das Korrektursignal und
das Verstärkersignal zwecks Eliminierung der Fehlerkomponente aus dem Verstärkersignal überlagernde
Stufe.
Die vorstehend definierte erfindungsgemäße Korrekturschaltungsanordnung
zur Korrektur von Fehlern im Frequenzgang eines Verstärkers liegt nach Art eines
Nebenschlusses parallel zum Verstärker. Insbesondere liegt sie dabei parallel zu den Verzerrungen erzeugenden
Teilen des Verstärkers, wobei der das Korrektursignal erzeugende Kreis die die Verzerrung hervorrufenden
physikalischen Mechanismen nachbildet. Das durch die Korrekturschaltungsanordnung erzeugte Korrektursignal
wird in der überlagernden Stufe vom Verstärkersignal subtrahiert, so daß das Verstärkerausgangssignal
fehlerfrei ist
In einem breitbandigen Differenzverstärker wirkt die Korrekturschaltungsanordnung unter Berücksichtigung
der Tatsache, daß die Verstärkung bei tieferen Frequenzen größer und bei höheren Frequenzen kleiner
ist. Es kann dabei davon ausgegangen werden, daß die Verstärkung bei tieferen Frequenzen überhöht ist. Die
Korrekturschaltungsanordnung korrigiert dabei niederfrequente Fehler im Frequenzgang des Verstärkers, so
daß die Verstärkung im gesamten Frequenzbereich konstant ist. Das durch die Korrekturschaltungsanordnung
erzeugte Korrektursignal kann zur Fehlerkorrektur in den Verstärker eingespeist werden. Die
Korrekturschaltungsanordnung enthält dabei gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung mindestens
ein regelbares Tiefpaßfilter zur Signalformung sowie zur Erzeugung eines Korrektursignals in einem
vorgegebenen Frequenzbereich, der als Korrekturfrequenzband bezeichnet werden kann. Außerhalb dieses
Korrekturfrequenzbandes, dh, bei höheren Frequenzen,
ist die Korrekturschaltungsariordnung unwirksam, so daß für sie keine speziellen Hochfrequenzeigenschaften
erforderlich sind. Die Korrekturschaltungsanordnung erzeugt keine Nichtlinearitäten. Andere Verstärkerauslegungen,
beispielsweise Versiärker mit einer hochfrequenten Resonanzanhebung für eine Optimierung
einer Sprungsignalcharakteristik sind mit der erfindungsgemäßen Fehlerkorrektur kompatibel. Die
erfindungsgemäße Korrekturschaltungsanordnung ist auch sowohl für Verstärker mit einem einzigen Eingang
als auch für Verstärker mit einem differentiellen Eingang anwendbar.
Weitere spezielle Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker;
Fig. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker
mit einem Eingang;
Fig. 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Korrekturschaltungsanordnung für einen Verstärker
mit differentiellem Eingang und
F i g. 4 ein Schakbild einer weiteren Ausführungsform für einen Verstärker mit differentiellem Eingang.
Gemäß dem Blockschaltbild nach F i g. 1 wird ein Eingangssignal Van einer Eingangsklemme 10 in einen
Verstärker 12 eingespeist. Dieser Verstärker 12 besitzt einen Verstärkungsfaktor K, der durch eine dem
Verstärker eigene Verzerrung d um einen bestimmten Betrag geändert wird, so daß sich eine Übertragungsfunktion
V(K + d) ergibt. Die durch den Verstärker bedingten Verzerrungen können verschiedener Natur
sein. Es kann sich beispielsweise um Nichtlinearitäten, um durch thermische Effekte bedingte Verzerrungen,
um Frequenzverzerrungen oder Phasenverschiebungsverzerrungen handeln. Die Natur der die Verzerrungen
bedingenden Mechanismen sind bekannt so daß eine Nachbildung durch ein Netzwerk mit einem Verzerrungsfaktor
d' möglich ist. Das Eingangssignal V wird über einen Pufferverstärker 14 in ein die Verzerrung
nachbildendes Netzwerk 16 eingespeist, um ein Korrektursignal Vd' zu erzeugen. Dieses Korrektursignal
und das Verstärkersignal werden in einem Summationsknoten 18 überlagert, wobei das Korrektursignal
Vd' vom Verstärkersignal V(K + d) subtrahiert wird. Das Ausgangssignal an einer Ausgangsklemme 20
ist K= VK+ V(d- d'). Wird der die Verzerrungen bedingende Mechanismus richtig nachgebildet, so wird
der zweite Summand auf der rechten Seite der Gleichung gleich Null, so daß lediglich der verstärkte
Signalanteil erhalten bleibt.
