DE2903668C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Impulssignalverstärker entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein Impulssignalverstärker entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist beispielsweise durch die DE-OS 25 39 624 bekannt und wird im einzelnen anhand von Fig. 1 der Beschreibung näher erläutert. Wie aus dieser Beschreibung im einzelnen hervorgeht, müssen bei dem bekannten Impulssignalverstärker gesonderte Spannungsquellen für die Treiberstufe und die Endstufe des Impulssignalverstärkers vorgesehen werden, was einen unerwünscht hohen Aufwand bedingt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Impulssignalverstärker entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß nur eine einzige Spannungsquelle benötigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Impulssignalverstärkers,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Beispiels des Impulssignalverstärkers der Erfindung,

Fig. 3A bis 3D den Verlauf von Signalen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Impulssignalverstärkers in Fig. 2 und

Fig. 4 ein Schaltbild eines weiteren Beispiels der Erfindung.

Anhand der Fig. 1 wird zunächst ein bekannter Impulssignalverstärker beschrieben. Bei dem bekannten Verstärker ist z. B. ein Sperrschicht-FET Q 1 a (bei diesem Beispiel ein N-Kanal-Anreicherungs-Isolierschicht-FET) vorgesehen, der einen Verstärker in Sourceschaltung bildet. Die Sourceelektrode des Transistors Q 1 a ist geerdet, und seine Drainelektrode ist mit einer Spannungsquelle +B über einen Lastwiderstand R 2 a und einem Ausgang t verbunden.

Außerdem ist ein Impedanzwandler 3 a, bestehend aus Transistoren, vorgesehen. Der Impedanzwandler 3 a besteht aus einem komplementären Emitterfolger-Gegentaktkreis mit einem NPN-Bipolartransistor Q 2 a und einem PNP-Bipolartransistor Q 3 a. Anstelle der Bipolartransistoren können auch FETs verwendet werden. Der Impedanzwandler 3 a erhält von einer Gleichspannungsquelle Ea eine Betriebsspannung. Der Kollektor des Transistors Q 3 a ist mit dem positiven Anschluß der Spannungsquelle Ea verbunden, deren negativer Anschluß geerdet ist. Der Emitter des Transistors Q 3 a ist mit dem Emitter des Transistors Q 2 a verbunden, dessen Kollektor geerdet ist. Die Ausgangsseite des Impedanzwandlers 3 a, d. h. der Verbindungspunkt zwischen den Emittern der Transistoren Q 2 a und Q 3 a ist mit der Steuerelektrode des Transistors Q 1 a verbunden.

Weiterhin ist eine Impulsstromsignalquelle 2 a vorgesehen, die auf einem PNP-Bipolartransistor Q 4 a, dessen Emitter über einen Widerstand R 2 mit der Spannungsquelle +B verbunden ist, und einer Impulsquelle 1 besteht, deren einer Anschluß mit der Basis des Transistors Q 4 a und deren anderer Anschluß mit der Spannungsquelle +B verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q 4 a in der Impulsstromsignalquelle 2 a ist über einen Widerstand R 1 a geerdet, und auch gemeinsam mit den Basen der Transistoren Q 2 a und Q 3 a in dem Impedanzwandler 3 a verbunden.

Bei dem obigen bekannten Impulssignalverstärker ist die Gleichspannungsquelle Ea, die dem Impedanzwandler 3 a eine Gleichspannung als Betriebsspannung zuführt, gesondert von der Spannungsquelle +B für den Transistor Q 1 a vorgesehen, so daß dieser bekannte Impulssignalverstärker einen komplizierten Aufbau hat und daher teuer ist.

Anhand der Fig. 2 wird nun der Impulssignalverstärker der Erfindung, der von den Nachteilen des Standes der Technik frei ist, beschrieben. In Fig. 2 sind Elemente entsprechend Fig. 1 mit den gleichen Bezugsziffern versehen und werden nicht mehr beschrieben.

Bei dem Beispiel der Fig. 2 ist eine Spannungsquelle 4 a, die eine Parallelschaltung aus einem Kondensator Ca (z. B. mit einer Kapazität von 10 µF) und einer Zenerdiode Dza als Konstantspannungselement mit der Impulsstromsignalquelle 2 a in dem Impulssignalverstärker anstelle der Spannungsquelle Ea beim Stand der Technik verwendet, und das Ausgangssignal der Spannungsquelle 4 a wird auf den Impedanzwandler 3 a als Betriebsspannung gegeben. Der Kollektor des Transistors Q 3 a ist über den Kondensator Ca geerdet und mit der Kathode der Zenerdiode Dza verbunden, deren Anode geerdet ist. Der Kollektor des Transistors Q 3 a ist mit dem Transistor Q 4 a über eine Diode D 2 a verbunden.

