NL7908680A

NL7908680A - Selectieve versterker.

Info

Publication number: NL7908680A
Application number: NL7908680A
Authority: NL
Original assignee: Fujitsu Ten Ltd
Priority date: 1978-12-06
Filing date: 1979-11-30
Publication date: 1980-06-10
Also published as: DE2953382C1; DE2953382A1; JPS5577213A; AU513840B2; JPS6412121B2; GB2060304B; JPS6229923B2; JPS5577214A; NL190301B; US4306200A; WO1980001227A1; GB2060304A; CH647902A5; AU5335779A; NL190301C; CA1141442A

Description

• > t

Selectieve versterker.

De uitvinding heeft betrekking op een selectieve versterker die gebruikt kan worden bij hoogfrequente trappen van een radio-ontvanger,

Selectieve versterkers met banddoorlaat karakte-5 ristiek om te gebruiken in de antenne-ingang in de hoogfrequente trappen van een radio-ontvanger hebben er een zoals aangegeven in fig. 1 bestaande uit een banddoorlaatfilter BPF en een versterker AMP in cascade verbonden. In dit geval is het filter BPF in het algemeen gelegen vddr de versterker AMP om niet beïnvloed te worden door een 10 ingang met hoog niveau van radiogolven buiten de ontvangband. Wanneer een BPF filter dat in combinatie een serie resonantieketen heeft bestaande uit een condensator en een spoel I»A met een parallel resonantieketen bestaande uit een condensator en een spoel I»B zoals aangegeven in fig. 2 in het algemeen gebruikt wordt treedt een grote 15 rimpel op in een frequentie/transmissie karakteristiek zoals aangegeven in fig. 3 wanneer het bedoelde doorlaat frequentiegebied relatief breder is ten opzichte van zijn middenfrequentief dat wil zeggen wanneer de specifieke bandbreedte groot is en aan de filtêrketen als zodanig niet de voorkeur wordt gegeven. In het bijzonder in het voor-20 beeld getoond in fig. 3 kan, daar de grootte van de transmissie opmerkelijk verhoogd is bij de beide flanken van de karakteristieke · kromme en zo groot wordt totaan 20-30 dB in het uiterste geval, de uniforme versterkingskarakteristiek niet verkregen worden binnen de band.

25 Met het oog op het bovenstaande is een belastings- weerstand R_ verbonden tussen de filteruitgangsklem P en de aarde, Σι dat wil zeggen parallel met de filterelementen CB en in de parallel resonantieketen zoals aangegeven in fig. 4, zodat de transmi s siekarakteristiek tot één gemaakt kan worden in de band zoals * 7908680 * 2 aangegeven in fig. 5. Wanneer de specifieke bandbreedte dicht bij één ligt, bijvoorbeeld waarbij de centrale frequentie 1000 KHz bedraagt en de doorlaatband ingesteld wordt als + 500 KHz met betrekking daartoe, dat wil zeggen van 500 KHz tot 1500 KHz, wordt de waarde van de 5 weerstand R^ in een dergelijke constructie echter ingesteld op een aanzienlijke kleine waarde om in belangrijke mate de versterking te verminderen met als gevolg dat thermische ruis ten gevolge van de weerstanden R^ relatief vergroot wordt om opmerkelijk de S/N verhouding in de keten te verlagen.

10 Er zal nu onderzocht worden hoe de S/N verhouding varieert afhankelijk van de weerstand R^ in de keten uit fig. 4 waarbij aangenomen wordt dat de spoelen en lb en de condensatoren CA en C geen verliezen leveren en de versterker AMP geen ruis levert. Wanneer aangenomen wordt dat de serie impedantie van de condensator 15 en de spoelen L de waarde zA heeft en de parallel impedantie van de condensator C_ en de spoel L_ een waarde heeft van Z_ en de B B B .

thermische ruisspanning van de weerstand de waarde heeft in de keten in fig. 4 kan de equivalente keten totaan het punt P in fig. 4 voorgesteld worden zoals in fig. 6. Hier stelt E een signaalspanning S · 20 voor aangelegd aan de ingangsklem IN waarbij E ‘ de uitgangsspanning is in het punt P in fig. 4. De thermische ruisspanning VN wordt, voorgesteld als: VN = yj4KTBRL waarin k de Boltzmann constante is, T de absolute temperatuur (° k) en B de bandbreedte is.

