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Dokumentenidentifikation DE102005038442A1 15.02.2007
Titel Gegentaktverstärker mit transformatorischer Gegenkopplung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Oppelt, Ralph, Dr., 91080 Uttenreuth, DE
DE-Anmeldedatum 12.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005038442
Offenlegungstag 15.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.2007
IPC-Hauptklasse H03F 3/30(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03F 1/34(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Der Gegentaktverstärker mit transformatorischer Gegenkopplung ist zur Verstärkung von veränderlichen elektrischen Signalen (S1) vorgesehen. Er weist einen Signaleingang (1) und einen Signalausgang (2), ein mit dem Signaleingang (1) und dem Signalausgang (2) verbundenes transformatorisches Gegenkoppelmittel (100) und eine Verstärkerschaltung (200) auf. Die Verstärkerschaltung (200) umfasst einen Eingang (201) und einen Ausgang (202) sowie einen ersten und einen zweiten Transistor (210, 220). Dabei sind der Eingang (201) der Verstärkerschaltung (200) mit dem Signaleingang (1) und der Ausgang (202) der Verstärkerschaltung (200) mit dem Signalausgang (2) über das transformatorische Gegenkoppelmittel (100) verbunden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Gegentaktverstärker mit transformatorischer Gegenkopplung zur Verstärkung von veränderlichen elektrischen Signalen.

Zur Verstärkung von veränderlichen elektrischen Signalen werden im Allgemeinen Verstärkerschaltungen mit bipolaren Transistoren verwendet. Die Transistoren dienen dabei, je nach Beschaltung, als gesteuerte Strom- oder Spannungsquelle, die jedoch weder eingangs- noch ausgangsseitig angepasst sind. Um eine derartige Verstärkerschaltung in einem Verstärker für HF(Hochfrequenz)-Signale einer relativ großen Bandbreite von beispielsweise 15 MHz bis 300 MHz nutzen zu können, muss diese in geeigneter weise erweitert werden. Solche HF-Signale werden beispielsweise bei MR(Magnet-Resonanz)-Bildgebungssystemen, insbesondere in der medizinischen Bildgebung, beispielsweise Kernspintomografie verwendet. Die Erweiterung der Verstärkerschaltung kann insbesondere mit Gegenkoppelmitteln erfolgen, mit welchen die Eingangs- und die Ausgangsimpedanz des Verstärkers derart angepasst werden kann, dass die am Verstärkerausgang angeschlossene Impedanz am Verstärkereingang in gleicher oder in vorbestimmt skalierter Höhe auftritt. Im Idealfall bestimmt sogar die Gegenkopplung die Verstärkung, so dass der Verstärker unabhängig von der Exemplarstreuung des verwendeten Transistors arbeitet. Somit lässt sich auch ein über die gesamte Bandbreite hinweg konstanter Verstärkungsfaktor des Verstärkers realisieren, wobei nichtlineare Verzerrungen, die insbesondere auf den Transistor zurückzuführen sind, klein gehalten werden.

In „Breitbandige Ferrit-Hochfrequenztransformatoren" (J. v. Parpart, Hüthig Verlag 1997, S. 122 – 126) ist ein solcher Verstärker in Emitterschaltung mit transformatorischer Gegenkopplung angegeben. Die transformatorische Gegenkopplung wird dabei mittels eines Richtkoppler-Übertragers vorgenommen. Die Emitterschaltung ist mit einem npn-Transistor so beschaltet, dass dieser in Eintakt-A-Betrieb arbeitet. Für eine verzerrungsarme Verstärkung ist hierzu jedoch ein sehr hoher Ruhestrom erforderlich.

