DE1913641C3 - Symmetrischer Modulator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen symmetrischen Modulator mit einem Operationsverstärker hoher Verstärkung, der einen invertierenden und nicht invertierenden Eingangs- sowie einen Ausgangspunkt aufweist, mit einem ersten Widerstand, der zwischen dem invertierenden Eingangspunkt und ein Bezugspotential (Erde) geschaltet ist, mit einer Quelle für Signale verhältnismäßig niedriger Frequenz, mit einem zweiten Widerstand, der die Quelle mit dem nicht invertierenden Eingangspunkt verbindet, und einem zusätzlichen nicht invertierenden Verbindungsweg zwischen Quelle und Ausgangspunkt.

Operationsverstärker sind G'eichstromverstärker sehr hoher Leerlaufverstärkung, die mit einer Rückkopplungsimpedanz versehen sind. Je nach Art des Rückkopplungselements lassen sich die mathematischen Operationen, Addition, Subtraktion, Multiplikation, Integration und Differentiation durchführen. Wenn im speziellen Fall das Rückkopplungselement zwischen dem Eingangs- und Ausgangspunkt ein Widerstand mit dem Wert R₂, ist und eine Eingangsspannung E₁ über einen weiteren Widerstand mit dem Werti?! anliegt, so erscheint am Ausgangspunkt eine Spannung £fl, die gleich dem negativen Wert der Eingangsspannung E₁ multipliziert mit dem Verhältnis von R₂ zu Ri ist, d. h.:

E₀ — —

Operationsverstärker sind im allgemeinen vom invertierenden Typ, damit die Rückkopplung die richtige Phasenlage hat, die bewirkt, daß der Eingang dauernd auf scheinbarem Erdpotential liegt, Da jedoch die für einen erfolgreichen Betrieb erforderlichen hoben Werte der Leerlaufverstürkung eine Verwendung von vielstufigen Verstärkern bedingen, ist es verhältnismäßig einfach, einen weiteren, nicht invertierenden Eingang an einer mittleren Verstärkerstufe

ίο vorzusehen. Es kann also erreicht werden, daß gewisse Eingänge additiv und andere subtraktiv sind. Im folgenden soll gezeigt werden, daß die Verwendung eines Operationsverstärkers mit additiven und subtraktiven Eingärgen für die Verwirklichung der Erfindung vorteilhaft ist.

Symmetrische" Modulatoren bekannter Art (R y d e r, I. D., »Electronic Fundamentals and Applications«, Verlag Prentic-Hall, zweite Auflage, S. 475 bis 477) stellen im Prinzip Schaltgeräte dar, die an

einen Eingang angelegte Signale entsprechend den negativen Halbwellen eines an einen anderen Eingang angelegten Trägers oder einer Schaltwelle invertieren. Das Ausgangssignal ist dann im wesentlichen das Produkt der Signal- und der Schaltwelle. Eine als

Schaltwelle benutzte Trägerwelle wkkt im wesemlichen nach Art einer Rechteckwelle hoher Frequenz. Bekannte Anordnungen zur Verwirklichung von Modulatoren sind Dioden-Brücken- und Gegentaktschal-•tungen, deren stromleitenden Wege mit der Träger-

frequenz geschaltet werden. Solche bekannten Moduiatorer enthalten üblicherweise streng symmetrische Eingangs- und Ausgangsübertrager, die in vielen Fällen besondere Symmetriereinstellungen erforderlich machen.

Es ist bereits ein regenerativer Integrator bekannt (»Handbook of operational amplifier applications«, Burr-Brown, Research Corp., Tucson (Arizona). First Edition 1963, S. 50 bis S3), bei dem ein Operationsverstärker mit einem invertierenden und nicht invertierenden Eingangs- und Ausgangspunkt eine Rückkopplungsverbindung vorzusehen, der eine Schalteinrichtung parallel geschaltet ist. Die Rückkopplungsverbindung enthält einen Kondensator, und die Schalteinrichtung dient dazu, din Kondensator zu Beginn eines Durchlaufs zu entladen. Diese be kannte Anordnung kann nicht als symmetrischer Modulator betrieben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen symmetrischen Modulator zu schaffen, bei dem keine

Eingangs- und Ausgangsübertrager benötigt werden, so daß dieser vorteilhaft als integrierte Schaltung herstellbar ist.

