DE69114391T2

DE69114391T2 - Breitbandverstärker mit getrennten Ausgängen.

Info

Publication number: DE69114391T2
Application number: DE69114391T
Authority: DE
Inventors: Gilles Chevallier
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1990-07-17
Filing date: 1991-07-08
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-07-09
Also published as: KR920003628A; DE69114391D1; JP3242422B2; FR2665034A1; JPH04233813A; EP0467450B1; US5124667A; EP0467450A1

Description

Breitbandverstärker mit getrennten Ausgängen.

Die Erfindung betrifft einen Breitbandverstärker mit einem Direktausgang, an den eine Pegelschiebestufe mit wenigstens einem Pegelschiebeausgang und mindestens einem ersten reihengeschalteten Emitterfolger mit wenigstens einem Pegelschiebeelement angeschlossen ist, wobei der erste Transistor mit einem ersten Widerstand zwischen seiner Basis und einer Speisespannungsquelle und mit einer negativen Rückkopplungsschaltung aus wenigstens einem im Pegel verschobenen Ausgang ausgerüstet ist.
Ein derartiger Verstärker ist aus dem Artikel "A 4-Terminal Wide-Band Monolithic Amplitifer" von Robert G. MEYER und Robert A. BLAUSCHILD, veröffentlicht in IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol SC. 16, Nr.6, Dezember 1981, S.634...638, insbesondere anhand der Fign. 2 und 8 bekannt.
Ein derartiger Verstärker bietet den Vorteil sowohl eines großen Durchlaßbandes als auch eines niedrigen Geräuschpegels und vorteilhafter Werte für die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die charakteristischen Eigenschaften eines Verstärkers mit getrennten Ausgängen derart zu verbessern, daß eine bedeutende Trennung zwischen den Ausgängen erhalten wird, beispielsweise zur Verwirklichung einer Mischer/Trennstufe mit einem Fernsehausgang und einem Videorecorderausgang.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Verwendung eines Verstärkers eingangs erwähnter Art, der intrinsik interessante charakteristische Eigenschaften hat, und in der Verbesserung der charakteristischen Eigenschaften der Spannungsschiebeschaltung der negativen Rückkopplungshauptschleife, so daß eine bessere Isolierung zwischen den getrennten Ausgängen erhalten wird, die damit verbunden sind.
Ein erfindungsgemäßer Verstärker ist ebenfalls dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens einen zweiten und einen dritten Transistor mit getrennten Ausgängen enthält, deren Basen mit einem im Pegel verschobenen Ausgang verbunden sind, und die derart angeordnet sind, daß ihre Kollektoren getrennte erste bzw. zweite Ausgänge bilden, daß die Pegelschiebestufe einen vierten Emitterfolger in Kaskadenschaltung zwischen dem ersten Emitterfolger und dem Pegelschiebeelement enthält, und daß sie einen fünften Transistor enthält, der eine Stromspiegelschaltung mit dem Pegelschiebeelement bildet und dessen Hauptstromweg in Reihe zwischen dem Hauptstromweg des ersten Emitterfolgers und einer Klemme des Pegelschiebeelements bildet, die nicht mit dem vierten Emitterfolger verbunden ist.
Die Stromspiegelschaltung ermöglicht die Verringerung der Ausgangsimpedanz der Schiebeschaltung und die Verbesserung der Isolierung zwischen den getrennten Ausgängen ohne Erhöhung des Geräuschpegels.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel enthält der Verstärker einen sechsten Transistor, dessen Basis einen Ausgang des Verstärkers bildet, und dessen Kollektor mit der Basis eines siebten Transistors zur Bildung einer Darlington-Stufe mit einem achten Transistor stromabwärts in der Schaltung verbunden ist, wobei der Direktausgang mit dem Kollektor des achten Transistors verbunden ist, der mit der Basis des ersten Emitterfolgers verbunden ist.
