DE2606270C3 - Mehrstufige Begrenzerverstärkerschaltung - Google Patents

Description

55

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrstufige Begrenzerverstärkerschaltung zur Verstärkung eines Wechselspannungssignak bestimmter Frequenz, das großen Pegelschwankungen unterworfen sein kann, wobei in jeder Stufe eine symmetrische Begrenzung stattfindet.

Es ist eine Möglichkeit zur phasengenauen Wechselspannungsverstärkung über einen großen Dynamikbereich bekannt (deutsche Auslegeschrift 24 39 612, insbesondere Spalte 3, Zeilen 54 bis 66), bei welcher ein Schaltverstärker eingesetzt wird, der sich durch automatisches, stufenweises Reduzieren seiner Verstärkung immer so einstellt, daß er nicht übersteuert wird. Eine verzernmgsfreie, Übertragung der Pbaseninfonnation von Wechselspannungssignalen ist aber hierbei nur dann möglich, wenn der Verstärker im linearen Teil seiher Verstärkungskennlinie arbeitet

Aus der DE-AS 17 62999 "ist eine Schaltung zur Verstärkung eines Wechselspannungssignals bestimmter Frequenz bekannt, das großen Pegelschwankungen unterworfen sein kann. Diese Schaltung kommt ohne VerstärkungsstufenumschaltUng aus. Es sind dort mehrere Verstärkerstufen, die zugleich als Begrenzer wirksam sind, in Serie geschaltet Bei solchen zusammengefaßten Schaltungen beeinträchtigen aber die jeweiligen Verstärkungskennlinien das Phasenübertragungsverhalten in verhältnismäßig starkem Maße, so daß ein Einsatz zwar in Fernseh-Zf-SchaJtungen möglich ist jedoch nfcht in solchen Schaltungen, bei denen wie z. B. in Meßschaltungen die verzerrungsfreie Übertragung der 'Phaseninformation von entscheidender Bedeutung ist

Aufgabe der Erfindung ist es, eine zur phasenunverfälschten Übertragung geeignete mehrstufige Begrenzerverstärkerschaltung hoher Dynamik zu schaffen, bei der die jeweiligen Verstärkungskennlinien das Phasenübertragungsverhalten kaum beeinflussen. Gemäß der Erfindung ist die Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß jede der Begrenzerverstäkungsstufen aus einer separaten Verstärkerstufe und einem dieser nachgeschalteten Begrenzer zusammengesetzt ist und daß jede Verstärkerstufe aus einer gegengekoppelten Emitterbasis-Transistorverstärkerschaltung besteht, in deren Ausgangskreis ein durch einen Bedämpfungswiderstand stark bedampfter Resonanzkreis liegt, dessen Kapazität durch einen Trimmerkondensator gebildet wird, der parallel zu einem in sich antiparallel geschalteten, den Begrenzer darstellenden Diodenpaar liegt und der zum Impedanzabgleich dient, derart, daß der resultierende Resonanzkreiswiderstand kapazitiv ist. Mit Hilfe des Trimmerkondensators läßt sich das Phasenübertragungsverhalten einer Verstärkerstufe mit nachgeschaltetem Begrenzer in Abhängigkeit des Eingangspegels optimieren.

Aus der Zeitschrift »Electrical Engineering«, Dezember 1959, S. 1184— 1188, insbesondere Fig. 8, ist zwar ein gegengekoppelter Emitterbasis-Transistorverstärker zur phasentreuen Verstärkung bekannt, doch weist dieser im einzelnen nicht die Merkmale einer Verstärkerstufe der mehrstufigen Begrenzerverstärkerschaltung nach der Erfindung auf. Es hat sich nämlich in Untersuchungen herausgestellt, daß erst durch die starke Bedämpfung des im Ausgangskreis liegenden Parallelresonanzkreises und durch den mittels des Trimmerkondensators durchgeführten, besonderen Impedanzabgleich des Resonanzkreises in den kapazitiven Bereich hinein ein hohen Ansprüchen gerecht werdendes Phasenübertragungsverhalten der Verstärkerstufe erzielt wird. Es wird in diesem Zusammenhang auch darauf hingewiesen, daß es bei der Erfindung nicht das Problem ist, wie bei dieser bekannten Verstärkerschaltung ein phasenproportionales Verhalten über einen sehr weiten Frequenzbereich zu erhalten, sondern ein phasentreues Verhalten über einen großen Dynamikbereich zu erzielen, der zwar mit Hilfe der Aufteilung in mehrere Stufen und der Anwendung von jeweils nachgeschalteten Begrenzern verkleinert ist, aber trotzdem noch verhältnismäßig groß ist.

