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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung in direkter
Verbindung, deren Eingangsstufe mit einer Verstärkungsregelung zur automatischen
Steuerung des Wechselstromsignalpegels an einer Ausgangsklemme dieser Schaltung
versehen ist, deren Ausgangssignal dem Eingang einer Kette in Kaskade geschalteter
Elemente zugeführt wird, die insbesondere einen Detektor und eine Integratorschaltung
enthält und die am Ausgang ein Signal zur Verstärkungsregelung der Eingangsstufe
liefert, welche Schaltung zugleich Mittel zur Stabilisierung des Gleichspannungspegels,
mindestens an der Ausgangsklemme, enthält.
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Man beabsichtigt, in einer solchen Verstärkerschaltung eine direkte
Verbindung zwischen den Stufen zu verwenden, so daß der größte Teil dieser Schaltung
in einfacher Weise als integrierte Schaltung aufzubauen ist.
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Bekannt ist, daß bei einem Verstärker mit hoher Verstärkung und direkter
Verbindung eine kleine Änderung der Vorspannung einer Stufe leicht eine Sättigung
oder einen Durchbruch an einer der folgenden Stufen zur Folge haben kann, weil diese
Spannungsänderung gleichzeitig mit dem Wechselstromsignal verstärkt wird. Umso
mehr, als die Eingangsstufe der Verstärkerschaltung eine Regelung enthält, um die
Verstärkung dieser Stufe im Hinblick auf die automatische Steuerung des Signalpegels
am Ausgang zu verändern, und die Verstärkungsregelung den mittleren Arbeitspunkt
eines Transistors beeinflußt, wird es absolut notwendig, spezielle Mittel zur
Stabilisierung des Gleichspannungspegels dieser Verstärkerstufe und jeder weiteren folgenden
Stufe vorzusehen.
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Eine Verstärkerschaltung der eingangs erwähnten Art ist insbesondere aus der
Patentschrift FR 1 548 146 bekannt.
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Wenn man an das Anwendungsgebiet denkt, das sich mit der Verstärkung
sehr schwacher digitaler Signale befaßt, insbesondere solcher, die am Ausgang eines am
Empfangsende einer Lichtwellenleiterverbindung gelegenen Detektors gebildet werden,
dann zeigt sich, daß die bekannte Verstärkerschaltung den Anforderungen dieser
Anwendung nicht genügt.
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Tatsächlich wäre es wünschenswert, die Verstärkung des Verstärkers in
einem viel breiteren Wertebereich verändern zu können und über eine höhere maximale
Verstärkung zu verfügen. Weil die Mittel zur Stabilisierung des Gleichspannungspegels
in der bekannten Schaltung zu einer nicht genügenden Stabilität dieser Spannung führen
und in Anbetracht des hohen Wertes der gewünschten Verstärkung, wäre es notwendig,
gleiche Mittel an mehreren Verstärkerstufen einzubringen, um zu versuchen, eine
ausreichende Stabilität am Ausgang zu erhalten. Gleichzeitig führt dies dann zu einer
stark erhöhten Anzahl Komponenten. Außerdem beeinflussen die Mittel zur
Stabilisierung des Gleichspannungspegels in der bekannten Schaltung nicht, wie es
wünschenswert wäre, den Pegel der an dem aktiven Anschluß des Lastwiderstandes der
Eingangsstufe der Schaltung aufgetretenen Spannung, sondern sie sind an der folgenden
Stufe angeordnet. Daraus ergibt sich eine störende Begrenzung des dynamischen
Bereichs beim Betrieb der Schaltung in Abhängigkeit von der Änderung der
Vorspannung der Eingangsstufe.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zur
automatischen Steuerung der Verstärkung zu verschaffen, die sich gut zur Verstärkung sehr
schwacher Digitalsignale eignet, deren maximale Verstärkung sehr hoch und der Bereich
der Verstärkungsschwankung sehr groß sind und die am Ausgang ein
Wechselstromsignal liefert, dessen Pegel zwischen engen Grenzen aufrechterhalten wird, so daß die
Vorspannungsgleichspannung mindestens an der Anschlußklemme der Schaltung auf
einen festen Wert festgelegt ist.