Daar de signaalspanning E verdeeld is door de 5 25 resulterende impedantie van de impedanties Ζβ en de weerstand R^ en de impedantie Z , wordt de signaalspanning E opgewekt in het punt P,

A OS

voorgesteld als:

U

E B B L_ F /1 \ O. Vza + ZB> + Vb 30 Daar de ruisspanning EQN in het punt P geleverd cmderzijds voorgesteld wordt als:

ZaZB j___ ^ <2> wordt de S/N verhouding uitgedrukt als: 35 7908680 - Λ Λ 3 S/N = °S- = Ε (3Ϊ ΟΝ Αν

Terwijl de S/N verhouding over de gehele selectie-5 ve versterker ook beïnvloed wordt door de ruis opgewekt door de versterker AMP verbonden achter het filter BPF kan men zien dat de S/N verhouding afhangt van de waarde van in de constructie getoond in fig. 4, uitgezonderd het geval dat = 0 in de Vergelijking (3) en dat de S/N verhouding meer afgenomen is dan de waarde van de weer-10 stand R^ kleiner gekozen is. Daar een kleinere weerstand R^ dient om de hierboven aangegeven rimpel effectiever te verminderen en hij gekozen wordt met een veel kleinere waarde voor de specifieke band, bijvoorbeeld dicht bij 1, heeft dit een nadeel van het slechter maken van de S/N verhouding ofschoon de versterking binnen de band bij be-15 nadering constant gehouden wordt in de keten aangegeven in fig. 4,

Daar de impedantie Z voorgesteld wordt als: A 2

1 " ω \CA

z = -AA- (4) A JcüCft wordt de vergelijking (3) uitgedrukt door:

20 . Wk'K

s/n = e ---y=r (5)

(1 - «T^C ) y 4kTB

Zoals blijkt uit de vergelijking (5) daar, zoals blijkt uit de vergelijking (5) de S/N verhouding slechts optimaal is 2 25 bij een bepaalde frequentie van 1 - ω Ι*Α^Α = 0 in de selectieve versterker uit fig. 4 en hij afneemt bij Z& * 0 is de S/N karakteristiek slechts bevredigend bij een bepaalde frequentie zoals getoond met de kromme in fig. 10 en wordt dan slechter wanneer hij daarvan afwijkt. Daar de S/N karakteristiek evenredig is met de vierkants-30 wortel van de belastingsweerstand wordt HL j evenredig met de vier kantswortel van de weerstand R^ slechter wanneer de laatstgenoemde kleiner wordt.

Terwijl de parallelverbinding vein de belastingsweerstand R^ met de parallel resonantieketen de rimpel die optreedt 35 in de banddoorlaatkarakteristiek van het BPF filter kan verkleinen 7908680 * * 4 om de versterking in de frequentie door laatband tot één te maken geeft hij ook een negatief effect van het verlagen van het filter-uitgangsniveau. Ofschoon een bijzonder hoge S/N verhouding gewenst is waar een dergelijke selectieve versterker gebruikt wordt in de 5 versterkingstrap aan de bovenzijde van een ontvanger, dat wil zeggen dicht bij de antenne, is het onvermijdelijk dat de S/N reductie afhangt van de afname in de versterking van het BPF filter ten gevolge van de belastingsweerstand R_.

Fig. 7 toont een equivalente keten voor een keten 10 waarbij een veldeffecttransistor toegepast wordt als de AMP versterker met inachtname van de ruis daarin. In deze figuur geven V en I

η n een spanningscomponent aan en een stroomcomponent van de ruis terwijl FET een ideale veldeffecttransistor toont met geen ruis. Terwijl de veldeffecttransistor in werkelijkheid geen oneindige maar een eindige 15 ingangsimpedantie heeft en de stroomcomponent ruis voorstelt op-- gewekt door een equivalente weerstand die de ingangsimpedantie vervangt (constante stroombron). De spanningscomcponent VR stelt de ruis voor opgewekt in de transistor zoals een Schottkey ruis. Wanneer de spanning aangelegd aan het punt P, dat wil zeggen de uitgang van 20 het BPF filter afneemt neemt de spanningscomponent· V^ relatief toe om de S/N verhouding slechter te maken. *

Het is dus een hoofddoel van de uitvinding om een selectieve versterker te leveren met een bij benadering constante versterking over het gehele frequentiegebied dat versterkt moet wor-25 den terwijl er geen afname optreedt in de S/N verhouding.

Een ander doel van de uitvinding is het leveren van een effectief middel voor het verbeteren van de S/N verhouding waarbij het versterkingselement bestaat uit een veldeffecttransistor en de spanningscomponent van de ruis meer bijdraagt tot de reductie 30 in de S/N verhouding dan de stroomcomponent daarvan.