Der Betrieb des Impulssignalverstärkers in Fig. 2 wird nun anhand der Signalverläufe in den Fig. 3A bis 3D erläutert. Ein Impulsstrom bzw. ein Rechteckstrom I 1, der von der Impulsstromsignalquelle 2 a erzeugt wird und den in Fig. 3A gezeigten Verlauf und eine Frequenz von z. B. 500 kHz hat, wird in einen Strom I 2 geteilt, der zu dem Widerstand R 1 a und zu den Basen der Transistoren Q 2 a und Q 3 a, und sein Verlauf ist in Fig. 3B gezeigt, sowie in einen Strom I 3 geteilt, der durch die Diode D 2 a hauptsächlich zur Spannungsquelle 4 a fließt und dessen Verlauf in Fig. 3C gezeigt ist. Ein Strom IG, der zur Gateelektrode G des Transistors Q 1 a fließt, hat einen Verlauf, der sich durch Differentiation des Rechteckstroms I 1 in Fig. 3A ergibt, wie Fig. 4D zeigt. Dieser Verlauf wird durch die Eingangskapazitäten (z. B. etwa 1000 pF) hervorgerufen, die zwischen der Gate- und Drainelelektrode und zwischen der Gate- und Sourceelektrode des Transistors Q 1 a bestehen. Da der Strom IG den obigen Verlauf hat, ist der Verlauf der Ströme I 2 und I 3 nicht rechteckig wie der des Stroms I 1, sondern wie in den Fig. 3B und 3C. Die Größe des Stroms I 2 in seinem flachen Teil wird ausgedrückt durch wenn angenommen wird, daß die Gleichspannung der Spannungsquelle 4 a Vx ist, der Durchlaßspannungsabfall der Diode D 2 a Vd und der Widerstandswert des Widerstands R 1 a R 1 a ist.

Wenn der Transistor Q 4 a geöffnet und der Transistor Q 3 a während der Periode Tc in Fig. 3D gesperrt ist, wird der Kondensator Ca von dem Strom I 3 (=I 1-I 2) geladen. Die Spannung über dem Kondensator Ca kann als Spannungsquelle des Impedanzwandlers 3 a verwendet werden. Wenn der Mittelwert des Teilstroms des Stroms I 3, der zur Ladung des Kondensators Ca verwendet wird, größer als der Mittelwert des positiven Teils des Stroms IG gewählt wird, kann das Potential am Kollektor des Transistors Q 3 a im wesentlichen konstant gehalten werden. Bei dem Beispiel in Fig. 2 ist die Zenerdiode Dza vorgesehen, um zu verhindern, daß die Spannung über dem Kondensator Ca unnötig erhöht wird.

Der FET Q 1 a wird somit in Abhängigkeit von der Polarität der Impulsquelle 1 der Impulsstromsignalquelle 2 a ein- und ausgeschaltet, und ein verstärkter Ausgangsimpuls wird an den Ausgang t abgegeben.

Bei dem Beispiel in Fig. 2 ist als FET Q 1a ein Anreicherungs- MOS-FET verwendet, jedoch kann statt dessen ein Depression-MOS-FET oder ein FET mit Triodencharakteristik verwendet werden.

Anhand der Fig. 4 wird nun ein weiteres Beispiel der Erfindung beschrieben, bei dem Elemente entsprechend Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern und -buchstaben versehen sind und nicht mehr beschrieben werden.

Das Beispiel der Fig. 4 stellt den Fall der Anwendung auf einen komplementären Gegentakt-MOS-FET-Impulssignalverstärker dar, so daß zwei Verstärkerkreise verwendet sind, von denen jeder im wesentlichen gleich dem der Fig. 2 ist. Dabei ist als Impulssignalquelle eine Impulsbreitenmodulationsquelle verwendet.