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Da die Erfindung sich auf eine Schaltung zur Verstärkung von Signalen
bezieht, die sehr schwach sein können, hat sie gleichzeitig die Aufgabe, eine Lösung zu
verschaffen, bei der der Rauschpegel am Ausgang des Verstärkers so gering wie
möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird eine eingangs definierte Verstärkerschaltung
insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe der Verstärkerschaltung im
wesentlichen aus einem Feldeffekttransistor mit zwei Gate-Elektroden besteht, wobei
eine der beiden Gate-Elektroden die Elektrode zur Verstärkungsregelung dieser Stufe
bildet, und die Drain-Elektrode mit einem aktiven Anschluß eines Lastwiderstandes
verbunden ist, und daß die genannten Mittel zur Stabilisierung des
Gleichspannungspegels die folgenden Elemente aufweisen:
- einen Gleichstromgenerator, der Strom an den aktiven Anschluß des Lastwiderstandes
liefert, welcher Strom im Vergleich zum mittleren Ausgangsstrom des
Feldeffekttransistors schwankt,
- einen Differentialverstärker mit hoher Verstärkung, dessen erster Eingang mit dem
aktiven Anschluß des Lastwiderstandes und dessen zweiter Eingang mit einer
Bezugsgleichspannung verbunden ist, und
- einen Tiefpaß, der am Eingang das Signal eines Ausgangs des Differentialverstärkers
empfängt und am Ausgang zur Steuerung des Stromgenerators ein solches Signal liefert,
daß der von dem Generator gelieferte Strom in Gegenkopplung dem ersten Eingang des
Differentialverstärkers zugeführt wird.
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Eine solche Schaltung stabilisiert die Ausgangsgleichspannung um so
besser, je höher die Verstärkung des Differenzverstärkers ist. Andererseits wirken sich
die erfindungsgemäßen Stabilisierungsmittel auf die Ruhespannung des aktiven
Anschlusses des Lastwiderstandes der Eingangsstufe aus. Der Feldeffekttransistor diese
Stufe arbeitet also bei konstanter Drain-Source-Spannung, die so gewählt werden kann,
daß ein optimaler dynamischer Bereich des Verstärkers gewährleistet ist.
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Die Kennwerte des Tiefpaßfilters sind in einfacher Weise festgelegt
worden, indem die untere Grenze des zu übertragenden Frequenzbandes und die
gewünschte Antwortzeit der Stabilisierung des Gleichspannungspegels des Ausgangs
berücksichtigt wurden, für den Fall, daß der Verstärkungsregelung der Eingangsstufe
eine abrupte Änderung zugeführt worden ist.
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Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung bei einer
Verstärkungsregelung mit Hilfe langsamer zeitlicher Schwankungen (quasistatische Regelung, wie
beispielsweise eine Kompensation der Alterung) kann der Tiefpaß vorteilhafterweise auf
einen einfachen RC-Kreis mit einer großen Zeitkonstante reduziert werden, angesichts
der niedrigen Grenze des zu übertragenden Frequenzbandes.
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Die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung sieht die Verwendung eines
Feldeffekttransistors mit zwei Gate-Elektroden zur Bildung der Eingangsstufe vor. Dies
bietet den Vorteil der hervorragenden Rauschleistungen, den dieser Transistortyp
verschafft, und ermöglicht gleichzeitig eine Regelung der Verstärkungsänderung dieser
Stufe, die zugleich einfach, fortschrittlich und verhältnismäßig umfassend ist.
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Es sei bemerkt, daß das verstärkte Wechselstromsignal an jedem Punkt
der Verstärkungskette von der aktiven Klemme des Lastwiderstandes bis zum Ausgang
des Differentialverstärkers abgenommen werden kann.