F i g. 2 zeigt ein Schaltbild eines breitbandigen Differenzverstärkers mit einem Nebenschluß-Korrekturkanal
zur Korrektur von niederfrequenten Fehlern im Frequenzgang des Verstärkers, so daß die Verstärkung
im gesamten Frequenzbereich konstant ist. Ein konventioneller breitbandiger Differenzventtärker mit
einem einzigen Eingang und einem GegenUktausgang enthält ein Paar von Transistoren 40 und 42, deren
Emitter über einen Widerstand 44 gekoppelt sind. Die Kollektoren der Transistoren 40 und 42 liegen über
einen Lastwiderstand 46 bzw. einen Lastwiderstand 48 an einer positiven Versorgungsspannung + V, während
die Emitter über Stromsenken 50 und 52 an einer negativen Versorgungsspannung — V liegen. Die Basis
des Transistors 42 liegt über einen Widerstand 54 an Masse, um eine Eingangsreferenzspannung für den
Verstärker zu erzeugen. Das Eingangssignal wird über eine Eingangsklemme 60 in die Basis des Transistors 40
eingespeist. Die Signalspannung fällt am Widerstand 44 ab, wodurch über die Transistoren 40 und 42 zur
Erzeugung eines Gegentakt-Ausgangssignals an den Widerständen 46 und 48 ein Signalstrom fließt. Das
Ausgangssignal ist an Ausgangsklemmen 66 und 68 abnehmbar. Die Nebenschluß-Korrekturschaltungsanordnung liegt zwischen der Eingangsklemme 60 und der
Basis des Transistors 42. Das Eingangssignal wird zunächst durch einen Operationsverstärker 100 mit
zugehörigen Widerständen 101 und 103 auf einen geeigneten Wert verstärkt. Am Ausgang des Verstärkers 100 liegt ein Tiefpaßfilter-Netzwerk mit regelbaren
Filtern 110,120 und 130. Die Filter sind mit Ausnahme
der Werte ihrer Schaltungselemente identisch ausgebildet, wobei die Werte so gewählt sind, daß jedes Filter
einen vorgegebenen Frequenzbereich besitzt, in dem es Signale ohne Verluste überträgt. Beispielsweise kann
das Filter 110 Signale in einem Frequenzbereich f<, bis f\,
das Filter 120 Signale in einem Frequenzbereich von /i bis h und das Filter 130 Signale in einem Frequenzbereich von h bis h durchlassen. Damit ist ein Korrekturfrequenzband /o bis h realisiert Für eine niederfrequente
Korrektur kann es vorteilhaft sein, die untere Bandgrenze der Filter auf die Frequenz Null und die
oberen Bandgrenzen auf die Frequenzen f\, h und h zu
legen, da die an Operationsverstärker-Eingangswiderständen 118, 128 und 138 abfallenden Spannungen
summiert werden. Anstelle der dargestellten Zahl von drei Filtern können als Funktion des geforderten
Korrekturfrequenzbandes auch andere Anzahlen von Filtern vorgesehen werden. In einer praktischen
kommerziell erhältlichen Ausführungsform sind vier Filter-Netzwerke mit jeweils einem Frequenzbereich
von 0 bis zu einer höheren Frequenz vorgesehen, um zur Reduzierung der Frequenzüberhöhung bei tiefen
Frequenzen in einem Breitbandverstärker ein Korrekturfrequenzband von 0 bis etwa 2 MHz zu realisieren.
Das gefilterte Signal wird invertiert und durch einen
Operationsverstärker 150 mit einem zugehörigen Rückkoppel widerstand 152 verstärkt und sodann durch
Widerstände 154 und 54 gedämpft, um an der Basis des Transistors 42 ein Korrektursignal mit dem richtigen
Wert zu erzeugen. Da das Korrektursignal im Gleichtakt mit dem Eingangssignal eingespeist wird,
wird eine überhöhte Amplitude im Korrekturfrequenzband kompensiert Bei höheren Frequenzen, das heißt,
bei Frequenzen oberhalb des Korrekturfrequenzbandes von 0 bis 2 MHz ist die Korrekturschaltungsanordnung
unwirksam, wobei der breitbandige Verstärker dann allein wirksam ist Die Korrekturschaltungsanordnung
bewirkt keinerlei Nkhtfinearitäten, wobei darüber
hinaus auch andere Verstärkerausführungsformen, beispielsweise Verstärker mit Resonanzüberhöhung zur
Optimierung des Verstärkerverhaltens vorgesehen werden können.
