DE3210453A1

DE3210453A1 - Signal-eingangsschaltung

Info

Publication number: DE3210453A1
Application number: DE19823210453
Authority: DE
Inventors: Heinz 7100 Heilbronn Rinderle
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1982-03-22
Filing date: 1982-03-22
Publication date: 1983-09-22
Anticipated expiration: 2002-03-23
Also published as: JPS58171115A; DE3210453C2; JPH0420282B2; US4494076A

Description

1210453

Licentia Patent-Verwaltungs-G<>m»b»H<, Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Prankfurt 70

Heilbronn, den 2 3.02.82 PTL-HN-La-fi - HN 82/5

Signal-Eingangsschaltunq

Die Erfindung betrifft eine Signal-Eingangsschaltung", bei der ein Steuerelement zur steuerbaren Schwächung des Eingangssignals sowie fest abgestimmte Reaktanzen zur Selektion des Eingangssignals vorgesehen sind»

Solche Schaltungsanordnungen sind aus Siemens Halbleiter-Schaltbeispiele, Einseihalbleiter und integrierte Schaltungen, 19 72/73, Seiten 38 bis 41 bekannt. Bei dem bekannten Schaltungsbeispiel ist im Signalweg vom Antenneneingang zu dem Vorverstärkerelement ein in Έ -Schaltung ausgeführtes Regelnetzwerk mit PIN-Dioden, die als steuerbare Widerstände wirken, eingeschaltet» Zur Regelung (Steuerung) der Signalübertragung (Verstärkung) wird in einer solchen Anordnung die PIN-Diode im Längszweig gegensinning zu den PIN-Dioden in den Querzweigen durch die Flußströme von einer Regelsignalquelle gesteuert» In Richtung zum Verstärkerelement ergibt sich dadurch eine HF-Spannungsteilung durch die gegensinnig sich ändernden Widerstände der PIN-Dioden im Längszweig und der PIN-Diode des Querzweiges, der dem Verstärkerelement zugewandt ist» Mit der PIN-Diode des anderen Querzweiges wird die Laständerung durch den Längszweig zumindest teilweise ausgeglichen» Damit wird eine für den Anwendungsfall im Fernsehempfänger unerwünschte starke. Signalreflexion vermieden» Wegen des passiven Charakters

eines solchen Regelnetzwerkes kann nur die Übertragungsdämpfung und darüber die Verstärkung der Eingangsstufe eingestellt bzw. geregelt werden.

Die Steuerung der Verstärkung einer Eingangsstufe mittels PIN-Dioden in der beschriebenen Art hat den Vorteil, daß bei Großsignalbetrieb die nachgeschalteten nichtlinearen Elemente, wie Transistoren und Abstimmdioden vor verzerrungsbildenden Ansteuerungen geschützt werden können. Die bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß sie einen großen Bauelementeaufwand, und Regelleistungsbedarf erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signal-Eingangsschaltung anzugeben, die eine Verminderung des Regellei stungsbedarxs und/oder des Bauelementeaufwandes (für die Regelschaltung) ermöglicht. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Reaktanzen so geschaltet und so bemessen sind, daß ein Schaltungspunkt mit einer im Vergleich zur Impedanz der Signalquelle großen Impedanz vorhanden ist und daß das Steuerelement auf diesen Schaltungspunkt einwirkt.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Grundform der Regelschaltung gemäß der Erfindung mit einer PIN-Diode

Fig. 2 eine Regelschaltung mit erweitertem Reaktanznetzwerk

Fig. 3 eine Regelschaltung mit erweitertem Reaktanznetzwerk und zwei PIN-Dioden mit getrennter Stromversorgung

Fig. 4 eine Regelschaltung mit erweitertem Reaktanznetzwerk und zwei PIN-Dioden mit gemeinsamer paralleler Stromversorgung

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Fig. 5 eine Regelschaltung mit erweitertem Reaktanznetzwerk und zwei PIN-Dioden mit gemeinsamer„ serieller Stromversorgung

Fig. 6 eine Regelschaltung mit Aufwärtstransformation des Signalquellenwiderstandes

