Im Kapitel zu den grundlegenden Schaltungen haben wir bereits verschiedene Transistorverstärker kennengelernt. Im Sender betrachten wir nun insbesondere Leistungsverstärker. Sie verstärken das in den vorherigen Stufen erzeugte HF-Signal auf die gewünschte Ausgangsleistung des Senders.
Bei HF-Leistungsverstärkern kann man grundsätzlich zwischen zwei Ausführungen unterscheiden:
Breitbandige HF-Verstärker weisen über einen relativ großen Frequenzbereich eine möglichst gleichmäßige Verstärkung auf, beispielsweise über weite Teile des Kurzwellenbereichs von $\qtyrange{1}{30}{\mega\hertz}$, vgl. Abbildung A-9.3.1.
Selektive HF-Verstärker sind dagegen auf einen vergleichsweise schmalen Frequenzbereich abgestimmt, beispielsweise auf ein einzelnes Amateurfunkband, vgl. Abbildung A-9.3.2.
Breitbandige HF-Verstärker erkennt man häufig an breitbandigen Koppeltransformatoren zwischen den einzelnen Verstärkerstufen. Diese bilden zusammen mit Kondensatoren keine auf eine bestimmte Frequenz abgestimmten Schwingkreise. Auch das bereits bekannte Prinzip des Gegentaktverstärkers findet man in vielen HF-Leistungsverstärkern wieder.
Abbildung A-9.3.1: Breitbandiger HF-Leistungsverstärker mit Gegentakt-Schaltung
AF412: Welche Art von Schaltung wird im folgenden Bild dargestellt? Es handelt sich um einen ...
Selektive HF-Verstärker erkennt man hingegen typischerweise an deren frequenzselektiver Auslegung, die durch Serien- oder Parallel-Schwingkreise im HF-Signalpfad gekennzeichnet sind.
Abbildung A-9.3.2: Selektiver HF-Leistungsverstärker mit frequenzselektiver Auslegung
AF408: Worum handelt es sich bei dieser Schaltung?
Verstärker der vorgenannten Typen können auch mehrstufig durch Verkettung einzelner Stufen ausgeführt sein.
AF413: Worum handelt es sich bei dieser Schaltung? Es handelt sich um einen...
Zwischen Verstärkerstufen eines Leistungsverstärkers und deren Ein- und Ausgängen ist es erforderlich eine Impedanzanpassung vorzunehmen. Dies ist notwendig, damit die HF-Ausgangsimpedanz einer vorherigen Stufe auf die HF-Eingangsimpedanz der folgenden Stufe bestmöglich angepasst wird für maximale Verstärkung und minimale Verzerrungen und optimalen Wirkungsgrad (Vermeidung von Reflexionen und Nichtlinearitäten).
Die Impedanzanpassung kann entweder breitbandig durch Verwendung eines Transformators mit geeignetem Übersetzungsverhältnis oder frequenzselektiv durch einen angezapften Schwingkreis erfolgen.
Bei frequenzselektiver Anpassung gibt es zwei grundlegende Möglichkeiten diese vorzunehmen:
durch einen induktiven Spannungsteiler (Spule mit Anzapfung und Parallelkondensator)
durch einen kapazitiven Spannungsteiler (zwei Kondensatoren in Reihenschaltung mit Spule in Parallelschaltung)
Diese Spulen und Kondenstatoren können in unterschiedlichen Konfigurationen angeordnet sein (Parallel- oder Serien-kreis) um die gewünschte Impedanztransformation zu erreichen und gegebenenfalls gleichzeitig Oberwellen zu unterdrücken (Pi-Filter).
AF409: Welchem Zweck dient die Anzapfung an X in der folgenden Schaltung?
AF410: Welchem Zweck dienen $C_1$ und $C_2$ in der folgenden Schaltung? Sie dienen zur...
AF414: Wozu dient der Transformator $T_1$ der folgenden Schaltung?
AF407: Welche Funktion haben die mit X gekennzeichneten Bauteile in der folgenden Schaltung?
AF406: Welche Funktion haben die mit X gekennzeichneten Bauteile in der folgenden Schaltung? Sie ...