Ausgehend von einem symmetrischen Modulator der eingangs angegebenen Art wird die gestellte Aufgäbe dadurch gelöst, daß ein dritter Widerstand als RUckkopplungsweg zwischen den Ausgangspunkt und den nicht invertierenden Eingangspunkt geschaltet ist, daß ein vierter Widerstand in defc zusätzlichen Verbindungsweg zwischen die Quelle und den nicht invertierenden Eingangspunkt gelegt ist, daß dem dritten Widerstand eine Schalteinrichtung parallel geschaltet ist, daß eine Quelle für Signale verhältnismäßig hoher Frequenz die Schalteinrichtung zwischen dem leitenden und nicht leitenden Zustand steuert und daß die Werte der Widerstände so gewählt sind, daß das doppelte Prodülti sas den Werten des ersten und zweiten Widerstands gleich dem Produkt aus den Werten des dritten und vierten Widerstands ist.

i 913641

_t,, _ί( Die wirksame Verstärkung des Operationsverstiir- ^ ,lcers bei geschlossener Schleife wird entsprechend der Il jeweiligen Polarität des Ausgangssignals der Signale Γ" verhiiitnisrnMßig hoher Frequenz erzeugenden Quelle IA^ (im folgenden Schaltquelle genannt) durch richtige _1?v, Wahl der Eingangs- und Rückkopplungsimpedanz ) " zwischen gleichen positiven und negativen Werten fy umgeschaltet. Das Ausgangssignal der Signalquellc _{// wird dadurch zur Erzielung einer symmetrischen I^r Modulatorwirkung mit dem Ausgangssignal der '.? Schaltquelle multipliziert.

°_t Das Signal kann über Widerstandsnetzwerke parallel sowohl am invertierenden als auch am nicht invertierendcn Eingangspunkt angelegt werden. Die posi-„ tive Verstärkung bei geschlossener Schleife mit Bezug ^e auf den nicht invertierenden Eingang ist symmetrisch '<& zur negativen Verstärkung bei geschlossener Schleife mit Bezug auf den invertierenden Eingang, wenn die !^Schalteinrichtung offen is^ Andererseits ist bei geschlossener Schalteinrichtung nur die positive Verstärkung wirksam. Durch Wahl von Widerstandswerten kann die positive bzw. negative Verstärkung bei geschlossener Schleife im wesentlichen bezüglich der Absolutwerte gleich gemacht werden.

Das Signal kann auch nur an den invertierenden Eingang angelegt werden. Der nicht invertierende Eingang wird auf einem festen Potential mit Bezug auf Erdpotential gehalten. Gleichzeitig wird der zusätzliche Verbindungsweg zwischen Eingang und Ausgang der Gesamtschaltung hergestellt, und die Verstärkung bei geschlossener Schleife wird zwischen einem negativen Wert und Null unter Steuerung der Schalteinrichtung geschaltet. Durch Wahl von Widerstandswerten werden die umschaltbaren Verstärkungen Lei geschlossener Schleife so mit Bezug auf das Vorwärts-Spannungsverhältnis symmetriert, daß sich im wesentlichen gleiche positive und negative Gesamtverstärkungswerte ergeben.

Weiterhin läßt sich der Schaltmodulator so abändern, daß er als Vollweggleichrichter und Gatterschaltung arbeitet. Es können auch mehrere Schaltmodulatoren mit einem weiteren Summier-Operationsverstärker so kombiniert werden, daß sie als Digital-Analogwandler und vielstufige Digital-Datencodierer arbeiten.

Ein bedeutsamer Vorteil besteht darin, dab alle einstellbaren Elemente, die zur Symmetrierung des Modulators dienen, Widerstände sind. Es werden keine Spulen, Kondensatoren oder übertrager benötigt. Dahei lassen sich die Schaltmodulatoren unter Verwendung von integrierter Schaltungstechnik herstellen.
Die Zeichnung ist ein Blockschaltbild eines erleitunßi? und dem invertierenden Eingang des Verstärkers 12, einen Spannungsteiler mit Widerständen R₃ und /?4 zwischen der Eingangsleitung B und dem nicht invertierenden Eingang, einem zwischen den Ausgang des Verstärkers 12 (Leitung C) und den invertierenden Eingang geschalteten Rückkopplunßswiderstand R₂, eine parallel zum Rückkopplungswidcrstand #2 liegende und durch den Transistor 13 dargestellte Schalteinrichtung sowie einen Strombegrcnzungswi-

dcrstand R_s, der zwischen dem Schaltsteuerpunkt A ,'und der Basis des Transistors 13 Hegt, An den Stiiuerpunkt A ist eine Schaltspannungsquellc 10, an den Modulationseingang B eine Signalquelle und an den Ausgang C eine Vcrbraucherschaltung 14 angelegt.