Volgens een eerste kenmerk vande uitvinding wordt de belastingsweerstand die parallel verbonden is met een parallel resonantieketen in een banddoorlaatfilter vervangen door een terug-koppelweerstand verbonden tussen de ingang en de uitgangsklemmen van 35 de versterker om daarbij het voorgaande hoofddoel te verkrijgen.

7908680

A

• '* 5

Volgens een tweede kenmerk van de uitvinding wordt de spoel in de parallel resonantieketen gevormd als een afgetakte spoel, dat wil zeggen een transformator, zo dat de omhoogfilteruit-gang aangelegd wordt aan de poort van een veldeffecttransistor als 5 het versterkende element om daarbij het voorgaande andere doel te verkrijgen.

Aanvullend bestaat de condensator in de serie resonantieketen in het banddoorlaatfilter uit een capaciteit van een capacitieve antenne om daarbij een grotere verbetering te verkrijgen 10 in de S/N verhouding en een afname van het aantal elementen dat gebruikt moet worden.

De uitvinding zal aan de hand van de tekening in het volgende worden toegelicht.

Fig. 1 is een blokschema dat één voorbeeld toont 15 van een conventionele selectieve versterker.

Fig. 2 is een schakelschema dat één uitvoering toont van het banddoorlaatfilter uit fig. 1.

Fig. 3 is een transmissiekarakteristiek voor de selectieve versterker uit fig. 1.

20 Fig. 4 is een schakelschema dat de constructie toont vaneen conventionele selectieve versterker met een verbeterde transmissiekarakteristiek.

Fig. 5 is een transmissiekarakteristiek voor de versterker uit fig. 4.

25 Fig. 6 is een equivalent schakelschema voor de schakeling uit fig. 4.

Fig. 7 is een equivalent schakelschema met betrekking tot ruis of dergelijke bij een veldeffecttransistor.

Fig. 8 is een schakelschema dat een eerste uit-30 voering volgens de uitvinding toont.

Fig. 9 is een equivalent schakelschema voor de schakeling uit fig. 8.

Fig. 10 is een frequentiekarakteristiek voor de 7908330 S/N verhouding.

35 Fig. 11 is een schakelschema dat een tweede 6 uitvoering toont volgens de uitvinding.

Fig. 12 en fig. 13 zijn equivalente schakelschema's voor de schakeling uit fig. 11,

Fig. 14 is een schakelschema dat een derder uit-5 voering volgens de uitvinding toont.

Fig. 8 toont een eerste uitvoering volgens de uitvinding welke op dezelfde wijze als in fig. 4 een banddoorlaat-filter BPF en een versterker AMP bevat, waarin het filter bestaat uit een serie resonantieketen bestaande uit een condensator en een 10 spoel Lr en een parallel resonantieketen bestaande uit een condensator Cg en een spoel I*B, maar waarbij de belastingsweerstand die parallel verbonden is met de parallel resonantieketen weggelaten is en waarbij in plaats daarvan een terugkoppelweerstand R^ gebruikt wordt verbonden tussen de ingang en uitgangsklemmen van de versterker 15 AMP. Als versterker AMP wordt de voorkeur gegeven aan een omkeerver-sterker met een ingangsimpedantie die dicht bij oneindig ligt en een uitgangsimpedantie nabij 0 en waarvan de versterking (—A) voorgesteld wordt als (aJ»1. Een dergelijke omkeerversterker bestaat bijvoorbeeld uit een veldeffecttransistor.

20 Daar de impedantie vanaf het punt P naar de omkeerversterker AMP gelijk is aan R-/A bij de bovengenoemde samenstel- dat r ling zal het duidelijk zijn*de transmissiekarakteristiek getoond in fig. 5 verkregen kan worden door Rf zo te kiezen dat deze voldoet aan: R^ = AR^. Nu moet onderzocht worden hoe de S/N verhouding 25 varieert afhangend van de thermische ruis in een dergelijke weerstand r . De keten uit fig. 8 kan voorgesteld worden in een equivalente wijze als in fig. 9 wanneer de thermische ruisspanning van Rf beschouwd wordt als: 4kTBR^. De signaalconponent Eqs in het punt P wordt dus voorgesteld als: 30 2 (R_/A) = E B 1_ (6)

<ZS + ZB) (Rf/A) ♦ ZAZB

waarbij de ruiscomponent Eqn in het punt P voorgesteld wordt als: W* ,- 35 EOH ” (ZA + ZB) + ZAZB '/ 4kTBRE (7) 7908680 t * ·* 1 7

Dan wordt de S/N verhouding voorgesteld als:

E R

S/N = -SS- = --s- . E (8)