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Doch wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung des Gleichspannungspegels, wobei der
Differentialverstärker in mindestens einen Eingangsteil und einen Ausgangsteil unterteilt ist,
mindestens der Eingangsteil zugleich zum Verstärken des Wechselstromsignals
verwendet wird. So verstärkt der Eingangsteil des Differentialverstärkers gleichzeitig das
Wechselstromsignal und die Differenz zwischen der Vorspannungsgleichspannung der
aktiven Klemme des Lastwiderstandes und der Bezugsspannung. Dieser gleiche
Eingangsteil erfüllt also zwei Funktionen, was zur Einsparung von Mitteln führt. Diese
Ausführungsform bietet auch den Vorteil, daß an einem Zwischenpunkt der Verstärkung
das vorverstärkte Wechselstromsignal in Form zweier komplementärer Signale auftritt,
die beide praktisch den gleichen Ruhestrom haben. Solche Signale eignen sich besonders
gut für eine eventuelle Zusatzverstärkung mittels einer oder mehrerer Differentialstufen
in direkter Verbindung.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Teils der erfindungsgemäßen
Verstärkerschaltung, welcher Teil sich auf die Stabilisierungsmittel für den
Gleichspannungspegel der Eingangsstufe bezieht, und
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Fig. 2 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Verstärkerschaltung zur automatischen Verstärkungsregelung.
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Fig. 1 soll insbesondere die Gleichspannungsstabilisierungsmittel
beschreiben, so wie sie in der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung verwendet
werden. Diese Figur zeigt eine Eingangsstufe 1, die an einem aktiven Anschluß 11 eines
Lastwiderstandes Rc ein vorverstärktes Signal liefert. Sie wird von den beiden
Speisespannungsanschlüssen V&sub0; und V&sub1; gespeist. Die Eingangsstufe 1 hat sowohl einen
Signaleingangsanschluß 12 als auch eine Verstärkungsregelung 13, die die Verstärkung
dieser Eingangsstufe durch Veränderung des Arbeitspunktes mindestens eines
Transistors dieser Stufe verändern kann. Die Eingangsstufe 1 ist von der Art, daß die
Verstärkungsregelung eine gleichzeitige Veränderung des dem Lastwiderstand Rc
zugeführten, mittleren Ausgangsstromes dieser Stufe erzeugt, so daß die an dem aktiven
Anschluß 11 des Lastwiderstandes Rc auftretende Spannung einen Gleichspannungspegel
hat, der bei Abwesenheit jedes anderen Kompensationsmittels in großem Maße
schwankt. Um eine Stabilisierung des mittleren Gleichspannungspegels am aktiven
Anschluß 11 des Lastwiderstandes Rc zu erreichen, ist dieser Schaltung ein
Stromgenerator S hinzugefügt worden, der so geregelt wird, daß sein Strom entgegengesetzt zum
mittleren Ausgangsstrom der Eingangsstufe variiert, wobei dieser Strom ebenfalls dem
Lastwiderstand Rc zugeführt wird, so daß die Summe I&sub0; des die Eingangsstufe
durchquerenden Stromes I&sub1; und des von dem Stromgenerator gelieferten Stromes I&sub2; konstant
ist.
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Die Stabilisierungsmittel für den Gleichspannungspegel des Ausgangs der
Eingangsstufe 1 enthalten auch einen Differentialverstärker A mit hoher Verstärkung,
von dem ein erster Eingang 15 mit dem aktiven Anschluß 11 des Lastwiderstandes Rc
und ein zweiter Eingang 16 mit einer Bezugsgleichspannung VR1 verbunden ist. Ein
Tiefpaß F empfangt an seinem Eingang ein Ausgangssignal des Differentialverstärkers
A und liefert am Ausgang ein Signal zur Regelung des Stromgenerators S, wobei der
Eingang 15 oder der Eingang 16 des Differentialverstärkers A als nicht-invertierend
oder als invertierend gewählt wird, so daß der von dem Stromgenerator S gelieferte
Strom dem ersten Eingang 15 des Differentialverstärkers A in Gegenkopplung zugeführt
wird. Die Spannung des aktiven Anschlusses 11 des Lastwiderstandes Rc hat also einen
Gleichspannungspegel, der sich als umso mehr stabilisiert erweist, je höher die
Verstärkung des Differentialverstärkers A ist. Falls notwendig, könnte man ebenso
zwischen den Tiefpaß F und den Stromgenerator S einen zusätzlichen Verstärker
schalten, wobei der Stabilitätsgrad des aktiven Anschlusses 11 noch mehr verbessert
wird, ohne von dem verstärkten Wechselstromsignal gestört zu werden.
