DE3446660A1

DE3446660A1 - Breitbandiger verstaerker, insbesondere messverstaerker

Info

Publication number: DE3446660A1
Application number: DE19843446660
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr.-Ing. 1000 Berlin Janata
Original assignee: Hahn Meitner Institut Fuer Kernforschung Berlin 1000 Berlin GmbH; Hahn Meitner Institut fuer Kernforschung Berlin GmbH
Current assignee: Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Priority date: 1984-12-18
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1986-06-26
Also published as: DE3446660C2

Description

HAHN-MEITNER-INSTITUT FÜR KERNFORSCHUNG BERLIN GMBH

51/1284 DE

5 Breitbandinger Verstärker, insbesondere Meßverstärker

Die Erfindung bezieht sich auf einen breitbandigen Verstärker, insbesondere Meßverstärker der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.

Dabei wird von einem Stand der Technik ausgegangen, der in Fig. 1 dargestellt ist. Ein solcher breitbandiger Verstärker weist einen hochfrequenten HF-Kanal A1 und einen niederfrequenten NF- Kanal A2 auf, welche parallel geschaltet sind. Beide Kanäle sind mit einem Eingang IN über eine Frequenzweiche verbunden, die aus einem Tiefpaßfilter TP und einem Hochpaßfilter HP besteht. Die AusgangsSignaIe beider Kanäle werden im Ausgang OUT über einen Summenverstärker A4 aufaddiert. Unter der Voraussetzung, daß die Verstärkung beider Verstärker A1 und A2 gleich groß ist, ist die Gesamtverstärkung über den gesamten Frequenzbereich konstant,wenn die 3-dB-Frequenz des HP-Filters und des TP-Filters gleich groß ist In diesem Falle ist die Eingangs-Impedanz unabhängig von der Frequenz und entspricht dem Widerstand R, wenn R = R = R ist . Die Realisierung solcher Filter über einen weiten Frequenzbereich größer 100 MHz stößt jedoch auf Schwierigkeiten , welche auf parasitäre Komponenten der Filterelemente , insbesondere der Induktivität L zurückzuführen sind .

Auch muß der Abfall der Verstärkung für beide Kanäle genau gleich sein , eine Forderung , die bei mehrstufigen Verstärkern nicht leicht zu verwirklichen ist . Ferner ist ein manueller Abgleich erforderlich .

Es sind darüber hinaus gleichspannungsgekoppelte Breitbandverstärker in Form mehrstufiger Verstärker bekannt . Hier ist ein hoher Aufwand für die Temperaturkompensation erforderlich , da eine Temperaturdrift der einzelnen Verstärkerstufen entsprechend verstärkt wird . Außerdem haben diese hohe Eingangsströme , d.h.der Basis-Ruhestrom des Eingangstransistors des Verstärkers erscheint am Eingang

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, einen gleichspannungsgekoppelten Verstärker, insbesondere Meßverstärker großer Bandbreite mit hoher niederfrequenter Stabilität und geringem Eingangsstrom zu schaffen, bei welchem insbesondere Freguenzweichen und die damit verbundenen Nachteile vermieden sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Hochfrequenzverstärker, der Niederfrequenzverstärker und der Summenverstärker derart geschaltet sind, daß der NF-Verstärker den Verstärkungsabfall des HF-Verstärkers bei tiefen Frequenzen ausregelt, wobei die Verstärkung des gesamten Verstärkers bis zur oberen Grenzfrequenz des HF-Verstärkers konstant ist und sich die Frequenzbereiche der HF- und NF-Verstärker .überlappen. Hierdurch werden hohe Bandbreiten , z.B. von größer als 500 MHz bei guter Stabilität der Nullinie erreicht, es tritt nur ein geringer Eingangsstrom (bias) mit geringer Drift auf und der erfindungsgemäße breitbandige Verstärker zeichnet .sich durch eine einfache Konstruktion bei Verwendung handelsüblicher Verstärker aus, wobei eine Fertigung als integrierter Verstärker möglich ist. Der erfindungsgemäße Verstärker benötigt insbesondere keine Frequenzweichen mehr, so daß die aus diesen resultierenden Nachteile vermieden sind.

