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2-2014

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HF-Praxis 2-2014

Applikationen

Applikationen Transienten-Schutz für Darlington- Verstärkerblöcke Monolithische Breitbandverstärker werden sehr häufig in RF- und Mikrowellensystemen eingesetzt. Viele dieser Verstärker verwenden die Darlington- Konfiguration. Auch Mini-Circuits´s monolithische Verstärker mit dem Modell-Präfix MAR und ERA z.B. nutzen diese Schaltungsanordnung. Der Übertragungsbereich von Darlington-Verstärkern wird bis zu Gleichstrom hinunter spezifiziert, vorausgesetzt sie haben die richtigen Versorgungsspannungen und Koppelkondensatoren am Aus- und Eingang. Diese Kondensatoren bestimmen das niederfrequente Ende des Frequenzbereichs des Verstärkers. Normalerweise sind Darlington-Verstärkerblöcke dafür konzipiert, mit einer idealen Stromquelle betrieben zu werden. In der Praxis wird die Stromquelle oft durch eine Spannungsquelle und einen Serienwiderstand ersetzt, die dadurch in eine durchaus brauchbare Stromquelle konvertiert wird. Der Widerstandswert könnte wenige hundert Ohm betragen; deshalb muss die zum Betrieb des Verstärkers erforderliche Gleichspannung höher als die übliche Betriebsspannung des Bauelements sein und kann bis zu 10 oder 15 V gehen. Wahlweise kann noch eine HF- Drossel in Serie zum Widerstand Bild 1: Typische DC-Bias-Beschaltung des Darlington-Verstärkers. gelegt werden, um die Gesamtimpedanz am Ausgang anzuheben und die Verstärkungs- und Leistungsverluste zu minimieren. Die typische Schaltungsanordnung zeigt Bild 1. Während des Einschaltens der Versorgungsspannung (Vcc) treten kurzzeitige Spannungsspitzen, Transienten genannt, auf. Diese Transienten können den Verstärker beschädigen. Dagegen wurde eine neue Schutzschaltung entworfen (Patent steht an). Dieser Artikel erklärt die Phänomene und beschreibt die Leistung der neuen Verstärker. Transiente Phänomene in Darlington-Verstärkern Sehen Sie sich einmal das vereinfachte Schaltbild eines Darlington-Verstärkerblocks mit der typischen Bias-Beschaltung in Bild 2 an. Q1, Q2 sind die Transistoren in Darlington-Konfiguration. Die Widerstände R1 bis R4 stellen die Bias-Bedingungen ein. C1 und C2 wirken als Koppelkondensatoren oder blockieren Gleichstrompfade. R5 und R6 sind Quellen- und Belastungsimpedanzen. Die untere Grenzfre- Unter Verwendung der Application Note: AN-60-034 Mikhail Mordkovich Mini-Circuits www.minicircuits.com Bild 2: Typische Darlington-Bias-Konfiguration (Details) 26 hf-praxis 2/2014

Applikationen Bild 3: Vereinfachte Ladeschaltung quenz des Verstärkers wird durch die Werte der Kondensatoren C1 und C2 festgelegt. Je niedriger die untere Grenzfrequenz liegen soll, desto größer müssen die Kondensatorwerte sein. Wenn die untere Grenzfrequenz beispielsweise 100 kHz betragen soll, dann müssen die Entkopplungskondensatoren Werte von jeweils 0,2 µF haben. Da Einund Ausgangsimpedanz jeweils 50 Ohm betragen, erhalten Einund Ausgangskondensator meist den gleichen Wert. tung zu messen. Die Simulation wurde mit ADS 2001 von Agilent ausgeführt. Während des Einschaltens beginnt die Stromquelle die Kondensatoren C1 und C2 mit verschiedenen Raten aufgrund des Unterschieds zwischen den Zeitkonstanten (da die Serienwiderstände unterschiedlich sind) aufzuladen. Der gesamte Anfangsstrom wird in zwei ungleiche Pfade im Verhältnis von ungefähr (R1+R5)/ R6 geteilt, wobei R5 = 50 Ohm, R6, = 50 Ohm und R1 etwa 500 Ohm haben sollte. R2 muss groß gegenüber R5 sein. Anfangs wird der Strom, der den Kondensator C1 lädt (magentafarbene Kurve # 1 in Bild 4 (A)) 10-mal kleiner als der Strom sein, der den Kondensator C2 lädt (blaue Kurve, # 2 in Bild 4 (A)). Während des Ladevorgangs ändert sich der Strom, der durch die Kondensatoren fließt, Sehen wir uns diesen Transienten-Prozess einmal näher für den Fall an, dass die Stromquelle einen steilen Anstieg hat (kurze Anstiegszeit). Der schlimmste Fall liegt vor, wenn die Stromquelle augenblicklich vom niedrigsten auf den nominellen Stromwert ansteigt. Dies kann geschehen, wenn wir die Stromquelle durch Einstecken des zugehörigen Steckers oder mit einem mechanischen Schalter einschalten. Im ersten Augenblick des Einschaltens sind beide Kondensatoren C1 und C2 nicht geladen, und die beiden Transistoren Q1 und Q2 leiten nicht. Lassen Sie uns die vereinfachte Schaltung (siehe Bild 3), in der die Transistoren Q1 und Q2 fehlen, analysieren. Es werden drei Amperemeter verwendet, um den transienten Strom in den verschiedenen Teilen der Schal- Bild 4: Spannungen und Ströme in Abhängigkeit von der Zeit für die vereinfachte Schaltung. hf-praxis 2/2014 27

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