In Fig. 4 sind die Transistoren Q 1 a und Q 2 b N- bzw. P-Kanal-Sperrschicht-FETs (bei dem gezeigten Beispiel Anreicherungs-MOS-FETs), und die MOS-FETs sind jeweils in Sourceschaltung angeordnet. Dies bedeutet, daß die Sourceelektroden der Transistoren Q 1 a und Q 2 b mit den Spannungsquellen -B und +B und deren Drainelektroden zusammen mit dem Ausgang t verbunden sind, an den eine Last 6 angeschlossen ist.

Der Impedanzwandler 3 a und die Spannungsquelle 4 a für den Transistor Q 1 a sind ähnlich denen der Fig. 2. Anstelle des Widerstandes R 1 a in Fig. 2 ist ein SRPP (durch Nebenschluß geregelter Gegentakt)-Kreis 5 a als aktive Last vorgesehen, die später beschrieben wird. Der SRPP-Kreis 5 a besteht aus einem PNP-Bipolartransistor Q 5 a, einer Diode D 1 a, die zwischen die Basis und den Emitter des Transistors Q 5 a geschaltet ist, und einem Widerstand R 3 a, der zwischen die Basis und den Kollektor des Transistors Q 5 a geschaltet ist. Die Basis des Transistors Q 5 a ist außerdem mit dem Kollektor des Transistors Q 4 a, der Kollektor des Transistors Q 5 a ist mit der Spannungsquelle -B und dessen Emitter ist gemeinsam mit den Basen der Transistoren Q 2 a und Q 3 a verbunden.

Da die Impulsstromsignalquelle, der Impedanzwandler, die Spannungsquelle und der SRPP-Kreis für den anderen Transistor Q 1 b im wesentlichen gleich denen für den Transistor Q 1 a sind, sind sie mit der entsprechenden Bezugsziffer und dem Zusatz b anstelle von a versehen und werden daher nicht mehr näher erläutert. Die Leitfähigkeit und die Anschlußpolarität der Transistoren und die Anschlußpolarität der Dioden in den beiden Verstärkerkreisen sind entgegengesetzt. Die Impulsquelle 1 (die eine Impulsquelle ist, deren Impulsbreite moduliert werden soll und die eine Trägerfrequenz von z. B. 500 kHz hat) ist zwischen die miteinander verbundenen Basen der Transistoren Q 4 a und Q 4 b und Masse geschaltet.

Bei dem Beispiel der Fig. ist es möglich, daß auf der Basisseite der Transistoren Q 3 a und Q 2 a und in ähnlicher Weise auf der Basisseite der Transistoren Q 3 b und Q 2 b zusätzlich eine Diode in der gleichen Richtung wie die Diode D 1 a bzw. D 1 b vorgesehen ist.

Es wird nun die Arbeitsweise der Schaltung der Fig. 4 beschrieben. Während der negativen Halbperiode der Impulsquelle 1 öffnet der Transistor Q 4 a und damit fließt der Strom I 1 vom Kollektor des Transistors Q 4 a aus. Der Strom I 1 wird in den Strom I 3 zur Diode D ₂ a und den Strom I 2 zum Widerstand R 3 a geteilt, wie zuvor erläutert. Ein Teil des Stroms I 2 fließt durch die Diode D 1 a zur Basis des Transistors Q 3 a im Impedanzwandler 3 a, so daß der Transistor Q 3 a öffnet. Wenn die Diode D 1 a öffnet, wird die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q 5 a, der den SRPP-Kreis 4 a zusammen mit der Diode D 1 a und dem Widerstand R 3a bildet, in Sperrichtung vorgespannt und damit wird der Transistor Q 5 a gesperrt. Infolge der Leitung des Transistors Q 3 a wird die Eingangskapazität des FET Q 1 a vom Strom IG (dessen positiver Anteil) in Fig. 3D geladen und dann öffnet der FET Q 1 a. Am Ausgang t wird daher die Spannung -B erzeugt. Während des Intervalls Tc in Fig. 3D wird der Kondensator Ca vom Strom I 3 geladen und dient daher als Spannungsquelle für den Impedanzwandler 3 a.

Wenn der Transistor Q 4 a gesperrt ist, wird die Basis- Emitter-Strecke des Transistors Q 5 a in Durchlaßrichtung vorgespannt, und der Transistor Q 5 a öffnet (die Diode D 1 a sperrt). Zu diesem Zeitpunkt wird daher der Transistor Q 2 a geöffnet, so daß die Eingangskapazität des FETs Q 1 a entladen wird und der FET Q 1 a gesperrt wird.