Fig. 7 eine Regelschaltung mit Abwärtstransforraation des SignalquellenwiderStandes

Fig. 8 eine Regelschaltung mit Shuntsteuerung

Fig. 9 eine Regelschaltung mit Shuntsteuerung und Stromversorgung der PIN-Diode aus dem Verstärkerelement»

Beim Ausführungsbeispiel der Figur l._e die die Grundform der Erfindung darstellt, wird das von der Signalquelle kommende Eingangssignal 27 durch die PIN-Diode 3 steuerbar geschwächt« Bei der Eingangsschaltung der Fig. 1 ist das Verstärkerelement 7 (Transistor in Basisschaltung) über die Reaktanzelemente und 5 mit dem Signaleingang 1 verbunden» Die Reaktanzelemente 2 und 5 bilden im wesentlichen einen Serienresonanzkreis„ dessen Resonanzfrequenz etwa gleich der Bandmittenfrequenz des zu übertragenen Signalfrequenzbereiches ist» Die Bemessung dieser Reaktanzelemente erfolgt so, daß die Betriebsbandbreite mindestens gleich der Breite des Signalfrequenzbereiches (z. B. UKW-Empfangsbereich) ist., Der als PIN-Diode ausgeführte steuerbare Widerstand 3 greift am Verbindungspunkt der Reaktanzelemente 2 und 5 an und ist über den Kondensator 4 wechselstrommäßig mit dem Bezugspotential verbunden. Der Querstrom I zur Steuerung des Widerstandes der PIN-Diode wird im Beispiel der Anode der PIN-Diode zugeführt.

Die erfindungsgemäße Wirkung des Steuerelementes 3 in der beschriebenen Schaltung entsteht durch die Kombination der Bemessung der Reaktanzen 2 und 5 und der wechselstrommäßigen Anschaltung des Steuerelementes an dem Verbindungspunkt der Reaktanzen 2 und 5»

In der vorgegebenen Schaltungsform transformiert sich der Signalquellenwiderstand auf den höchsten Wert nur am Verbindungspunkt der Reaktanzen 2 und 5, und zwar mit dem Quadrat der Güte der Serienresonanz, die sich mit Anschaltung des Signalquellenwiderstandes ergibt. So wird

z. B. ein Signalquellenwiderstand von 75 Ω bei einer Güte

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von 3 auf den Wert von 75 Ω χ 3 = 675 Ω transformiert. .

Da dieser Wert innerhalb des Signalfrequenzbereiches etwa erhalten bleibt, ist die Signaldämpfung, die das Steuerelement 3 verursacht, für alle Signalfrequenzen etwa gleich groß. Der erfindungsgemäße Anschluß des Steuerelementes hat zur Folge, daß die Signaldämpfung bei vorgegebenem Steuerbereich einer herkömmlichen PIN-Diode am größten ist. So wird man bei einem möglichen Widerstandssteuerbereich einer herkömmlichen PIN-Diode, der etwa 10 kΩ bis minimal 10 Ω umfaßt, in der beschriebenen Anordnung einen Regelumfang von ca. 675 Ω/ΙΟ Ω = 67,5 in Bezug auf die an das Verstärkerelement gelangende Signalspannung erreichen.

Damit ist es möglich, mit einem einzigen Steuerelement, z. B. einer PIN-Diode, ohne abstimmbare Reaktanzen eine für viele Fälle ausreichende Steuerwirkung (Regelumfang) zu erzielen. Diese Form der Verstärkungsregelung hat zusätzlich den Vorteil, daß bei zunehmendem Steuerstrom, also bei großen Signalleistungen, die Verzerrungseigenschaften der PIN-Diode selbst günstiger werden, im Gegensatz zu den Regelschaltungen, die eine Übertragungsdämpfung durch abnehmenden Strom in der PIN-Diode bewirken, wodurch diese dann selbst Verzerrungen erzeugt.