Die Verwendung antiparallel geschalteter Dioden für Begrenzungszwecke ist z. B. aus der US-PS 29 64 650,

Rg. 3, an sich bekannt Die Beschattung eines gegengekoppelten Emitterbasis-Transistorverstärkers, in dessen Ausgangskreis ein stark bedampfter Parallelresonanzkreis liegt, mit antiparallel geschalteten Begrerizerdioden ist der Literatur jedoch nicht zu entnehmen. , .

Die mehrstufige BegreiizerveretärkerschaJtiing nach der Erfindung läßt sich auch bei einer Einrichtung zur Phasen- und Amplitudenmessung von pulsmodulierten Wechselspannungssignalen, insbesondere Hochfrequenz- oder Zwischenfrequenz-Signalen, mit großen Pegelunte/schieden einsetzen. Eine Weiterbildung der Erfindung im Zusammenhang mit der Amplitudenmessung besteht darin, daß am Eingang und nach jedem der den einzelnen Verstärkerstufen nachgeschalteten Begrenzern das dort jeweils vorliegende Wechselspannungssignal belastungsfrei abgezweigt und jeweils einem Gleichrichter zugeführt wird und daß die gleichgerichteten Signale einem Summierer eingegeben werden, so daß am Ausgang des Summierers zumindest angenähert, eine dem Logarithmus der eingangsseitig den Verstärkerstufen zugeführten Wechselspannung entsprechende Ausgangsspannung ansteht Durch diese Maßnahme wird die durch einen begrenzenden Verstärker an sich verlorengehende Amplitudeninformation wiedergewonnen. Die Obereinstimmung der Kennlinie mit einer Logarithmus-Charakteristik ist um so größer, je höher die Anzahl der Verstärkerstufen ist Unter der Voraussetzung einer vorgegebenen, dem Dynamikbereich etwa entsprechenden Gesamtverstärkung kann die Anzahl der Verstärkerstufen mit jeweils nachgeschaltetem symmetrischem Begrenzer vorteilhaft dadurch erhöht werden, daß man die Verstärkung der einzelnen Verstärkerstufen reduziert und somit zusätzliche Stufen einführt Dies verbessert auch noch zusätzlich den Phasenverlauf, weil dann die an den Begrenzerdioden maximal anliegende Spannung reduziert wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in einem Ortungssystem verwendeten Zwischenfrequenzverstärkers im folgenden näher erläutert Mit Hilfe eines Empfängervielfachs soll eine Richtungsbestimmung einfallender, pulsmodulierter Hochfrequenz-Signale ermöglicht werden. Zur Lösung dieses Problems sind Empfänger erforderlich, die einen zur genauen Phasen- und Amplitudenübertragung geeigneten Zwischenfrequenz-Verstärker für eine hohe Dynamik enthalten. Die am Ausgang der Zwischenfrequenz-Verstärker vorliegenden Phasen- und Amplitudeninformationen werden zu einem an der Vorderflanke des pulsmodulierten Signals liegenden Zeitpunkt gemessen und als Datenmaterial an einen Rechner geliefert, der daraus die Richtung bestimmt, aus welcher das Hochfrequenz-Signal eingefallen ist. Der Zwischenfrequenz-Verstärker hat somit u. a. die Aufgabe, in einem solchen Empfänger die Phaseninformation des Eingangssignals in einem sehr weiten Dynamikbereich unverfälscht zu übertragen.

Es zeigt

F i g. 1 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Phasenverschiebung durch eine unsymmetrische Begrenzung,

Fig.2 das Blockschaltbild einer sogenannten Einheitsstufe, bestehend aus einer Verstärkerstufe und einem nachgeschalteten Begrenzer,

F i g. 3 das Blockschaltbild eines gesamten Zwischen- h5 frequenz-Verstärkers mit Einheitsstufen nach F i g. 2,

Fig.4 das Schaltbild einer Einheitsstufe nach Fig.2 im einzelnen und

Fig.5 eine erweiterte Schaltung zur zusätzlichen Gewinnung der Amplitadeninformation.

