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Diese Erfindung bezieht sich auf einen Steuerverstärker.
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Steuerverstärker werden zur automatischen Kompensation der
Telefonkabeldämpfung, oder in Empfängern von optischen
Breitbandsystemen zur automatischen Kompensation der Länge und der
temperaturabhängigen Dämpfung der optischen Verbindungsleitungen
in einem optischen Übertragungssystem verwandt. Bei diesem
Verstärkertyp muß üblicherweise Bandbreite auf Kosten des
Steuerbereiches geopfert werden. Ein bekannter Steuerverstärker
ist in der EP-A 0152151 beschrieben.
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Ein anderer bekannter Steuerverstärker ist beispielsweise in der
niederländischen Patentanmeldung 7.908.411 (=PHN 9630)
beschrieben. Eine Reihenanordnung von zwei Widerständen wird
zwischen dem Ausgang dieses Verstärkers und einem Punkt, der auf
konstantem Potential liegt, vorgesehen. Der Kollektor eines
Transistors ist mit dem Ausgang verbunden und der Kollektor des
anderen Transistors ist mit dem Verbindungspunkt der beiden
Widerstände verbunden. Die Größe des Steuerbereiches dieser
Verstärker nach dem Stand der Technik wird durch den
Widerstandswert der beiden Widerstände bestimmt und entspricht:
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A = 20logR(1) + R(2)/R(1) (1)
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Hierbei ist P der Steuerbereich, R(1) ist der Wert des
Widerstandes der mit dem auf konstantem Potential liegenden Punkt
verbunden ist, und R(2) ist der Wert des Widerstandes, der mit dem
usgang des Verstärkers verbunden ist. Der Maximalwert von R(2)
wird durch die Kollektorkapazität des anderen Transistors
begrenzt, diese Kapazität bestimmt auch die maximale Frequenz bei
der der Verstärker noch für die Verwendung geeignet ist. Ein
weiterer Begrenzungsfaktor ist der kleinste Wert von R(1).
Unvermeidbarerweise besitzt der Widerstand, der an den auf
konstantem Potential liegenden Punkt angeschlossen ist eine
parasitäre Induktivität, als Folge hiervon, wird die
Ausgangsspannung des Verstärkers mit steigender Frequenz zunehmen,
wenn die Impedanz der parasitären Induktivität nicht klein
bezüglich R(1) ist. Aus der Sicht des Vorangegangenen sind
R(1)=10X und R(2)=90X gebräuchliche Werte bei einer
Maximalfrequenz von ungefähr 700 MHz. Einsetzen dieser Werte in
Gleichung (1) zeigt, daß der Maximalsteuerbereich gleich 20 dB
ist.
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Ziel der Erfindung ist es, Maßnahmen zur Verfügung zu stellen,
mit deren Hilfe der Maximalsteuerbereich bei unveränderter
Bandbreite vergrößert werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird ein Steuerverstärker nach Anspruch 1
zur Verfügung gestellt.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnung
beschrieben.
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In der einzigen Abbildung ist der Kollektor des Transistors 1 an
einen auf konstantem Potential liegenden Punkt über einen
Widerstand 6 angeschlossen und über einen Kondensator 10 an den
Eingang eines zweistufigen negativ rückgekoppelten Verstärkers,
der durch die die Transistoren 3 und 4 gebildet wird,
angeschaltet. Die Basis des Transistors 1 ist an Erde über die
Gleichstromspannungsquelle 13 angeschlossen. Der Emitter des
Transistors 1 ist mit dem Emitter des Transistors 2, dessen Basis
an Erde über eine Steuerspannungsquelle angeschlossen ist,
verbunden. Der Kollektor des Transistors 2 ist an einen auf
konstantem Potential liegenden Punkt über den Widerstand 5 und an
den Emitter des Transistors 4 des zweistufigen Verstärkers über
den Widerstand 7 angeschlossen. Die Emitter der der Transistoren 1
und 2 sind an Erde über die Reihenschaltung des Hauptstromweges
des Transistors 14 und des Widerstandes 15 angeschlossen. Die
Basis des Transistors 14 ist an Erde über die Signalstromquelle 16
angeschlossen. Der Emitter des Transistors 3 ist an einen auf
konstantem Potential liegenden Punkt angeschlossen. Der Kollektor
des Transistors 3 ist an Erde über den Widerstand 11 und auch an
die Basis des Transistors 4, dessen Kollektor an Erde über den
Widerstand 12 angeschlossen ist, und an den Ausgang 0 des
Zweistufenverstärkers angeschlossen. Der Emitter des Transistors 4
ist über den Widerstand 8 an einen auf konstantem Potential
liegenden Punkt angeschlossen. Die Basis des Transistors 3 ist an
den Emitter des Transistors 4 über den Widerstand 9 angeschlossen.