Die Schaltung nach Fig. 1 weist ein weiteres funktionelles Merkmal auf, das das Regelverhalten der Schaltung begünstigt. Mit einsetzender Signalabschwächung erhöht sich nämlich

1. die Signalreflexion am Signaleingang „ bedingt durch die mit der Signalabschwächung zunehmende Fehlanpassung„ und 2. erhöht sich die den Transistor in Basisgrundschaltung steuernde Quellenimpedanz. Letzteres erhöht entsprechend die Stromgegenkopplung für die Transistorstufe. Dies- bedeutet wiederum, daß sowohl das Signal als auch das Rauschen, bezogen auf den Transistorausgang, abgeschwächt wird. Dadurch steigt das Rauschmaß der Eingangsschaltung nicht im selben Maße wie die Signalabschwächung.

Die Induktanz 6 in der Fig. 1 ist im wesentlichen als HF-Drossel zur Ableitung des Gleichstromes zu betrachten. Sie kann jedoch abweichend hierzu so bemessen sein, daß sie z. B. für die Bandmittenfrequenz minimales Rauschmaß (Rauschabstimmung) bewirkt.

Durch die Anordnung der Reaktanzen 2 und 5 nach Fig» I wird bei Signalabschwächung für den Transistor die Quellenimpedanz induktiv. Dies hat den Vorteil, daß das Rauschmaß weniger stark ansteigt als bei vertauschter Anordnung der Reaktanzen.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung der Netzwerkinduktanz 5„ direkt am Eingang des Verstärkertransistors, ist die geringere Empfindlichkeit der Schaltung hinsichtlich Selbsterregung parasitärer Höchstfrequenzschwingungen (UHF).

Anstelle eines Bipolartransistors in Basisschaltung kann auch ein Bipolartransistor in einer anderen Grundschaltung oder ein Feldeffekttransistor in beliebiger Grundschaltung oder eine Mischstufenanordnung verwendet werden= Von Vorteil ist jedoch die Verwendung eines Bipolartransistors in Basisgrundschaltung, wenn dessen Ausbildung und Betriebsstrom mit dem Signalquellenwiderstand etwa rauschoptimale Anpassung ergibt. In Kombination mit Eingangsstufen für andere niedrige Betriebsfrequenzen wirkt ein Serienschwingkreis in der gezeigten Weise entkoppelnd zu anderen Eingangsschaltungen.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausfuhrungsform der Erfindung mit erweitertem Reaktanznetzwerk. Der Vorteil dieser Schaltungsversion liegt in der besseren Anpassungsmöglichkeit der Signalübertragung (Welligkeit) innerhalb des zu übertragenden Signalfrequenzbereiches und der verbesserten Weitabselektion zu anderen Signalfrequenzbereichen (z. B. FS-Kanäle). Die Anschaltung des Verstärkerelementes 7 ist hierin nur symbolisch angedeutet.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung mit zwei parallel gesteuerten PIN-Dioden. Dabei ist es vorteilhaft, die zweite PIN-Diode 19 an den Parallelresonanzkreis (Resonanz um die Bandmittenfrequenz) und nicht an den Verbindungspunkt: der Reaktanzen 17 und 18 anzuschließsen. Damit wird vermieden, daß bei Regelung keine Resonanzüberhöhung durch diesen Parallelschwingkreis auftritt, die die Übertragungsdämpfung innerhalb des Signalfrequenzbereiches beeinträchtigen würde. Der Vorteil, der sich durch die Verwendung von zwei PIN-Dioden ergibt, ist der mögliche größere Regeiumfang der Schaltung oder der kleinere Steuerstrom. Die Fig. 4 zeigt eine für einen geforderten Regelumfang mögliche Variante der Schaltung nach Fig. 3 in Bezug auf die parallele Steuerung der PIN-Dioden. Der Vorteil ist die Einsparung eines Kondensators durch Verwendung des gemeinsamen Abblockkondensators 21.

In der Fig. 5 ist eine serielle Steuerung der PIN-Dioden 3 und 19 gezeigt. In Bezug auf die Signalübertragung entspricht sie der Schaltung nach Fig. 3. Gleichstrommäßig sind die PIN-Dioden in Serie geschaltet. Der Vorteil der seriellen Stromsteuerung ist die Verminderung des für einen vorgegebenen Regelumfang erforderlichen Steuerstromes auf den halben Wert gegenüber der Schaltung nach Fig. 3 und Fig. 4.

