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Hochfrequenz-Leistungsverstärker: _____________________________________
Betriebsarten von Großsignalverstärkern: ________________________________
Anpassung des Transistorausganges: ___________________________________
Anpassung des Transistoreinganges ____________________________________
Transistor als Frequenzvervielfacher: ___________________________________
Oberwellenfilter für Ausgangsstufen:____________________________________
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Sendeendstufen
Hochfrequenz-Leistungsverstärker:
Bei Transistorsendern kommen Kleinsignalstufen, meist als Vorstufen, sowie
Großsignalstufen als Treiber- und Endstufen zur Anwendung.
Für den Ausgang des Transistors wird Leistungsanpassung vorrausgesetzt, für den
Eingang nicht. Ebenso muß der Ausgangswiderstand unabhängig vom Abschluß des
Einganges und der Eingangswiderstand unabhängig vom Abschluß des Ausganges
sein.
Die maximale Leistungsverstärkung VLmax wird bei höheren Leistungen wesentlich
kleiner. Dies resultiert aus der Abnahme der Stromverstärkung bei größeren
Emitterströmen, bei denen die Eingangskapazität CBE ansteigt. Da am Eingang des
Transistors eine Spannungsteilung mit dem Basisbahnwiderstand (rbb) und der
Eingangskapazität CBE stattfindet und allein die Spannung an der Kapazität
steuernd wirkt, bedeutet eine Erhöhung von CBE oder steigende Frequenz eine
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Abnahme von X CBE =
. Dadurch fällt der größte Teil der Eingangsspannung an
ω ⋅ CBE
rbb ab und die Stromverstärkung sinkt (siehe folgende Bilder).
Bei Großsignalverstärkern sind die Emitterströme größer als 25mA, sodaß der
Realteil des Transistoreingangswiderstandes annähernd rbb wird. Dieser ist
unabhängig vom Emitterstrom, jedoch wird der Eingangswiderstand durch
kapazitive Nebenschlüsse bei zunehmender Frequenz komplex und im Betrag
kleiner. Die Größe von rbb wirkt sich stark auf die Großsignalverstärkung aus.
Betriebsarten von Großsignalverstärkern:
Ein HF-Leistungsverstärker soll eine möglichst hohe Verstärkung bei einem guten
Wirkungsgrad erzielen. Er kann dafür im A-, B- oder C-Betrieb arbeiten.
Im A-Betrieb wird die gesamte Sinusschwingung linear verstärkt; der
Stromflußwinkel (Hälfte der Dauer während der Kollektorstrom fließt; in °
angegeben) beträgt hier 180°. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad beträgt
50% (bei Schwingkreis im Kollektor) bzw. 25% (mit Kollektorwiderstand). Die
Leistungsverstärkung ist wesentlich höher als im B- und C-Betrieb, die
Verlustleistung ohne Ansteuerung ist hoch (siehe Ruhestrom I0).
Im B-Betrieb ist der Ruhestrom niedriger (Transistor soweit in Flußrichtung
vorgespannt,
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daß I0 ≈ 1-2mA), der Kollektorstromflußwinkel beträgt 90° und der theoretisch
maximale Wirkungsgrad ist 78,5%.
Für Senderanwendungen hat der C-Betrieb die größte Bedeutung, da mit ihm der
größte Wirkungsgrad erreicht werden kann (theoretisch 100%; praktisch über
90%).
Praktische Stromflußwinkel liegen bei 50° bis 70° (für optimale
Ausgangsleistungen). Die thermische Stabilität ist sehr gut, weil ohne Ansteuerung
kein Ruhestrom fließt.
Um einen Stromflußwinkel < 90° zu erzeugen muß die Basis-Emitter-Strecke
negativ vorgespannt werden. Es gibt hier vier verschiedene Arten um diese
Verschiebung zu bewirken:
In Bild a sieht man die Erzeugung der Vorspannung durch eine zusätzliche
Spannungsquelle. Dies bedeutet jedoch einen wesentlich größeren
Schaltungsaufwand.
Bild b zeigt die Spannungserzeugung durch einen Basisstrom am
Basisbahnwiderstand. Da dieser starke Streuungen zwischen den
Transistorexemplaren aufweist und der Betrag der Vorspannung gering ist, ist die
Methode c mit externem Basiswiderstand vorzuziehen. Diese beiden Möglichkeiten
haben den Nachteil, daß bei zu großen Widerständen die Kollektor-EmitterDurchbruchsspannung stark reduziert wird.
Bild d zeigt die beste Methode. Die Spannung wird durch einen Spannungsabfall am
Emitterwiderstand erzeugt (ohne den externen Basiswiderstand wird die KollektorEmitter-Durchbruchsspannung nicht reduziert). Dieser Emitterwiderstand muß mit
einem Kondensator überbrückt werden, um die Gegenkopplung für hohe
Frequenzen kurzzuschließen und dadurch die volle Verstärkung zu erzielen. Um die
Zuleitungsinduktivitäten gering zu halten ist es von Vorteil mehrere Kondensatoren
parallel zu schalten. Für hohe Frequenzen ist es sehr wirkungsvoll, den
Kondensator so auszuwählen, daß er mit den Zuleitungsinduktivitäten einen
Serienschwingkreis bildet, der auf die Übertragungsfrequenz abgestimmt ist.