Die negative Rückkoppelschaltung kann dabei einen zweiten Widerstand in Verbindung mit dem im Pegel verschobenen Ausgang und dem Emitter des sechsten Transistors enthalten, der einen dritten Emitterwiderstand enthält. Ein vierter Widerstand kann zwischen dem Emitter des achten Transistors und der Basis des sechsten Transistors zur Bildung einer negativen Rückkopplungs-Hilfsschaltung zum Definieren der Eingangsimpedanz ohne Einführung des Niederwert-Eingangswiderstands eingeschaltet werden, der Geräusch verursachen würde.
Eine Strombegrenzung in der negativen Rückkopplungs-Hauptschleife kann mit einem neunten Transistor erhalten werden, dessen Basis mit dem im Pegel verschobenen Ausgang verbunden ist, und dessen Kollektor über einen fünften Widerstand mit der Basis eines zehnten Transistors verbunden ist, dessen Hauptstromweg zwischen der Speisespannungsquelle und einerseits einem sechsten Vorspannungswiderstand des Kollektors des sechsten Transistors und andererseits dem ersten Widerstand verbunden ist.
Eine Verschiebung von vier Basis-Emitterspannungen kann durch Kaskadenschaltung eines elften Emitterfolgers zwischen dem ersten und dem vierten Emitterfolger erhalten werden, wobei ein zwölfter Transistor eine Stromspiegelschaltung mit dem Pegelschiebeelement bildet, sein Hauptstromweg in Reihe zwischen dem Hauptstromweg des elften Transistors und der Klemme des Pegelschiebeelements geschaltet ist, das nicht mit dem vierten Emitterfolger verbunden ist.
Eine erste Stromquelle kann mit der gemeinsamen Klemme für den vierter Emitterfolger und dem Pegeischiebeelement verbunden werden, und wenigstens eine zweite Stromquelle kann mit der Basis wenigstens eines des ersten und des vierten Transistors verbunden werden. Wenigstens eine der Stromquellen kann durch einen siebten Widerstand gebildet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Verstärker nach dem Stand der Technik,
fig. 2 einen Schaltplan einer Mischltrennstufe für ein Fernsehgerät,
Fig. 3 einen Verstärker nach einem erfindungsgemaßen bevorzugten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 4 und 5 zwei Abwandlungen der erfindungsgemäßen Schiebeschaltung.
Wie in Fig. 1 dargestellt enthält ein Breitbandverstärker nach der Beschreibung in der obigen Veröffentlichung von MEYER und BLAUSCHILD einen Transistor Q&sub1;, dessen Basis den Eingang E des Verstärkers bildet, und dessen Kollektor in Verbindung mit einer Speisespannungsquelle Vcc mit der Basis eines Transistors Q&sub6; verbunden ist, der den stromaufwärts angeordneten Transistor einer Darlington-Stufe bildet, deren stromabwärts befindliche Transistor ein Transistor Q&sub2; ist. Ein Widerstand R&sub3; ist zwischen den Emittern der Transistoren Q&sub2; und Q&sub6; angeschlossen. Die miteinander verbundenen Kollektoren der Transistoren Q&sub2; und Q&sub6; bilden einen Direktausgang C des Verstärkers. Ein Widerstand R&sub2; kann sie mit der Speisespannungsquelle Vcc verbinden. Eine negative Rückkopplungs-Hauptschleife, die die Verstärkung des Verstärkers definiert, enthält eine Zweipegel-Schiebeschaltung, d.h. einen ersten Transistor Q&sub3;, der als Emitterfolger aus dem Ausgang C angeordnet ist, wobei sein Kollektor sich auf die Speisespannungsquelle Vcc bezieht und mit einer Direktdiode Q&sub4; kaskadengeschaltet ist, die hier als Transistor vom selben Typ wie Q&sub3; verwirklicht ist und dessen Basis und Kollektor miteinander verbunden sind. Ein negativer Rückkopplungswiderstand RF1 ist zwischen der Kathode (Emitter) der Diode Q&sub4; (Punkt B) und dem Emitter des Transistors Q&sub1; in Reihe geschaltet, der mit dem gemeinsamen Anschlußpunkt (Masse) über einen Widerstand RE1 verbunden ist.
Die Verstärkung des Verstärkers hat also folgenden Wert:
RF1 + RE1/2 RE1
Die Darlington-Stufe ermöglicht das Erhalten einer großen Verstärkung bei offener Schleife. Eine zusätzliche negative Rückkopplungsschleife, die die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen auf vorteilhafte Weise beeinflußt, enthält einen Widerstand RF2 in Verbindung zwischen der Basis des Transistors Q&sub2; und der Basis des Transistors Q&sub1; (Eingang E). Der Widerstand RF2 ermöglicht das Anlegen eines Gleichspannungsvormagnetisierungsstroms an die Basis des Transistors Q&sub1;.