Während der positiven Halbperiode der Impulsquelle 1 wird von dem anderen Verstärkerkreis eine Arbeitsweise gleich der zuvor beschriebenen durchgeführt und damit öffnet der andere FET Q 1 b, so daß am Ausgang t die Spannung +B erzeugt wird.

Die Ausgangsseite des Impedanzwandlers, der aus Transistoren besteht, ist mit der Steuerelektrode des Sperrschicht- FET verbunden, der den Verstärker in Sourceschaltung bildet, und die Impulsstromsignalquelle ist mit der Eingangsseite des Impedanzwandlers verbunden. Es besteht somit nicht die Notwendigkeit, eine gesonderte Spannungsquelle vom FET aus für den Impedanzwandler vorzusehen. Der Impulssignalverstärker ist daher einfach im Schaltungsaufbau und billig.

Claims (9)

1. Impulssignalverstärker mit einer Impulsstromsignalquelle (2 a), einem Impedanzwandler (3 a), enthaltend einen ersten Transistor (Q₂ _a ) und einen zweiten Transistor (Q₂ _a ), deren Steuerelektroden miteinander verbunden sind und denen das Ausgangssignal der Impulsstromsignalquelle (2 a) zugeführt wird, und deren Emitterelektroden miteinander verbunden sind, ferner mit einem FET (Q₁ _a ), dessen Streuelektrode mit dem Verbindungspunkt der Emitterelektroden des ersten und zweiten Transistors (Q₂ _a ) (Q₃ _a ) verbunden ist und deren Drain- und Sourceelektroden über eine Last (R₂ _a ) zwischen eine Gleichspannungsquelle (+B) und einen Bezugspunkt geschaltet sind, gekennzeichnet durch

• a) eine kapazitive Einrichtung (C _a ), die zwischen der Kollektorelektrode des ersten Transistors (Q₃ _a ) und der Kollektorelektrode des zweiten Transistors (Q₂ _a ) sowie dem Bezugspunkt angeordnet ist,
• b) sowie ein Schaltelement (D₂ _a ), das zwischen dem Ausgang der Impulsstromsignalquelle (2 a) und der Kollektorelektrode des ersten Transistors (Q₃ _a ) angeordnet ist, so daß ein Teil des Ausgangsstroms der Impulsstromsignalquelle (2 a) die kapazitive Einrichtung (C _a ) auflädt, wenn der Steuerelektrodenstrom des FET (Q₁ _a ) nicht über die Emitter- und Kollektorelektrode des ersten Transistors (Q₃ _a ) fließt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Einrichtung aus einem Kondensator (C _a ) und das Schaltelement aus einer Diode (D₂ _a ) besteht.

3. Verstärker nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Konstantspannungselement (D _za ), das parallel zu dem Kondensator (C _a ) geschaltet ist.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (Q₃ _a ) ein PNP- Transistor und der zweite Transistor (Q₂ _a ) ein NPN-Transistor ist, daß der erste und zweite Transistor in Kollektorschaltung angeordnet sind und daß der FET (Q₁ _a ) ein N-Kanal-Anreicherungs- MOS-FET ist, der in Sourceschaltung angeordnet ist.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsstromsignalquelle (2 a) einen dritten Transistor (Q₄ _a ) enthält, dessen Kollektor den Ausgang der Impulsstromsignalquelle bildet und dessen Basis-Emitter-Kreis ein zu verstärkendes Impulssignal zugeführt wird.

6. Komplementärer Gegentakt-Impulssignalverstärker, gekennzeichnet durch zwei gleichartige, in Gegentaktschaltung angeordnete Impulssignalverstärker gemäß Anspruch 1.

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang der Impulsstromsignalquelle (2a, 2 b) und den Eingang des Impedanzwandlers (3a, 3 b) der beiden Impulssignalverstärker je ein durch Nebenschluß geregelter Nebentaktkreis (5a, 5 b) als aktive Last geschaltet ist.

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Nebentaktkreise (5a, 5 b) jeweils eine Diode (D₁ _a , D₁ _b ) und einen weiteren Transistor (Q₅ _a , Q₅ _b ) enthalten.

9. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsstromsignalquelle (2a, 2 b) zwei in Emitterschaltung angeordnete Transistoren (Q₄ _a , Q₄ _b ) enthält.