Die Abbildung A-9.3.3 zeigt einen Kurzwellen-Verstärker mit LDMOS Feldeffekttransistoren. LDMOS steht für Laterally Diffused Metal-Oxide-Semiconductor und bezeichnet einen speziellen Feldeffekttransistor für HF-Leistungsverstärker. Die Eigentliche Verstärkerschaltung (oberer Teil) ist sehr simpel aufgebaut. Es ist wieder ein Gegentaktverstärker mit zwei FETs, die in Push-Pull-Konfiguration arbeiten. Die beiden Transistoren werden über einen gemeinsamen Eingangstransformator angesteuert. Der Ausgang des Verstärkers wird über einen weiteren Transformator abgegriffen. Der Untere Teil der Schaltung, ist auch weniger komplex, als man denkt: Im großen und ganzen wird hier nur die über einen Spannungsteiler die BIAS-Spannung für die Transistoren erzeugt.
Man darf sich nicht von der bekannten Eigenschaft eines Feldeffekttransistors täuschen lassen: Bei Gleichspannung ist das Gate praktisch stromlos und besitzt daher eine sehr hohe Eingangsimpedanz. Bei hohen Frequenzen spielen jedoch die parasitären Kapazitäten des Transistors eine wichtige Rolle, insbesondere die Kapazitäten zwischen Gate und Source sowie zwischen Gate und Drain. Ihr kapazitiver Blindwiderstand wird mit steigender Frequenz kleiner, sodass am Gate ein HF-Strom fließen kann. Bei HF-Leistungstransistoren kann die Eingangsimpedanz deshalb deutlich niedriger sein als man es von der Gleichstrombetrachtung eines FETs erwarten würde. Der Eingangstransformator $T_1$ dient daher zur Anpassung der $\qty{50}{\ohm}$ an die niederohmige Eingangsimpedanz der Transistoren.
Abbildung A-9.3.3: Kurzwellen-Verstärker mit Feldeffekttransistoren
AF417: Zu welchem Zweck dienen $T_1$ und $T_2$ in diesem HF-Leistungsverstärker?
Wie oben schon angedeutet benötigen die aktiven Elemente in einem Leistungsverstärker neben der erforderlichen Betriebsspannung auch eine gleichspannungsmäßige Einstellung des Arbeitspunktes (BIAS). Dieser Arbeitspunkt wird üblicherweise durch Spannungsteiler erzeugt die aus einer stabilisierten Hilfsspannung, durch Verwendung von Trimmpotentiometern für eine optimale Einstellung, die gewünschte BIAS-Spannung an den Elementen erzeugen.
Bei Betrachtung der BIAS-Spannung und deren Auswirkungen auf die Elemente der Schaltung ist die Schaltung nur gleichspannungsmäßig zu betrachten. Hierbei werden Kondensatoren als Elemente, die nur Wechselspannungen übertragen können, ignoriert. Wicklungen von Transformatoren sowie Spulen werden bei der gleichspannungsmäßigen Betrachtung als Kurzschluss gesehen. Grundsätzlich reicht es bei diesen Aufgaben aus, das Grundwissen aus den Klassen N und E zum Ohmschen Gesetz und Spannungsteilern anzuwenden!
AF420: Die Arbeitspunkteinstellung der LDMOS-Kurzwellen-PA erfolgt mit $R_3$. Wie verändert sich der Drainstrom, wenn $R_3$ in Richtung 3 verstellt wird?
Die Berechnung der BIAS-Spannung bei gegebener Schaltung in der nächsten Frage erfolgt durch Anwendung des Ohmschen-Gesetzes unter Berücksichtigung von Parallel- und Serienschaltung von Widerständen. Wichtig bei der Betrachtung der Frage ist, dass die Gate-Anschlüsse der Transistoren Kapazitäten darstellen und somit bei gleichspannungsmäßiger Betrachtung vernachlässigbar sind.
AF421: Wie groß ist die Gate-Source-Spannung, wenn sich der Schleifer von $R_3$ am Anschlag 1 befindet?
Der Widerstand $R_5=\qty{51}{\ohm}$ beeinflusst die Gleichspannung am Gate praktisch nicht, da in das Gate des LDMOS-Transistors nahezu kein Gleichstrom fließt. Für das HF-Signal ist $R_5$ jedoch wichtig: Er bedämpft zusammen mit der Gate-Kapazität mögliche hochfrequente Schwingungen und verbessert damit die Stabilität des Verstärkers.
