DE3020313A1 - Verstaerkerstufe zum verstaerken amplitudenmodulierter frequenzsignale - Google Patents

Description

• Verstärkerstufe zum Verstärken amplitudenmodulierter Frequenzsignale Die Erfindung betrifft eine VerstErkerstufe laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
• In Senderendstufen beispielsweise von Fernsehsendern werden immer mehr Transistorverstärkerstufen eingesetzt. Bei den bisher üblichen Schaltungen auch mit Arbeitspunkt-Regelung zum Schutz des Transistors vor Dauerüberlastung wird der Transistor nicht mit optimal möglichem Wirkungsgrad betrieben. Grössere Leistungen können daher nur durch Zusammenschalten von mehreren solchen bisher noch sehr teuren Leistunastransistoren erreicht werden. Wenn eine Arbeltspunktschaltung vorgesehen war, so wurde ihr Ausgangswiderstand stets relativ gross gewählt, beispielsweise in der Grössenordnung von 100 Ohm, damit die nötige Steuerspannung aus dem Kollektorkreis gewonnen werden kann, ohne die Versorgung dadurch zusätzlich wesentlich zu belasten.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad einer Leistungstransistor-VerstärkerstuSe zu erhöhen.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Verstärkerstufe laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende-Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Bei der erfindungsgemässen Verstärkerstufe wird durch Eigengleichrichtung des modulierten Eingangssignals in der Steuerstrecke des Leistungstransistors, bei einem beispielsweise in Emitterschaltung betriebenen Leiungstransistor in der Basis-Emitter-Strecke, eine Verschiebung des Arbeitspunktes für den Emitter-Kollektor-Kreis des Leistungstransistors bewirkt und damit der Transistor mit optimalem Wirkungsgrad betrieben. Damit dieser Regeleffekt nicht durch die zum Schutz vor Dauerüberlastung des Transistors vorgesehene Arbeitspunkt-Regelschaltung, die eine Regelung des mittleren Kollektorstroms bewirkt, beeinträchtigt bzw. kompensiert wird, ist diese Regelschaltung so dimensioniert, dass sie nur für sehr tiere Frequenzen wirksam ist. Damit. wird zugunsten der Betriebsstabilität auf die Eigensteuerfunktion des Leistungstransistors verzichtet. Für eine Verstärkerstufe zum Verstärken von mit Video-Signalen modulierten Hochfrequenzträgern genügt es beispielsweise, diese Arbeitspunkt-Regelschaltung nur im Video-Frequenzbereich von Null bis etwa 10 Hz wirken zu lassen, im darüberliegenden Videobereich von 10 Hz bis 8 NHz diese Arbeitspunktregelung jedoch unwirksam zu lassen und hier nur die erfindungemäss vorgeschlagene Arbeitspunkt-Verschiebung über die Eigengleichrichtung des Transistors wirken zu lassen und somit in diesem Bereich den Transistor mit optimalem Wirkungsgrad zu betreiben. Die erfindungsgemässe Arbeitspunkt-Verschiebung muss so verzögerungsarm -erfolgen, dass diese auch noch für sehr- hohe Frequenzen wirksam ist, bei TV-Signalen beispielsweise auch noch ür den Ton-(,5bi6,5MHz im Falle gemeinsamer Bild-Ton- ers ta"rkun -.
• trägerau'r e:ne e ne Steuerung in so kurzen Zeiten erhebliche Ströme erforderlich sind, muss die Steüerquelle im Sinne der Erfindung sehr niederohmig sein. Der Eigengleichrichtungs-Effekt in der Steuerstrecke tritt nur auf, wenn die Steuerquelle niederohmiger ist als der differentielle Innenwiderstand der Steuerstrecke des Transistors im Arbeitspunkt. Nur dann kann das durch die Eigengleichrichtung gewonnene Steuersignal auch zum Aufsteuern des Kollektorstromes des Leistungstransistors führen.
• Der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Verstärkerstufe kann noch dadurch gesteigert werden, dass im Sinne der Unteransprüche auch noch die Betriebsspannung des Leistungstransistors in Abhängigkeit vom Eingangssignal gesteuert wird. Hierdurch kann das zur Verfügung stehende Leistungs-Arbeitsfeld des Transistors mit symmetrischer Arbeitspunktlage praktisch voll ausgenutzt werden.
• Die erfindungsgemässe Massnahme ist im Prinzip bei allen üblichen Transistor-Grundschaltungen anwendbar, beispielsweise auch bei mit Feldeffekttransistoren bestückten Schaltungen, sie ist jedoch von besonderem Vorteil für Leistungstransistoren, die in Emitterbasisschaltung betrieben sind.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• mit Fig. 1 zeigt eine Leistungsverstärkerstufe zum Verstärken von7Videosignalen amplitudenmodulierten Hochfrequenzsignalen mit einem in Emitterbasissohaltung betriebenen Leistungstransistor 1, dessen Basiselektrodebüber eine Eingangs-Anpassungsschaltung 2 das zu verstärkende modulierte Eingangssignal zugeführt wird. Das am Kollekc torSabgegriffene verstärkte Ausgangssignal gelangt über eine Ausgangs-Anpassungsschaltung 3 zur Last 4. Zwischen Kollektoranschluss C und der Speisespannungs-Gleichspannungsquelle 5 liegt ein Messwiderstand 6, der zu einer Arbeitspunkt-Regelschaltung 7 führt.
• Die am Widerstand 6 abgegriffene Regelgrösse, die dem Kollektorstrom IC proportional ist, wird als Stellgrösse der Basis B des Leistungstransistors 1 zugeführt.
• Durch einen an der Basiseektrode B angeschalteten sehr niederohmigen Ohm'schen Widerstand 8dr sgangswiderstand dieser Regelschaltung 7 so niederohmig gewählt, dass er klein ist gegenüber dem differentiellen Innenwiderstand der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 1, also der wirksamen Steuerstrecke. Gleichzeitig ist die Regelschaltung 7 zu einer Tiefpass-Schaltung ergänzt, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Kondensator 13 zu einem ersten Tiefpass vor dem Regelverstärkungstransistor 9 und zu einem zweiten Tiefpass über einen Kondensator 10 am Ausgang dieses Transistors 9. Die Grenzfrequenz dieser beiden RC-TieSpassglieder 13 u.10 ist so tief gewählt, dass die Arbeitspunkt-Regelung über die Schaltung 7 nur für sehr langsame Amplitudenänderung wirksam ist.
