Sendeendstufen

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 V_Lmax wird bei höheren Leistungen wesentlich kleiner. Dies resultiert aus der Abnahme der Stromverstärkung bei größeren Emitterströmen, bei denen die Eingangskapazität C_BE ansteigt. Da am Eingang des Transistors eine Spannungsteilung mit dem Basisbahnwiderstand (r_bb) und der Eingangskapazität C_BE stattfindet und allein die Spannung an der Kapazität steuernd wirkt, bedeutet eine Erhöhung von C_BE oder steigende Frequenz eine Abnahme von . Dadurch fällt der größte Teil der Eingangsspannung an r_bb ab und die Stromverstärkung sinkt (siehe folgende Bilder).

Bei Großsignalverstärkern sind die Emitterströme größer als 25mA, sodaß der Realteil des Transistoreingangswiderstandes annähernd r_bb wird. Dieser ist unabhängig vom Emitterstrom, jedoch wird der Eingangswiderstand durch kapazitive Nebenschlüsse bei zunehmender Frequenz komplex und im Betrag kleiner. Die Größe von r_bb 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,

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-Emitter-Durchbruchsspannung stark reduziert wird.

Bild d zeigt die beste Methode. Die Spannung wird durch einen Spannungsabfall am Emitterwiderstand erzeugt (ohne den externen Basiswiderstand wird die Kollektor-Emitter-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.

Der Arbeitspunkt für maximale Ausgangsleistung muß so gewählt werden, daß U_CE und I_C maximal ausgesteuert werden:

Andere Betrachtung:

Der Transistorausgang kann als Stromquelle mit Innenwiderstand dargestellt werden. Um den größt möglichen Ausgangsstrom I_A und die größte daraus resultierende Ausgangsspannung U_A=R_A I_A zu erhalten, muß R_A<<R_I sein ( => I_I<<I_A ).

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 (Q_L), das den Schwingkreiswirkungsgrad wie folgt beeinflußt:

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 R_L 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 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 r_bb (Basisbahnwiderstand) und C_i (Eingangs-kapazität) dargestellt werden. C_i 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 C_i ausgeglichen, da bei Serienresonanz=Spannungsresonanz die Spannung an C_i 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.

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.

Die Oberwellenamplitude hat bei Stromflußwinkeln von ein Maximum.

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:

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.

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 Frequenzvervielfacherstufen erzeugt werden müssen ebenfalls gedämpft werden. Hierbei ist zu beachten das Nebenwellen auch unterhalb der Sendefrequenz liegen können (z.B.: Frequenzvervielfachen bei FM T "periodisches Spektrum"). Somit müssen Filter mit Bandpaßcharakteristik verwendet werden. Im Fernmeldegesetz sind maximale Leistungswerte für Ober- und Nebenwellen, meist in % der Sendeleistung, angegeben.