Mit Hilfe der Steuerspannung, die von der Steuerspannungsquelle 17
erzeugt wird, wird der Stromverteilungsfaktor α eingestellt, wobei
0 < α < 1 ist. Dies bewirkt, daß ein Gleichstrom, der einen Wert
αI besitzt, durch den Hauptstromweg des Transistors 2 fließt und
ein Gleichstrom, der einen Wert (1-α)I besitzt, durch den
Hauptstromweg des Transistors 1 fließt. Ein Signalstrom, der einen
Wert αi besitzt, fließt ebenfalls durch den Hauptstromweg des
Transistors 2 und ein Signalstrom, der einen Wert (1-α)i besitzt,
fließt durch den Hauptstromweg des Transistors 1. Die Werte der
Ströme I und i werden durch die Spannung, die von der
Eingangssignalquelle 16 in Verbindung mit dem Wert des
Widerstandes 15 erzeugt wird, bestimmt. Da die Eingangsimpedanz
des Verstärkers, die durch die Transistoren 3 und 4 gebildet wird,
viel geringer ist, als der Wert des Widerstandes 6, wird im
Wesentlichen der ganze Signalstrom, der im Hauptstromweg des
Transistors fließt, durch die Eingangsimpedanz über den
Kondensator 10 fließen.
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Wie der in der Abbildung dargestellte Verstärker arbeitet, kann am
besten verstanden werden, wenn der Steuerverstärker in seinen
extremsten Einstellungen, α=0 oder α=1, ist. Wenn α=0 ist, fließt
der gesamte Signalstrom i über den Kondensator 10 durch die
Eingangsimpedanz mit niedrigem Widerstand des zweistufigen
Verstärkers, der durch die Transistoren 3 und 4 gebildet wird. Die
Stromverstärkung dieses Verstärkers beträgt in einer guten
Näherung:
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I(O)/i = 1 + R(9)/R(X) (2)
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worin I(0) der Ausgangssignalstrom, R(9) der Wert des Widerstandes
9 ist, und R(X) definiert wird durch:
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R(X) =
R(8) [R(5) + R(7)]/R(5) + R(7) + R(8) (3)
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Hierin ist R(8) der Wert des Widerstandes 8, R(5) ist der Wert des
Widerstandes 5 und R(7) ist der Wert des Widerstandes 7. Dies
bedeutet, daß die Maximalstromverstärkung der Gesamtschaltung
gleich
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A = 20log 1 + R(9)/R(X) (4)
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ist. Zum Beispiel entspricht, wenn R(9)/R(X) =4 ist, diese
Maximalstromverstärkung 14 dB.
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Wenn α=1 ist, fließt der gesamte Signalstrom i durch den
Transistor 2 und wird in die Widerständen 5 und 7 aufgeteilt. Die
rechte Seite des Widerstandes 7 ist an einen Punkt des
zweistufigen Verstärkers mit sehr niedriger Impedanz
angeschlossen, als Ergebnis dessen der Strom durch den Widerstand
7 durch die Beziehung
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I(7) = i R(5)/R(5) + R(7) (5)
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bestimmt wird. Auf sehr einfache Weise kann nachgewiesen werden,
daß dieser Strom in einer sehr guten Näherung auch in den
Kollektor des Transistors 4 fließt, so daß in diesem Fall die
Verstärkung des Steuerverstärkers gleich
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A = 20log R(5)/R(5) + R(7) (6)
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ist. Wenn zum Beispiel R(5)=10 und R(7)=90X ist, beträgt diese
Verstärkung -20 dB. In Verbindung mit dem vorangegangenen Beispiel
für α=0, erreicht der Gesamtsteuerbereich 34 dB, so daß er 14 dB
größer ist als der der Steuerverstärker nach dem Stand der
Technik.
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Der Steuerverstärker hat den Vorteil, daß die Impedanzen mit denen
die Kollektoren der Transistoren 1 und 2 begrenzt werden,
Impedanzen mit niedrigem Widerstand sind, so daß der Einfluß der
Kollektorkapazitäten auf die Bandbreite sehr gering ist.
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Ein weiterer Vorteil ist, daß eine parasitäre Induktivität des
Widerstandes 5 ausgeglichen werden kann, indem man eine solche
Induktivität in Reihe mit dem Widerstand 7 einführt, daß der Strom
durch die Widerstände 5 und 7 so aufgeteilt wird, daß er nicht von
der Frequenz abhängt. Das ist möglich, wenn R(5) + R(7) > R(8)
ist.