DE4335132A1 - Wide-band amplifier circuit - Google Patents

Wide-band amplifier circuit

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Abstract

This amplifier circuit has an active electronic component, for example a transistor, an FET or an electron tube, which has an input electrode (3) to be connected to a source, an output electrode (5) to be connected to a load and a common electrode (2) used as reference earth for the input and output signal. The invention recommends that the input electrode (3) and the output electrode (5) are unbalanced transmission lines and are formed in such a manner that the characteristic impedance of the input electrode (3) corresponds to the desired input impedance of the amplifier circuit and that the characteristic impedance of the output electrode (5) corresponds to the desired output impedance of the circuit, the common electrode (2) being the reference earth of the transmission lines. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Breitband-Ver­ stärkerschaltung, mit einem aktiven elektronischen Bauelement, z. B. einem Transistor, einem FET oder einer Elektronenröhre, das eine mit einer Quelle zu verbindende Eingangselektrode, eine mit einer Last zu verbindende Ausgangselektrode sowie eine als Be­ zugsmasse für das Ein- und Ausgangssignal dienende, gemeinsame Elektrode aufweist.The invention relates to a broadband Ver amplifier circuit, with an active electronic Component, e.g. B. a transistor, a FET or an electron tube, the one with a source too connecting input electrode, one with a load output electrode to be connected and one as Be tensile mass for the input and output signal, common electrode.