Der Widerstand $R_4=\qty{6,8}{\kilo\ohm}$ sorgt dafür, dass das Gate auch bei einer Unterbrechung der Arbeitspunkteinstellung ein definiertes Potential gegen Masse besitzt. Er entlädt außerdem die Gate-Kapazität und verhindert damit, dass der Transistor durch ein frei schwebendes Gate unbeabsichtigt leitend wird, z. B. wenn das Potentiometer $R_3$ defekt ist. Da $R_4$ parallel zum unteren Zweig des Spannungsteilers liegt, muss er bei der genauen Berechnung der Gate-Spannung berücksichtigt werden.
Die Schaltung in Abbildung A-9.3.4 zeigt einen VHF-Leistungsverstärker mit Feldeffekttransistoren. Auch hier arbeiten die beiden Transistoren als Gegentaktendstufe, was der einfache Teil der Schaltung ist. Die kurzen Koaxialleitungen dienen als Teil des Anpassnetzwerks dazu, die niedrige Impedanz der LDMOS-Transistoren auf eine für die übrige Schaltung geeignete Impedanz zu transformieren. Der Rest ist der Schaltung ist erneut die Erzeugung der BIAS-Spannung für die Transistoren inklusive einer Temperaturkompensation. Die Potentiometer $R_1$ und $R_2$ bilden jeweils einen Spannungsteiler, der die BIAS-Spannung für den jeweiligen Transistor einstellt.
AF424: Wie verändern sich die Drainströme in den beiden Endstufen-Transistoren, wenn der Schleifer von $R_4$ in Richtung $U_\text{BIAS}$ verstellt wird?
Abbildung A-9.3.4: VHF-Verstärker mit Feldeffekttransistoren
Ein Pi-Filter (vgl. Abbildung A-9.3.5) kann Impedanzen an dessen Ein- und Ausgang durch das Verhältnis der beiden Kapazitäten anpassen. Die Spule des PI-Filters definiert zusammen mit den beiden Kapazitäten die Auslegungsfrequenz des Filters. Das PI-Filter unterdrückt gleichzeitig durch seinen Tiefpass-Charakter unerwünschte Oberwellen des Sendesignals.
Abbildung A-9.3.5: PI-Filter
AF405: Welche Funktion hat das Ausgangs-Pi-Filter eines HF-Senders?
Ein ähnliche Funktion hat eine LC-Schaltung hinter einem HF-Leistungsverstärker. Auch diese dient der Impedanzanpassung und gleichzeitiger Unterdrückung von Oberwellen.
AF404: Wozu dienen LC-Schaltungen unmittelbar hinter einem HF-Leistungsverstärker? Sie dienen zur...
Bei Leistungsverstärkern ist es wichtig die einzelnen Stufen HF-Mäßig von der Betriebsspannung bestmöglich zu entkoppeln um Rückwirkungen auf andere Stufen zu vermeiden (Schwingneigung, Modulationseffekte etc.). Dazu werden die Betriebsspannungs-Zuführungen der einzelnen Stufen mit in Serie geschalteten Induktivitäten sowie Abblock-Kondensatoren nach Masse gegeneinander entkoppelt. Diese Anordnung stellt einen Tiefpass dar, da im Idealfall nur die gewünschte DC-Betriebsspannung durchgelassen wird, HF-Anteile jedoch abgeblockt werden.
AF411: Welchem Zweck dient X in der folgenden Schaltung?
AF419: Zu welchem Zweck dient die Schaltung der Spule, $C_2$ und $C_3$?
AF418: Welche Funktion trifft für die Spule, $C_2$ und $C_3$ in der Schaltung zu?
AF422: Wozu dienen die mit X gekennzeichneten Spulen in der Schaltung?
Die HF-Eigenschaften realer Kondensatoren sind frequenzabhängig. Große Kapazitäten wie Elektrolytkondensatoren können nur bei niedrigen Frequenzen eingesetzt werden und sind im HF-Bereich nur bedingt wirksam. Um auch höhere Frequenzen durch Kondensatoren abzublocken verwendet man häufig eine Kombination aus unterschiedlichen Kondensator-Typen und Kapazitäts-Werten, die zusammen einen größeren Frequenzbereich abblocken können.
AF415: Weshalb wurden jeweils $C_1$ und $C_2$, $C_3$ und $C_4$ sowie $C_5$ und $C_6$ parallel geschaltet?