Zunächst sei eine Verstärkerstufe betrachtet, die bei Ansteuerung mit einer kleinen Eingangsspannung eine unverzerrte, sinusförmige Ausgangsspannung liefert Dies wird durch die Kurve a in Fig. 1 veranschaulicht Erhöht man den"" Eingangspegel, so erreicht man schließlich denjenigen Pegel bei dem der Verstärker die Ausgangsspannung verzerrt (Bild 1, Kurve 6Jl Dieser Pegel markiert das Ende des linearen Zusammenhangs zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung. Durch die in diesem Beispiel angenommene, einseitige Begrenzung des sinusförmigen Spannungsverlaufs wird eine Gleichspannung erzeugt, die als neue Bezugslinie zu betrachten ist.

Dadurch ergibt sich eine Verschiebung der Nulldurchgänge. Die Kurve a beginnt bei t= to, die Kurve b bei t= t\. Es entsteht also eine zeitliche Verschiebung von

At= ti-to;
die entsprechende Phasenverschiebung ist dann:

-I'/ = -jr(h -to),

wobei T die Periodendauer der Sinuskurve ist Phasenverzerrungsfreie Übertragung von sinusförmigen Signalen ist also nur dann möglich, wenn der Verstärker im linearen Teil seiner Verstärkungskennlinie arbeitet, oder wenn das Ausgangssignal symmetrisch begrenzt wird, denn dann tritt keine Verschiebung der Symmetrieachse und damit der Nulldurchgänge auf.

Die symmetrische Begrenzung ist also eine Grundbedingung für den Begrenzer-Verstärker.

In F i g. 2 ist eine einzige Verstärkerstufe 1 mit einem nachgeschalteten Begrenzer 2 sowie einer Impedanzabgleichseinrichtung 3 in Blockschaltbildform dargestellt Der Begrenzer 2 arbeitet symmetrisch. Mittels der Impedanzabgleichseinrichtung 3 wird der resultierende Resonanzkreiswiderstand des Verstärkers 1 unter Berücksichtigung der Schaltelemente des Begrenzers 3 so abgestimmt, daß er kapazitiv ist.

F i g. 3 zeigt in einem Blockschaltbild einen Zwischenfrequenz-Verstärker nach der Erfindung, mit dem die Amplitude des auf eine Zwischenfrequenz von 4 MHz umgesetzten Empfangssignals um 70 dB verstärkt wird. Ab einem bestimmten Eingangspegel wird das Signal symmetrisch begrenzt, wobei die Phaseninformation in einem großen Dynamikbereich unverfälscht übertragen wird. Es werden dazu vier in Fig.2 dargestellte Einheitsstufen 4, 5, 6 und 7 hintereinandergeschaltet, wobei jede einzelne Einheitsstufe eine Verstärkerstufe mit einer Verstärkung von 17 dB aufweist so daß sich insgesamt eine Gesamtverstärkung von etwa 7OdB ergibt. Ein am Eingang eingeschalteter Begrenzer 8 wirkt bei großen Eingangspegeln, während ein Verstärker 9 mit einer Verstärkung von etwa 6 dB eine Grundverstärkung liefert. Dem Verstärker 9 ist noch ein Emitterfolger 10 nachgeschaltet.

Das Schaltbild einer Einheitsstufe nach Fig.2 im einzelnen zeigt F i g. 4. Die Verstärkerstufe wird durch eine gegengekoppelte Emitterbasis-Transistorverstärkerstufe gebildet. Die Eingangsspannung t/f wird an der Basis des gleichspannungsmäßig mit der Betriebsspannung 2 Ufl betriebenen Transistors 11 angelegt. Im Ausgangskreis des Transistors 11 befinden sich eine Induktivität 12, ein Trimmerkondensator 13 und ein Widerstand 14, die zusammen einen stark gedämpften Resonanzkreis für die Mittenfrequenz von 4 MHz

bilden. Parallel zum Trimmerkondensator 13 liegen zwei gegensinnig geschaltete Dioden 15 und 16 zur Begrenzung der positiven und negativen Halbwellen. Der Trimmerkondensator 13 dient zum Impedanzabgleich. Der stark gedämpfte Parallelresonanzkreis, ·, bestehend aus dem Widerstand 14, der Induktivität 12 und dem Trimmerkondensator 13, wird so abgestimmt, daß der resultierende Kreiswiderstand unter Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften der beiden Begrenzerdioden 15 und 16 kapazitiv ist. Damit läßt sich ι» das Phasenübertragungsverhalten der Einheitsstufe in Abhängigkeit des Eingangspegels optimieren. Hinter den als Querglieder eingeschalteten Begrenzerdioden 15 und 16 wird die Ausgangsspannung U₃ über einen Koppelkondensator 17 abgenommen. ι ί