Bei bekannten elektronischen Bauelementen wird ver­ sucht, die Abmessungen möglichst klein zu halten, um Laufzeiteffekte des Signals entlang den Elektro­ den zu minimieren. Je größer die Abmessungen der Elektroden sind, desto kleiner wird die maximal nutzbare Frequenz, da sich, wenn die Länge der Elektroden nicht mehr vernachlässigbar klein gegen­ über der elektrischen Wellenlänge des Signals ist, durch Leitungstransformation die Eingangsimpedanz verändert. In heutigen Verstärkerschaltungen werden die aktiven Bauelemente als konzentriert angesehen (die Abmessungen des Bauteils sind wesentlich klei­ ner als die Wellenlänge des elektrischen Signals) Für die Schaltung ergeben sich daher am Ein- und Ausgang des Bauelements konzentrierte Kapazitäten gegen die gemeinsame Bezugselektrode (Masse). Diese Kapazitäten bilden mit den Quell- Leitungs- und Lastimpedanzen Tiefpässe, die der Verstärkung von Signalen mit höheren Frequenzen Grenzen setzen. Die Kapazitäten lassen sich zwar durch Leitungskreise, parallel geschaltete Induktivitäten od. dgl. kompen­ sieren, jedoch immer nur in einem schmalen Fre­ quenzband. Um breitbandige Anwendungen zu realisie­ ren schaltet man mehrere verstärkende Bauelemente mit jeweils geringen Kapazitäten mit Induktivitäten zusammen zu Laufzeitketten, die mit ihrem Wellenwi­ derstand abgeschlossen werden. Die obere Grenzfre­ quenz eines solchen Kettenverstärkers ist quasi nur durch die Grenzfrequenz der Laufzeitketten und die Transitfrequenz der benutzten Bauelemente bestimmt. Da die Transitfrequenz durch neuartige Elemente wie Feldefekttransistoren mit Heterostruktur oder mi­ kromechanische Elektronenröhren laufend weiter nach oben verschoben wird, besteht der größte Nachteil des Kettenverstärkers in der Grenzfrequenz der Laufzeitketten und in dem Aufwand, möglichst viele Bauelemente mittels Induktivitäten in die Laufzeit­ ketten zu integrieren und den Wellenwiderstand mög­ lichst konstant zu halten.In known electronic components, ver tries to keep the dimensions as small as possible, to runtime effects of the signal along the electro to minimize that. The larger the dimensions of the Electrodes, the smaller the maximum usable frequency since if the length of the Electrodes no longer negligibly small is above the electrical wavelength of the signal through line transformation the input impedance changed. In today's amplifier circuits the active components are viewed as concentrated (The dimensions of the component are significantly small ner than the wavelength of the electrical signal) For the circuit, therefore, there are on and Output of the device concentrated capacities against the common reference electrode (ground). These Form capacities with the source line and Load impedances low pass filters, which are the amplification of Limit signals with higher frequencies. The Capacities can be  Compensate inductors or the like connected in parallel but always only in a narrow area quenzband. To implement broadband applications one switches several reinforcing components each with low capacities with inductors together to runtime chains, which with their Wellenwi the state will be completed. The upper limit The sequence of such a chain amplifier is quasi only by the cutoff frequency of the term chains and the Transit frequency of the components used is determined. Because the transit frequency through new elements such as Field defect transistors with heterostructure or mi cromechanical electron tubes continue to follow moving up is the biggest disadvantage of the chain amplifier in the cutoff frequency of Maturity chains and in the effort, as many as possible Components using inductors in the runtime chains to integrate and the wave resistance possible as constant as possible.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfin­ dung das Problem zugrunde, mit geringem Aufwand eine gattungsgemäße Verstärkerschaltung mit hoher Grenzfrequenz zu schaffen.The inventor is based on the state of the art the problem, with little effort a generic amplifier circuit with high To create cutoff frequency.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß die Eingangs- und die Ausgangselektrode asymme­ trische Transmissionsleitungen und derart geformt sind, daß der Wellenwiderstand der Eingangselek­ trode mit dem gewünschten Eingangswiderstand der Verstärkerschaltung übereinstimmt, und daß der Wel­ lenwiderstand der Ausgangselektrode mit dem ge­ wünschten Ausgangswiderstand der Verstärkerschal­ tung übereinstimmt, wobei die gemeinsame Elektro­ de die Bezugsmasse der Transmissionsleitungen ist.According to the invention, the problem is solved by that the input and output electrodes are asymmetrical trical transmission lines and shaped like this are that the characteristic impedance of the input elec trode with the desired input resistance of the Amplifier circuit matches, and that the wel len resistance of the output electrode with the ge desired output resistance of the amplifier scarf  tion coincides with the common electro de is the reference mass of the transmission lines.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, das verstärkende Bauelement nicht mehr in konzentrier­ ter Form auszuführen, sondern vielmehr die Ein- und Ausgangselektroden als - in der Regel linienförmige - Transmissionsleitungen auszuführen, deren Wellen­ widerstand der Systemimpedanz angepaßt ist. Der Signaleingang der Verstärkerschaltung ist an der einen Stirnseite der als Transmissionsleitung aus­ geführten Eingangselektrode des verstärkenden Bau­ elements. Der Signalausgang der Verstärkerschaltung ist die Stirnseite der als Transmissionsleitung ausgeführten Ausgangselektrode des verstärkenden Bauelements, die dem Signaleingang abgewandt ist. Somit laufen die elektrischen Signale auf der Ein- und Ausgangselektrode in geometrisch gleicher Rich­ tung. Um unerwünschte Reflexionen am Ende der Transmissionsleitungen zu vermeiden, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorge­ schlagen, die dem Signaleingang bzw. dem Signalaus­ gang gegenüberliegende Stirnseite der Ein- und Aus­ gangselektrode durch einen ihrem Wellenwiderstand entsprechenden ohmschen Widerstand abzuschließen. Bei kapazitiver Ankopplung der Signalquelle bzw. der Last können über die Abschlußwiderstände auch Gleichspannungen zugeführt werden (z. B. negative Gate-Vorspannung oder Betriebsspannung).The main idea of the invention is that reinforcing component no longer in concentration ter form, but rather the inputs and Output electrodes as - usually linear - Execute transmission lines, their waves resistance is matched to the system impedance. Of the Signal input of the amplifier circuit is on the an end face of the transmission line led input electrode of the reinforcing construction elements. The signal output of the amplifier circuit is the front of the as a transmission line executed output electrode of the amplifying Component facing away from the signal input. Thus the electrical signals run on the input and output electrode in geometrically the same Rich tung. To avoid unwanted reflections at the end of the Avoiding transmission lines is one thing advantageous development of the invention beat the signal input or signal out opposite face of the on and off gear electrode through a their wave resistance complete corresponding ohmic resistance. With capacitive coupling of the signal source or the load can also be terminated DC voltages are supplied (e.g. negative Gate bias or operating voltage).

Die Vorteile der Erfindung bestehen vornehmlich darin, daß dadurch, daß Ein- bzw. Ausgangsteil der Schaltung nur aus mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossenen Transmissionsleitungen bestehen, Ein- und Ausgangswiderstand der Schaltung reell und über den nutzbaren Frequenzbereich weitgehend kon­ stant sind. Somit entstehen keine Tiefpässe durch Induktivitäten oder Kapazitäten. Die obere Grenz­ frequenz der Schaltung ist also durch die Transit­ frequenz des jeweils verwendeten Bauelements, wie beispielsweise der Elektronenröhre oder des HEMT und die Verluste in den Transmissionsleitungen ge­ geben und somit gegenüber bekannten (Laufzeitket­ ten-) Schaltungen bei geringem Aufwand entscheidend erhöht.The main advantages of the invention are in that the fact that input or output part the circuit only with its characteristic impedance  closed transmission lines exist, Input and output resistance of the circuit real and largely kon over the usable frequency range are constant. So there are no low passes Inductors or capacitors. The upper limit frequency of the circuit is thus through the transit frequency of the component used, such as for example the electron tube or the HEMT and the losses in the transmission lines ge give and thus compared to known (runtime chain Decisive circuits with little effort elevated.