E0N Z* 74kTB

A V

5 Daar R^ * AR^ in de vergelijking (8) is de S/N

verhouding in de selectieve versterker uit fig. 8 een factor van ongeveer Ja beter vergeleken met die in vergelijking (3) en wordt hij voorgesteld door de frequentiekarakteristiek als een kromme C2 in fig. 10. In feite, daar de S/N verhouding bepaald wordt door de ruis 10 van de versterker AMP wanneer de reductie in de S/N verhouding ten gevolge van de weerstand R zo verminderd wordt is de totale S/N verhouding zoals de rechte lijn in fig. 10 en beperkt tot het ruisniveau (S/N)A van de versterker AMP, maar is de S/N verhouding belangrijk verbeterd aan de boven en benedengrenzen van de frequentia-15 band vergeleken met de conventionele S/N kromme C^.

Het is mogelijk om de S/N verhouding te verbeteren door de vergroting van de ingoings spanning naar de versterker waarbij de ruisspanningscomponent overheersend is ten opzichte van de ruis-strooracomponent en waarbij een dergelijke uitvoering getoond wordt.

20 in fig. 11.

In de figuur stellen en L& een condensator en een spoel voor die de serie resonant!eketen vormen als één van de elementen in het band-doorlaatfilter bpf zoals in fig. 1, CB een condensator voorstelt in de parallel resonantieketen in het andere element in BPF en R_ een 25 belastingsweerstand is. De spoel L in de parallel resonantieketen

P

is gevormd als een afgetakte spoel, dat wil zeggen een auto-transfor-mator in deze keten waarin de ingangsspanning aangelegd aan de veld*· effecttransistor FET als het versterkende element omhoog gestapt wordt door de wikkelingsverhouding tussen de primaire en de secun-30 daire wikkelingen: m = T2/Tj. De inductantie van de transformator gezien vanaf de aftakking P* is natuurlijk gelijk aan die van de spoel L in fig. 1. De equivalente keten gezien vanaf het punt P naar * Ώ de ingangszijde in fig. 11 kan voorgesteld worden zoals aangegeven in fig. 12 met een serie keten van een signaalspanning mE die vermenig- s 35 vuldigd is met de factor van de wikkelingsverhouding ra en een / 9 0 8 6 8.0 2 8 signaalbronimpedantie m Z welke vermenigvuldigd is met het quadraat 9 van de wikkelingsverhouding. Wanneer de ruis in de transistor FET ook in de beschouwing opgenomen wordt wordt de keten getoond in fig. 13 verkregen. In de keten is Zg de impedantie van de signaalbron 5 gezien vanaf de aftakking P'. De S/N verhouding in het punt Q in de keten getoond in fig. 13 wordt uitgedrukt zoals in de volgende vergelijking:

mE

S/N = y 2 4 2 2 ' ^

./ino4Z + V

10 * n

Uit de vergelijking (9) kan men zien dat de S/N 0 is wanneer ra = 0 of m = « en wordt het maximum bij een waarde daartussen. De waarde voor m welke de maximum S/N verhouding geeft is een waarde welke het resultaat 0 maakt in de differentiatie voor 15 de S/N verhouding als de functie f(m) met m, dat wil zeggen de waarde die voldoet aan: df(m)/dm = 0 en wordt voorgesteld door de volgende vergelijking: /v m = / 1 (10)

J inZ

20 V n

Wanneer de selectieve versterker bij het gebruiken van een veldeffecttransistor als versterkingselement toegepast wordt voor de ingang van een hoogfrequente versterkingstrap verbonden met een capacitieve antenne dan is dikwijls groter dan inZg en kan 25 bij gevolg de S/N verhouding vergroot worden door m groter dan 1 in te stellen, dat wil zeggen met de omhoogstapspanning zoals getoond in de vergelijking (10). Terwijl de spanningscomponent Vr en de strooracomponent i^ van de ruis inherent zijn in de veldeffecttransistor FET is Z een ingangsimpedantie gezien vanaf de transistor FET s 30 en kan deze in enige mate gekozen of gewijzigd worden. Het inbrengen vein de vergelijking (10) in de vergelijking (9) kan de S/N verhouding leveren voor de optimale selectie voor de m en wordt getoond in vergelijking (11):

E

S/N = --------—--. (11) 35 /2inZsVn 7908680 9

Zoals men uit het bovenstaande kan zien neemt de S/N verhouding toe wanneer Zg afneemt. Wanneer dan de selectieve versterker gebruikt wordt bij de tontrap van een radio-ontvanger met een capacitieve antenne kan de capaciteit van de antenne gebruikt 5 worden als de gehele of gedeeltelijke condensator C^, waarbij dit het aantal elementen kan verminderen en de impedantie Z zoveel moge-

S

lijk kan verlagen waarbij een dergelijke uitvoering getoond wordt in fig. 14.