Ein derartiger Verstärker, der mit seiner negativen Rückkopplungs- Hauptschleife und mit einer zusätzlichen negativen Rückkopplungsschleife ausgerüstet ist, hat ein großes Durchlaßband und einen verhältnismäßig niedrigen Geräuschpegel und eignet sich daher zur Verstärkung schwacher Signale, wie z.B. Antennensignale.
In Fig. 2 ist ein Schaltplan einer Trennimischstufe mit einem Verstärker A dargestellt, der an seiner Eingangsantenne Signale ψ empfängt und zwei getrennte Ausgänge enthält, einen (TV) zum Speisen eines Fernsehgeräts und den anderen (VCR) zum Speisen eines Videorecorders. Diese beiden Ausgänge sollen eine gute Isolierung in bezug aufeinander und in bezug auf die Antenne haben.
In Fig. 3 sind die Elemente zur Durchführung gleichartiger Funktionen wie in Fig. 1 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Die Ausgangsschiebeschaltung enthält drei Pegel zum Schieben mit drei Basis-Emitterspannungen, zwei Transistoren Q&sub3; und Q'&sub3; in Kaskadenschaltung als Emitterfolger mit einer Transistor Q&sub4; in Diodenschaltung. Der Emitter des Transistors Q'&sub3; bildet einen Ausgang 5, dessen Pegel von zwei Basis-Emitterspannungen verschoben wird, und aus denen zwei getrennte Ausgangssignale S&sub1; und S&sub2; wie folgt erhalten werden. Zwei Transistoren Q&sub2;&sub0; und Q&sub3;&sub0; sind mit ihren Kollektoren an die Speisespannungsquelle Vcc jeweils über die Widerstände R&sub2;&sub0; und R&sub3;&sub0; verbunden, mit ihren Emittern mit dem gemeinsamen Anschlußpunkt jeweils über die Widerstände RE20 und RE3O und mit ihren Basen mit dem Ausgang S verbunden. Die Kollektoren der Transistoren Q&sub2;&sub0; und Q&sub3;&sub0; bilden jeweils die getrennten Ausgänge S&sub1; (beispielsweise VCR-Ausgang) und S&sub2; (beispielsweise TV-Ausgang).
Die Isolisrung zwischen den Ausgängen S&sub1; und S&sub2; und dem Verstärkereingang oder zwischen ihnen selbst ist nicht einwandfrei. Bei hohen Frequenzen ergibt die Kollektor-Basiskapazität der Transistoren Q&sub2;&sub0; und Q&sub3;&sub0;, daß ein Teil der Signale am Ausgang 5 erneut injiziert wird und Signale vom einen Ausgang in den anderen neuinjiziert werden.
Wie bereits bemerkt, eignet sich zur Verbesserung dieser Isolierung die Verringerung des Werts der Ausgangsimpedanz der Spannungsschiebeschaltung (Punkt B) und ebenfalls des Punktes S und das Erhöhen des Wertes ihrer Impedanz des Punktes A (Basis des Transistors Q'3). Zu diesem Zweck ist die Basis eines Transistors Q&sub1;&sub0; mit dem Punkt S und sein Hauptstromweg zwischen den Punkten A und B angeschlossen, d.h. in einer Reihenschaltung mit dem Hauptstromweg des Transistors Q&sub3;. Wenn die Transistoren Q&sub4; und Q&sub1;&sub0; gleich sind der Ausgangsstrom I gleichermaßen zwischen den Transistoren Q&sub1;&sub0; und Q&sub4; verteilt.
Angenommen sei, daß ZB1 und ZS1 die Ausgangsimpedanzen an den Punkten B bzw. S ohne den Transistor Q&sub1;&sub0; sind, und daß ZB2 und ZS2 die Ausgangsimpedanzen an den Punkten B bzw. 5 mit dem Transistor Q&sub1;&sub0; sind.
Angenommen sei, daß ZA1 die Eingangsimpedanz am Punkt A ohne den Transistor Q&sub1;&sub0; und ZA2 die Eingangsimpedanz am Punkt A mit dem Transistor Q10 sind. Es gibt dabei also:
worin rd = Emitterwiderstand eines Transistors,
β= Stromverstärkung des Transistors Q&sub3;.
Die Pegelverschiebung (drei Basis-Emitterspannungen eines Transistors) bleibt im wesentlichen gleich (weniger als 18 mV).
Der Transistor Q&sub3; (von einem Strom I/2 durchflossen) wird vom Transistor Q10 gespeist.
Zum Optimieren der Schaltung müssen die dynamischen Widerstände der Dioden in bezug auf den Wert von RR1 sehr niedrig sein. Diese Bedingung läßt sich mit der beschreibenen Schaltung einfach erfüllen, ohne daß der Stromverbrauch oder der Geräuschpegel erhöht werden.