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Der Stromgenerator S kann ein Bipolartransistor sein, dessen
Kollektorimpedanz im Vergleich zum Wert des Lastwiderstandes Rc groß ist und das verstärkte
Signal nicht stört.
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Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters F wird unter Berücksichtigung der
für die Stabilisierung des Gleichspannungspegels des aktiven Anschlusses 11
gewünschten Antwortzeit gewählt, wobei die untere Grenze des zu übertragenden
Frequenzbereiches berücksichtigt wird. Das verstärkte Signal kann entweder am aktiven
Anschluß 11 des Lastwiderstandes Rc oder auch an der Ausgangsklemme 18 des
Differentialverstärkers A oder auch, und vorzugsweise, an einem Zwischenpunkt der
Verstärkung innerhalb des Differentialverstärkers A auftreten, wobei dieser letztere in
mehrere Verstärkerstufen unterteilt ist.
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Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen
Verstärkerschaltung mit automatischer Verstärkungsregelung. In dem Teil der
Schaltung, der sich auf die Stabilisierungsmittel für die Gleichspannung bezieht, sind für
ähnliche Elemente mit der gleichen Funktion die gleichen Bezugszeichen verwendet
worden wie in Fig. 1.
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Die Eingangsstufe der Verstärkerschaltung wird hier von einem
Feldeffekttransistor mit zwei Gate-Elektroden gebildet, wobei das Gate G&sub1; mit der
Eingangsklemme des Signals 12 verbunden ist und dem Gate G&sub2; die Verstärkungsregelung 13
zugeführt wird. Das Drain des Transistors T&sub1; ist über den Lastwiderstand Rc mit der
Speisespannung V&sub0; verbunden. Bekanntlich kann man die Verstärkung des Transistors
T&sub1; in sehr großem Maß variieren lassen, indem man auf das Gate G&sub2; einwirkt, was dazu
führt, daß der Ruhegleichstrom dieses Transistors ebenfalls in großem Maß schwankt.
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Um diese Schwankungen auszugleichen, wird ein Transistor T&sub2;, dessen Kollektor mit
dem aktiven Anschluß 11 des Lastwiderstandes Rc und zugleich mit dem
nicht-invertierenden Eingang des Differentialverstärkers A verbunden ist, als Stromgenerator
angeordnet. Dieser ist, aus noch zu erläuternden Gründen, in zwei Teile geteilt, einen
Eingangsteil A&sub1; und einen Ausgangsteil A&sub2;, wobei am Ausgang des Teils A&sub2; der Tiefpaß
hier einfach von einem Widerstand 20 in Reihe mit der Basis des Transistors und einem
parallel zwischen die Basis des Transistors T&sub2; und die Speisespannung V&sub1; geschalteten
Kondensator 21 gebildet wird. Es sei bemerkt, daß im allgemeinen der Widerstand 20
von dem Ausgangswiderstand des Teils A&sub2; des Differentialverstärkers A gebildet werden
kann. Außerdem wird ein Widerstand 22 in Reihe mit dem Emitter des Transistors T&sub2;
dargestellt, ein Widerstand, der die Linearität der Schaltung verbessert, aber dieser
Widerstand ist nicht absolut notwendig und hängt von den Eigenschaften des
Differentialverstärkers A ab. Der Differentialverstärker A enthält einen dritten Teil A&sub3;, dessen
Signaleingang bei einer Zwischenphase der Verstärkung zwischen die Teile A&sub1; und A&sub2;
des Verstärkers geschaltet wird, und liefert an der Ausgangsklemme 25 das durch die
Verstärkerschaltung verstärkte Wechselstromsignal.