Für einen Betrieb als symmetrischer Modulator oder Demodulator kann die Schaltquelle 10 mit Vorteil eine Trägerfrequenzquelle sein. Die Signalqueile ί 1 liefert beim Modulatorbetrieb die Modulationssignale und beim Demodulatorbetrieb das modulierte

Trägerfrequenzsignal. Die Verbraucherschaltung 14

kann entweder eine übertragungseinrichtung für ein trägermoduliertes Signal oder ein Signalempfänger für ein demoduliertes Signal sein.

Der Schaltmodulator nach der Zeichnung läßt sich an Hand üblicher Verfahren analysieren. Die Verbindungspunkte oder Knoten zwischen den Widerständen Ri und R₂ sowie zwischen den Widerständen Rj und K₄ sind zum Zweck dieser Analyse mit den Buchstaben D bzw. F in der Zeichnung bezeichnet.

Betrachtet man zunächst den Knoten D (den invertierenden Eingang des Verstärkers 12), so kann man schreiben:

E₀ ~

wobei mit E Spannungen an den angegebenen Verbindungspunkten und mit R Widerstandswerte gemäß F i g. 1 bezeichnet sind.
Löst man die Gleichung (2) nach E_D auf, so erhält

man

E_n =

+R₂

Betrachtet man dann den Verbindungspunkt F {den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 12),, so erhält man

E, =

«3

Eb +

tionsverstärker, bei den*, die Signalquelle parallel an einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschaltet ist.

Die Zeichnung stellt ein Blockschaltbild eines Operationsverstärkers dar, der erfindungsgemäß so abgeändert worden ist, daß er die Funktion eines übertragerlosen symmetrischen Modulators erfüllt. Der symmetrische Modulator selbst, der innerhalb des gestrichelt gezeichneten Kästchens 15 gezeigt ist, weist einen hochverstärkenden Operationsverstärker 12 mit einem durch ein Minus-Zeichen bezeichneten invertierenden Eingang und einem durch ein Plus-Zeichen bezeichneten nicht invertierenden Eingang auf, ferner i Eiidd ih d Ei

wobei V₀FP definiert ist als die äquivalente Eingangs-Differenzspannung des Operationsverstärkers 12, die sich sowohl aus der tatsächlichen Eingangs-Differenzspannung als auch dem Eingangs-Differenzstrom mit beliebiger Polarität ergibt. Es handelt sich um einen Fehler-Term.
Jetzt sei die Spannung am Ausgangspunkt C be

trachtet:

E_c = GE_F - GE_n

wobei G die Leerlaufversiärkung oder innere Verstärkung des Operationsverstärkers 12 ist. Diese kann

MXS VV>

rt»"*-l «***»■■«■ if/τ η

li

einen Eingangswiderstand R₁ zwischen der Eingangs- einigen Tausend liegen.

* > 1 M 3 641 C

5 6

Setzt man die Gleichungen (3) und (4) in die Glei- daß der Schälttransistor 13 gesättigt ist Der Rück-

chungeh (5) ein, so erhält man: -■' « kopplungswiderstand>i?2 ist äann%>;rafciisch unwirksam, und es erscheint nur ein Fehlei"-Spännungsab-

^ ( Ri rf , t/ fall V-SAT zwischen dem Kollektor und ;d.em Emitter

^{= G} KrJVIC ^Eb+V°^ 5 des Transistors J3;

R₁ \ Beträchtti man wieder den KnoteniD, so kann man

^Eb~ Ht"+R¹¹V' ⁽⁶⁾ schreiben:

R₁ + R₂ ^Eb Ht+₂V

E_D = E_c + V_SAT. (10)

Durch Zusammenfassen der Bp-Ausdrücke der io

Gleichung (6) ergibt sich: Der" Verbindungspunkt oder Knoten F bleibt in

dem durch die Gleichung (4) angegebenen Zustand.