Um störende Kopplungen zwischen Ein- und Ausgangs­ transmissionsleitung zu vermeiden, kann - wie z. B. bei Tetroden und Dual-Gate-FETs - eine Zwischen­ elektrode eingefügt werden, die die Ein- und Aus­ gangstransmissionsleitung gegeneinander abschirmt. Diese Zwischenelektrode sollte dann über ihre ge­ samte Länge zumindest wechselspannungsmäßig mit der Bezugsmasse verbunden sein.Interfering couplings between input and output Avoiding transmission line can - such as. B. for tetrodes and dual-gate FETs - an intermediate Electrode are inserted, the on and off shields transmission transmission line against each other. This intermediate electrode should then over their ge entire length at least in terms of AC voltage with the Reference ground must be connected.

Um Wellenwiderstände zu erreichen, die heute übli­ chen Systemimpedanzen entsprechen, ist es nötig, den Elektroden definierte Abmessungen und Abstände zu geben, bei denen die Verstärkung in Bezug auf die Elektrodenlänge relativ gering ist. Da jedoch die Elektrodenanordnung als Transmissionsleitung nur eine geringe Breite aufweist, ist es möglich, bei sehr langen Elektrodenanordnungen das Bauele­ ment als Spirale oder Mäander auszuführen. Ein Vor­ teil dieser langen Elektroden ist, daß dadurch z. B. bei FETs die Gateweite oder bei Elektronenröhren die Emissionsfläche sehr grob wird, was eine hö­ here Ausgangsleistung zuläßt. Bei herkömmlichen Bauelementen wird eine höhere Ausgangsleistung meist mit höheren Kapazitäten erkauft, und so die Bandbreite der Schaltung gesenkt.To achieve wave resistances that are common today system impedances, it is necessary to dimensions and distances defined for the electrodes to give where the gain in terms of the electrode length is relatively short. However, since the electrode arrangement as a transmission line has only a small width, it is possible the component for very long electrode arrangements ment as a spiral or meander. A before part of these long electrodes is that z. B. with FETs the gate width or with electron tubes  the emission area becomes very coarse, which means a high here allows output power. With conventional Components will have a higher output mostly bought with higher capacities, and so the Circuit bandwidth reduced.

Weiterhin ist vorgeschlagen, Supraleiter zur Redu­ zierung der Verluste in den Transmissionsleitungen einzusetzen.It is also proposed to reduce superconductors ornamentation of the losses in the transmission lines to use.

Als Quelle oder Last kann eine zur weiteren Ver­ stärkung dienende, aktive Stufe Verwendung finden.As source or load, one can be used for further ver strengthening active level.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung eine Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird.Further details, features and advantages of the Er can be found in the following description Take part of the exercise, in the drawing an embodiment of the invention explained in more detail becomes.

Sie zeigt in schematischer Darstellung einen Aus­ schnitt aus einer Verstärkerschaltung.It shows an off in a schematic representation cut from an amplifier circuit.

Die Verstärkerschaltung besteht in ihrem grundsätz­ lichen Aufbau aus einem als aktives Element dienen­ den Feldeffekttransistor (13) sowie einer Quelle (7) und einer Last (9). Die Quelle (7) ist über eine Leitung (8) mit der Eingangselektrode (3) (Gate 1) des Feldeffekttransistors (13) verbunden, während die Ausgangselektrode (5) (Drain) durch eine Leitung (10) mit der Last (9) verknüpft ist. Als gemeinsame Elektrode (2) dient die stirnseitig jeweils mit einer Masseleitung (1) verbundene Source. Erfindungsgemäß sind die Ein- (3) und Aus­ gangselektroden (5) als ausgedehnte Transmissions­ leitungen ausgeführt und an ihrer der Quelle (7) bzw. der Last (10) gegenüberliegenden Stirnseite durch einen ihrem Wellenwiderstand entsprechenden ohmschen Widerstand (12, 11) abgeschlossen, d. h. mit der Masseleitung (1) verbunden. Der Wellenwi­ derstand der Leitungen (8, 10) stimmt zweckmäßiger­ weise ebenfalls mit dem der Quelle (7) bzw. der Last (9) überein. Anzumerken ist, daß zwischen Ein- (3) und Ausgangselektrode (5) eine Zwischenelek­ trode (4) (Gate 2) eingefügt ist; sie wird - was in der Zeichnung nicht dargestellt ist - wechselspan­ nungsmäßig mit der Bezugsmasse (1) verbunden. Ober­ halb der Ausgangselektrode (5) ist eine geerdete Abschirmung (6) angeordnet.The amplifier circuit consists in its basic construction of a field effect transistor ( 13 ) serving as an active element and a source ( 7 ) and a load ( 9 ). The source ( 7 ) is connected via a line ( 8 ) to the input electrode ( 3 ) (gate 1 ) of the field effect transistor ( 13 ), while the output electrode ( 5 ) (drain) is connected to the load ( 9 ) by a line ( 10 ) is linked. The source, which is connected to a ground line ( 1 ) at the end, serves as the common electrode ( 2 ). According to the invention, the input ( 3 ) and output electrodes ( 5 ) are designed as extended transmission lines and are terminated on their end face opposite the source ( 7 ) or the load ( 10 ) by an ohmic resistor ( 12 , 11 ) corresponding to their characteristic impedance, ie connected to the ground line ( 1 ). The Wellenwi resistance of the lines ( 8 , 10 ) appropriately also corresponds to that of the source ( 7 ) or the load ( 9 ). It should be noted that between the input (3) and output electrode ( 5 ) an intermediate electrode ( 4 ) (gate 2 ) is inserted; it is - what is not shown in the drawing - AC voltage connected to the reference ground ( 1 ). A grounded shield ( 6 ) is arranged above half of the output electrode ( 5 ).