• Für einen Video-Sendeverstärker genügt es beispielsweise, die beiden Tierpässe-13ulO so zu dimensionieren, dass diese Regelschaltung 7 nur für Videofrequenzen zwischen etwa Null und10 Hz wirksam ist, darüber jedoch aussetzt und dann nur noch die durch die Eigengleichrichtung an der Basis-Emitter-Strecke sich aufbauende Steuerspannung zur Verschiebung des Arbeitspunktes wirksam ist.
• Um möglichst kleine Kondensatoren für die Realisierung der Tiefpassglieder zu erhalten,'werden diese an denjenigen Stellen der Gesamtschaltung angebracht, an denen der höchste Widerstandsanteil besteht. Aus diesem Grunde ist der erste Kondensatorl3 für das erste RC-Tiefpassglied parallel zur Basis-Emitter-Strecke des in Basisschaltung betriebenen Transistors 9 geschaltet. Der zweite Tiefpass 10 bewirkt im wesentlichen nur eine zusätzliche Korrektursiebung und ist nicht unbedingt nötig.
• Die bisher beschriebene Regelschaltung genügt ftir kleinere Leistungstransistoren mit hoher Verstärkung. Für Leisungstransistoren grösserer Leistung-ist es vorteilhaft zur Verminderung des Leistungsbedarfes dieser Regelschaltung noch einen Hilfstransistor 11 vorzugsweise in Kollektorbasisschaltung (Emitterfolger) zwischenzuschalten und diesen über eine gesonderte relativ niedrige HilSsspeisespannung UH zu versorgen.
• Natürlich sind in der gesamten Schaltung noch zusätzliche nicht dargestellte Siebglieder vorgesehen, beispielsweise zwischen dem Messwiderstand 6 und dem Kollektoranschluss C und auch in der Zuleitung der Regelschleife zwischen Regelschaltung 7 und Basiselektrode B, um störende Rückwirkungen der Hochfrequenzströme zu vermeiden.
• Die Grösse der differentiellen Basis-Emitter-Widerstandes REB kann für die verschiedenartigsten Transistortypen und für den normalen Arbeitspunkt aus den von den Trans istorhers tellern gegebenen Transistordaten in bekannter Weise errechnet werden, und zwar nach folgender Grundbeziehung: wobei UT die jeweilige Temperaturspannung des Transistors und 1B der aus dem StromverstGrkungsfaktor ß und dem Kollektorstrom 10 zu errechnende Transistorbasisstrom ist. FUr -einen üblichen Leistungstransistor ergibt sich danach beispielsweise ein differentieller Basis-Emitter-Widerstand von 0,8 Ohm im Arbeitspunkt. Eine mit einem üblichen Transistor 11 bestückte Emitterfolgerschaltung der Regelschaltung 7 ergibt beispielsweise einen Ausgangswiderstand von etwa 0,4 Ohm be i einem Basis-Emitter-Wi.derstand 8 am Leistungstransistor von beispielsweise 2,2 Ohm ergibt dies einen effektiven Quellwiderstand der Regelschaltung 7 für den Leistungstransistor 1 vo34 Ohm, der also wesentlich kleiner ist als der oben errechnete differentielle Widerstand der Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 1 im Arbeitspunkt.
• Fig. 2 zeigt anhand eines Ublichen Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Kennliniendiagramms eines Leistungstransistors die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Arbeitspunktverschiebung. Der Arbeitspunkt A des Transistors nimmt ohne Aussteuerung die angegebenen Mittellage auf der gestrichelt eingezeichneten Arbeitsgeraden ein. Durch die Eigengleichrichtung des Transistors wird der Kollektorstrom entsprechend gesteuert, und zwar zwischen den angegebenen Grenzen längs der Linie X. Damit wird in dem gestrichelt eingezeichneten Arbeitsfeld die Arbeitsgerade je nach Amplitude des Eingangssignals entsprechend parallel verschoben, der Leistungstransistor liefert also für grosse Aussteuerungen entsprechend grosse Leistung, für kleine Aussteuerungen dagegen entsprechend kleine Leistung, er passt sich also optimal an die jeweiligen Leistungserfordernisse an und wird daher mit optimalem Wirkungsgrad betrieben.
• Fig. 3 zeigt, wie durch eine zusätzliche Steuerung der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von dem Eingangssignal der Wirkungsgrad noch weiter optimiert werden kann. Die zugehörige Steuerschaltung ist in Fig. 1 schematisch angedeutet, die Spannungsquelle 5 ist in diesem Fall steuerbar ausgeführt und sie wird über einen zusätzlichen Regelkreis 12 in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals so gesteuert, dass bei grosser Eingangssignal-Amplitude eine grössere Speisespannung UB geliefert wird als bei kleinerer Amplitude dieses Eingangssignals. Auf diese Weise wird zusätzlich zu der in Richtung der Diagrammachse IC wirksamen Stromverschiebung des Arbeitspurktes auch noch eine in Richtung der Spannungsachse wirksame Arbeitspunktverschiebung erreicht, also eine Parallelverschiebung der Arbeitsgeraden im eingezeichneten Arbeitsfeld längs der schräg eingezeichneten Geraden X. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass durch eine solche zusätzliche Spannungssteuerung das Arbeitsfeld optimal an das Kennlinienfeld angepasst ist und für grosse und kleine Leistung symmetrische Aussteuerung gewährleistet ist.
• Fig. 4 zeigt, wie durch eine zusätzliche Schwellwertschaltung in der zusätzlichen Regelschaltung 12 dafür gesorgt, werden kann, dass diese zusätzliche Spannungssteuerung erst ab einem bestimmten Amplitudenschwellwert eintritt. Für ein Videosignal kann damit noch eine weitere Optimierung des Wirkungsgrades dadurch erzielt werden, dass im Bildbereich des Videosignals jeweils nur die zuerst erwähnte Stromsteuerung längs der Geraden X1 durchgeführt wird und erst im Synchronimpulsbereich des Videosignals die kombinierte Strom- und Spannungssteuerung längs der Geraden X2 wirksam ist.