In besonders bevorzugter Weise ist der NF- Verstärker als Differenzverstärker oder Operationsverstärker ausgebildet und der Ausgang des Summenverstärkers ist über einen Abschwächer mit dem invertierenden Eingang des NF-Verstärkers verbunden. Somit kann als NF- Verstärker ein handelsüblicner Differenzverstärker oder Operationsverstärker verwendet werden. Die Verbindung des Ausganges des Summenverstärkers mit dem invertierenden Eingang des als Differenz-oder Operationsverstärker ausgebildeten NF- Verstärkers ermöglicht, daß die Gleichspannung squalitä ten des NF- Verstärkers für den gesamten Verstärker galten.

Erfindungsgemäß.ist ferner vorgesehen, daß zwischen dem Ausgang des Summenverstärkers und dem Verstärkerausgang ein weiterer breitbandiger Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1 geschaltet ist. Hiermit werden unterschiedliche Verstärkungen des HF- Verstärkers und NF-Verstärkers bei Änderungen des Widerstandes des an den breitbandigen Verstärkers angeschlossenen Verbraucher verhindert.

Beim erfindungsgemäßen breitbandigen Verstärker können die Frequenzbereiche des HF- und NF- Verstärkers beliebig sein, wobei auch der Abfall der Verstärkung des HF-Verstärkers beliebig sein kann. Bedingung ist nur, daß sich die Frequenzbereiche des HF- und des NF- Verstärkers überlappen .

Der erfindungsgemäße breitbandige Verstärker vermeidet die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile. Erfindungsgemäß ist ein HF- Verstärker mit festem Verstärkungsfaktor parallel zu einem NF- Verstärker geschaltet, welcher nur die Differenz zwischen dem Eingangssignal und dem abgeschwächten Aasgangssignal verstärkt. Hierdurch trägt der

NF- Verstärker zum Ausgangssignal nur in einem Frequenzbereich bei, in welchem die Verstärkung des HF-Kanales kleiner ist als der voreingestellteiWert. Der NF-Verstärker ist direkt mit dem Eingang verbunden, wohingegen der HF-Verstärker über einen Koppelkondensator mit dem Eingang verbunden ist. Der Eingang ist durch einen Widerstand abgeschlossen , dessen Wert viel geringer als die Eingangsimpedanz des HF-und NF- Verstärkers ist. Die Ausgänge beider Kanäle sind mit einem Summenverstärker verbunden.

Der Ausgang des Summenverstärkers wird durch den invertierenden Eingang des NF - Verstärkers über einen Abschwächer abgetastet. Die Gesamtverstärkung des breitbandigen Verstärkers ist:

G =

^VOÜT ^{G1 + G2}

^VIN ^{1 + G2/G3}

Hierbei bedeuten G1 die Verstärkung des HF - Verstärkers und G2 die Leerlauf-Verstärkung des NF -Verstärkers. Da beide Verstärkungen G1 und G2 frequenzabhängig sind, muß ihr Einfluß auf die Gesamtverstärkung

G. noch näher erläutert werden. Zur Vereinfachung wird die Verstärkung nachfolgend als absolute Verstärkung bezeichnet,

Beide Kanäle haben die gleiche Verstärkung, wenn G1 = G3 ist. Bei hohen Frequenzen, d.h. wenn G1 = G3 ist, ist die Gesamtverstärkung G unabhängig von G2. Bei sehr niedrigen Frequenzen, bei welchen G1 ungefähr Null ist, entspricht die Gesamtverstärkung G ungefähr G3, wobei G2 sehr viel größer als G3 ist. Im Zwischenbereich fällt.G1 ab und G2 sollte ungefähr den vollen Wert haben . Wenn

z.B. G1 auf G1 = 0,9 χ G3 abfällt, sollte G2 größer = 1O³ sein, um eine Variation in der Verstärkung von weniger als 1% zu haben. Es ist leicht möglich , die Frequenzbereiche beider Kanäle genügend zu überlappen. Die nachstehend noch beschriebene Ausführungsform des Verstärkers

wird zeigen, daß tatsächlich die Verstärkung unabhängig von der Frequenz ist, d.h. der NF-Kanal lei- . stet, über einen bestimmten Frequenzbereich keinen Beitrag zum Ausgangssignal, obwohl G2 seine volle Verstärkung erreicht hat. In diesem Falle kann die unterschiedliche übertragung sverzogerung beider Kanäle vernachlässigt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1: ein Blockschaltbild eines breitbandigen Verstärkers gemäß dem Stand der Technik,

Fig.2: ein Blockschaltbild des breitbandigen Verstärkers gemäß der Erfindung,

Fig.3: ein Schaltbild einer Ausführungsform des breitbandigen Verstärkers gemäß Fig.2 und 20

Fig.4: ein Diagramm des Verstärkerausganges im Verhältnis zum Verstärkereingang.