Claims (8)

1. Breitband-Verstärkerschaltung mit einem aktiven elektronischen Bauelement, z. B. einem Transistor, einem FET oder einer Elektronenröhre, das eine mit einer Quelle zu verbindende Eingangselektrode, eine mit einer Last zu verbindende Ausgangselektrode so­ wie eine als Bezugsmasse für das Ein- und Ausgangs­ signal dienende, gemeinsame Elektrode aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Eingangs- (3) und die Ausgangselektrode (5) des aktiven Bauelements asym­ metrische Transmissionsleitungen und derart geformt sind, daß der Wellenwiderstand der Eingangselektro­ de (3) dem gewünschten Eingangswiderstand der Ver­ stärkerschaltung zumindest ungefähr entspricht, und daß der Wellenwiderstand der Ausgangselektrode (5) dem gewünschten Ausgangswiderstand zumindest näher­ ungsweise entspricht, wobei die gemeinsame Elektro­ de (2) die Bezugsmasse der Transmissionsleitungen ist.1. broadband amplifier circuit with an active electronic component, for. B. a transistor, an FET or an electron tube, which has an input electrode to be connected to a source, an output electrode to be connected to a load and a signal serving as a reference ground for the input and output, common electrode, characterized in that the input ( 3 ) and the output electrode ( 5 ) of the active component are asymmetrical transmission lines and are shaped such that the characteristic impedance of the input electrode ( 3 ) corresponds at least approximately to the desired input resistance of the amplifier circuit, and that the characteristic impedance of the output electrode ( 5 ) corresponds at least approximately to the desired output resistance, the common electrode de ( 2 ) being the reference ground of the transmission lines. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eingangselektrode (3) an ihrer der anzuschließenden Quelle (7) gegenüberliegenden Stirnseite mit einem ihrem Wellenwiderstand ent­ sprechenden ohmschen Widerstand abgeschlossen ist.2. A circuit according to claim 1, characterized in that the input electrode ( 3 ) at its end to be connected to the source ( 7 ) opposite end is completed with a corresponding to their characteristic impedance ohmic resistance. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgangselektrode (5) an ih­ rer der anzuschließenden Last (9) gegenüberliegen­ den Stirnseite mit einem ihrem Wellenwiderstand entsprechenden ohmschen Widerstand abgeschlossen ist.3. A circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the output electrode ( 5 ) on ih rer the load to be connected ( 9 ) opposite the end is completed with a resistance corresponding to their characteristic impedance. 4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ein- (3) und Aus­ gangselektrode (5) in geometrisch gleicher Richtung verlaufen.4. Circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the input ( 3 ) and output electrode ( 5 ) extend in the same geometrical direction. 5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verkürzungsfaktoren von Ein- (3) und Ausgangselektrode (5) zumindest näherungsweise übereinstimmen.5. Circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shortening factors of input ( 3 ) and output electrode ( 5 ) match at least approximately. 6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Ein- (3) und Ausgangselektrode (5) eine Zwischenelektrode (4) eingefügt ist, die zumindest wechselspannungsmäßig mit der Bezugsmasse (1) verbunden ist.6. Circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that between the input ( 3 ) and output electrode ( 5 ), an intermediate electrode ( 4 ) is inserted, which is at least alternating voltage connected to the reference ground ( 1 ). 7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ein- (3) und Aus­ gangselektrode (5) spiral- oder mäanderförmig sind.7. Circuit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the input ( 3 ) and output electrode ( 5 ) are spiral or meandering. 8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch Supraleiter als Ein- (3) und/oder Ausgangselektrode (5).8. Circuit according to one of claims 1 to 7, characterized by superconductors as input ( 3 ) and / or output electrode ( 5 ).
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