In „Breitbandige Ferrit-Hochfrequenztransformatoren" (J. v. Parpart, Hüthig Verlag 1997, S. 130 – 133) ist weiter ein Gegentaktverstärker mit transformatorischer Gegenkopplung angegeben. Dabei wurde die vorgenannte Emitterschaltungen mit transformatorischer Gegenkopplung um dieselbe Emitterschaltungen mit transformatorischer Gegenkopplung symmetrisch erweitert. Der Signaleingang und der Signalausgang sind dabei jeweils über ein als Übertrager mit einseitiger Mittenanzapfung ausgeführtes Symmetrierungsmittel mit den beiden symmetrisch angeordneten Emitterschaltungen mit transformatorischer Gegenkopplung verbunden. Dieser Verstärkertyp hat gegenüber dem vorgenannten den Vorteil, dass er bei einer geringeren Stromaufnahme eine bedeutend geringere Verzerrung aufweist. Aufgrund der Ausgestaltung mit vier Hochfrequenzübertragern ist er jedoch mit hohem technologischem Aufwand behaftet. Jeder Hochfrequenzübertrager bringt nämlich als Bauteil einer Hochfrequenzschaltung inhärente Nachteile, wie zum Beispiel begrenzte Bandbreite, Verluste und Platzbedarf, mit sich, deren Kompensation bei der Realisierung eines Verstärkers berücksichtigt werden muss.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, einen Gegentaktverstärker mit transformatorischer Gegenkopplung anzugeben, der mit einem gegenüber dem Stand der Technik geringeren technologischen Aufwand auszubilden ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Gegentaktverstärker entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Gegentaktverstärker handelt es sich um einen Gegentaktverstärker mit transformatorischer Gegenkopplung zur Verstärkung von veränderlichen elektrischen Signalen, aufweisend

  • – einen Signaleingang und einen Signalausgang,
  • – ein mit dem Signaleingang und dem Signalausgang verbundenes transformatorisches Gegenkoppelmittel

    und
  • – eine Verstärkerschaltung, umfassend
  • – einen Eingang und einen Ausgang sowie
  • – einen ersten und einen zweiten Transistor,

    wobei
  • – der Eingang der Verstärkerschaltung mit dem Signaleingang und
  • – der Ausgang der Verstärkerschaltung mit dem Signalausgang


über das transformatorische Gegenkoppelmittel verbunden sind.

Indem der Verstärker mit einer aus zwei geeigneten Transistoren ausgestalteten Gegentaktschaltung ausgeführt ist und diese über nur ein transformatorisches Gegenkoppelmittel mit dem Signaleingang und -ausgang verbunden sind, sind die damit verbundenen Vorteile insbesondere in einer Reduktion der Anzahl von im Verstärker verschalteten Übertragern zu sehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegentaktverstärkers gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Es ist insbesondere vorteilhaft, dass das transformatorische Gegenkoppelmittel als Richtkoppler-Übertrager ausgestaltet ist, welcher einen Eingangs- und einen Ausgangsübertrager mit jeweiliger Primär- und Sekundärwicklung aufweist. Dabei ist der Eingang der Verstärkerschaltung über die Primärwicklung des Eingangsübertragers mit dem Signaleingang und über die Sekundärwicklung des Ausgangsübertragers zumindest für das zu verstärkende veränderliche elektrische Signal mit einem Bezugspotenzial, insbesondere Erdpotenzial, verbunden. Weiter ist der Ausgang der Verstärkerschaltung über die Primärwicklung des Ausgangsübertragers mit dem Signalausgang und über die Sekundärwicklung des Eingangsübertragers zumindest für das zu verstärkende veränderliche elektrische Signal mit dem Bezugspotenzial, insbesondere Erdpotenzial, verbunden. Mittels eines solchen Gegenkopplungsnetzwerkes ist die Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung identisch oder skaliert identisch mit der am Ausgang angeschlossenen Impedanz.

Es ist vorteilhaft, wenn die beiden jeweils einen Kollektor, eine Basis und einen Emitter aufweisenden Transistoren basisseitig mit dem Verstärkereingang und kollektorseitig mit dem Verstärkerausgang verbunden sind. Dabei sind die Basis und der Emitter des ersten Transistors mit einem ersten Spannungsversorgungsanschluss und die Basis und der Emitter des zweiten Transistors mit einem zweiten Spannungsversorgungsanschluss verbunden. Eine derartige Verschaltung zweier Transistoren liefert eine einfach zu realisierende und für diesen Einsatzzweck ausreichend schnell und effektiv arbeitende Gegentaktverstärkeranordnung, wenn insbesondere jeweils unterschiedliche Transistortypen, also ein npn-Transistor und ein pnp-Transistor verwendet werden. Eine an die Spannungsversorgungsanschlüsse angeschlossene Spannungsquelle liefert dabei insbesondere eine um das Bezugspotenzial symmetrische Spannung. Ist beispielsweise das Bezugspotenzial das Erdpotenzial, so ist vorzugsweise am ersten Spannungsversorgungsanschluss eine positive Spannung von z. B. +5 V und am zweiten Spannungsversorgungsanschluss eine negative Spannung von z. B. -5V anzulegen. Damit müssen die Sekundärwicklungen des Richtkoppler-Übertragers nicht mit einer Spannung zur Spannungsversorgung der Verstärkerschaltung beaufschlagt werden. Die Verstärkerschaltung wird hiermit direkt über die Spannungsversorgungsanschlüsse mit Spannung versorgt.