Claims (9)

1. Patentansnrüche 1. Verstärkerstufe zum Verstärken amplitudenmodulierter Hochfrequenzsignale, insbesondere von mit Videosignalen modulierten Hochfrequenzsignalen, mit einem Leistungstransistor und einer zwischen Ausgangspunkt-Regelschaltung.

   Kreis des Transistors wirkenden Arbeits-Regelschaltung, d a d u r c h g e k e n n z e i e h n e t,- dass der an der Steuerelektrode (B) des Transistors (1) wirksame Queliwiderstand der Arbeitspunkt-Regelschaltung (7) klein gewählt ist gegenüber dem differentiellen Eingangswiderstand der Steuerstrecke (B,E) des Transistors (1).
2. 2. Verstärkerstufe nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c-h n e t, dass die Arbeitspunkt-Regelschaltung(7)so dimensioniert ist, dass sie nur für sehr tiefe Modulationsfrequenzen wirksam ist.
3. 3. Verstärkerstufe nach Anspruch 2 zum Verstärken von mit Videosignalen modulierten Hochfrequenzsignalen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Regelschaltung so dimensioniert ist, dass sie nur für Videofrequenzen unterhalb etwa 10 Hz wirksam ist.
4. 4. Verstärkerstufe nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Regelschaltung (7) zu mindestens einem Tiefpass (10, 13) mit entsprechend tiefer Grenzfrequenz ergänzt ist.
5. 5. Verstärkerstufe nach einem oder-mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass am Ausgang der Arbeitspunkt-Regelschaltung (7) ein über eine Hilfsspannung (UH) betriebener Hilfstransistor (11) insbesondere in Emitterfolgerschaltung vorgesehen ist.
6. 6. Verstärkerstufe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspräche, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass der Leistungstransistor (1) in Emitterbasisschaltung betrieben ist und die Regelschaltung (7) zwischen Kollektor (G) und Basis (B) vorgesehen ist.
7. 7. Verstärkerstufe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass parallel zu Basis-Emitter-Strecke (B,E) des Leistungstransistors (1) ein ohm'scher Widerstand (8) von etwa 1 bis 10 Ohm geschaltet ist.
8. 8. Verstärkerstufe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass die Speisespannungsquelle (5) des Leistungstransistors (1) regelbar ausgebildet und die Speisespannung (UB) über eine zusätzliche Regelschaltung (12) in Abhängigkeit vom amplitudenmodulierten Eingangssignal gesteuert ist.
9. 9. Verstärkerstufe nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die zusätzliche Regelschaltung (12) so dimensioniert ist, dass die zusätzliche Speisespannungsregelung nur oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes der Amplitude des amplitudenmodulierten Eingangssignales, bei Videosignalen nur im Synchronimpuls-Bereich, wirksam ist (Fig. 4). N