Die Drossel an der Basis verhindert das Kurzschließen des Ansteuersignals (große
Induktivität).
Anpassung des Transistorausganges:
Um die maximale Leistungsverstärkung zu erreichen, muß ein Anpassungsfilter den
Lastwiderstand an den Ausgangswiderstand des Transistors anpassen. Bei
Leistungsendstufen ist jedoch nicht die maximale Leistungsverstärkung, sondern
die maximale Ausgangsleistung entscheidend.
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Der Arbeitspunkt für maximale Ausgangsleistung muß so gewählt werden, daß UCE
und IC maximal ausgesteuert werden:
Andere Betrachtung:
Der Transistorausgang kann als Stromquelle mit Innenwiderstand dargestellt
werden. Um den größt möglichen Ausgangsstrom IA und die größte daraus
resultierende Ausgangsspannung UA=RA⋅IA zu erhalten, muß RA<<RI sein ( =>
II<<IA ).
Das Anpassungsnetzwerk hat ebenso die Aufgaben den Blindanteil des
Transistorausgangswiderstandes zu kompensieren und unerwünschte Frequenzen
(Ober-, Nebenwellen) zu dämpfen.
Eine bei Anpassungsfiltern wichtige Größe ist das Verhältnis der unbelasteten
Schwingkreisgüte (Q0) zur belasteten Schwingkreisgüte (QL), das den
Q
Schwingkreiswirkungsgrad wie folgt beeinflußt: ηkr = 1− L
Q0
Bei nicht zu hohen Frequenzen und Ausgangsleistungen reichen einfache
Parallelschwingkreise zur Ankopplung des Lastwiderstandes.
Die Ankopplung erfolgt hier kapazitiv, wobei sich das Transformationsverhältnis
durch Trimm- kondensatoren einstellen läßt. Die Kapazität C1 stimmt den
Parallelschwingkreis auf die zu verstärkende Frequenz ab. C2 paßt den
Lastwiderstand RL an den Schwingkreis an.
Um die Belastung des Kreises durch den Ausgangswiderstand des Transistors
gering zu halten wird der Anzapf für den Kollektoranschluß niedrig gewählt, d.h.
der Transistorausgangswiderstand dämpft den Schwingkreis entsprechend dem
Übersetzungsverhältnis ü.
Weiters ist zu sagen, daß die Oberwellenunterdrückung bei der kapazitiven
Fußpunktkopplung größer als bei der kap. Hochpunktkopplung ist.
Bei hohen Frequenzen und großen Leistungen wird der
Transistorausgangswiderstand sehr niederohmig und kann daher nur mit einem
sehr großen Übersetzungsverhältnis ü an den Parallelschwingkreis angekoppelt
werden. Aus diesem Grund empfiehlt es sich als Anpassungsfilter einen
Serienschwingkreis zu verwenden.
Hier wird die Transformation mittels Spannungsteilung durchgeführt. C0 stellt die
mittlere wirksame Ausgangskapazität dar. L1 dient sowohl zur
Spannungszuführung, als auch zur Kompensation von C0. Die Kompensation ist
notwendig, da sich der Schwingkreis durch die Spannungsabhängigkeit von C0 bei
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Aussteuerung verstimmen würde und Oberwellen die Folge wären. Der
Serienschwingkreis besteht aus den Kondensatoren C1, C2 und L2.
Anpassung des Transistoreinganges
Hier muß das Anpassungsfilter die Kopplung der Basis-Emitter-Strecke zur
vorgeschalteten Stufe bilden.
Der Eingang eines Transistors kann als Serienschaltung von rbb
(Basisbahnwiderstand) und Ci (Eingangs-kapazität) dargestellt werden. Ci muß vom
Netzwerk kompensiert werden und der rein ohmsche Widerstand an den Kollektor
der Treiberstufe angepaßt werden.
Hier ist der Ausgang des Treibertransistors mit dem Schwingkreis L1, C1 und C2
parallel abgestimmt.
Die Basis-Emitter-Strecke der Ausgangsstufe bildet mit C2 und L2 einen
Serienschwingkreis. Mit dem Serienschwingkreis wird die, durch die hohen
Frequenzen verkleinerte Steuerspannung an Ci ausgeglichen, da bei
Serienresonanz=Spannungsresonanz die Spannung an Ci wieder zunimmt.
Beim Pi-Filter (vereinfacht gesehen ein Parallelschwingkreis) wird die
Widerstandstransformation mittels kapazitivem Spannungsteiler erzeugt, wobei der
Spannungsteilerpunkt auf Masse liegt.
Genauer betrachtet wird die Abstimmung nur mit der Kapazität C1 durchgeführt.