Zudem ist vorteilhaft, wenn jeweils zwischen Basis und zugeordnetem Spannungsversorgungsanschluss mindestens ein Widerstand vorgesehen ist. Vorteilhaft ist auch, wenn jeweils zwischen Emitter und zugeordnetem Spannungsversorgungsanschluss mindestens ein Widerstand vorgesehen ist, wobei die Emitter jeweils über mindestens eine Kapazität mit dem Bezugspotential, insbesondere Erdpotenzial, verbunden sind. Die so geschalteten Widerstände dienen dazu, den Ruhestrom für die Transistoren vorteilhaft festzulegen. Emitterseitig sind durch die Kapazitäten die Transistoren für die veränderlichen elektrischen Signale auf Bezugspotenzial, insbesondere Erdpotenzial, bezogen.

Vorteilhafterweise ist dabei mindestens ein einstellbarer Widerstand, insbesondere Trimmwiderstand, vorgesehen. Entsprechen beispielsweise die Kennlinien beider Transistoren nicht einander, so können die Ruheströme auch nachträglich mittels des mindestens einen einstellbaren Widerstandes angepasst werden. Somit kann der optimale Arbeitspunkt für geringst mögliche Verzerrungen gewählt werden.

Es ist günstig, wenn zwischen der Basis jedes Transistors und dem Eingang der Verstärkerschaltung jeweils mindestens eine Kapazität vorgesehen ist und beide Basen über mindestens einen Widerstand miteinander verbunden sind. Hiermit kann das veränderliche elektrische Signal direkt an beide Basen weitergeleitet und eine Wechselspannungsgegenkopplung über den Richtkoppler-Übertrager realisiert werden. Den gleichspannungsbezogene Arbeitspunkt der Transistoren betreffend, liegen dabei beide Kollektoren über die Sekundärwicklung des Eingangsübertragers auf Bezugspotenzial, insbesondere Erdpotenzial.

Es ist auch günstig, wenn zwischen der Basis jedes Transistors und dem Eingang der Verstärkerschaltung jeweils eine Parallelschaltung aus mindestens einer Kapazität und mindestens einem Widerstand vorgesehen ist. Weiter ist zwischen der Primärwicklung des Eingangsübertragers und dem Signaleingang, zwischen der Primärwicklung des Ausgangsübertragers und dem Signalausgang, und zwischen den Sekundärwicklungen und dem Bezugspotenzial jeweils mindestens eine Kapazität vorgesehen. Hiermit kann neben der Wechselspannungsgegenkopplung auch eine Gleichspannungsgegenkopplung über den Richtkoppler-Übertrager realisiert werden. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Verstärker über einen sehr großen Temperaturbereich mit möglichst gleichen Eigenschaften arbeiten soll. Die Widerstandswerte der beiden Widerstände beider Parallelschaltungen sind dabei so zu wählen, dass der Ruhestrom durch beide Transistoren im Wesentlichen gleich ist. Idealerweise liegen die beiden Kollektoren dabei auf Bezugspotenzial, insbesondere Erdpotenzial.

Vorteilhafterweise ist der Gegentaktverstärker für Frequenzen von 10 kHz und höher, insbesondere bis 10 GHz, ausgelegt. Günstigerweise ist das veränderliche elektrische Signal ein Hochfrequenzsignal. Der Frequenzbereich erstreckt sich dabei von 10 kHz bis 10 GHz.