Die Fig.3 und 4 Neigen Ausfühmngsformen von
Korrekturschaltungsanordnungen für Verstärker mit diff erentieöen Eingangssignal«!. In diesen Figuren sind
gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ein differentielles Eingangssignal wird über
Eingangsklemmen 200 und 202 in die Basen eines Paars von Transistoren 204 und 206 eingespeist, deren Emitter
über einen Emitterwiderstand 208 gekoppelt sind. Die Kollektoren der Transistoren 204 und 206 liegen über
einen Lastwiderstand 212 bzw. 214 an einer positiven Versorgungsspannung + V, während ihre Emitter über
einen Emitterwiderstand 216 bzw. 218 an einer negativen Versorgungsspannung — V liegen. An den
Kollektoren der Transistoren 204 und 206 entsteht ein
ίο Gegentakt-Ausgangssignal, das an Ausgangsklemmen
220 und 222 abnehmbar ist.
Die differentiellen Eingangssignale werden über Widerstände 230 und 232 in einen Operationsverstärker
235 eingespeist. Ein Widerstand 236 bildet einen
Rückkoppelwiderstand für den Operationsverstärker,
während ein Widerstand 238 mit dem Widerstand 232 einen Spannungsteiler bildet.
Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers wird in der Schaltungsanordnung nach Fig.3 in ein
Filternetzwerk 110', 120', 130' und einen Operationsverstärker 150' eingespeist, wobei diese Komponenten mit
den entsprechenden Komponenten der Schaltungsanordnung nach Fig.2 identisch sind. Das am Ausgang
des Verstärkers 150' erzeugte Korrektursignal wird
durch einen Korrektursignal-Differenzverstärker mit
Transistoren 250 und 252 in ein Gegentaktsignal überführt, wobei die Emitter dieser Transistoren über
einen Emitterwiderstand 254 miteinander gekoppelt sind. Die Kollektoren der Transistoren 250 und 252
liegen an den Kollektoren der Transistoren 204 und 206, während die Emitter der Transistoren 250 und 252 über
einen Emitterwiderstand 256 bzw. 258 an der negativen Versorgungsspannung - V liegen. Die Basis des
Transistors 250 liegt an einer Referenzspannung,
beispielsweise an Masse, während in die Basis des
Transistors 252 das Korrektursignal eingespeist wird. Wegen der beiden Polaritätsinversionen in der Korrekturschaltungsanordnung ist das Korrektursignal an der
Basis des Transistors 252 mit der Verstärker-Eingangs-ίο signalkomponente an der Basis des Transistors 204 in
Phase und gegen die Verstärker-Eingangssignalkomponente an der Basis des Transistors 206 um 180° in der
Phase verschoben. Das differentielle Korrektursignal an den Kollektoren der Transistoren 250 und 252 besitzt
-45 dabei gegen das differentielle Signal an den Kollektoren
der Transistoren 204 und 206 gegensinnige Polarität, so daß das Korrektursignal zur Erzeugung eines fehlerfreien Ausgangssignals an den Ausgangsklemmen 220 und
222 vom Verstärkersignal subtrahiert wird.
In der Schaltungsanordnung nach Fig.4 wird das
Ausgangssignal des Operationsverstärkers 235 in ein einen regelbaren Spannungsteiler enthaltendes Filternetzwerk eingespeist, das durch zwischen Masse und
der negativen Versorgungsspannung — V liegende
Widerstände 270, 272, 274 und 276, Widerstände 280,
282, 284 und 286 sowie Kapazitäten 292, 294 und 296 gebildet wird. Das am Ausgang des Filter-Netzwerkes
erzeugte Korrektursignal wird durch einen Korrektursignal-Diff erenzverstärker mit Transistoren 300 und 302
in einen Gegentaktsignal überführt, wobei die Emitter
dieser Transistoren fiber einen Widerstand 304 miteinander gekoppelt sind und Ober einen Widerstand 306 an
der negativen Versorgungsspannung —fliegen. Die
Kollektoren der Transistoren 300 und 302 sind mit den
Kollektoren der Transistoren 204 und 206 gekoppelt,
um das Korrektursignal vom Verstärkersignal zu subtrahieren, wodurch an den Ausgangsklemmen 220
jmd 222 ein fehlerfreies Ausgangssignal entsteht Ein
durch Widerstände 310, 312 und 314 gebildeter Spannungsteiler liegt an der Basis des Transistors 302,
um den Korrektursignal-Differenzverstärker abgleichen zu können.