Der in Fig. 1 dargestellte breitbandige Verstärker gemäß dem Stand der Technik umfaßt einen hochfrequenten Kanal mit einem Hochfrequenz-Verstärker A1 und einen niederfrequenten Kanal mit einem Niederfrequenz-Verstärker A2, welche parallel geschaltet sind. Die Verstärkungen sind G1 bzw. G2. Beide Kanäle sind mit dem Eingang IN über eine Frequenzweiche verbunden, welche aus einem Tiefpaßfilter TP und einem Hochpaßfilter HP besteht. Die Ausgangssignale beider Kanäle werden über einen Summenverstärker A4 dem Ausgang OUT zugeführt. Der HP-Filter wird aus einem Kondensator C und einem Widerstand R₁ im 5 hochfrequenten Kanal gebildet. Der TP- Filter wird aus einer

Induktivität L und einem Widerstand R„ gebildet, welche in dem niederfrequenten Kanal geschaltet sind. Sofern die Verstärkungen G1 und G2 beider Verstärker A1 und A2 gleich sind, ist die Gesamtverstärkung konstant über den gesamten Frequenzbereich von der Niederfrequenz NF bis zu einer oberen Frequenz begrenzt durch den HF-Kanal, wenn die 3 - DB- Frequenz des HP- Filters und des TP -Filters die gleiche ist. In diesem Falle ist die Eingangsimpedanz auch unabhängig von der Frequenz und entspricht dem Widerstand R, wenn der Widerstand R gleich ist R₁ und gleich ist R₂.

Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbild ist beim erfindungsgemäßen breitbandigen Verstärker, insbesondere Meßverstärker der HF- Verstärker A1 mit festem Verstärkungsfaktor parallel zum NF -Verstärker A2 geschaltet, welcher nur die Differenz zwischen dem Eingangssignal IN und dem abgeschwächten Ausgangssignal OUT verstärkt. Hierdurch trägt der NF-Verstärker A2 zum Ausgangssignal OUT nur in einem Frequenzbereich bei, in welchem die Verstärkung des HF- Verstärkers A1 kleiner ist als ein voreingestellter Wert. Der NF- Verstärker A2 ist direkt mit dem Eingang IN verbunden. Der HF- Verstärker A1 ist mit dem Eingang IN über einen Koppelkondensator C1 verbunden. Der Eingang IN ist mit einem . Widerstand R abgeschlossen , dessen Wert viel kleiner ist als die 'Eingangsimpedanzen des HF-Verstärkers A1 und des NF-Verstärkers A2. Die Ausgänge beider Kanäle sind mit dem Summenverstärker A4 verbunden. Der Ausgang des Summenverstärkers A4 ist über einen .

0 Abschwächer A3 mit dem invertierenden Eingang des ,NF-Verstärkers A2 verbunden.Die Verstärkungsfaktoren des HF-Verstärkers A1 und des NF-Verstärkers A2 sind G1 bzw. G2, der des Abschwächers A3 ist 1 / G3 . '

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Die Gesaratverstärkung des Verstärkers ist :

^VOUT G1 + G2

G = — =

IN 1 + G2/G3

Hierbei ist G1 die Verstärkung des HF- Verstärkers A1 und G2 die Leerlauf-Verstärkung des NF-Verstärkers A2. Der NF- Verstärker A2 ist ein Differenz- oder Operationsverstärker. Zwischen dem Ausgang des Summenverstärkers A4 und dem Verstärkerausgang OUT ist ein weiterer breitbandiger Verstärker A5 mit dem Verstärkungsfaktor 1 geschaltet.'

Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform des in Fig. 2 im Blockschaltbild gezeigten breitbandigen Meßverstärkers mit 100-facher Verstärkung. Der AC-gekoppelte HF-Verstärker A1 besteht aus dem Transistor T1 und den integrierten HF-Verstärkern U1 und U2. Der NF- Verstärker A2 ist aus einem Operationsverstärker U3 gebildet. Der Summenverstärker A4 besteht aus den Transistoren T2 und T3. Die Widerstände R₁ und R bestimmen den Eingangsbzw· den Ausgangswiderstand des Verstärkers (50 OHM).