Es ist von Vorteil, wenn der erste Transistor ein pnp-Transistor und der zweite Transistor ein npn-Transistor ist. Somit kann auf Symmetrierungsmittel, wie beispielsweise Symmetrierübertrager verzichtet werden, die in der Regel nicht verzerrungsarm und darüber hinaus kostspielig und voluminös sind.

Besonders vorteilhaft sind die beiden Transistoren als komplementäres pnp- und npn-Transistorpaar ausgeführt. Durch die komplementäre Ausführungsform vereinfacht sich beispielsweise die Anpassung der Ruheströme beider Transistoren. So können im Idealfall die Widerstandswerte der ruhestrombeeinflussenden Widerstände in der Verstärkerschaltung für beide Transistoren gleich groß gewählt werden. Darüber hinaus weist der Verstärker durch die komplementäre Ausführungsform einen hohen Aussteuerbereich auf.

Vorteilhaft sind/ist der Eingang- und/oder der Ausgangsübertrager des Richtkoppler-Übertragers jeweils mit einem Ringkern ausgeführt, der eine gute magnetische Kopplung von Primär- und Sekundärwicklung bei gleichzeitig niedriger kapazitiver Kopplung ermöglicht.

Vorteilhaft ist auch, wenn der Eingangs- und der Ausgangsübertrager des Richtkoppler-Übertragers mit einem gemeinsamen Doppellochkern ausgeführt sind, der eine gute magnetische Kopplung der Primär- und Sekundärwicklungen bei gleichzeitig niedriger kapazitiver Kopplung ermöglicht. Die Anordnung des Eingangs- und des Ausgangsübertrager auf einem gemeinsamen Kern ist zudem auch mit einer Platzersparnis verbunden.

Günstigerweise entspricht das Windungsverhältnis n des Eingangsübertragers dem Windungsverhältnis m des Ausgangsübertragers. Das Windungsverhältnis n ist dabei durch das Verhältnis der Windungszahlen der Sekundär- und Primärwicklung des Eingangsübertragers und das Windungsverhältnis m durch das Verhältnis der Windungszahlen der Sekundär- und Primärwicklung des Ausgangsübertragers gegeben. Sind dabei die Windungszahlen der Sekundärwicklungen jeweils größer als die entsprechenden Windungszahlen der Primärwicklungen, wird die am Signaleingang eingespeiste Leistung durch den Richtkoppler-Übertrager verstärkt am Signalausgang ausgegeben. Der Betrag der Leistungsverstärkung ist dabei durch das Quadrat des Windungsverhältnisses von Sekundärwicklung zu Primärwicklung des Richtkoppler-Übertragers gegeben.

Es ist auch günstig, wenn sich das Windungsverhältnis n des Eingangsübertragers vom Windungsverhältnis m des Ausgangsübertragers unterscheidet. Sind dabei die Windungszahlen der Sekundärwicklungen jeweils größer als die entsprechenden Windungszahlen der Primärwicklungen, wird die am Signaleingang eingespeiste Leistung durch den Richtkoppler-Übertrager verstärkt am Signalausgang ausgegeben. Der Betrag der Leistungsverstärkung ist dabei durch das Produkt der einzelnen Windungsverhältnisse von Sekundärwicklung zu Primärwicklung des Richtkoppler-Übertragers gegeben. Mit der Berücksichtigung von unterschiedlichen Windungsverhältnissen im Richtkoppler-Übertrager ist ein weiterer Freiheitsgrad gegeben, die Eingangsimpedanz des erfindungsgemäßen Gegentaktverstärkers in Bezug auf seine Ausgangsimpedanz anzupassen.

Vorteilhafterweise ist der Gegentaktverstärker als Teil einer HF-Verstärkerelektronik eines Magnet-Resonanz-Bildgebungssystemes vorgesehen. Gerade bei MR-Bildgebungssystemen kommt es auf eine möglichst verzerrungsfreie, vom erfindungsgemäßen Gegentaktverstärker gebotene Verstärkung von HF-Signalen, insbesondere Bildsignalen, über eine relativ große Bandbreite von beispielsweise 15 MHz bis 300 MHz an. Für eine Verwendung in MR-Bildgebungssystemen zeichnet den erfindungsgemäßen Gegentaktverstärker darüber hinaus vorteilhafterweise aus, dass er insbesondere Energie und Platz sparend ausgestaltet werden kann.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Vorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Veranschaulichung ist die Zeichnung als Schaltbilder ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigen

1 einen Gegentaktverstärker mit wechselspannungsgegenkopplung und

2 einen Gegentaktverstärker mit Wechselspannungs- und Gleichspannungsgegenkopplung.