Die Ergänzung mit einem Transistor Q&sub1;&sub0; ermöglicht das Erhalten einer Verbesserung bis zu etwa 10 dB für die Isolierung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers, d.h. zwischen der Antenne und einem der Ausgänge S&sub1;, S&sub2; sowie zwischen den beiden Ausgängen.
Als Beispiel können die Bauteile folgende Werte haben:
R&sub1; = 500 Ω R&sub2; = 50 Ω
RF1 = 120 Ω RF2=600 Ω
RE1= 15 Ω RE2= 80 Ω RE6 = 500 Ω
Im weiteren wird erläutert, auf welche Weise der Strom I&sub3; begrenzt werden kann, der den negativen Rückkopplungshauptwiderstand RF1 durchfließt. Angenommen sei, daß n die Anzahl der Pegel der Spannungsschiebeschaltung ist (in Fig. 3 beträgt n = 3).
In einer ersten Annäherung erhalten wir:
I&sub3; ist sehr empfindlich für Änderungen in Vcc und in der Temperatur.
Damit die negative Rückkopplung eine gute Linearität und eine von der Spannungsschiebeschaltung unabhängige Verstärkung hat, muß der Widerstand RF1 einen Wert haben, der viel höher ist als die Impedanz ZS2 der Spannungsschiebeschaltung, d.h.
Da der Wert von RF1 abhängig von einer bestimmten Anzahl von Parametern entsprechend der erforderlichen Leistung der Anordnung gewählt wird, und da I&sub3; für Temperaturänderungen und Änderungen in der Speisespannung empfindlich ist, ist es wünschenswert, seine Änderungen wenigstens an erster Stelle zu steuern, um einen Stromverbrauch zu vermeiden, der unter extremen Bedingungen zu hoch ist. Zur Verwirklichung davon ist der Grundgedanke, dafür zu sorgen, daß die Spannung V&sub3; am Punkt B im wesentlichen den Strom 13 berücksichtigt. Der Strom I&sub3; kann durch das Messen der Spannung V&sub3; gesteuert werden.
Die Basis eines Transistors Q&sub8; ist mit dem Punkt B über einen Widerstand R&sub9; verbunden, der einen hohen Wert hat, und sein Emitter ist mit einer Speisespannungsquelle Masse) über einen Widerstand RE8 verbunden. Ein Integrationskondensator C&sub8; ist zwischen seinem Kollektor und seiner Basis angeschlossen. Sein Kollektor ist über einen Widerstand R&sub8; mit der Basis eines Ballasttransistors Q&sub7; verbunden, dessen Kollektor mit der Speisespannungsquelle Vcc und sein Emitter mit einer Klemme der Widerstände R&sub1; und R&sub2; verbunden sind. Zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors Q&sub7; ist ein Widerstand R&sub7; angeschlossen, so daß er eine Teilerbrücke mit dem Widerstand R&sub8; bildet. Der Widerstand R&sub7; wird derart gewählt, daß er den Verstärker nicht stört. Der Strom durch den Widerstand R&sub7; ist vom Strom I&sub3; abhängig und die Spannung V'cc am Emitter des Transistors Q&sub7; neigt zum Abfallen, wenn der Strom I&sub3; zum Ansteigen neigt, wodurch die Steuerung erhalten wird, da I&sub3; von V'cc statt von Vcc in dieser Konfiguration abhängig ist.
In Fig. 4 ist eine Struktur dargestellt, in der die Linearität der Spannungsschiebeschaltung durch Hinzufügen von Stromquellen an den Punkten A und S verbessert ist, und diese Quellen werden jeweils durch die Widerstände R&sub1;&sub0; und R&sub4; gebildet.
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel entsprechend dem Fall dargestellt, in dem n = 4 ist. Ein Emitterfolger Q"&sub3; ist in Reihe zwischen den Transistoren Q&sub3; und Q'&sub3; kaskadengeschaltet und der Transistor Q'&sub1;&sub0; bildet eine Stromspiegelschaltung mit der Diode Q&sub4; und ist mit seinem Hauptstromweg mit dem das Transistor Q"&sub3; in Reihe geschaltet. Diese Konfiguration kann die Verringerung von I&sub3; ermöglichen.
Die Erfmdung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele. Insbesondere sind die dargestellten Transistoren vom npn- Typ, die sich am besten eignen für eine integrierte Verwirklichung, da sie schneller sind als ihre homologen pnp-Transistoren, mit denen ein Verstärker nach der Erfindung verwirklicht werden könnte.