Das Eingangssignal IN gelangt einmal über den Kondensator C1 ( Gleichstromtrennung), an die erste Stufe T1 des HF-Verstärkers ä1 . Die Vorspannung für den Transistor TI wird durch die Widerstände R- und R. erzeugt. Die Verstärkung dieser Stufe wird durch den Kollektorwiderstand R„ und den Emitterwiderstand R, 'bestimmt. Durch

'D 6

0 die RC- Kombination C3/ R₇ wird der Frequenzgang des HF- Verstärkers A1 abgeglichen. Die Kondensatoren C2, C4 und C5 dienen der GIeichspannungstrennung der Verstärker U1 und Ü2, sie bestimmen im wesentlichen die untere Grenz-

frequenz des HF- Verstärkers A1. Das verstärkte Signal gelangt nun an einen Eingang des Summenverstärkers A4, der aus den Transistoren T2 und T3 ,'gebildet ist. Die Kollektoren der Transistoren T2 und T3 sind gemeinsam mit dem Ausgang OUT und dem Kollektorwiderstand R_n verbunden,

wobei der Widerstand R₁₁ die Kollektorkapazitäten des ■ ■ Transistors T3 vom Ausgang OUT fernhält. Die Widerstände R₀ und R„ sind die Emitterwiderstände der Transistoren T2 bzw. T3 und bestimmen zusammen mit dem Widerstand R_g die Verstärkung des Summenverstärkers A4 für die beiden Kanäle. Der Basiswiderstand R₀ schließt den Verstärker U2

Das Eingangssignal IN gelangt auch über den Widerstand R„ an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers U3. Der Ausgang des Operationsverstärkers U3 ist mit dem zweiten Eingang (Transistor T3) des Summenverstärkers A4 verbunden. Dessen Ausgangsspannung gelangt über den Spannungsteiler ^R ₁₃/^R ₁₄ (A3) an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers U3. Die Eingänge des Operationsverstärkers U3 sind hier gegenüber der Fig. 2 vertauscht, da der Summenverstärker A4 das Signal invertiert. Der Widerstand R„verhindert eine Belastung des Verstärkereinganges durch die Eingangskapazität des Operations-Verstärkers U3.

Die erste HF- Verstärkerstufe aus dem Transistor T1 ist so ausgelegt, daß deren frequenzabhängiger Eingangswiderstand wesentlich größer als der Widerstand R ist, ebenso ist der Widerstand R„ wesentlich größer als R , d.h.

. der Eingangswiderstand ist nahezu frequenzunabhängig und wird durch den Widerstand R₁ von 50 OHM bestimmt. Der Eingangsstrom des Verstärkers wird durch den Eingangsstrom des Operationsverstärkers U 3 bestimmt und kann sehr 5 klein gehalten werden, d.h. in der Größenordnung von pA.

Der beschriebene und dargestellte Breitbandverstärker verwendet zwei verschiedene Verstärker A1 und A2 mit gleichem Verstärkungsfaktor in einer_: Parallelschaltung für die Verstärkung der HF- und NF-Komponenten des Eingangssignales IN. Der NF- Verstärker A2 trägt zur Gesamtverstärkung aber nur dann bei, wenn die Verstärkung des HF-Verstärkers A1 abfällt. Es sind keine Frequenzweichen am Eingang notwendig. Der Verstärkung beider Kanäle wird unterschiedlich, wenn ein Lastwiderstand verwendet wird, der unterschiedlich ist von 50 OHM, da die Verstärkung des Verstärkers auf eine 50 Ohm- Belastung eingestellt ist. Dies kann vermieden werden, wenn ein weiterer Verstärker A5 mit der Verstärkung G5 = 1 und ein Reihenwiderstand (50 Ohm) zwischen dem Summenverstärker A4 und

T5 dem Ausgang eingeschaltet wird . Dieser Verstärker A5 hat eine geringe Ausgangsimpedanz (Emitterfolger) . Der Ausgang des Verstärkers A5 ist dann über den Abschwächer A3 mit dem Verstärker A2 verbunden .

Die Gesamtverstärkung des Verstärkers ist 4OdB, nichtinvertierend, d.h.+ 100 X. Im HF-Kanal tragen die einzelnen Verstärkerstufen zur Gesamtverstärkung wie folgt bei: T1 = 12 dB, U1 = 13 dB, U2 = 10 dB und T2 = 5 "dB. Die GesamtverStärkung wird durch Wahl des Emitter- Widerstandes R₆ von T1 eingestellt. Die Verstärkung des NF- Kanales wird durch die Widerstände R₁₃ und R . eingestellt, wobei gilt: G3 = 1 + R /R„. Die Verstärkung von T3 ist in die Leerlauf-Versiärkung von U3 miteinbezogen . Die NF- Stabilität des gesamten Verstärkers wird durch U3 geregelt. Aus den spezif xzierten Werten des Operationsverstärkers für die Änderung der Eingangsspannung und des Bias-Stromes mit der Temperatur wird eine Ausgangsdrift von 250 \iV/°C berechnet .
Die Fig. 4 zeigt in der Kurve b den Ausgang OUT des Verstärkers und mit der Kurve a das entsprechende Eingangs-