Einander entsprechende Teile sind in den 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In 1 ist ein Gegentaktverstärker mit Wechselspannungsgegenkopplung dargestellt. Der Gegentaktverstärker weist dabei einen Signaleingang 1, einen Signalausgang 2, ein transformatorisches Gegenkoppelmittel 100 und eine Verstärkerschaltung 200 auf. Der Signaleingang 1 und der Signalausgang 2 sind über das transformatorische Gegenkoppelmittel 100, das als so genannter Richtkoppler-Übertrager ausgeführt ist, mit der Verstärkerschaltung 200 verbunden.

Der Richtkoppler-Übertrager 100 ist aus einem Eingangsübertrager 110 mit einer Primärwicklung 111 und einer Sekundärwicklung 112 und aus einem Ausgangsübertrager 120 mit einer Primärwicklung 121 und einer Sekundärwicklung 122 ausgestaltet, wobei der Eingangsübertrager 110 und der Ausgangsübertrager 120 in geeigneter Weise miteinander verschaltet sind. Dabei sind die Primärwicklung 111 des Eingangsübertragers 110 über einen Knotenpunkt 101 mit der Sekundärwicklung 122 des Ausgangsübertragers 120 und die Primärwicklung 121 des Ausgangsübertragers 120 über einen weiteren Knotenpunkt 102 mit der Sekundärwicklung 112 des Eingangsübertragers 110 verbunden. Die Sekundärwicklungen 112 und 122 sind zudem an ihrem anderen Ende über einen dritten Knotenpunkt 103 miteinander verbunden, der auf ein Bezugspotential P, insbesondere Erdpotential, bezogen ist. Der Signaleingang 1, in welchen ein veränderliches elektrisches Signal S1, insbesondere ein Hochfrequenzsignal im Frequenzbereich von 10 kHz bis 10 GHz, einzuspeisen ist, ist mit der Primärwicklung 111 des Eingangsübertragers 110 und somit über diese mit dem Knotenpunkt 101 verbunden. Der Signalausgang 2, der das vom Gegentaktverstärker verstärkte Eingangssignal S1 als Ausgangssignal S2 liefert, ist hingegen mit der Primärwicklung 121 des Ausgangsübertragers 120 und somit über diese mit dem Knotenpunkt 102 verbunden.

Die Verschaltung der Verstärkerschaltung 200 mit dem Richtkoppler-Übertrager 100 erfolgt über einen Eingang 201 und einen Ausgang 202 der Verstärkerschaltung 200, indem der Eingang 201 an den Knotenpunkt 101 und der Ausgang 202 an den Knotenpunkt 102 angeschlossen werden. Die Verstärkerschaltung 200 weist einen ersten und einen zweiten Transistor 210 und 220 auf, wobei beide Transistoren 210, 220 insbesondere als komplementäres pnp- und npn-Transistorpaar 210, 220 ausgeführt sind. Vorzugsweise ist das Transistorpaar 210, 220 wegen der Platzersparnis und besseren thermischen Kopplung als integriertes Bauteil ausgebildet. Die Transistoren 210, 220 weisen jeweils einen Kollektor 211, 221, jeweils eine Basis 212, 222 und jeweils einen Emitter 213, 223 auf. Dabei sind die Kollektoren 211, 221 gemeinsam miteinander verbunden am Ausgang 202 und die Basen 212, 222 über jeweils eine Kapazität 251, 252 am Eingang 201 der Verstärkerschaltung 200 angeschlossen.