Die Fig. 6 zeigt eine Schaltungsmodifikation, bei der der wirksame Signalquellenwiderstand auf einen höheren Wert zum Verstärkerelement transformiert wird» Damit kann eine Anpassung eines vorgegebenen Signalquellenwiderstandes auf Werte vorgenommen werden, die z. B. für die rauschoptimale Anpassung des Verstärkerelementes erforderlich sind.

Die Fig. 7 zeigt die Möglichkeit auf, wie eine Abwärtstransformation des Signalquellenwiderstandes bis zum Verstärkerelement durchgeführt werden kann.

Selbstverständlich kann anstelle der induktiven eine kapazitive Transformation verwendet werden, z. B. durch Aufteilung (Serienschaltung) des Reaktanzelementes 15. Auch andere Formen der Netzwerkgestaltung sind möglich, bei der eine derartige Aufwärtstransformation des Signalquellenwiderstandes bewirkt wird, wie sie für eine wirksame Dämpfungsänderung durch die angeschalteten gesteuerten PIN-Dioden oder/und für eine gewünschte Quellenimpedana für das Verstärkerelement erförderlieh ist.

Die Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie der Steuerstrom der PIN-Diode erzeugt werden kann. Der maximal fließende Steuerstrom wird hierbei von der Betriebsspannung der Quelle 14 und vom Wert des Widerstandes 23 bestimmt. Mit Hilfe des Transistors 24 und des ihn steuernden Basistromes I_n wird ein Nebenschluß für den di© PIN-Diode steuernden Strom geschaffen und damit die Dämfpung gesteuert« Die Schaltung benötigt eine geringere Stellerleistung wegen der Stromverstärkung des Transistors 24. In einer Weiterbildung der Erfindung kann eine herkömmliehe Diode 25 gleichstrommäßig, und zwar in di© Verbindung zwischen der PIN-Diode 3 und dem Transistor 24 eingeschaltet werden. Damit wird verhindert, daß die Reatspannung des

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Transistors 24 die PIN-Diode teilweise öffnet. Die Ausführungsform nach Fig. 8 ist besonders vorteilhaft für die serielle Steuerung der PIN-Dioden, z. B. in der Schaltung nach Fig. 5.In diesem Falle ist keine zusätzliche Diode (25) erforderlich.

Die Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der der für den gewünschten Regelumfang erforderliche maximale Strom für die PIN-Diode(n) gleichzeitig der Betriebsstrom des Verstarkerelementes 7 ist. Die Steuerung des Stromes für die PIN-Diode erfolgt in gleicher Weise wie bei der Schaltung nach Fig. S. Der Vorteil der Anordnung nach Fig. 9 besteht in der Einsparung eines getrennten Stromzweiges für die Steuerung der PIN-Diode(n) und damit des Strombedarfs für die gesamte Schaltung. Auch hier läßt sich der nachteilige Einfluß der Restspannung des Shunttransistors 24 durch Serienschaltung mit einer zusätzlichen Diode analog zur Schaltung nach Fig. 8 verhindern. Von Vorteil ist es, in der Schaltung nach Fig. 9 den in der Grundschaltung angegebenen Spannungsteiler (9, 10) für die Basisspannungsversorgung gleichstrommäßig auf den Emitter des Verstarkerelementes zu beziehen. Dadurch kann der Betriebsstrom des Verstarkerelementes bei Regelung weitgehend konstant gehalten werden, was für das Funktionsverhalten zweckmäßig sein kann.

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Claims

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70

Heilbronn, den 2 3.02.8 PTL-HN-La-fi - HN 82/5

Patentansprüche .