Die oben beschriebenen breitbandigen Differenzverstärker stellen lediglich ein einfaches Beispiel zur
Erläuterung des erfindungsgemäßen Korrekturkonzeptes dar. In der Praxis können auch hochfrequente
mehrstufige Cascode-Verstärker verwendet werden, wie sie beispielsweise in der US-PS 36 33 120 beschrieben
sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Korrekturschalfcingsanordnung für einen an
einem Signaleingang liegenden Halbleiterverstärker mit wenigstens einem an den Signaleingang
angekoppeltenpn-Obergang, gekennzeichnet
durch eine an den Signaleingang (10; 60; 200,202)
angekoppelten, dem Halbleiterverstärker (12; 40, 42; 204, 206) parallelliegenden Schaltung (14, 16;
100, 103, HO, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, ">
154; 235, 236,110% 118', 120% 128', 13V, 138', 150",
152*; 235, 236, 270-276, 282-286, 292-296) mit einem Kreis (16; HO, 118, 120, 128, 130, 138, 150,
152, 54, 154; UW, 118', 120", 128', 130% 138', 15O7,
152'; 72 bis 276, 280 bis 286, 292 bis 296), der die
durch den pn-Obergang bedingte Verzerrung nachbildet und ein Korrektursignal erzeugt, das der
durch die verzerrende Wirkung des pn-Übergangs bedingten Fehlerkomponente im Verstärkersignal
proportional ist, und durch eine das Korrektursignal und das Verstärkersignal zwecks Eliminierung der
Fehlerkomponente aus dem Verstärkersignal überlagernde Stufe (18; in 40,42; 250,252; 300,302).
2. Korrekturschaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Korrektur von durch eine Verstär-.
kungsüberhöhung im Niederfrequenzbereich eines Breitbandverstärkers bedingten Fehlern, dadurch
gekennzeichnet, daß eine das Verstärker-Eingangssignal aufnehmende Stufe (14; 100, 103; 235, 236)
vorgesehen ist, und daß der das Korrektursignal Μ
erzeugende Kreis (16; HO, 118, 120, 128, 130, 138, 150, 152, 54, 154; IW, 118', 128', 130', 138', 150',
152'; 272 bis 276, 280 bis 286, 292 bis 296) das Korrektursignal erzeugt, wenn die Frequenz des
Verstärker-Eingangssignals in einem vorgegebenen Korrekturfrequenzband liegt, und das Verstärker-Eingangssignal sperrt, wenn dessen Frequenz
außerhalb des vorgegebenen Korrekturfrequenzbandes liegt
3. Korrekturschaltungsanordnung nach Anspnich 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das
Eingangssignal aufnehmende Stufe (14; 100, 103; 235,236) als Operationsverstärker mit vorgegebener
Verstärkungscharakteristik ausgebildet ist
4. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Operationsverstärker (235, 236) ein differentielles Eingangssignal aufnimmt (F i g. 3 und 4).
5. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Μ
das Korrektursignal erzeugende Kreis (16; HO,.118, 120,128,130,138,150,152,54,154; HO1, 118', 120',
128', 130', 138', 150', 152; 272 bis 276,280 bis 286,292
bis 296) Tiefpaßfilter (HO, 120,130; HO1,120', 130';
270 bis 276,282 bis 286,292 bis 296) enthält, welche
in dem vorgegebenen Korrekturfrequenzband liegende Signale durchlassen.
6. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Tiefpaßfilter (HO, 120,130; 110*, 120S 130'; 270 bis OT
276, 282 bis 286, 292 bis 296) regelbare Spannungsteiler (116,126,136; 282 bis 286) zur Einstellung der
Signaldämpfung enthalten.
7. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß der
das Korrektursignal erzeugende Kreis (16; HO, 118, 120, 128, 130,138,150,152,54, 154; HO', 118', 120',
128', 130', 138', 150', 152'; 272 bis 276, 280 bis 286,
292 bis 296) eine Ausgangs-Operationsverstärkerstufe (150,152; 150% 152·) enthält
8. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für einen Breitbandverstärker in
Form eines Differenzverstärkers mit einem Paar von emittergekoppelten Transistoren (40,42), in dem die
Basis eines ersten Transistors (40) das Verstärker-Eingangssignal aufnimmt und die Basis eines zweiten
Transistors (42) an Bezugspotential liegt dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektursignal zur Oberlagerung mit dem Verstärkersignal in die Basis des
zweiten Transistors (42) und damit im Gleichtakt mit dem Verstärker-Eingangssignal eingespeist ist
(F ig. 2).
9. Korrekturschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß als
Oberlagerungsstufe ein parallel zum Breitbandverstärker (204,206) liegender Differenzverstärker mit
Transistoren (25P, 252; 300, 302) vorgesehen ist deren Kollektoren zur algebraischen Subtraktion
des Korrektursignals vom Verstärkersignal mit den Kollektoren der Transistoren (204, 206) des Breitbandverstärkers gekoppelt sind (F i g. 3 und 4).
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