Die Transformation R2 parallel zu C1 wird mit der Induktivität L1 und der Kapazität
C2 durchgeführt.
Das Pi-Filter kann auch als Ausgangsfilter für Kleinstufen bis ca. 1W verwendet
werden, wenn die Frequenz nicht zu hoch wird. Die Oberwellenunterdrückung ist
besser als beim normalen Parallel-schwingkreis.
Transistor als Frequenzvervielfacher:
Es gibt folgende Gründe um Frequenzvervielfachung durchzuführen:
•
•
Vermeiden der Rückwirkung der Sendeendstufe auf die Oszillatorfrequenz
Erhöhung der Frequenzstabilität bei Sendern mit sehr hoher Frequenz
(Verwendung von Quarzoszillatoren; Sendefrequenz durch anschließende
Frequenzvervielfachung) zur Einhaltung des Übertragungsfrequenzbereiches
Im allgemeinen wird die Vervielfachung pro Stufe mit 2-4 gewählt (bis ≈10
möglich).
Über den gesamten Sender kann die Vervielfachung bis zu 30 betragen.
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Die Frequenzvervielfachung erfolgt durch Verzerrung einer sinusförmigen Spannung
an einer nichtlinearen Kennlinie.
Der Basis-Schwingkreis ist auf die Grundfrequenz f0 (maximale Stromeinspeisung
der Grundfrequenz) und der Kollektor-Schwingkreis (hohe Güte) auf die
gewünschte Oberwelle n⋅f0 abgestimmt.
120°
ein Maximum.
Die Oberwellenamplitude hat bei Stromflußwinkeln von Θ ≈
n
Die Frequenzvervielfachung ist im A-, B- und C-Betrieb möglich, wobei die
Ausbeute der Oberwellenleistung und der Wirkungsgrad verschieden sind.
Beim A-Betrieb liegt der Arbeitspunkt in der Mitte der Kollektorstromkennlinie.
Somit erfolgt die Verzerrung der sinusförmigen Ansteuerung nur an einem Teil der
Transistorkennlinie (nichtlinearer Teil). Da diese im wesentlichen linear verläuft, ist
die Oberwellenausbeute gering.
B- und C-Betrieb haben größere Bedeutung für den Frequenzvervielfacher. Die
Vorspannung der Basis-Emitterstrecke wird so gewählt, daß der optimale
Stromflußwinkel für den besten Wirkungsgrad eingestellt werden kann.
Zwei Betrachtungen:
1) Im C-Betrieb besteht der Kollektorstrom aus periodisch folgenden Stromspitzen.
Da jedes periodisches Signal aus Sinusschwingungen als Überlagerung von
Sinusschwingungen dargestellt werden kann, ist es nun möglich die gewünschte
Oberwelle auszufiltern.
2) Parallelschwingkreis: Impulsantwort abklingende Sinusschwingung (bei guter
Schwingkreisgüte bleibt die Amplitude konstant).
Da der Wirkungsgrad der Frequenzvervielfacherstufen im Gegensatz zu den
Sendeendstufen sehr klein ist, muß vor der Sendeendstufe die Frequenz erhöht
werden.
Oberwellenfilter für Ausgangsstufen:
Die Ausgangsfrequenz von Sendeendstufen ist auf Grund der nichtlinearen
Verstärkungseigenschaft nicht rein sinusförmig, sondern verzerrt. Dies bedeutet
das Oberwellen vorhanden sind, die Störungen (bei frequenzmäßig benachbarten
Sendern) verursachen können. Zu deren Dämpfung müssen besondere Filter
eingesetzt werden. Der Ausgangskreis der Sendeendstufe erzielt maximal 40dB
Dämpfung für die 1.Oberwelle (2⋅f0). Auch für Nebenwellen (alle nicht ganzzahligen
Vielfachen der Sendefrequenz), die durch die tiefliegende Oszillatorfrequenz oder in
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Frequenzvervielfacherstufen erzeugt werden müssen ebenfalls gedämpft werden.
Hierbei ist zu beachten das Nebenwellen auch unterhalb der Sendefrequenz liegen
können (z.B.: Frequenzvervielfachen bei FM ⇒ „periodisches Spektrum“). Somit
müssen Filter mit Bandpaßcharakteristik verwendet werden. Im Fernmeldegesetz
sind maximale Leistungswerte für Ober- und Nebenwellen, meist in % der
Sendeleistung, angegeben.
Die Schaltung rechts zeigt die
Grundschaltung eines Bandfilters.
Einen großen Vorteil bieten mabgeleitete Filter, die bei bestimmten
Frequenzen „Dämpfungs-Polstellen“
aufweisen. Die Ausgangsfilter sollten
so dimensioniert werden, daß diese
Polstellen bei den Vielfachen der zu
übertragenden Frequenz, also bei den
Oberwellen liegen, da sie am stärksten
störend wirken. Das Diagramm zeigt
die Übertragungsfunktion (Dämpfung
über der Frequenz) eines mabgeleiteten Filters.
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