Claims

1. Breitbandverstärker mit einem Direktausgang, an den eine Pegelschiebestufe angeschlossen ist, die wenigstens einen im Pegel verschobenen Ausgang und wenigstens einen ersten reihengeschalteten Emitterfolger mit wenigstens einem Pegelschiebeelement enthält, wobei der erste Transistor einen ersten Widerstand zwischen seiner Basis und einer Speisespannungsquelle und eine negative Rückkopplungsschaltung aus wenigstens einem im Pegel verschobenen Ausgang enthält, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens zweite und dritte Transistoren (Q&sub2;&sub0;, Q&sub3;&sub0;) zur Bildung getrennter Ausgänge enthält, deren Basen mit einem im Pegel verschobenen Ausgang (S) verbunden und derart angeordnet sind, daß ihre Kollektoren getrennte erste bzw. zweite Ausgänge (S&sub1;, S&sub2;) bilden, daß die Pegeischiebestufe einen vierten Emitterfolger (Q'&sub3;) in Kaskadenschaltung zwischen dem Emitterfolger (Q&sub3;) und dem Pegeischiebeelement (Q&sub4;) enthält, und daß er einen fünften Transistor (Q&sub1;&sub0;) zur Bildung einer Stromspiegelschaltung mit dem Pegelschiebeelement (Q&sub4;) enthält, und dessen Hauptstromweg in Reihe zwischen dem Hauptstromweg des ersten Emitterfolgers (Q&sub3;) und einer Klemme des Pegelschiebeelements (Q&sub4;) geschaltet ist, das nicht mit dem vierten Emitterfolger (Q'3) verbunden ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pegelschiebeelement einen mit Hilfe von Dioden verwirklichten Transistor ist.

3. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen sechsten Transistor (Q&sub1;) enthält, dessen Basis einen Eingang des Verstärkers bildet und dessen Kollektor mit der Basis eines siebten Transistors (Q&sub6;) zur Bildung einer Darlington-Stufe mit einem achten Transistor (Q&sub2;) stromabwärts in der Schaltung verbunden ist, wobei der Direktausgang (C) mit dem Kollektor des achten Transistors (Q&sub2;) verbunden ist, der mit der Basis des ersten Emitterfolgers (Q&sub3;) verbunden ist.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Rückkoppelschaltung einen zweiten Widerstand RF1) enthält, der zwischen dem im Pegel verschobenen Ausgang (13) und dem Emitter des sechsten Transistors (Q&sub1;) verbunden ist, der einen dritten Emitterwiderstand (RE1) enthält.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einen vierten Widerstand (RF2) zwischen dem Emitter des achten Transistors (Q&sub2;) und der Basis des sechsten Transistors (Q&sub1;) enthalt.

6. Verstärker nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dAdurch gekennzeichnet, daß er einen neunten Transistor (Q&sub8;) enthält, dessen Basis mit dem im Pegel verschobenen Ausgang (B) verbunden ist und dessen Kollektor über einen fünften Widerstand (R&sub8;) mit der Basis eines zehnten Transistors (Q&sub7;) verbunden ist, dessen Hauptstromweg zwischen der Speisespannungsquelle und einerseits einem sechsten Vormagnetisierungswiderstand (R&sub1;) des Kollektors des sechsten Transistors (Q&sub1;) und andererseits dem ersten Widerstand (R&sub2;) angeschlossen ist.

7. Verstärker nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegeischiebestufe einen elften Emitterfolger (Q"&sub3;) in Kaskadenschaltung zwischen den ersten und vierten Emitterfolgern (Q&sub3;, Q'&sub3;) enthält, und daß er einen zwölften Transistor (Q'10) zur Bildung einer Stromspiegelschaltung mit dem Pegelschiebeelement (Q&sub4;) enthält, und sein Hauptstromweg in Reihe zwischen dem Hauptstromweg des elften Transistors (Q"&sub3;) und der Klemme (B) des Pegelschiebeelements (Q&sub4;) angeschlossen ist, das nicht mit dem vierten Emitterfolger (Q'&sub3;) verbunden ist.

8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste Stromquelle in Verbindung mit der gemeinsamen Klemme (S) des vierten Emitterfolgers (Q'&sub3;) und dem Pegelschiebeelement (Q&sub4;) und wenigstens eine zweite Stromquelle mit der Basis wenigstens eines der ersten und vierten Emitterfolger (Q&sub3;, Q'&sub3;) verbunden sind.

9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Stromquellen von einem siebten Widerstand (R&sub4;, R&sub1;&sub0;) gebildet wird.