E (1- + _*L_J\ ^Am Ausgangspunkt C gilt wieder die Gleichung (5),

^C\G R₁ +R₂J aber die Gleichung (6) wird

Bei einer praktisch ausgeführten Schaltung ist G Löst man nach der Ausgangsspannung E_c auf, so

so groß, daß sein Kehrwert klein im Vergleich zu 20 ergibt sich

ist. Dann kann man die Gleichung (7) nach G / R,

^'auflösen: ^ = T+~G KkJTRi ^E° ^{+ V}™ ~ ^V

ρ _ / R* ρ 4. ν Yl + ^\ -^-P ²5 Vernachlässigt man die Fehlerkomponenten V_0n- ^c VK₃ + R₄ ^{B orF}A Ri) Ri ^B' und V_SAT, setzt, wie vorher, R₃ = R₄, und nimmt an,

(g) daß G sehr groß gegen Eins ist, so reduziert sich die

Gleichung (12) zu

Der erste Klammerausdruck auf der rechten Seite

in Gleichung (8) gibt den Beitrag des nicht invertieren- 30 β ₌ IzL t\\\

den Verstärkungsweges Ober den Verstärker 12 und ^c 2 ' ⁽ '

der negative Ausdruck den Beitrag des invertierenden

Verstärkungsweges an. Die Gleichung (13) gibt die Ausgangsspannung des

V_OPP kann zunächst einmal vernachlässigt werden. Modulators nach F i g. 1 an, wenn der Schalttransistor

Es sei R₂ = 2R₁ und R₃ = R₄. Dann ergibt sich: 35 13 durch die Schaltquelle 10 in Durchlaßrichtung vor-

. gespannt ist. Es zeigt sich, daß unter den angenomme-

P₁ — _ Mä. . /m nen, zweckmäßig ausgewählten Bedingungen die

^c 2 ' Schaltung i5 in der zeichnung als Umkehrschalter

mit einer Frequenz arbeitet, die durch das Ausgangs-

Die Gleichung (9) gibt die Ausgangsspannung des 40 signal der Schaltquelle 10 bestimmt ist. Sie hat daher Modulators nach der Zeichnung an, wenn der Schalt- die Eigenschaften eines symmetrischen Modulators, transistor 13 (hier als npn-Transistor dargestellt) durch Zur Aufrechterhaltung einer symmetrischen Moduladie Schaltquelle 10 in Sperrichtung vorgespannt ist. torwirkung ist eine weitere Bedingung zu erfüllen,

Der Modulator nach der Zeichnung läßt sich auf nämlich:

entsprechende Weise für die Bedingung analysieren, 45 2R₁R₄ = R₂Rj. (14)

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Symmetrischer Modulator mit einem Opera-• ^ftionsverstärker hoher Verstärkung (12), der einen -f !invertierenden (D) und einen nicht invertierenden '' \F) Eingangspunkt sowie einen Ausgangspunkt (C) <■■; -aufweist, mit einem ersten Widerstand (R₄), der : i zwischen den nicht invertierenden Eingangspunkt und ein Bezugspptential (Erde) geschaltet ist, mit einer Quelle (11) für Signale verhältnismäßig niedriger Frequenz, mit einem zweiten Widerstand (R₁), der die Quelle (11) mit dem nicht invertierenden Eingangspunkt (D) verbindet, und mit einem zusätzlichen nicht invertierenden Verbindungsweg zwischen der Quelle (11) und dem Ausgangspunkt (C), dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (A₂) als Rückkopplungsweg zwischen den Ausgangspunkt (C) und den nicht invertierenden Eingangspunkt (D) geschaltet ist, daß ein vierter Widerstand (R₃) in den zusätzlichen Verbindungsweg zwischen die Quelle (11) und den nicht invertierenden Eingangspunkt (F) gelegt ist, daß dem dritten Widerstand (A₂) eine Schalteinrichtung (13) parallel geschaltet ist, daß eine Quelle (10) für Signale verhältnismäßig hoher Frequenz die Schalteinrichtung (13) zwischen dem leitenden und nicht leitenden Zustand steuert und daß die Werte der Widerstände so gewählt sind, daß das doppelte Produkt aus den Werten des ersten und zweiten Widerstandes (R₄, R₁) gleich dem Produkt aus den Werten des dritten und vierten Widerstands (R₂, R₃) ist