DE2903668C2 - - Google Patents
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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.
Applications Claiming Priority (1)
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