In fig. 14 is ANT een capacitieve antenne beves-10 tigd op automobielen of dergelijke en wordt op een equivalente wijze voorgesteld met een elektromotorische kracht EQ en een serie condensator C . De condensator C wordt gebruikt als een serie resonantie-

A A

keten voor het BPF filter in deze keten. is een spoel in de serie resonantieketen, C is een condensator in de parallel resonantieketen, 3 15 is een belastingsweerstand, is een spoel van de parallel reso nantieketen gevormd als een auto-transformator en FET is een veld-effecttransistor voor het vormen van de versterker AMP. De werking is dezelfde als die beschreven in fig. 11 of dergelijke. De belastingsweerstand kan in plaats van parallel met de parallel resonantie-20 keten verbonden zijn tussen de ingang en uitgangsklemmen, dat wil zeggen tussen de afvoer en de poort van de transistor FET om te functioneren als de terugkoppelweerstand uit fig. 8. Beide werkingen zoals uiteengezet voor fig. 8 en fig. 11 kunnen in dit geval verkregen worden.

25 7908630

Claims

1. Selectieve versterker met een banddoorlaatfliter bestaande uit een serie resonantieketen samengesteld uit een condensator en een spoel en een parallel resonantieketen bestaande 5 uit een condensator en een spoel om daardoorheen die signalen te laten gaan binnen een frequentiegebied dat versterkt moet worden door een versterker, een weerstand voor het afvlakken van de rinpel die optreedt in de transmissiekarakteristiek van het filter en een versterkingselement met een groter versterking verbonden met de uit-10 gang van het filter, met het kenmerk, dat de afvlakweerstand een weerstandwaarde heeft gelijk aan een weerstandwaarde die nodig is voor het afvlakken van de rimpel die optreedt in de filter transmissiekarakteristiek vermenigvuldigd met de versterking van het bovengenoemde versterkingselement en is samengesteld als een terugkoppel-15 weerstand verbonden tussen de uitgangsklem en de ingangsklem van het versterkingselement.

2. Selectieve versterker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het versterkingselement een veldeffecttransistor is. 20

* 3. Selectieve versterker met een banddoorlaatfil- ter bestaande uit een serie resonantieketen samengesteld uit een condensator en een spoel en een parallel resonantieketen samengesteld uit een condensator en een spoel om daardoorheen die signalen door te laten binnen een frequentiegebied dat versterkt moet worden door 25 een versterker, een weerstand voor het afvlakken van de rimpel die optreedt in de transmissiekarakteristiek van het filter en een versterkingselement met een grote versterking verbonden met de uitgangsklem van het filter, met het kenmerk, dat een transformator gebruikt wordt voor de spoel in de parallel resonantieketen en waarbij het 30 versterkingselement een veldeffecttransistor is waarin de filteruit-gangsspanning die omhoog gestapt wordt door de transformator aangepast is om als ingang te dienen naar de veldeffecttransistor.

4. Selectieve versterker volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de condensator in de serie resonantieketen gevormd 35 wordt met een capaciteit van een capacitieve antenne. 7908580

5* Selectieve versterker met een banddoorlaatfil-ter bestaande uit een serie resonantieketen samengesteld uit een condensator en een spoel en een parallel resonantieketen samengesteld uit een condensator en een spoel om daardoorheen die signalen door 5 te laten binnen een frequentiegebied dat versterkt moet worden met een versterker, een weerstand voor het afvlakken van de rimpel die optreedt in de transmissiekarakteristiek van het filter en een ver-sterkingselement met grote versterking verbonden met de uitgangsklem van het filter, met het kenmerk, dat een veldeffecttransistor gebruikt 10 wordt voor het versterkingselement, de afvlakweerstand een weerstands-waarde heeft gelijk aan een weerstandswaarde die nodig is voor het afvlakken van de rimpel die optreedt in de transmissiekarakteristiek van het filter vermenigvuldigd met de versterkingsfactor van de transistor, en waarbij hij gevormd wordt als een terugkoppelweer-15 stand verbonden tussen de uitgangsklem en de ingangsklem van de transistor en waarbij een transformator gebruikt wordt voor de spoel in de parallel resonantieketen waarin de fi1teruitgangsspanning die omhoog gestapt is door de transformator aangepast is om als ingang te dienen naar de transistor. 20

'6. Selectieve versterker in hoofdzaak zoals be schreven in de beschrijving en/of weergegeven in de tekening. 25 7908880