Zur Spannungsversorgung der Verstärkerschaltung 200 sind zwei Spannungsversorgungsanschlüsse 231 und 232 vorgesehen, die mit um das Bezugspotential P symmetrischen Gleichspannungen +U und -U zu beaufschlagen sind. Ist beispielsweise das Bezugspotential P gleich dem Erdpotential und somit 0 V, so liegen typischerweise am Spannungsversorgungsanschluss 231 +5 V und am Spannungsversorgungsanschluss 232 -5 V an.

Die Basis 212 und der Emitter 213 des pnp-Transistors 210 sind jeweils über entsprechend zugeordnete Widerstände 241 und 243 am Spannungsversorgungsanschluss 231 angeschlossen. Symmetrisch dazu sind die Basis 222 und der Emitter 223 des npn-Transistors 220 jeweils über entsprechend zugeordnete Widerstände 242 und 244 am zweiten Spannungsversorgungsanschluss 232 angeschlossen. Beide Basen 212 und 222 sind zudem über einen weiteren Widerstand 247 miteinander verbunden. Die Widerstände 241, 247 und 242 bilden somit einen Spannungsteiler für die Spannungsdifferenz 2·U zwischen den Spannungsversorgungsanschlüssen 231 und 232 und bestimmen dadurch die an den Basen 212 und 222 anliegenden Spannungen. Mittels der Widerstände 241 und 242 können folglich auch die Ruheströme in den Transistoren 210 und 220 bei gegebenen Emitterwiderständen 243 und 244 unabhängig voneinander eingestellt werden. Dadurch kann für reale Transistorpaare empirisch der optimale Arbeitspunkt für geringst mögliche Verzerrungen eingestellt werden, da pnp- und npn-Transistoren in der Regel nicht exakt gleiche Kennlinien aufweisen.

Die Emitter 213, 223 sind für das eingespeiste Hochfrequenzsignal S1 auf das Bezugspotential P, insbesondere Erdpotential, bezogen, indem sie zusätzlich jeweils über eine Kapazität 253, 254 mit dem Bezugspotential P verbunden sind.

Soll der Gegentaktverstärker über einen großen Temperaturbereich möglichst mit gleichen Eigenschaften arbeiten, ist ein Gegentaktverstärker mit Wechselspannungs- und Gleichspannungsgegenkopplung besonders geeignet. Ein solcher Gegentaktverstärker ist in 2 dargestellt. Der wesentliche Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 besteht darin, dass die Basen 212 und 222 jeweils über eine Parallelschaltung 261, 262 der Kapazität 251, 252 mit einem Widerstand 245, 246 am Eingang 201 der Verstärkerschaltung 200 angeschlossen, und dass die Sekundärwicklungen 112, 122 des Richtkopplerübertragers 100 potenzialgetrennt mit dem Bezugspotenzial P sowie die Primärwicklungen 111, 121 potenzialgetrennt entsprechend mit dem Signaleingang 1 bzw. dem Signalausgang 2 verbunden sind. Dies wird dadurch erreicht, dass die Verbindungen des Richtkoppler-Übertragers 100 mit dem Signaleingang 1 und dem Signalausgang 2 sowie die Verbindung des Richtkoppler-Übertragers 100 über den Knotenpunkt 103 mit dem Bezugspotential P jeweils mit Kapazitäten 255, 256, 257 versehen sein.

Die Widerstände 241, 245, 246 und 242 bilden in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 auch einen Spannungsteiler. Die Summe der Widerstandswerte der Widerstände 245 und 246 entspricht dabei vorzugsweise dem Widerstandswert des Widerstandes 247 aus 1. Insbesondere ist der jeweilige widerstandswert der widerstände 245 und 246 halb so groß wie der Widerstandswert des Widerstandes 247. Wird einer oder mehrere der in den 1 und 2 angegebenen Widerstände 241, 242, 243, 244, 245, 246, 247 als Trimmwiderstand ausgeführt, ist eine optimale Ruhestrom- und Arbeitspunktanpassung für geringst mögliche Verzerrungen auch nachträglich möglich.