signal IN, wobei ein 7904 Oszillograph mit einem 7A19 Einschub von Tektronix und ein hp 215Ά Pulsgenerator von Hewlett -Packard verwendet wurden . Der Pulsgenerator wurde mit dem Oszillographen über .einen 2OdB Abschwächer zur Aufzeichnung des Eingangssignales IN verbunden und wurde an den Verstärkereingang über·, einen 6OdB Abschwächer für die Messung der Ausgangsspannung OUT angelegt. Der Anstieg des Ausgangssignales OUT ist etwas langsamer als der Anstieg der Eingangsspannung IN.

Die Ausgangsspannung OUT stellt sich innerhalb von etwa 4ns nach dem Start des Impulses ein und ist im wesentlichen gleichförmig über eine längere Zeit. Die überspannung am Anfang beträgt ungefähr 5%. Die Anstiegszeit wurde zu 0.63 ns bestimmt aus der Ansprechzeit für einen schnellen Spannungssprung ( S 50 Pulsgenerator und S 4 Samplingkopf von Tektronix). Die entsprechende Bandbreite ist 0 Hz bis 550 MHz . Das Rauschen am' '

Ausgang betrug 10 mV (Spitze - Spitze ) und wurde mit einem 500 MHz Oszillographen gemessen ( 7904 Oszillograph und 7A19 Einschub von Tektronix ) .

Die besonderen Vorteile dieses breitbandigen Verstärkers ■ liegen in der leicht erreichbaren großen Bandbreite ( hier 0 Hz bis zu 550 MHz ) , der Möglichkeit der Verwendung handelsüblicher integrierter Bauelemente für die Verstärker A1(teilweise) und A2. , da eine einfache Konstruktion ohne Frequenzweichen möglich ist , in der Möglichkeit der Fabrikation als integrierter Verstärker oder in hybrider Technik und weiter darin,daß der gesamte Verstärker die ausgezeichneten DC-Eigenschaften eines Operationsverstärkers besitzt , wie z.B. eine Nullpunktstabilität und einen geringen Eingangsstrom.

Claims

HAHN-MEITNER-INSTITUT FÜR KERNFORSCHUNG BERLIN GMBH

51/1284 DE Patentansprüche :

(λ) Breitbandiger Verstärker, insbesondere Meßverstärker, mit getrennten, parallel geschalteten Niederfrequenz- und Hochfrequenz-Verstärkern und einem Summenverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzverstärker (A1), der Niederfrequenzverstärker (A2) und der Summenverstärker (A4) derart geschaltet sind, daß der NF-Verstärker (A2) den Verstärkungsabfall des HF-Verstärkers (A1)bei tiefen Frequenzen ausgleicht,wobei die Verstärkung des Gesamtverstärkers von 0 Hz bis zur oberen Grenzfrequenz des HF-Verstärkers (A1) konstant ist und sich die Frequenzbereiche der HF- und NF-Verstärker (A1 bzw". A2) überlappen.

2® 2. Breitbandiger Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der NF-Verstärker (A2) ein Gleichspannungsverstärker ist und der Ausgang des Summenverstärkers (A4)über einen Abschwächer (A3) mit dem invertierenden Eingang des als Differenz- bzw. Operationsverstärkers ausgebildeten NF- Verstärkers (A2) verbunden ist.

3. Breitbandiger Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang ci^s Summenverstärkers (A4) und dem Verstärkerausgang (OUT) ein weiterer breitbandiger Verstärker (A5) mit dem Verstärkungsfaktor 1 geschaltet ist, wobei weiterhin der invertierende Eingang des NF-Verstärkers (A2) mit dem Ausgang des Summenverstärkers (A4) verbunden ist.

4. Breitbandiger Verstärker nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Summenverstärkers (A4);und dem Verstärkerausgang (OUT) ein weiterer breitbandiger Verstärker (A5) mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz und ein Reihenwiderstand ( zur Serienanpassung ) geschaltet sind , wobei der invertierende Eingang des NF-Verstärkers (A2) über den Abschwächer (A3) mit dem Ausgang des Verstärkers (A5) verbunden ist .