Bei einem begrenzenden Verstärker geht jedoch die Amplituden-Information des Eingangssignals verloren. Diese kann aber dadurch wiedergewonnen werden, daß man die Schaltung zu einem logarithmischen Verstärker nach dem Prinzip der stufenweisen Gleichrichtung :o erweitert. Fig.5 zeigt das Blockschaltbild einer erweiterten Schaltung zur Gewinnung der Amplitudeninformation zusätzlich zur Phaseninformation. Das Zwischenfrequenz-Signa! wird an fünf Stellen der aus den vier Einheitsstufen 4, 5, 6 und 7 bestehenden Verstärkerkette möglichst belastungsfrei abgezweigt, zunächst in Trennverstärkern 18, 19, 20, 21 und 22 verstärkt, dann jeweils in einem der Gleichrichter 23 bis 27 gleichgerichtet und schließlich einem Summierer 28 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Summierers 28 entspricht angenähert dem Logarithmus der Zwischenfrequenz-Eingangsspannung Ue- Die Übereinstimmung der Kennlinie mit einer Logarithmus-Charakteristik ist um so größer, je höher die Zahl der Einheitsstufen ist. Sie könnte beispielsweise dadurch erhöht werden, daß man die Verstärkung der Einheitsstufen reduziert und zusätzliche Stufen einführt. Dies würde auch den Phasenverlauf noch weiter verbessern, weil dann die an den Begrenzerdioden maximal anliegende Spannung reduziert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mehrstufige Begrenzeryerstärkerschaltung zur Verstärkung eines Wechselspannungssignals besummier Frequenz, das großen Regelschwankungen unterworfen sein kann, wobei in jeder Stufe eine symmetrische Begrenzung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Begrenzerverstärkungsstufen aus einer separaten Verstärkerstufe (1) und einem dieser nachgeschalteten Begrenzer (2) zusammengesetzt ist und daß jede Verstärkerstufe (1) aus einer gegengekoppelten Emitterbasis-Transistorverstärkerschaltung besteht, in deren Ausgangskreis ein durch einen Bedämpfungswiderstand (14) stark bedampfter Resonanzkreis liegt, dessen Kapazität durch einen Trimmerkondensafor (13) gebildet wird, der parallel zu einem in sich antiparallel geschalteten, den Begrenzer darstellenden Diodenpaar (15, 16) liegt und der zum Impedanzabgleich dient, derart, daß der resultierende Resonanzkreiswiderstand kapazitiv ist

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer Einrichtung zur Phasen- und Amplitudenmessung von pulsmodulierten Wechselspannungssignalen, insbesondere Hochfrequenz- oder Zwischenfrequenz-Signalen, mit großen Pegelunterschieden.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Amplitudenmessung am Eingang und nach jedem der den einzelnen Verstärkerstufen nachgeschalteten Begrenzern das an diesen Schaltungsstellen jeweils vorliegende Wechselspannungssignal belastungsfrei abgezweigt und jeweils einem Gleichrichter (23 bis 27) zugeführt wird, daß die gleichgerichteten Signale einem Summierer (28) eingegeben werden und daß am Ausgang des Summierers (28) zumindest angenähert eine dem Logarithmus der eingangsseitig den Verstärkerstufen zugeführten Wechselspannung (Ue) entsprechende Ausgangsspannung ansteht.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vorgegebenen, dem Dynamikbereich entsprechenden Gesamtverstärkung die Verstärkung jeder einzelnen der in Reihe geschalteten Verstärkerstufen verhältnismäßig klein und somit eine größere Anzahl von Stufen vorgesehen ist.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Gleichrichter (23 bis 27) ein Trennverstärker (18 bis 22) vorgeschaltet ist.