Der Ruhestrom durch beide Transistoren 210 und 220 ist für die in 2 dargestellte Verstärkerschaltung 200 per Schaltungszwang näherungsweise gleich. Bei gut gepaarten Transistoren 210, 220 ist bei gleich großen Emitterwiderstandswerten der Widerstandswert des Widerstandes 241 im Allgemeinen gleich dem Widerstandswert des Widerstandes 242 zu wählen, damit das Potential an den Kollektoren 211 und 221 nahe dem Bezugspotential P, insbesondere Erdpotential (0Volt), liegt. Die Widerstandswerte der Widerstände 241 und 242 können aber auch leicht unterschiedlich gewählt werden, damit auch bei ungleichen Transistoreigenschaften das Kollektorpotential dem Bezugspotential P, insbesondere Erdpotential, möglichst entspricht. Damit ergibt sich der größte verzerrungsfreie Spannungshub für das am Ausgang 202 der Verstärkerschaltung 200 liegende Signal.

Die in 1 und 2 angegebenen erfindungsgemäßen Verstärker haben die Eigenschaft, eine am Signalausgang 2 angeschlossene Lastimpedanz Z2 von beispielsweise 50 &OHgr; als Eingangsimpedanz Z1 am Signaleingang 1 abzubilden. Die Leistungsverstärkung g des Eingangssignals S1 wird über die Windungsverhältnisse n und m im Richtkoppler-Übertrager 100 bestimmt. Das Windungsverhältnis n ist dabei dem Eingangsübertrager 110 zugeordnet und durch das Verhältnis der Windungszahl b der Sekundärwicklung 112 zur Windungszahl a der Primärwicklung 111 gegeben:

Entsprechend ist das Windungsverhältnis m dem Ausgangsübertrager 120 zugeordnet und durch das Verhältnis der Windungszahl d der Sekundärwicklung 122 zur Windungszahl c der Primärwicklung 121 gegeben:

Für die Leistungsverstärkung g gilt im Allgemeinen die Gleichung: g = n·m.

In der Regel entsprechen die Windungsverhältnisse n und m einander, so dass die Leistungsverstärkung g durch das Quadrat des Windungsverhältnisses bestimmt ist. Es gibt aber auch Anwendungsfälle, die eine skalierte Abbildung der Impedanz Z2 am Signalausgang 2 auf den Signaleingang 1 erfordern. Wird beispielsweise am Signalausgang 2 ein transformatorischer 3dB-Leistungsteiler angeschlossen, der den Signalausgang 2 mit einer Impedanz von Z2 = 25 &OHgr; belastet und ist am Signaleingang 1 jedoch eine genormte Eingangsimpedanz Z1 von 50 &OHgr; erforderlich, so kann hierfür ein Richtkoppler-Übertrager 100 mit unterschiedlichen Windungsverhältnissen m und n des Eingangsübertragers 110 und des Ausgangsübertragers 120 eingesetzt werden. Für das Impedanztransformationsverhältnis p gilt dann: Mit den beiden Windungsverhältnissen n und m als Freiheitsgrade lassen sich somit sowohl die Leistungsverstärkung g als auch das Impedanztransformationsverhältnis p einstellen.


Anspruch[de]
Gegentaktverstärker mit transformatorischer Gegenkopplung zur Verstärkung von veränderlichen elektrischen Signalen (S1), aufweisend

– einen Signaleingang (1) und einen Signalausgang (2),

– ein mit dem Signaleingang (1) und dem Signalausgang (2) verbundenes transformatorisches Gegenkoppelmittel (100)

und –

eine Verstärkerschaltung (200), umfassend

– einen Eingang (201) und einen Ausgang (202) sowie

– einen ersten und einen zweiten Transistor (210, 220),

wobei

– der Eingang (201) der Verstärkerschaltung (200) mit dem Signaleingang (1) und

– der Ausgang (202) der Verstärkerschaltung (200) mit dem Signalausgang (2)

über das transformatorische Gegenkoppelmittel (100) verbunden sind.
Gegentaktverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transformatorische Gegenkoppelmittel (100) als Richtkoppler-Übertrager ausgestaltet ist, welcher einen Eingangs- und einen Ausgangsübertrager (110, 120) mit jeweiliger Primär- und Sekundärwicklung (111, 112, 121, 122) aufweist,

wobei

– der Eingang (201) der Verstärkerschaltung (200)

– über die Primärwicklung (111) des Eingangsübertragers (110) mit dem Signaleingang (1) und