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Das Abnehmen des Wechselstromsignals bei einer Zwischenphase der
Verstärkung ist vorteilhaft, sobald der Widerstand 20 des RC-Tiefpaßfilters von der
Ausgangsimpedanz des Verstärkungsteils A&sub2; gebildet wird. Die Anordnung zur
automatischen Verstärkungsregelung wird durch einen mit dem Ausgang des dritten Teils A&sub3;
des Differentialverstärkers verbundenen Spitzenwertdetektor 26, dem ein Komparator 27
folgt, vervollständigt. Der Signalpegel am Ausgang des Detektors 26, der sich auf eine
Bezugsspannung VR2 bezieht, wird mit dieser, um eine Schwellenspannung VT
erhöhten, Spannung verglichen. Das Ausgangssignal des Komparators 27 ist ein Strom,
der der Spannungsdifferenz am Eingang des Komparators proportional ist. Dieser Strom
steuert einen auf die Speisespannung V&sub0; bezogenen Stromspiegel CM an, der eine
Kopie des Stroms über einem Polarisationswiderstand 30 liefert, der auch mit einer
Speisespannung V&sub2; verbunden ist, die sich der Einfachheit halber von der
Speisespannung V&sub1; unterscheiden kann.
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Parallel zum Vorspannungswiderstand 30 ist ein Kondensator 31
geschaltet, der mit dem Widerstand 30 einen RC-Integratorschaltkreis bildet, wobei die über
diesem Integratorschaltkreis aufgebaute Spannung der Verstärkungsregelung für den
Transistor T&sub1; am Gate 2 zugeführt wird. Die Zeitkonstante der automatischen
Verstärkungsregelung wird vorzugsweise niedriger als die Zeitkonstante des von dem
Widerstand 20 und dem Kondensator 21 gebildeten Regelfilters gewählt. Die
Verstärkungsregelung mit Hilfe eines Stromspiegels ist vorteilhaft, weil sie eine sehr große
Änderung der Regelspannung zusammen mit der Möglichkeit der Regelung der
Speisespannung V&sub2; gegenüber der Speisespannung V&sub1; zuläßt.
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In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird die für die
Verstärkerschaltung notwendige Integrator- oder auch Tiefraßschaltung hinter dem Ausgang
des Komparators 27 realisiert. Es ist jedoch einleuchtend, daß diese Schaltung auch
ebenso gut zwischen dem Spitzenwertdetektor 26 und dem Komparator 27 angeordnet
sein kann.
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Vorteilhafterweise wird die Anordnung in Fig. 2 für ihren wichtigsten
Teil als integrierte Schaltung ausgeführt, wobei der integrierte Teil im Inneren des
gestrichelt gezeichneten Blockes 35 dargestellt wird. Der Transistor T&sub1; ist vorzugsweise
ein Feldeffekttransistor auf Galliumarsenidbasis, der hervorragende Rausch- und
Grenzfrequenzeigenschaften hat. Aus diesem Grund ist er außerhalb des in dem Block 35
dargestellten integrierten Teils, der auf Siliciumbasis nach einer der ECL-Logik
verwandten Technologie ausgeführt ist, angeordnet. Der Vorspannungswiderstand 30,
der als Element außerhalb des integrierten Teils dargestellt ist, kann, falls gewünscht, in
bestimmten Fällen integriert werden.
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Eine Verstärkerschaltung mit automatischer Verstärkungsregelung, so wie
in Fig. 2 dargestellt, ist besonders für die Verstärkung von digitalen Signalen geeignet,
wie sie am Ausgang eines Detektors in der Lichtwellenleiteroptik für die digitale
Kommunikation bei einer Geschwindigkeit von 140 Mbit/s auftreten.