Signal-Eingangsschaltung, bei der ein Steuerelement zur steuerbaren Schwächung des Eingangssignals sowie fest abgestimmte Reaktanzen zur Selektion des Eingangssignals vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanzen so geschaltet und so bemessen sind, daß ein Schaltungspunkt mit einer im Vergleich zur Impedanz der Signalquelle großen Impedanz vorhanden ist und daß das Steuerelement auf diesen Schaltungspunkt einwirkt.
2) Signal-Eingangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerelement eine PIN-Diode vorgesehen· ist. ■ ·
3) Signal-Eingangsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktanznetzwerk zwischen den Signaleingang und das Verstärkerelement die Serienschaltung einer Kapazität und einer Induktivität geschaltet ist und daß das Steuerelement auf den Verbindungspunkt von Kapazität und Induktivität einwirkt.
4) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktivität vorgesehen ist, die als Drossel wirkt und zur Ableitung des Gleichstromes des Verstärkerelementes vorgesehen ist.
5) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktivität vorgesehen ist, die derart bemessen ist, daß Rauschabstimmung im Signalfrequenzbereich besteht.
6) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkerelement ein in Basis-Grundschaltung betriebener Bipolartransistor vorgesehen ist.
7) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis' 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkerelement ein in Gate-Grundschaltung betriebener Feldeffekttransistor vorgesehen ist.
8) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanz-Netzwerk einen Längszweig und mehrere Querzweige aufweist, daß der Längszweig zwei Serien-Resonanzkreise und ein Querzweig einen Parallel-Resonanzkreis aufweist und daß in einem zweiten Querzweig das Steuerelement vorgesehen ist.
9) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Steuerelement in einem weiteren Querzweig vorgesehen ist.
10) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Steuerelement der Strom gesondert zugeführt wird.
11) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente gleich-' strommäßig parallel geschaltet sind und daß diese Parallelschaltung von einem gemeinsamen Steuerstrom gesteuert wird»
12) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis IO, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente gleichstrommäßig in Reihe geschaltet sind und daß diese Reihenschaltung von einem gemeinsamen Steuerstrom gesteuert wird.
13) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche ί bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Serien-Resonanz-Kreise derart abgestimmt sind, daß sie für das Eingangssignal im Signalfrequenzbereich einen möglichst geringen Widerstand aufweisen. ·
14) Signal-Exngangsschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Serien-Resonanzkreise derart abgestimmt sind, daß sie für die Bandmittenfrequenz des zu übertragenden Signalbandes Serienresonanz aufweisen.
15) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallel-Resonanzkreis derart abgestimmt ist, daß er für das Signalfrequenzband einen möglichst hohen Widerstand aufweist. ·
16) Signal-Eingangsschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallel-Resonanzkreis derart abgestimmt ist, daß er für die Bandmittenfrequenz des zu übertragenden Siganlbandes Parallelresonanz aufweist.
17) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanznetzwerk derart ausgebildet ist, daß es den Siganalquellenwiderstand auf einen höheren oder tieferen Wert transformiert.
18) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis

17, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reaktanz im Signalweg eine kapazitive Reaktanz ist.
19) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die, Regelung des Stromes durch das Steuerelement derart erfolgt,, daß die Betriebsleistung, die die Eingangsschaltung erfordert, trotz Regelung weitestgehend konstant bleibt,
20) Signal-Eingangsschaltung nach Anspruch 19 , dadurch gekennzeichnet, daß ein steuerbarer Shuntwiderstand vorgesehen ist, der den Strom durch das Steuerelement steuert»
21) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle vorgesehen ist, die den Strom für das Steuerelement liefert«,
22) Signal-Eingangsschaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle aus der Reihenschaltung einer Spannungsquelle und eines Widerstandes besteht»
23) Signal-Eingangsschaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe als Stromquelle dient ο
24) Signal-Eingangsschaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle Schaltungsteile dienen, die als Hauptfunktion eine andere Funktion haben, die aber gleichzeitig in der Lage sind, den Strom für das Steuerelement zu liefern.
25) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß sie in integrierter Technik ausgeführt ist»
26) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß auch bei Verwendung mehrerer Steuerelemente die Regelung der Ströme durch die Steuerelemente

derart erfolgt, daß die Betriebsleistung, die die Eingangsschaltung erfordert, trotz Regelung weitestgehend konstant bleibt.

2 7) Signal-Eingangsschaltung nach einem der Ansprüche bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbares Shuntelement ein Bipolartransistor oder ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.