– über die Sekundärwicklung (122) des Ausgangsübertragers (120) zumindest für das zu verstärkende veränderliche elektrische Signal (S1) mit einem Bezugspotenzial (P),

und

– der Ausgang (202) der Verstärkerschaltung (200)

– über die Primärwicklung (121) des Ausgangsübertragers (120) mit dem Signalausgang (2) und

– über die Sekundärwicklung (112) des Eingangsübertragers (110) zumindest für das zu verstärkende veränderliche elektrische Signal (S1) mit dem Bezugspotenzial (P)

verbunden sind.
Gegentaktverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden jeweils einen Kollektor (211, 221), eine Basis (212, 222) und einen Emitter (213, 223) aufweisenden Transistoren (210, 220)

– basisseitig mit dem Verstärkereingang (201) und

– kollektorseitig mit dem Verstärkerausgang (202) verbunden sind, wobei

– die Basis (212) und der Emitter (213) des ersten Transistors (210) mit einem ersten Spannungsversorgungsanschluss (231) und

– die Basis (222) und der Emitter (223) des zweiten Transistors (220) mit einem zweiten Spannungsversorgungsanschluss (232) verbunden sind.
Gegentaktverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen Basis (212, 222) und zugeordnetem Spannungsversorgungsanschluss (231, 232) mindestens ein Widerstand (241, 242) vorgesehen ist. Gegentaktverstärker nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen Emitter (213, 223) und zugeordnetem Spannungsversorgungsanschluss (231, 232) mindestens ein Widerstand (243, 244) vorgesehen ist, wobei die Emitter (213, 223) jeweils über mindestens eine Kapazität (253, 254) mit dem Bezugspotential (P) verbunden sind. Gegentaktverstärker nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch mindestens einen einstellbaren widerstand (241, 242, 243, 244, 245, 246, 247). Gegentaktverstärker nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dass zwischen der Basis (212, 222) jedes Transistors (210, 220) und dem Eingang (201) der Verstärkerschaltung (200) jeweils mindestens eine Kapazität (251, 252) vorgesehen ist und beide Basen (212, 222) über mindestens einen Widerstand (247) miteinander verbunden sind. Gegentaktverstärker nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass

– zwischen der Basis (212, 222) jedes Transistors (210 220) und dem Eingang (201) der Verstärkerschaltung (200) jeweils eine Parallelschaltung (261, 262) aus mindestens einer Kapazität (251, 252) und mindestens einem Widerstand (245, 246),

– zwischen der Primärwicklung (111) des Eingangsübertragers (110) und dem Signaleingang (1) mindestens eine Kapazität (255),

– zwischen der Primärwicklung (121) des Ausgangsübertragers (120) und dem Signalausgang (2) mindestens eine Kapazität (256), und

– zwischen den Sekundärwicklungen (112, 122) und dem Bezugspotenzial (P) mindestens eine Kapazität (257) vorgesehen sind.
Gegentaktverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er für Frequenzen von 10 kHz und höher, insbesondere bis 10 GHz, ausgelegt ist. Gegentaktverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das veränderliche elektrische Signal (S1) ein Hochfrequenzsignal ist. Gegentaktverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transistor (210) ein pnp-Transistor und der zweite Transistor (220) ein npn-Transistor ist. Gegentaktverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Transistoren (210, 220) als komplementäres pnp- und npn-Transistorpaar ausgeführt sind. Gegentaktverstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang- und/oder der Ausgangsübertrager (110, 120) des Richtkoppler-Übertragers (100) mit einem Ringkern ausgeführt sind/ist. Gegentaktverstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang- und der Ausgangsübertrager (110, 120) des Richtkoppler-Übertragers (100) mit einem gemeinsamen Doppellochkern ausgeführt sind. Gegentaktverstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Windungsverhältnis n des Eingangsübertragers (110) dem Windungsverhältnis m des Ausgangsübertragers (120) entspricht. Gegentaktverstärker nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Windungsverhältnis n des Eingangsübertragers (110) vom Windungsverhältnis m des Ausgangsübertragers (120) unterscheidet. Gegentaktverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Teil einer HF-Verstärkerelektronik eines Magnet-Resonanz-Bildgebungssystemes vorgesehen ist.






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